2024: jeszcze więcej zórz polarnych?

Migotliwe zorze polarne są typowe dla miejsc położonych na dalekiej północy, w tym Skandynawii i północnej Kanady. Na naszej półkuli dłuższe noce jesienne i zimowe sprzyjają obserwacji większej ilości zórz. W 2023 roku zjawisko to było często widoczne także w miejscach wysuniętych znacznie dalej na południe, w tym w Polsce, nad Czechami, Węgrami, a nawet północnymi Włochami.

Wszystko wskazuje na to, że w roku 2024 będzie co najmniej podobnie. Odpowiada za to Słońce. Zorze powstają w wyniku oddziaływania strumienia promieniowania słonecznego z ziemskim polem magnetycznym – ich średnia liczba rośnie w miarę wzrostu aktywności słonecznej w 11-letnim cyklu aktywności Słońca. A już teraz nasza gwiazda zbliża się do kolejnego maksimum aktywności.

Niestety, te same zaburzenia, które powodują tak lubiane zorze polarne, mogą wpływać też na współczesne technologie. Zresztą nie tylko te najbardziej współczesne: już w 1859 roku potężna burza geomagnetyczna, najsilniejsza jak dotąd w historii, zakłóciła ówczesne systemy komunikacji na Ziemi, w tym awarie sieci telegraficznych w całej Europie i Ameryce Północnej. Dziś jest znana jako Zdarzenie Carringtona, od nazwiska Richarda Carringtona, astronoma, który jako jeden z pierwszych zauważył związek między jasnym rozbłyskiem słonecznym a następującymi po nim zorzą polarną i innymi efektami magnetycznymi zauważalnymi na Ziemi.

Związek między Słońcem a Ziemią przez długi czas był dla wielu trudny do zrozumienia i zaakceptowania, ale dziś wiemy, że Słońce faktycznie jest w stanie wywołać zaburzenia w przestrzeni bliskiej Ziemi. Przestrzeń ta wypełniona jest gorącym, naładowanym elektrycznie gazem zwanym plazmą, który przenosi także pola magnetyczne. Ziemia, która znajduje się stosunkowo blisko Słońca, jest otoczona gorącą magnetyczną plazmą, która przepływa obok nas z prędkościami sięgającymi kilkuset kilometrów na sekundę, jako strumień zwany wiatrem słonecznym.

Zorza sfotografowana w kwietniu 2023 r. z okolic Lidzbarka Warmińskiego (Fot. Krzysztof Litwin), więcej tutaj

Zorza sfotografowana w kwietniu 2023 r. z okolic Lidzbarka Warmińskiego (Fot. Krzysztof Litwin), więcej tutaj

Słońce jest tak ogromne (ponad sto razy większe od Ziemi!), że utrata jego materii na rzecz emitowanego wiatru słonecznego ma na nie samo znikomy wpływ, ale już Ziemia jest bardzo mała. Wyrzuty materii ze Słońce są od niej często kilka razy większe. Na szczęście Ziemia posiada też własne pole magnetyczne, które chroni nas przed większością docierającej do niej plazmy słonecznej, ale czasem jednocześnie może być przez wiatr słoneczny odpychane, lokalnie osłabiane lub deformowane. W pewnych warunkach cząsteczki i energia ze Słońca mogą też przepływać do obszaru bliskiego Ziemi. Jeśli tej energii zgromadzi się tam bardzo dużo, cząsteczki mogą zostać nawet „wstrzelone” do ziemskiej atmosfery po stronie nocnej naszej planety, co skutkuje pojawieniem się zórz. To tłumaczy też, dlaczego zorze są widoczne nocą: nie chodzi tylko o to, że niebo musi być ciemne, aby je dostrzec, ale i sam wiatr słoneczny podąża pośrednią drogą, najpierw gromadząc się w magnetycznym ogonie po nocnej stronie planety.

Co ciekawe, zorze mogą również generować pola magnetyczne, i to na tyle silne, że jest czasem w stanie wykryć je kompas. Odkrył to 300 lat temu szwedzki astronom Anders Celsius (ten od skali temperatur Celsjusza). Jeśli takie pola magnetyczne szybko się zmieniają, mogą wpływać na duże obszary Ziemi, prowadząc do poważnych problemów w sieciach energetycznych. Tego typu zdarzenie miało na przykład miejsce w Ameryce Północnej w 1989 roku, w tak zwanym dniu, w którym Słońce przyniosło ciemność.

Już włoski astronom Galileusz w początkach XVII wieku prowadził systematyczne badania plam słonecznych. Około 300 lat później amerykański astronom George Hale wykazał, że plamy mają intensywne pola magnetyczne, kilka tysięcy razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi. Jednak dopiero 400 lat od obserwacji Galileusza odkryliśmy, że liczba plam pojawiających się na Słońcu wyraźnie i regularnie (okresowo) zmienia się w 11-letnim cyklu. A od niedawna jesteśmy w stanie zrozumieć związane z nimi efekty wpływające na Ziemię.

