Activitatea solară: explozii, pete și vreme cosmică
Linas JuozėnasA distribui
Arca cunoașterii · Univers · Capitolul 08 / Articolul 02
Când Soarele agită cerul nostru.
Vălul aurorei dezvăluie o legătură care se întinde prin spațiu. Urmăriți magnetismul schimbător al Soarelui, deosebiți-i erupțiile și aflați cum afectează activitatea solară viața într-o lume a tehnologiei.
Spațiul din jurul Pământului – un mediu activ
Soarele poate părea liniștit, în timp ce energia magnetică se acumulează în atmosfera sa. Când această energie este eliberată, efectele depind de ceea ce părăsește Soarele și de felul în care ajunge la noi.
Vremea spațială descrie condițiile în schimbare din mediul spațial și impactul lor asupra planetelor, navelor spațiale și tehnologiilor. Activitatea solară este una dintre cauzele sale principale.[1]
În articolul precedent, am urmărit energia care face Soarele să strălucească. Aici urmărim spre exterior activitatea sa magnetică – de la pete întunecate la cerul strălucitor și sistemele care ajută la prognozarea unei furtuni.
De ce devine Soarele agitat?
Soarele este alcătuit în principal din plasmă – materie care conține particule încărcate electric. Rotația și mișcările convective ale sale pun în mișcare această materie conductoare de electricitate și ajută la regenerarea câmpurilor magnetice. Acest proces se numește dinam solar. Rotația diferențială – ecuatorul se rotește mai repede decât polii – ajută la întinderea câmpului, iar convecția rotativă îl modelează, de asemenea. Mecanismul complet al dinamo-ului este încă studiat activ.[2]
Petele solare fac magnetismul vizibil
Câmpurile magnetice puternice pot inhiba transportul convectiv obișnuit al căldurii la suprafață, creând pete solare relativ reci. Pe fundalul fotosferei mai luminoase, ele par întunecate, dar emit totuși multă lumină. O pată matură are o umbră centrală mai întunecată și o penumbră filamentoasă în jurul ei. Câmpurile magnetice din penumbră sunt de obicei mai slabe și mai înclinate spre orizontală decât cele din umbră.[3]
Un ritm neregulat de aproximativ unsprezece ani
Numărul petelor solare crește și scade în decursul unui ciclu de activitate de aproximativ unsprezece ani. Ciclurile diferă ca durată și intensitate. Polaritatea se inversează de la un ciclu la următorul, astfel încât ciclul magnetic durează aproximativ 22 de ani. Maximul solar înseamnă, de regulă, mai multe regiuni active și erupții, iar minimul, o activitate redusă, nu o stea inactivă.[4], [2]
Ce părăsește, de fapt, Soarele?
Câmpurile magnetice dintr-o regiune activă se pot tensiona și pot elibera energie prin reconectare magnetică– o reconfigurare a câmpului. O singură erupție poate produce mai multe semnale. Erupțiile solare și ejecțiile de masă coronală au loc adesea împreună, dar fiecare se poate produce și fără cealaltă.[6]
Radiația erupției: o creștere bruscă a luminozității
O erupție solară este un puseu de radiație electromagnetică pe mai multe lungimi de undă. Lumina sa ajunge pe Pământ în aproximativ opt minute de la emisie. Erupția poate dura de la câteva minute la câteva ore; durata ei este diferită de timpul necesar luminii pentru a ajunge aici. Când un instrument din apropierea Pământului detectează o erupție, fotonii respectivi au ajuns deja aici.[7]
Particule de înaltă energie: o populație mult mai rapidă
Particulele solare de înaltă energie sunt accelerate la energii mult mai mari decât cele ale particulelor obișnuite din vântul solar. Accelerarea lor poate fi produsă de reconectarea magnetică, iar undele de șoc generate de CME-urile rapide au un rol deosebit de important în evenimentele cu particule de mare amploare și de lungă durată. Acestea nu sunt doar marginea din față a materialului principal al CME-ului.[8]
Primele particule foarte rapide pot ajunge în apropierea Pământului în câteva zeci de minute sau chiar mai repede, în timp ce sosirea celorlalte particule se prelungește. O furtună de radiații poate dura ore sau zile.[9]
Ejecțiile de masă coronală: materie care transportă câmpuri magnetice
O ejecție de masă coronală (CME) este un nor în expansiune de plasmă și câmp magnetic. CME-urile foarte rapide, îndreptate spre Pământ, pot ajunge aici în aproximativ 15–18 ore; cele mai lente pot avea nevoie de câteva zile. Pentru a afecta direct Pământul, o CME trebuie să-i intersecteze mediul, iar proprietățile sale magnetice contribuie la stabilirea efectelor.[10]
Cât de puternic este un eveniment solar?
Clasa unei erupții solare măsoară o singură parte a evenimentului
Erupțiile solare sunt clasificate în funcție de fluxul maxim de radiații X măsurat în apropierea Pământului, în intervalul de lungimi de undă de 0,1–0,8 nanometri. Clasele sunt notate cu A, B, C, M, X. Pentru aceeași valoare numerică, fiecare literă următoare reprezintă un flux de zece ori mai mare: fluxul M1 este de zece ori mai mare decât C1. În cadrul aceleiași clase, fluxul maxim al unei erupții X2 este de două ori mai mare decât cel al unei X1. Clasa X nu are o limită superioară.
Această măsurătoare descrie maximul fluxului de radiații X. Nu măsoară nici energia totală a ejecției, nici viteza unei ejecții de masă coronală (CME) și nici nu este o prognoză a perturbării geomagnetice viitoare.[7]
| Scară | Ce descrie | Baza evaluării |
|---|---|---|
| R · Întreruperi ale comunicațiilor radio | Perturbări ale comunicațiilor radio de înaltă frecvență, asociate cu erupțiile solare, pe partea iluminată a Pământului. | Fluxul maxim de radiații X solare. |
| S · Furtuni de radiații solare | Flux crescut de protoni cu energie înaltă. | Fluxul de protoni cu energie peste un prag stabilit. |
| G · Furtuni geomagnetice | Perturbări ale mediului magnetic al Pământului. | Indicele planetar Kp al activității magnetice. |
Fiecare evaluare pe scara NOAA este cuprinsă între 1 (slab) și 5 (extrem). Evaluările descriu pericole diferite, nu etapele succesive ale unei singure furtuni.[11]
De ce reacționează uneori Pământul atât de puternic?
Câmpul magnetic al Pământului modelează regiunea din jurul său, numită magnetosferă. Vântul solar îi comprimă partea orientată spre Soare și îi întinde o coadă lungă în partea opusă. O furtună geomagnetică apare când un transfer neobișnuit de intens de energie din vântul solar perturbă acest sistem.
Contează viteza și intensitatea câmpului magnetic, dar și direcția acestuia. O componentă orientată spre sud, care persistă mult timp în câmpul magnetic care sosește, poate favoriza reconectarea eficientă cu câmpul magnetic al părții diurne a Pământului. Prin această conexiune, energia este transferată în magnetosferă, iar curenții electrici se intensifică. Prin urmare, doar aspectul impresionant al unei ejecții nu permite să se prevadă intensitatea furtunii geomagnetice de pe Pământ.[12]
Aurorele dezvăluie energia care ajunge în atmosferă
Aurorele se formează când particule cu energie înaltă, adesea electroni, se deplasează de-a lungul liniilor câmpului magnetic spre straturile superioare ale atmosferei. Ciocnirile cu aceste particule excită oxigenul și azotul, care emit energie sub formă de lumină. În perioadele de activitate intensă, zona aurorelor se poate extinde mult dincolo de poli.[13]
Coroaninės skylės - o altă sursă de perturbări
Găurile coronale sunt regiuni cu câmp magnetic deschis, din care provin fluxuri de vânt solar rapid. Când un flux rapid ajunge din urmă un vânt mai lent care se deplasează în fața lui, interacțiunea dintre ele comprimă materia și câmpurile magnetice, ceea ce poate provoca activitate geomagnetică. Găurile coronale cu viață lungă pot reapărea pe măsură ce Soarele se rotește; ele sunt frecvente în perioada minimului de activitate solară, astfel că fenomenele meteorologice spațiale nu dispar nici atunci când activitatea petelor solare este mai redusă.[14]
Cum afectează vremea spațială tehnologiile?
Comunicații radio
Radiația X a erupțiilor solare mărește ionizarea în partea inferioară a ionosferei, pe partea Pământului iluminată de Soare. Drept urmare, pot fi absorbite semnalele radio de înaltă frecvență, care altfel ar permite comunicațiile la distanță. Protonii solari de înaltă energie provoacă un alt tip de problemă de absorbție în regiunile polare, astfel că pot fi afectate rutele care se bazează pe comunicații radio la latitudini înalte.[15]
Navigația prin satelit
Semnalele sateliților de navigație traversează ionosfera înainte de a ajunge la receptor. Micile neuniformități ale densității electronilor le pot face să fluctueze în intensitate și fază. Acest proces se numește scintilație. Fluctuațiile puternice pot împiedica receptoarele să urmărească semnalul în mod fiabil, ceea ce face ca determinarea poziției să fie mai puțin precisă sau chiar imposibilă.[16]
Sateliții de pe orbita joasă a Pământului
Încălzirea asociată furtunilor poate extinde straturile superioare ale atmosferei și poate mări densitatea gazelor la altitudinea orbitelor sateliților. În consecință, rezistența aerodinamică sporită modifică mișcarea orbitală și îngreunează realizarea unor prognoze precise. Aceasta este o reacție a atmosferei: un satelit poate întâmpina o rezistență mai mare fără să se ciocnească de un obiect solid.[17]
Rețelele electrice de pe Pământ
Schimbările bruște ale câmpului magnetic induc câmpuri electrice în sol. Acestea pot genera curenți în rețele conductoare lungi, inclusiv în liniile electrice, mărind astfel solicitarea transformatoarelor și îngreunând gestionarea rețelei electrice. Efectul depinde de schimbările locale ale câmpului magnetic, de conductivitatea electrică a solului și de configurația rețelei, nu doar de evaluarea generală a furtunii.[18]
Electronica navelor spațiale și oamenii din afara atmosferei
Particulele încărcate electric pot provoca, de asemenea, acumularea sarcinilor electrice pe suprafața sau în interiorul navelor spațiale, defecțiuni electronice izolate și pot contribui la deteriorarea cauzată de radiații în timp. Aceste mecanisme diferă de efectele rezistenței atmosferice și depind de energia particulelor, mediul orbital, protecția împotriva radiațiilor și proiectare.[19]
Atmosfera Pământului îi protejează în mod fiabil pe oamenii de la sol. Pentru astronauți și, în timpul evenimentelor intense cu particule, și pentru cei care zboară la altitudine mare, în special în apropierea polilor, expunerea la radiații reprezintă o preocupare diferită. Prin urmare, monitorizarea radiațiilor și planificarea misiunilor vizează un alt tip de risc decât perturbările rețelei electrice terestre.[9]
Cum află cei care fac prognoze ce se apropie?
Prognozarea începe cu observarea Soarelui. Imaginile arată regiunile active și erupțiile, iar hărțile câmpului magnetic indică câmpul de la suprafața vizibilă. Coronografele blochează discul solar strălucitor pentru a permite urmărirea materiei care se extinde spre exterior. Aceste observații ajută la estimarea direcției, lățimii și vitezei ejecției de masă coronală (CME).[10]
Modelele ajută la estimarea propagării
Modelele de propagare, precum WSA–Enlil, combină datele despre vântul solar de fond cu condițiile inițiale estimate ale CME. Ele calculează cum se propagă perturbarea spre Pământ și alte locații. Incertitudinea măsurătorilor inițiale și geometria simplificată a erupției duc la incertitudini privind ora sosirii, așa că prognoza trebuie înțeleasă ca o estimare care este actualizată continuu.[20]
Instrumentele aflate în amonte de Pământ măsoară fluxul care se apropie
Instrumentele de observare aflate în amonte de Pământ, în fluxul vântului solar, măsoară viteza, densitatea și direcția câmpului magnetic. Ele arată dacă un câmp care se apropie creează condițiile pentru un răspuns geomagnetic puternic. În funcție de viteza vântului solar, de obicei este posibilă o avertizare cu câteva minute până la câteva zeci de minute înainte.[13]
Nu există un singur interval universal de avertizare prealabilă pentru o „furtună solară”. Lumina, particulele energetice și masa principală de plasmă sosesc la momente diferite, așa că fiecare dintre aceste fenomene necesită observații distincte. O prognoză utilă precizează atât ce se așteaptă, cât și cât de sigură este această estimare.
Ce ne-au învățat furtunile puternice?
| Eveniment | Ce s-a observat | Ce ne ajută să înțelegem |
|---|---|---|
| 1859 · Furtunile din vremea lui Carrington | Fulgurații aurorale vizibile pe suprafețe extinse, perturbări magnetice și defecțiuni ale sistemelor telegrafice. | Activitatea solară ar fi putut afecta rețelele conductoare de electricitate de lungă distanță chiar înainte de apariția electronicii moderne.[21] |
| Martie 1989 · Québec | O furtună geomagnetică a provocat prăbușirea sistemului energetic electric Hydro-Québec. | Contează nu doar indicii globali ai furtunilor, ci și schimbările rapide locale ale câmpului magnetic și reacția rețelei electrice.[22] |
| 2003 · Furtunile de Halloween | Seria de erupții a afectat navele spațiale, comunicațiile radio, navigația și activitățile de pe Pământ. | Mai multe erupții pot provoca o perioadă îndelungată în care apar simultan diverse pericole care se suprapun.[23] |
| Mai 2024 · Activitate intensă | Fulgurații aurorale cu vizibilitate neobișnuit de extinsă au fost însoțite de dilatarea atmosferei și de dificultăți pentru operatorii de sateliți. | O furtună poate fi un spectacol impresionant și, în același timp, poate schimba mediul în care orbitează navele spațiale.[24] |
Descrierea unui eveniment ca fiind „asemănător cu evenimentul Carrington” poate ascunde incertitudinea. Măsurătorile istorice sunt incomplete, iar estimările intensității furtunii din 1859 diferă. Aceste incertitudini se reflectă și în estimările privind frecvența evenimentelor extreme de amploare similară. Datele disponibile arată că evenimentele intense trebuie luate în serios, dar nu permit stabilirea cu încredere a datei următorului eveniment de acest fel.[25]
Aceste cazuri arată relevanța practică a științei. Măsurătorile, ingineria și deciziile operaționale sunt interconectate: din punct de vedere practic, este important să ne întrebăm cum reacționează un anumit sistem la o anumită perturbație.
Cum se manifestă vremea spațială dincolo de Pământ?
Același Soare activ afectează și alte planete, dar reacția fiecăreia depinde de atmosfera și mediul magnetic proprii. Marte nu are un câmp magnetic global asemănător celui al Pământului. Prin urmare, particulele solare pot afecta o parte mult mai mare a atmosferei sale.
În timpul unei perioade de activitate solară intensă, în mai 2024, sonda spațială MAVEN a NASA a observat aurore ultraviolete pe întregul Marte, iar roverul Curiosity a înregistrat niveluri ridicate de radiații la suprafața planetei. Aceste observații au asociat o erupție solară cu măsurători efectuate pe o altă lume.[26]
Când explorăm spațiul dincolo de Pământ, înțelegerea interacțiunilor dintre Soare și planete ajută la interpretarea măsurătorilor științifice și la planificarea activităților navelor spațiale și echipajelor. Cercetările NASA privind vremea spațială acoperă și aceste domenii mai largi de aplicare din Sistemul Solar.[1]
Astfel revenim la principiul deja cunoscut: distanța singură nu determină rezultatul. Contează și câmpurile magnetice, atmosferele, traiectoria perturbației și sistemul cu care aceasta interacționează.
Surse și lecturi suplimentare
Cercetări științifice primare și materiale explicative realizate de instituții, care susțin procesele fizice, metodele de prognoză și exemplele istorice descrise în acest articol.
- NASA – Vremea spațialăInfluența Soarelui asupra mediului spațial, tehnologiei și explorării spațiului.
- Centrul Marshall al NASA – Mecanismul dinamului solarCum fluxurile de plasmă conductoare electric, rotația diferențială și convecția regenerează câmpul magnetic al Soarelui; mecanismul dinamului rămâne un subiect de cercetare activă.
- Centrul Marshall al NASA – Structuri fotosfericeUmbrele și penumbrele petelor solare, temperaturile și câmpurile lor magnetice, precum și granulația vizibilă în fotosferă.
- Centrul Marshall al NASA – Ciclul petelor solareCiclul petelor solare, de aproximativ unsprezece ani, și benzile de latitudine care se deplasează spre ecuator în diagrama fluture.
- NASA – Soarele provoacă încălzirea globală?Diferențierea dintre variabilitatea solară și cauzele încălzirii globale recente.
- NASA – Furtuni și erupții solareO introducere ilustrată care explică diferențele dintre lumina erupțiilor, particulele cu energie înaltă și ejecțiile de masă coronală, precum și timpii diferiți de propagare.
- NOAA Centrul de prognoză a vremii spațiale – Erupții solare (perturbări ale comunicațiilor radio)Durata și clasificarea erupțiilor de la A la X, în funcție de fluxul maxim de radiații X măsurat de GOES în intervalul de lungimi de undă de 0,1–0,8 nanometri.
- David V. Reames – Particule solare cu energie înaltă (2017)Descriere destinată specialiștilor a accelerării particulelor prin reconectare magnetică și prin undele de șoc generate de CME, inclusiv date despre originea evenimentelor de particule de mare anvergură.
- NOAA Centrul de prognoză a vremii spațiale – Furtună de radiații solareProtonii solari cu energie înaltă pot ajunge în câteva zeci de minute sau mai repede, iar furtunile de particule pot dura de la câteva ore la câteva zile.
- NOAA Centrul de prognoză a vremii spațiale – Ejecții de masă coronalăNori de plasmă și câmp magnetic în expansiune, timpul necesar pentru a ajunge la Pământ și undele de șoc care pot accelera particulele încărcate electric.
- NOAA – Scările vremii spațialeScările separate R, S și G descriu perturbațiile comunicațiilor radio, furtunile de radiații solare și furtunile geomagnetice.
- NOAA – Furtuni geomagneticeTransferul energiei vântului solar, câmpurile magnetice orientate spre sud, fluxurile de mare viteză și schimbările din mediul magnetic al Pământului.
- NOAA – Ghid introductiv despre auroreFormarea strălucirii aurorelor, perturbațiile recurente ale vântului solar și limitele diferite ale prognozelor pe termen scurt și pe termen mai lung.
- Centrul NOAA de prognoză a vremii spațiale – Găuri coronaleRegiunile cu câmp magnetic deschis sunt sursa fluxurilor rapide de vânt solar; găurile coronale persistente sunt frecvente în apropierea minimului de activitate solară.
- NOAA – Comunicații radio cu unde scurte (HF)Absorbția undelor radio în partea diurnă a Pământului din cauza radiației X a erupțiilor solare și absorbția la latitudini înalte din cauza protonilor solari de mare energie.
- NOAA — Scintilația ionosfericăStructura fină a densității electronilor modifică semnalele radio și poate perturba navigația prin satelit.
- NOAA — Rezistența atmosferică exercitată asupra satelițilorÎncălzirea straturilor superioare ale atmosferei, creșterea densității la altitudinea de zbor a sateliților și modificările orbitelor joase ale Pământului.
- NOAA — Transportul energiei electriceCum induc câmpurile magnetice variabile curenți în rețelele conductoare de electricitate și cum influențează caracteristicile solului și ale rețelei electrice efectele acestora.
- NOAA — Sistem de expertiză pentru anomaliile de funcționare ale navelor spațiale provocate de mediu – în timp realDistinge încărcarea electrostatică la suprafață, încărcarea electrostatică internă, perturbațiile provocate de particule individuale și efectele cumulative ale radiațiilor.
- NASA CCMC — Modelul WSA–Enlil la SWPCHărțile magnetice și parametrii ejecțiilor de masă coronală (CME), determinați pe baza datelor coronografice, sunt utilizați ca date de intrare pentru modelul de propagare a vântului solar; prognozele sale rămân afectate de incertitudini privind datele de intrare și geometria.
- Green și Boardsen (2006) — Durata și amploarea marii furtuni aurorale din 1859Observații istorice ale aurorelor, câmpului magnetic și funcționării telegrafului în timpul perturbărilor din 1859.
- Boteler (2019) — O perspectivă din secolul XXI asupra furtunii magnetice din martie 1989Reconstituie evoluția furtunii și impactul acesteia asupra sistemului Hydro-Québec și a altor rețele electrice.
- NOAA — Amintindu-ne de marile furtuni solare de HalloweenO prezentare generală a erupțiilor din 2003 și a impactului lor asupra navelor spațiale, comunicațiilor și infrastructurii.
- ESA — Furtuna solară din mai 2024: răspunsuri la întrebările dumneavoastrăExplică aurorele, expansiunea atmosferei și provocările operaționale din timpul furtunii.
- Love și colab. (2024) — Despre incertitudinea estimării intensității furtunii Carrington din 1859Arată cum incertitudinea privind intensitatea furtunilor istorice influențează estimările frecvenței evenimentelor extreme.
- NASA observă cum Marte se luminează în timpul unei furtuni solare spectaculoaseMăsurători ale radiațiilor și ale aurorelor extinse de pe Marte în timpul activității solare din mai 2024.
Dinamica și viitorul Sistemului Solar
- Structura și ciclul de viață al Soarelui
- Activitatea solară: erupții, pete și vreme spațială · Sunteți aici
- Orbitele planetare și rezonanțele
- Impacturile asteroizilor și cometelor
- Ciclurile climatice planetare
- Faza de gigantă roșie: soarta planetelor interioare
- Centura Kuiper și Norul Oort
- Zone potențial locuibile dincolo de Pământ
- Explorarea umană: trecut, prezent și viitor
- Evoluția pe termen lung a Sistemului Solar