Sunčeva aktivnost: erupcije, pege i svemirsko vreme
Linas JuozėnasДелити
Arhiva znanja · Svemir · Poglavlje 08 / Članak 02
Kada Sunce uzburka naše nebo.
Zavesa polarne svetlosti otkriva vezu koja se proteže kroz svemir. Pratite promenljivi Sunčev magnetizam, razlikujte njegove erupcije i saznajte kako Sunčeva aktivnost utiče na život u svetu tehnologije.
Svemir oko Zemlje je aktivno okruženje
Sunce može delovati mirno dok se u njegovoj atmosferi nagomilava magnetna energija. Kada se ta energija oslobodi, posledice zavise od toga šta napušta Sunce i kako stiže do nas.
Svemirsko vreme opisuje promenljive uslove u svemirskom okruženju i njihov uticaj na planete, svemirske letelice i tehnologiju. Sunčeva aktivnost jedan je od njihovih glavnih uzroka.[1]
U prethodnom članku pratili smo energiju zbog koje Sunce sija. Ovde pratimo njegovu magnetnu aktivnost ka spolja – od tamnih pega do svetlećeg neba i sistema koji pomažu u predviđanju oluje.
Zašto Sunce postaje nemirno?
Sunce se uglavnom sastoji od plazme– materije sa naelektrisanim česticama. Njegova rotacija i konvektivna kretanja pomeraju ovu električno provodljivu materiju i pomažu u obnavljanju magnetnih polja. Ovaj proces se naziva solarna dinamo. Diferencijalna rotacija – pri čemu se ekvator okreće brže od polova – pomaže da se polje razvuče, a konvekcija koja se okreće takođe ga oblikuje. Čitav mehanizam rada dinama i dalje se aktivno istražuje.[2]
Sunčeve pege čine magnetizam vidljivim
Jaka magnetna polja mogu da potisnu uobičajeni konvektivni prenos toplote pri površini, stvarajući relativno hladne Sunčeve pege. Na pozadini svetlije fotosfere izgledaju tamno, ali i dalje emituju mnogo svetlosti. Razvijena pega ima tamniji centralni umbra deo i oko njega vlaknastu penumbru. Magnetna polja penumbre obično su slabija i više nagnuta ka horizontali nego u oblasti umbre.[3]
Nepravilan ritam od približno jedanaest godina
Broj Sunčevih pega raste i opada tokom približno jedanaestogodišnjeg ciklusa aktivnosti. Ciklusi se razlikuju po trajanju i jačini. Obrazac polariteta obrće se između susednih ciklusa, pa magnetni ciklus traje oko 22 godine. Solarni maksimum obično znači više aktivnih područja i erupcija, a minimum smanjenu aktivnost, ne neaktivnu zvezdu.[4], [2]
Šta zaista napušta Sunce?
Magnetna polja aktivnog područja mogu se zategnuti i osloboditi energiju kroz magnetno prespajanje– preuređivanje polja. Jedna erupcija može proizvesti više signala. Baklje i izbacivanja koronalne mase često se javljaju zajedno, ali jedno se može dogoditi i bez drugog.[6]
Zračenje baklje: naglo pojačanje svetlosti
Solarna baklja je bljesak elektromagnetnog zračenja na mnogim talasnim dužinama. Njena svetlost stiže do Zemlje za oko osam minuta od emitovanja. Baklja može trajati od nekoliko minuta do nekoliko sati; njeno trajanje razlikuje se od vremena putovanja svetlosti. Kada instrument u blizini Zemlje detektuje baklju, ti fotoni su već ovde.[7]
Čestice visoke energije: mnogo brža populacija
Solarnе čestice visoke energije ubrzavaju se do mnogo viših energija od uobičajenih čestica Sunčevog vetra. Mogu ih ubrzati magnetno prespajanje, a udarni talasi koje izazivaju brzi CME posebno su važni u velikim, dugotrajnim događajima čestica. One nisu samo prednja ivica glavne CME materije.[8]
Prve veoma brze čestice mogu stići u blizinu Zemlje za nekoliko desetina minuta ili brže, dok dolazak drugih čestica može potrajati duže. Radijaciona oluja može trajati satima ili danima.[9]
Izbacivanja koronalne mase: materija koja nosi magnetna polja
Solarno izbacivanje koronalne mase, odnosno CME, jeste oblak plazme i magnetnog polja koji se širi. Izuzetno brzi CME usmereni ka Zemlji mogu stići za oko 15–18 sati; sporijima može biti potrebno nekoliko dana. Da bi direktno uticao na Zemlju, CME mora proći kroz njeno okruženje, a njegova magnetna svojstva pomažu da se odrede posledice.[10]
Koliko je snažan događaj na Suncu?
Klasa baklje meri jedan deo događaja
Baklje se klasifikuju prema najvećem toku rendgenskog zračenja izmerenom kod Zemlje u talasnom opsegu od 0,1–0,8 nanometara. Klase su označene slovima A, B, C, M, X. Pri istoj brojčanoj vrednosti, svako naredno slovo označava deset puta veći tok: tok kod M1 deset puta je veći nego kod C1. U istoj klasi, najveći tok kod X2 dvostruko je veći nego kod X1. X klasa nema gornju granicu.
Ovo merenje opisuje maksimum toka rendgenskog zračenja. Ono nije ni ukupna energija erupcije, ni mera brzine izbacivanja koronalne mase (CME), ni predviđanje budućeg geomagnetnog poremećaja.[7]
| Skala | Šta opisuje | Osnova za ocenjivanje |
|---|---|---|
| R · Prekidi radio-veze | Poremećaji visokofrekventne radio-veze povezani sa bakljama na osunčanoj strani Zemlje. | Maksimalni tok rendgenskog zračenja sa Sunca. |
| S · Solarne radijacione oluje | Povećan tok protona visoke energije. | Tok protona čija energija prelazi određeni prag. |
| G · Geomagnetne oluje | Poremećaji Zemljinog magnetnog okruženja. | Planetarni indeks geomagnetne aktivnosti Kp. |
Ocene na svakoj NOAA skali kreću se od 1 (slaba) do 5 (ekstremna). Ocene opisuju različite opasnosti, a ne uzastopne faze jedne oluje.[11]
Zašto Zemlja ponekad reaguje snažno?
Zemljino magnetno polje oblikuje oblast koja je okružuje, poznatu kao magnetosfera. Sunčev vetar sabija njenu stranu okrenutu ka Suncu, a na suprotnoj strani izdužuje dugačak rep. Geomagnetna oluja nastaje kada neuobičajeno intenzivan prenos energije iz Sunčevog vetra poremeti ovaj sistem.
Važni su brzina i jačina magnetnog polja, ali važan je i njegov smer. Dugotrajna komponenta usmerena ka jugu u dolaznom magnetnom polju može da omogući efikasno spajanje sa magnetnim poljem Zemljine dnevne strane. Kroz ovu vezu energija se prenosi u magnetosferu, a električne struje jačaju. Zato samo impresivan izgled erupcije ne omogućava da se predvidi jačina oluje na Zemlji.[12]
Polarne svetlosti otkrivaju energiju koja stiže do atmosfere
Polarne svetlosti nastaju kada čestice visoke energije, često elektroni, putuju duž linija magnetnog polja u gornje slojeve atmosfere. Sudari sa tim česticama pobuđuju kiseonik i azot, koji emituju energiju u obliku svetlosti. Tokom snažne aktivnosti, oblast polarne svetlosti može da se proširi daleko izvan polova.[13]
Rupe na koroni - još jedan izvor poremećaja
Koronalne rupe su oblasti sa otvorenim magnetnim poljem iz kojih izviru brzi tokovi solarnog vetra. Kada brzi tok sustigne sporiji vetar koji se kreće ispred njega, njihova interakcija sabija materiju i magnetna polja, što može da izazove geomagnetnu aktivnost. Dugotrajne koronalne rupe mogu ponovo da se pojave dok se Sunce okreće; česte su tokom minimuma Sunčeve aktivnosti, pa se pojave svemirskog vremena ne zaustavljaju ni kada je aktivnost Sunčevih pega slabija.[14]
Kako svemirsko vreme utiče na tehnologiju?
Radio-veze
Rendgensko zračenje solarnih baklji povećava jonizaciju u donjem delu jonosfere na osunčanoj strani Zemlje. Zbog toga mogu da budu apsorbovani signali visokofrekventnog radija, koji bi inače omogućili komunikaciju na velikim udaljenostima. Visokoenergetski solarni protoni izazivaju drugačiju vrstu problema sa apsorpcijom u polarnim oblastima, pa to može da utiče na rute koje se oslanjaju na radio-veze na visokim geografskim širinama.[15]
Satelitska navigacija
Signali navigacionih satelita prolaze kroz jonosferu pre nego što stignu do prijemnika. Zbog sitnih neujednačenosti u gustini elektrona, njihov intenzitet i faza mogu da osciluju. Ovaj proces se naziva scintilacija. Snažne oscilacije mogu da onemoguće prijemnicima pouzdano praćenje signala, pa određivanje položaja postaje manje precizno ili sasvim nemoguće.[16]
Sateliti u niskoj Zemljinoj orbiti
Zagrevanje povezano sa olujama može da proširi gornje slojeve atmosfere i poveća gustinu gasa na visinama orbita satelita. Zbog toga povećani aerodinamički otpor menja orbitalno kretanje i otežava precizna predviđanja. To je reakcija atmosfere: satelit može da iskusi veći otpor i bez sudara sa čvrstim objektom.[17]
Elektroenergetske mreže na Zemlji
Nagle promene magnetnog polja u tlu indukuju električna polja. Ona mogu da izazovu struje u dugim provodnim mrežama, uključujući dalekovode, čime se povećava opterećenje transformatora i otežava upravljanje elektroenergetskom mrežom. Uticaj zavisi od lokalnih promena magnetnog polja, električne provodljivosti tla i strukture mreže, a ne samo od ukupne procene oluje.[18]
Elektronika letelica i ljudi izvan atmosfere
Naelektrisane čestice takođe mogu da izazovu nakupljanje električnog naboja na površini ili unutar letelica, pojedinačne kvarove elektronike i da doprinesu dugoročnim oštećenjima od zračenja. Ovi mehanizmi razlikuju se od uticaja atmosferskog otpora i zavise od energije čestica, orbitalnog okruženja, zaštite od zračenja i konstrukcije.[19]
Zemljina atmosfera pouzdano štiti ljude na tlu. Za astronaute, a tokom događaja sa snažnim česticama i za ljude koji lete na velikim visinama, naročito blizu polova, izloženost zračenju predstavlja drugačiju brigu. Zato se praćenjem zračenja i planiranjem misija rešava drugačija pretnja od poremećaja u zemaljskoj elektroenergetskoj mreži.[9]
Kako prognostičari saznaju šta se približava?
Prognoziranje počinje osmatranjem Sunca. Na snimcima se vide aktivne oblasti i izbacivanja, a mape magnetnog polja prikazuju polje na vidljivoj površini. Koronografi zaklanjaju sjajni Sunčev disk kako bi se mogla pratiti materija koja se širi ka spolja. Ova osmatranja pomažu da se procene smer, širina i brzina izbacivanja koronalne mase (CME).[10]
Modeli pomažu u proceni širenja
Modeli širenja, kao što je WSA–Enlil, kombinuju podatke o pozadinskom Sunčevom vetru sa procenjenim početnim uslovima CME-a. Oni izračunavaju kako se poremećaj širi ka Zemlji i drugim lokacijama. Nepouzdanost početnih merenja i pojednostavljena geometrija izbacivanja dovode do nepouzdanosti vremena dolaska, zato prognozu treba shvatiti kao procenu koja se stalno ažurira.[20]
Instrumenti uzvodno od Zemlje mere nadolazeću struju
Instrumenti za praćenje koji se nalaze uzvodno od Zemlje u struji Sunčevog vetra mere brzinu, gustinu i smer magnetnog polja. Oni pokazuju da li nadolazeće polje stvara uslove za snažan geomagnetni odgovor. U zavisnosti od brzine Sunčevog vetra, upozorenje obično stiže nekoliko do nekoliko desetina minuta unapred.[13]
Ne postoji jedno univerzalno vreme prethodnog upozorenja za „solarnu oluju“. Svetlost, čestice visoke energije i glavnina plazme stižu u različito vreme, pa je za svaku od ovih pojava potrebno zasebno praćenje. Korisna prognoza navodi i šta se očekuje i koliko je pouzdano to očekivanje.
Čemu su nas naučile snažne oluje?
| Događaj | Šta je zabeleženo | Šta nam ovo pomaže da razumemo |
|---|---|---|
| 1859. · Oluje iz Karingtonovog doba | Polarne svetlosti vidljive na širokom području, magnetne smetnje i poremećaji u telegrafskim sistemima. | Solarna aktivnost je mogla da utiče na duge električno provodne mreže i pre nastanka savremene elektronike.[21] |
| Mart 1989. · Kvebek | Geomagnetna oluja izazvala je kolaps elektroenergetskog sistema „Hydro-Québec“. | Nisu važni samo globalni indeksi oluja već i brze lokalne promene magnetnog polja i reakcija električne mreže.[22] |
| 2003. · Oluje na Noć veštica | Niz izbacivanja uticao je na svemirske letelice, radio-veze, navigaciju i aktivnosti na Zemlji. | Više izbacivanja može da izazove dug period u kojem se istovremeno javljaju različite, preklapajuće opasnosti.[23] |
| Maj 2024. · Intenzivna aktivnost | Neobično široko vidljive polarne svetlosti pratio je širenje atmosfere i poteškoće za operatere satelita. | Oluja može biti prizor koji oduzima dah, a istovremeno menjati okruženje u kojem se kreću svemirske letelice u orbiti.[24] |
Nazivanje događaja „sličnim Karingtonovom događaju“ može da prikrije neizvesnost. Istorijska merenja su nepotpuna, a procene intenziteta oluje iz 1859. godine se razlikuju. Te neizvesnosti utiču i na procene učestalosti ekstremnih događaja sličnih razmera. Dostupni podaci ukazuju na to da ozbiljne događaje treba shvatiti ozbiljno, ali ne omogućavaju pouzdano određivanje datuma sledećeg takvog događaja.[25]
Ovi slučajevi otkrivaju praktičan značaj nauke. Merenja, inženjerstvo i operativne odluke međusobno su povezani: važno praktično pitanje jeste kako određeni sistem reaguje na određeni poremećaj.
Kako se svemirsko vreme ispoljava izvan Zemlje?
Isto aktivno Sunce utiče i na druge planete, ali reakcija svake od njih zavisi od njene atmosfere i magnetnog okruženja. Mars nema globalno magnetno polje poput Zemljinog. Zato Sunčeve čestice mogu da utiču na mnogo veći deo njegove atmosfere.
Tokom snažne Sunčeve aktivnosti, u maju 2024., NASA-ina letelica MAVEN posmatrala je ultraljubičaste polarne svetlosti širom Marsa, dok je rover „Curiosity“ zabeležio povišen nivo zračenja na njegovoj površini. Ova posmatranja povezala su erupciju na Suncu s merenjima na drugom svetu.[26]
Kada istražujemo svemir izvan Zemlje, razumevanje interakcija Sunca i planeta pomaže nam da tumačimo naučna merenja i planiramo aktivnosti svemirskih letelica i posada. NASA-ina istraživanja svemirskog vremena obuhvataju i ove šire primene u Sunčevom sistemu.[1]
Tako se vraćamo već poznatom principu: sam razmak ne određuje ishod. Važni su i magnetna polja, atmosfere, putanja poremećaja i sistem s kojim se susreće.
Izvori i dodatna literatura
Primarna naučna istraživanja i objašnjavajući materijali koje su pripremile institucije, a koji potkrepljuju fizičke procese, metode predviđanja i istorijske primere opisane u ovom članku.
- NASA – Svemirsko vremeUticaj Sunca na svemirsko okruženje, tehnologiju i istraživanje svemira.
- NASA-in Maršalov centar – Sunčev dinamo mehanizamKako tokovi električno provodljive plazme, diferencijalna rotacija i konvekcija obnavljaju Sunčevo magnetno polje; dinamo mehanizam je i dalje predmet aktivnih istraživanja.
- NASA-in Maršalov centar – Strukture fotosfereSenke i polusenke Sunčevih pega, njihove temperature i magnetna polja, kao i granulacija vidljiva u fotosferi.
- NASA-in Maršalov centar – Ciklus Sunčevih pegaCiklus Sunčevih pega od približno jedanaest godina i pojasevi geografskih širina koji se na dijagramu leptira pomeraju ka ekvatoru.
- NASA – Da li Sunce izaziva globalno zagrevanje?Razlikuju se varijabilnost Sunca i uzroci nedavnog globalnog zagrevanja.
- NASA – Sunčeve oluje i bakljeIlustrovani uvod koji objašnjava razlike između svetlosti baklji, visokoenergetskih čestica i izbacivanja koronalne mase, kao i različito vreme njihovog širenja.
- NOAA centar za predviđanje svemirskog vremena – Sunčeve baklje (prekidi radio-veza)Trajanje i klasifikacija baklji od A do X prema najvećem fluksu rendgenskog zračenja koji meri GOES u opsegu talasnih dužina od 0,1–0,8 nanometara.
- David V. Reames – Visokoenergetske Sunčeve čestice (2017)Opis za stručnjake ubrzavanja čestica usled magnetnog ponovnog povezivanja i udarnih talasa izazvanih CME-ovima, uključujući podatke o poreklu događaja čestica velikih razmera.
- NOAA centar za predviđanje svemirskog vremena – Sunčeva radijaciona olujaVisokoenergetski Sunčevi protoni mogu da stignu za nekoliko desetina minuta ili brže, a oluje čestica mogu da traju od nekoliko sati do nekoliko dana.
- NOAA centar za predviđanje svemirskog vremena – Izbacivanja koronalne maseŠireći oblaci plazme i magnetnog polja, vreme koje im je potrebno da stignu do Zemlje i udarni talasi koji mogu da ubrzaju naelektrisane čestice.
- NOAA – Skale svemirskog vremenaZasebne skale R, S i G opisuju poremećaje radio-veze, solarne radijacione oluje i geomagnetne oluje.
- NOAA – Geomagnetne olujePrenos energije Sunčevog vetra, magnetna polja usmerena ka jugu, tokovi velike brzine i promene Zemljinog magnetnog okruženja.
- NOAA – Uvod u polarnu svetlostNastanak sjaja polarne svetlosti, ponavljajuće smetnje Sunčevog vetra i različita ograničenja kratkoročnih i dugoročnih prognoza.
- NOAA centar za prognozu svemirskog vremena – Koronalne rupeOtvorena područja magnetnog polja izvor su brzih tokova Sunčevog vetra; dugotrajne koronalne rupe česte su oko minimuma Sunčeve aktivnosti.
- NOAA – Kratkotalasna (HF) radio-vezaApsorpcija radio-talasa na dnevnoj strani Zemlje usled rendgenskog zračenja solarnih baklji i apsorpcija na visokim geografskim širinama usled visokoenergetskih solarnih protona.
- NOAA — Jonosferska scintilacijaFine strukture gustine elektrona menjaju radio-signale i mogu da ometaju satelitsku navigaciju.
- NOAA — Atmosferski otpor koji deluje na sateliteZagrevanje gornjih slojeva atmosfere, povećana gustina na visinama leta satelita i promene u niskoj Zemljinoj orbiti.
- NOAA — Prenos električne energijeKako promenljiva magnetna polja indukuju struje u električno provodljivim mrežama i kako njihov uticaj zavisi od svojstava tla i električne mreže.
- NOAA — Ekspertni sistem za anomalije u radu svemirskih letelica izazvane okruženjem – u realnom vremenuRazlikuje naelektrisavanje površine, unutrašnje naelektrisavanje, smetnje izazvane pojedinačnim česticama i kumulativni uticaj zračenja.
- NASA CCMC — Модел WSA–Enlil у центру SWPCМагнетне мапе и параметри избацивања короналне масе (CME), утврђени на основу података коронографа, користе се као улазни подаци за модел ширења соларног ветра; његове прогнозе и даље садрже неизвесности улазних података и геометрије.
- Green и Boardsen (2006) — Трајање и обим велике поларне олује из 1859. годинеИсторијска посматрања поларне светлости, магнетног поља и рада телеграфа током поремећаја из 1859. године.
- Boteler (2019) — Магнетна олуја из марта 1989. из перспективе 21. векаРеконструише ток олује и њен утицај на систем „Hydro-Québec“ и друге електроенергетске мреже.
- NOAA — Сећање на велике соларне олује за Ноћ вештицаПреглед ерупција из 2003. године и њиховог утицаја на летелице, комуникације и инфраструктуру.
- ESA — Соларна олуја из маја 2024: одговори на ваша питањаОбјашњава поларну светлост, ширење атмосфере и оперативне изазове током олује.
- Love и др. (2024) — О неизвесности процене интензитета Карингтонове олује из 1859. годинеПриказује како неизвесност интензитета историјске олује утиче на процене учесталости екстремних догађаја.
- NASA прати како Марс засветли током снажне соларне олујеМерења зрачења и пространих поларних светлости на Марсу током соларне активности у мају 2024. године.
Динамика и будућност Сунчевог система
- Грађа Сунца и животни циклус
- Сунчева активност: ерупције, пеге и свемирско време · Овде сте
- Орбите планета и резонанце
- Удари астероида и комета
- Климатски циклуси планета
- Фаза црвеног џина: судбина унутрашњих планета
- Кајперов појас и Ортова комета
- Потенцијалне зоне погодне за живот изван Земље
- Истраживање свемира: прошлост, садашњост и будућност
- Дугорочна еволуција Сунчевог система