Pola magnetyczne magazynują energię, a czasami, na przykład właśnie w pobliżu plam, energia ta może zostać zmieniona w inne formy. W silnych polach plam słonecznych może być uwalniana jako promieniowanie rentgenowskie, w szybkich, nieprzewidywalnych rozbłyskach. Plamy i rozbłyski znajdują się w pobliżu powierzchni Słońca. Wyrzucane są wówczas z niej kłęby gazu znane jako koronalne wyrzuty masy – i to z taką siłą, że odrywają się od Słońca i zaczynają podróżować przez przestrzeń kosmiczną. Niewielka część z nich poruszać się będzie także w kierunku Ziemi, a zorze polarne i związane z nimi efekty magnetyczne pojawiają się, gdy plazma ze Słońca dociera do ziemskiej atmosfery. Może ona też wówczas powodować intensyfikację ziemskich pasów radiacyjnych, prowadząc czasem nawet do uszkodzeń sztucznych satelitów.

Wiemy już od kilku lat, że nowy, 25. cykl aktywności naszej gwiazdy się rozpoczął. Na podstawie długoterminowych trendów oczekiwano, że nadchodzące maksimum słoneczne będzie niewielkie, podobnie jak to, które obserwowano w poprzednim, 24. cyklu, w 2014 roku. Jednak okazuje się, że w obecnym cyklu przekroczyliśmy już przewidywaną wcześniej dla niego liczbę plam słonecznych. Jednocześnie w 2023 pojawiły się silne burze magnetyczne, więc prognozy dla cyklu okazały się wymagać korekty. Korekty, z której wynika, że 25. cykl będzie silniejszy, a jego maksimum pojawi się szybciej, niż wcześniej oczekiwano. Najsilniejszy rozbłysk w dotychczasowym 25. cyklu słonecznym miał miejsce 14 grudnia i był najpotężniejszą erupcją, jaką Słońce wyprodukowało od czasu wielkich burz słonecznych z września 2017 roku. Tak potężne burze słoneczne zdarzają się rzadko, ale powinniśmy na spokojnie przygotować się na ewentualne wpływy pogody kosmicznej, które zgodnie z poprawionymi prognozami mogą nasilić się w ciągu najbliższych kilku lat. Musimy być kreatywni, ponieważ efekty pogody kosmicznej mogą przynieść niespodzianki. W 2022 roku nieoczekiwane podgrzanie atmosfery spowodowało na przykład utratę wielu satelitów.

I choć bezpośrednie pomiary zakłóceń wiatru słonecznego przez satelity dają nam tylko około godziny ostrzeżenia przed burzliwą pogodą kosmiczną związaną z aktywnym Słońcem, możemy ją też przewidywać z nieco większym wyprzedzeniem, obserwując przemieszczające się plamy słoneczne. Słońce, podobnie jak Ziemia, obraca się wokół własnej osi, ale jego jeden obrót trwa około 30 dni. Jeśli więc dana plama słoneczna widoczna na tarczy Słońca przynosi dużą aktywność, prawdopodobnie powtórzy się ona za około miesiąc.

Słońce wpływa jednak na otoczenie Ziemi na wiele sposobów, a związana z nim zmienność pogody kosmicznej może być krótko lub długookresowa. Obserwacje satelitarne z ostatnich 40 lat pokazały, że długo i krótkoterminowe wahania aktywności Słońca powodują niewielkie zmiany w produkcji energii słonecznej docierającej do Ziemi: mniejsze niż 0,1%. Zmiany w tej skali czasu nie mają znaczącego wpływu na klimat, ale jest już nieco inaczej, gdy przyjrzymy się słonecznej aktywności w dłuższym okresie. Najciekawsze być może jest to, że najprawdopodobniej Słońce doświadcza obecnie znacznego... spadku wieloletniej aktywności. Może to nawet oznaczać, że wchodzi w długi okres niskiej aktywności, czyli tak zwane wielkie minimum współczesne. Podobny okres w aktywności Słońca obserwowano już w XVII wieku, gdy, podczas tak zwanego Minimum Maundera, natężenie promieniowania słonecznego spadło o około 0,22%, powodując spadek średniej temperatury Ziemi o 1-1,5 stopnia Celsjusza i doprowadzając do zamarzania rzek, mroźnych zim i chłodnych lat. Jednak sprawa nie jest taka prosta, jak chcielibyśmy oczekiwać, i nie należy liczyć na to, że podobne minimum współczesne rozwiąże wszystkie problemy z antropocentrycznymi zmianami klimatu.

Wciąż też nie do końca wiadomo, co dokładnie stoi za powtarzalnością 11-letnich cykli słonecznych. W ogólności aktywność gwiazdy odzwierciedla dynamiczne procesy, które są nieliniowe, przez związek między wszystkimi zjawiskami fizycznymi zachodzącymi na i w Słońcu jest bardzo złożony. Liczymy oczywiście na to, że nasza wiedza na temat fizyki przestrzeni kosmicznej będzie wciąż rosła, a nauka o wiarygodnym przewidywaniu pogody kosmicznej w przyszłości się rozwinie, pozwalając nam lepiej chronić infrastrukturę i zasoby technologiczne.

W międzyczasie możemy jednak już w 2024 roku oczekiwać spektakularnych zórz polarnych, które powinny występować w miarę zbliżania się do maksimum słonecznego.

Zobacz też: