11 maja wspaniała zorza polarna zaskoczyła obserwatorów gwiazd w południowych Stanach Zjednoczonych. Tego samego weekendu traktor kierowany przez GPS chybił celu.
Co wspólnego ma widoczność zorzy polarnej z uszkodzonym sprzętem rolniczym na Środkowym Zachodzie?
Unikalnie potężna burza geomagnetyczna, jak wynika z dwóch niedawno opublikowanych prac, których współautorem jest Scott England z Virginia Tech.
„Zorza polarna powstaje w wyniku uderzania w górne warstwy atmosfery energetycznych, naładowanych cząstek, na które oddziałuje wiele czynników w kosmosie, w tym słońce” — powiedział England, adiunkt w Katedrze Inżynierii Lotniczej i Oceanicznej im. Kevina T. Croftona. „Podczas słonecznych burz geomagnetycznych w przestrzeni wokół Ziemi jest znacznie więcej tych energetycznych, naładowanych cząstek, więc widzimy rozjaśnienie zorzy polarnej, a obszar, nad którym można ją zobaczyć, rozszerza się, obejmując miejsca takie jak dolne 48 stanów, które zazwyczaj nie widzą tego zjawiska”.
England i zespół współpracowników z uniwersytetu i przemysłu śledzili górne zdarzenie atmosferyczne 11 maja za pomocą instrumentu GOLD NASA. Okazało się, że była to najsilniejsza burza geomagnetyczna uchwycona w ciągu ostatnich 20 lat. