Saules aktivitāte: uzliesmojumi, plankumi un kosmiskie laika apstākļi
Linas JuozėnasDalīties
Zināšanu arka · Visums · 08. nodaļa / 02. raksts
Kad Saule satricina mūsu debesis.
Polārblāzmu aizkars atklāj saikni, kas stiepjas cauri kosmosam. Sekojiet līdzi mainīgajam Saules magnētismam, atšķiriet tās izvirdumus un uzziniet, kā Saules aktivitāte ietekmē dzīvi tehnoloģiju pasaulē.
Telpa ap Zemi ir aktīva vide
Saule var šķist mierīga, kamēr tās atmosfērā uzkrājas magnētiskā enerģija. Kad šī enerģija atbrīvojas, sekas ir atkarīgas no tā, kas atstāj Sauli un kā tas mūs sasniedz.
Kosmiskie laikapstākļi raksturo mainīgos apstākļus kosmiskajā vidē un to ietekmi uz planētām, kosmosa kuģiem un tehnoloģijām. Saules aktivitāte ir viens no galvenajiem to cēloņiem.[1]
Iepriekšējā rakstā mēs sekojām enerģijai, kas liek Saulei spīdēt. Šeit mēs sekojam tās magnētiskajai aktivitātei tālāk – no tumšiem plankumiem līdz mirdzošām debesīm un sistēmām, kas palīdz prognozēt vētru.
Kāpēc Saule kļūst nemierīga?
Sauli galvenokārt veido plazma– viela, kas sastāv no elektriski lādētām daļiņām. Tās rotācija un konvektīvās kustības kustina šo elektrību vadošo vielu un palīdz atjaunot magnētiskos laukus. Šo procesu sauc par Saules dinamo. Diferenciālā rotācija – ekvatoram griežoties ātrāk nekā poliem – palīdz izstiept lauku, un to veido arī rotējošā konvekcija. Dinamo darbības mehānisms joprojām tiek aktīvi pētīts.[2]
Saules plankumi padara magnētismu redzamu
Spēcīgi magnētiskie lauki var kavēt ierasto konvektīvo siltuma piegādi pie virsmas, radot salīdzinoši vēsas Saules plankumu vietas. Uz spožākās fotosfēras fona tie izskatās tumši, taču joprojām izstaro daudz gaismas. Nobriedušam plankumam ir tumšāks centrālais umbra apgabals un to ieskaujoša šķiedraina penumbra. Magnētiskie lauki penumbrā parasti ir vājāki un vairāk slīpi horizontāles virzienā nekā umbra apgabalā.[3]
Neregulārs aptuveni vienpadsmit gadu ritms
Saules plankumu skaits palielinās un samazinās aptuveni vienpadsmit gadu aktivitātes ciklā. Cikli atšķiras pēc ilguma un intensitātes. Polaritātes raksts starp blakus cikliem apvēršas, tāpēc magnētiskais cikls ilgst aptuveni 22 gadus. Saules maksimums parasti nozīmē vairāk aktīvo apgabalu un izvirdumu, savukārt minimums – samazinātu aktivitāti, nevis neaktīvu zvaigzni.[4], [2]
Kas iš tikrųjų palieka Saulę?
Aktyvios srities magnetiniai laukai gali įsitempti ir išlaisvinti energiją per magnetinį persijungimą– lauko persitvarkymą. Vienas išsiveržimas gali sukurti kelis signalus. Žybsniai ir vainikinės masės išmetimai dažnai vyksta kartu, tačiau vienas gali įvykti ir be kito.[6]
Žybsnio spinduliavimas: staigus šviesos padidėjimas
Saulės žybsnis – tai elektromagnetinio spinduliavimo pliūpsnis daugelyje bangos ilgių. Jo šviesa pasiekia Žemę maždaug per aštuonias minutes nuo išspinduliavimo. Žybsnis gali trukti nuo minučių iki valandų; jo trukmė skiriasi nuo šviesos kelionės laiko. Kai prie Žemės esantis prietaisas aptinka žybsnį, tie fotonai jau yra čia.[7]
Didelės energijos dalelės: daug greitesnė populiacija
Didelės energijos Saulės dalelės pagreitinamos iki daug didesnių energijų nei įprastos Saulės vėjo dalelės. Jas gali greitinti magnetinis persijungimas, o greitų CME sukeltos smūginės bangos ypač svarbios dideliuose, ilgalaikiuose dalelių įvykiuose. Jos nėra vien priekinis pagrindinės CME medžiagos kraštas.[8]
Pirmosios labai greitos dalelės gali pasiekti Žemės apylinkes per keliasdešimt minučių ar greičiau, o kitų dalelių atvykimas išsitęsia ilgesniam laikui. Radiacinė audra gali tęstis valandas ar dienas.[9]
Vainikinės masės išmetimai: magnetinius laukus nešanti medžiaga
Saulės vainikinės masės išmetimas, arba CME, – tai besiplečiantis plazmos ir magnetinio lauko debesis. Itin greiti į Žemę nukreipti CME gali atskrieti maždaug per 15–18 valandų; lėtesniems gali prireikti kelių dienų. Kad tiesiogiai paveiktų Žemę, CME turi kirsti jos aplinką, o jo magnetinės savybės padeda nulemti padarinius.[10]
Kokio stiprumo Saulės įvykis?
Žybsnio klasė matuoja vieną įvykio aspektą
Žybsniai klasifikuojami pagal didžiausią prie Žemės išmatuotą rentgeno spinduliuotės srautą 0,1–0,8 nanometro bangos ilgių ruože. Klasės žymimos A, B, C, M, X. Esant tai pačiai skaitinei vertei, kiekviena paskesnė raidė reiškia dešimt kartų didesnį srautą: M1 srautas yra dešimt kartų didesnis nei C1. Toje pačioje klasėje X2 didžiausias srautas yra dukart didesnis nei X1. X klasė neturi viršutinės ribos.
Šis matavimas apibūdina didžiausią rentgeno spinduliuotės srautą. Tai nėra nei bendros išsiveržimo energijos, nei vainikinės masės išmetimo (CME) greičio matas, nei būsimo geomagnetinio sutrikimo prognozė.[7]
| Skalė | Ką apibūdina | Vertinimo pagrindas |
|---|---|---|
| R · Radijo ryšio nutrūkimai | Su žybsniais susiję aukštojo dažnio radijo ryšio sutrikimai Saulės apšviestoje Žemės pusėje. | Didžiausias Saulės rentgeno spinduliuotės srautas. |
| S · Saulės radiacinės audros | Padidėjęs didelės energijos protonų srautas. | Protonų, kurių energija viršija nustatytą slenkstį, srautas. |
| G · Geomagnetinės audros | Žemės magnetinės aplinkos sutrikimai. | Planetinis geomagnetinio aktyvumo Kp indeksas. |
Kiekvienos NOAA skalės įverčiai svyruoja nuo 1 (silpnas) iki 5 (ekstremalus). Įverčiai apibūdina skirtingus pavojus, o ne vienos audros nuoseklius etapus.[11]
Kodėl Žemė kartais reaguoja stipriai?
Žemės magnetinis laukas formuoja aplinkinę sritį, vadinamą magnetosfera. Saulės vėjas suspaudžia į Saulę atsuktą jos pusę, o priešingoje pusėje ištęsia ilgą uodegą. Geomagnetinė audra kyla, kai neįprastai intensyvus energijos perdavimas iš Saulės vėjo sutrikdo šią sistemą.
Svarbūs greitis ir magnetinio lauko stipris, tačiau svarbi ir jo kryptis. Ilgai išliekanti į pietus nukreipta dedamoji atplūstančiame magnetiniame lauke gali sudaryti sąlygas veiksmingam persijungimui su Žemės dieninės pusės magnetiniu lauku. Per šią jungtį energija perduodama į magnetosferą ir sustiprėja elektros srovės. Todėl vien įspūdingas išsiveržimo vaizdas neleidžia prognozuoti audros stiprumo Žemėje.[12]
Pašvaistės parodo atmosferą pasiekiančią energiją
Pašvaistės susidaro, kai didelės energijos dalelės, dažnai elektronai, juda magnetinio lauko linijomis į viršutinius atmosferos sluoksnius. Susidūrimai su šiomis dalelėmis sužadina deguonies ir azoto atomus, kurie energiją išspinduliuoja šviesos pavidalu. Esant stipriam aktyvumui, pašvaisčių sritis gali gerokai išsiplėsti už poliarinių sričių ribų.[13]
Vainikinių skylių poveikis – dar vienas sutrikimų šaltinis
Vainaga caurumi ir apgabali ar atvērtu magnētisko lauku, no kuriem plūst ātras Saules vēja plūsmas. Kad ātrā plūsma panāk lēnāko vēju, kas plūst tai pa priekšu, to mijiedarbība saspiež materiālu un magnētiskos laukus, un tas var izraisīt ģeomagnētisko aktivitāti. Ilgstoši vainaga caurumi var parādīties atkārtoti, Saulei rotējot; tie ir bieži Saules aktivitātes minimuma laikā, tāpēc kosmisko laikapstākļu parādības nepazūd arī tad, kad Saules plankumu aktivitāte ir mazāka.[14]
Kā kosmiskie laikapstākļi ietekmē tehnoloģijas?
Radiosakari
Uzliesmojumu rentgenstarojums palielina jonizāciju jonosfēras apakšējā daļā Zemes Saules apspīdētajā pusē. Tāpēc var tikt absorbēti augstfrekvences radio signāli, kas citādi nodrošinātu tālsakarus. Augstas enerģijas Saules protoni izraisa cita veida absorbcijas problēmas polārajos reģionos, tāpēc var tikt ietekmēti maršruti, kuros izmanto radiosakarus augstajos platuma grādos.[15]
Satelītnavigācija
Navigācijas satelītu signāli pirms uztvērēja sasniegšanas šķērso jonosfēru. Nelielas elektronu blīvuma nevienmērības var izraisīt signāla stipruma un fāzes svārstības. Šo procesu sauc par scintilāciju. Spēcīgu svārstību dēļ uztvērēji var nespēt droši uztvert signālu, tāpēc pozicionēšana kļūst mazāk precīza vai pavisam neiespējama.[16]
Satelīti zemajā Zemes orbītā
Ar vētrām saistītā sasilšana var izplest atmosfēras augšējos slāņus un palielināt gāzes blīvumu satelītu orbītu augstumā. Tāpēc palielinātā aerodinamiskā pretestība maina orbitālo kustību un apgrūtina precīzas prognozes. Tā ir atmosfēras reakcija: satelīts var saskarties ar lielāku pretestību, nesaduroties ar cietu objektu.[17]
Zemes elektrotīkli
Pēkšņas magnētiskā lauka izmaiņas zemē inducē elektriskos laukus. Tie var radīt strāvas garos vadošos tīklos, tostarp elektrolīnijās, tā palielinot transformatoru slodzi un apgrūtinot elektrotīkla pārvaldību. Ietekme ir atkarīga no vietējām magnētiskā lauka izmaiņām, grunts elektrovadītspējas un tīkla uzbūves, nevis tikai no kopējā vētras novērtējuma.[18]
Kosmosa kuģu elektronika un cilvēki ārpus atmosfēras
Lādētas daļiņas var izraisīt arī elektriskā lādiņa uzkrāšanos uz kosmosa kuģu virsmas vai to iekšienē, atsevišķus elektronikas darbības traucējumus un veicināt ilgtermiņa radiācijas bojājumus. Šie mehānismi atšķiras no atmosfēras pretestības ietekmes un ir atkarīgi no daļiņu enerģijas, orbitālās vides, aizsardzības pret radiāciju un konstrukcijas.[19]
Zemes atmosfēra droši aizsargā cilvēkus uz zemes. Astronautiem un spēcīgu daļiņu notikumu laikā arī cilvēkiem, kas lido lielā augstumā, īpaši polu tuvumā, radiācijas iedarbība rada citas bažas. Tāpēc radiācijas novērošana un misiju plānošana ir saistīta ar citādiem apdraudējumiem nekā zemes elektrotīkla darbības traucējumi.[9]
Kā prognozētāji uzzina, kas tuvojas?
Prognozēšana sākas ar Saules novērojumiem. Attēlos redzami aktīvie apgabali un izvirdumi, bet magnētiskā lauka kartes rāda lauku redzamajā virsmā. Koronogrāfi aizsedz spožo Saules disku, lai varētu sekot uz āru izplešamajai vielai. Šie novērojumi palīdz novērtēt koronālās masas izmešanas (CME) virzienu, platumu un ātrumu.[10]
Modeļi palīdz novērtēt izplatīšanos
Izplatīšanās modeļi, piemēram, WSA–Enlil, apvieno pamatā esošā Saules vēja datus ar aplēstajiem CME sākotnējiem nosacījumiem. Tie aprēķina, kā traucējums izplatās Zemes un citu vietu virzienā. Sākotnējo mērījumu nenoteiktība un vienkāršota izvirduma ģeometrija rada nenoteiktību ierašanās laikā, tāpēc prognoze jāuztver kā nepārtraukti precizēts novērtējums.[20]
Instrumenti Zemes priekšā mēra tuvojošos plūsmu
Novērošanas instrumenti, kas atrodas augšup no Zemes Saules vēja plūsmā, mēra ātrumu, blīvumu un magnētiskā lauka virzienu. Tie parāda, vai tuvojošais lauks rada apstākļus spēcīgai ģeomagnētiskai reakcijai. Atkarībā no Saules vēja ātruma brīdinājumu parasti var izsludināt no dažām līdz vairākām desmitām minūšu iepriekš.[13]
Nav viena universāla brīdinājuma laika par „Saules vētru”. Gaisma, augstas enerģijas daļiņas un galvenā plazmas masa pienāk dažādos laikos, tāpēc katrai no šīm parādībām nepieciešami atsevišķi novērojumi. Noderīga prognoze norāda gan to, kas gaidāms, gan to, cik uzticamas ir šīs gaidas.
Ko mums iemācīja spēcīgas vētras?
| Notikums | Kas tika reģistrēts | Ko tas palīdz saprast |
|---|---|---|
| 1859. gads · Karingtona laika vētras | Plaši novērojami ziemeļblāzmas, magnētiskie traucējumi un telegrāfa sistēmu darbības traucējumi. | Saules aktivitāte varēja ietekmēt plašus elektrību vadošus tīklus vēl pirms mūsdienu elektronikas parādīšanās.[21] |
| 1989. gada marts · Kvebeka | Ģeomagnētiskā vētra izraisīja „Hydro-Québec” elektroenerģijas sistēmas sabrukumu. | Svarīgi ir ne tikai globālie vētru indeksi, bet arī straujas vietējā magnētiskā lauka izmaiņas un elektrotīkla reakcija.[22] |
| 2003. gads · Helovīna vētras | Izvirdumu secība ietekmēja kosmiskos aparātus, radiosakarus, navigāciju un darbību uz Zemes. | Vairāki izvirdumi var izraisīt ilgstošu periodu, kad vienlaikus rodas dažādi, pārklājošies apdraudējumi.[23] |
| 2024. gada maijs · Intensīva aktivitāte | Neparasti plaši novērojami ziemeļblāzmas pavadoja atmosfēras izplešanās un grūtības satelītu operatoriem. | Vētra var būt iespaidīgs skats un vienlaikus mainīt vidi, kurā riņķo orbitālie kosmosa kuģi.[24] |
Apzīmējot notikumu par „Karingtona notikumam līdzīgu”, var noslēpt nenoteiktību. Vēsturiskie mērījumi ir nepilnīgi, un vērtējumi par 1859. gada vētras intensitāti atšķiras. Šī nenoteiktība ietekmē arī vērtējumus par to, cik bieži notiek līdzīga mēroga ekstrēmi notikumi. Pieejamie dati liecina, ka spēcīgi notikumi jāuztver nopietni, taču tie neļauj droši noteikt nākamā šāda notikuma datumu.[25]
Šie gadījumi atklāj zinātnes praktisko nozīmi. Mērījumi, inženierija un darbības lēmumi ir savstarpēji saistīti: praktiski ir svarīgi jautāt, kā konkrēta sistēma reaģē uz konkrētu traucējumu.
Kā kosmiskie laikapstākļi izpaužas ārpus Zemes?
Tā pati aktīvā Saule ietekmē arī citas planētas, taču katras planētas reakcija ir atkarīga no tās atmosfēras un magnētiskās vides. Marsam nav Zemei līdzīga globāla magnētiskā lauka. Tāpēc Saules daļiņas var ietekmēt daudz lielāku tā atmosfēras daļu.
Spēcīgas Saules aktivitātes laikā, 2024. gada maijā, NASA kosmosa kuģis MAVEN novēroja ultravioletas polārblāzmas uz visas Marsa virsmas, bet marsagājējs „Curiosity” reģistrēja paaugstinātu starojuma līmeni uz tā virsmas. Šie novērojumi sasaistīja izvirdumu uz Saules ar mērījumiem uz citas pasaules.[26]
Pētot telpu ārpus Zemes, Saules un planētu mijiedarbības izpratne palīdz interpretēt zinātniskos mērījumus un plānot kosmosa kuģu un apkalpju darbību. NASA kosmisko laikapstākļu pētījumi aptver arī šīs plašākās pielietojuma jomas Saules sistēmā.[1]
Tādējādi atgriežamies pie jau zināmā principa: rezultātu nenosaka tikai attālums. Svarīgi ir arī magnētiskie lauki, atmosfēras, traucējuma ceļš un sistēma, ar kuru tas sastopas.
Avoti un papildu literatūra
Sākotnējie zinātniskie pētījumi un iestāžu sagatavoti skaidrojoši materiāli, kas pamato šajā rakstā aprakstītos fizikālos procesus, prognozēšanas metodes un vēsturiskos piemērus.
- NASA – Kosmiskie laikapstākļiSaules ietekme uz kosmisko vidi, tehnoloģijām un kosmosa izpēti.
- NASA Māršala centrs – Saules dinamo mehānismsKā elektrību vadošas plazmas plūsmas, diferenciālā rotācija un konvekcija atjauno Saules magnētisko lauku; dinamo mehānisms joprojām ir aktīvu pētījumu objekts.
- NASA Māršala centrs – Fotosfēras veidojumiSaules plankumu ēnas un pusēnas, to temperatūra un magnētiskie lauki, kā arī fotosfērā redzamā granulācija.
- NASA Māršala centrs – Saules plankumu ciklsAptuveni vienpadsmit gadus ilgais Saules plankumu cikls un platuma joslas, kas tauriņa diagrammā virzās ekvatora virzienā.
- NASA – Vai Saule izraisa globālo sasilšanu?Izšķirtas Saules mainīguma un nesenās globālās sasilšanas cēloņu atšķirības.
- NASA – Saules vētras un uzliesmojumiIlustrēts ievads, kurā izskaidrotas atšķirības starp uzliesmojumu gaismu, augstas enerģijas daļiņām un koronālās masas izmešanu, kā arī to atšķirīgo izplatīšanās ilgumu.
- NOAA Kosmisko laikapstākļu prognožu centrs – Saules uzliesmojumi (radiosakaru traucējumi)Uzliesmojumu ilgums un klasifikācija no A līdz X pēc maksimālās rentgenstarojuma plūsmas, ko GOES mēra 0,1–0,8 nanometru viļņu garuma diapazonā.
- David V. Reames – Augstas enerģijas Saules daļiņas (2017)Speciālistiem paredzēts apraksts par daļiņu paātrināšanos magnētiskās pārslēgšanās un koronālās masas izmešanas radītu triecienviļņu ietekmē, tostarp dati par liela mēroga daļiņu notikumu izcelsmi.
- NOAA Kosmisko laikapstākļu prognožu centrs – Saules radiācijas vētraAugstas enerģijas Saules protoni var atlidot dažu desmitu minūšu laikā vai ātrāk, bet daļiņu vētras var ilgt no dažām stundām līdz vairākām dienām.
- NOAA Kosmisko laikapstākļu prognožu centrs – Koronālās masas izmešanaIzplešas plazmas un magnētiskā lauka mākoņi, to ceļā līdz Zemei pavadītais laiks un triecienviļņi, kas var paātrināt lādētas daļiņas.
- NOAA – Kosmisko laikapstākļu skalasAtsevišķās R, S un G skalas raksturo radiosakaru traucējumus, Saules radiācijas vētras un ģeomagnētiskās vētras.
- NOAA – Ģeomagnētiskās vētrasSaules vēja enerģijas pārnese, uz dienvidiem vērsti magnētiskie lauki, ātrgaitas plūsmas un izmaiņas Zemes magnētiskajā vidē.
- NOAA – Ziemeļblāzmas pamatiZiemeļblāzmas spīduma veidošanās, atkārtoti Saules vēja traucējumi un īstermiņa un ilgtermiņa prognožu atšķirīgās robežas.
- NOAA Kosmisko laikapstākļu prognožu centrs – Koronas caurumiAtvērtā magnētiskā lauka apgabali ir ātru Saules vēja plūsmu avots; ilgstoši koronas caurumi ir bieži Saules aktivitātes minimuma laikā.
- NOAA – Īsviļņu (HF) radiosakariRadioviļņu absorbcija Zemes dienas pusē uzliesmojumu rentgenstarojuma dēļ un absorbcija augstajos platuma grādos augstas enerģijas Saules protonu dēļ.
- NOAA — Jonosfēras scintilācijaSmalkā elektronu blīvuma struktūra maina radiosignālus un var traucēt satelītnavigāciju.
- NOAA — Atmosfēras pretestība, ko izjūt satelītiAugšējās atmosfēras sasilšana, palielināts blīvums satelītu lidojuma augstumā un izmaiņas zemajās Zemes orbītās.
- NOAA — Elektros energijos perdavimasKaip kintantys magnetiniai laukai indukuoja sroves elektrai laidžiuose tinkluose ir kaip jų poveikį lemia grunto bei elektros tinklo īpašības.
- NOAA — Aplinkos sukeltų erdvėlaivių veikimo anomalijų ekspertinė sistema – realiuoju laikuSkiria paviršiaus įsielektrinimą, vidinį įsielektrinimą, pavienių dalelių sukeltus trikdžius ir kaupiamąjį spinduliuotės poveikį.
- NASA CCMC — WSA–Enlil modelis SWPC centrāMagnētiskās kartes un pēc koronogrāfu datiem noteiktie koronālās masas izvirdumu (CME) parametri tiek izmantoti kā ievaddati Saules vēja izplatīšanās modelī; tā prognozēs saglabājas ievaddatu un ģeometrijas nenoteiktība.
- Green un Boardsen (2006) — 1859. gada lielās polārblāzmu vētras ilgums un mērogsVēsturiskie polārblāzmu, magnētiskā lauka un telegrāfa darbības novērojumi 1859. gada traucējumu laikā.
- Boteler (2019) — 1989. gada marta magnētiskā vētra 21. gadsimta skatījumāRekonstruēta vētras norise un tās ietekme uz „Hydro-Québec” sistēmu un citiem elektrotīkliem.
- NOAA — Atceroties lielās Helovīna Saules vētrasApskatīti 2003. gada izvirdumi un to ietekme uz kosmosa kuģiem, sakariem un infrastruktūru.
- ESA — 2024. gada maija Saules vētra: atbildes uz jūsu jautājumiemIzskaidrotas polārblāzmas, atmosfēras izplešanās un darbības izaicinājumi vētras laikā.
- Love u. c. (2024) — Par 1859. gada Keringtona vētras intensitātes aplēses nenoteiktībuParādīts, kā vēsturiskās vētras intensitātes nenoteiktība ietekmē ekstrēmu notikumu biežuma aplēses.
- NASA vēro, kā iespaidīgas Saules vētras laikā iemirdzas MarssRadiācijas un plaši izplatīto Marsa polārblāzmu mērījumi Saules aktivitātes laikā 2024. gada maijā.
Saules sistēmas dinamika un nākotne
- Saules uzbūve un dzīves cikls
- Saules aktivitāte: uzliesmojumi, plankumi un kosmiskie laikapstākļi · Jūs esat šeit
- Planētu orbītas un rezonanses
- Asteroīdu un komētu triecieni
- Planētu klimata cikli
- Sarkanā milža fāze: iekšējo planētu liktenis
- Koipera josla un Orta mākonis
- Potenciāli apdzīvojamas zonas ārpus Zemes
- Cilvēces pētījumi: pagātne, tagadne un nākotne
- Saules sistēmas ilgtermiņa evolūcija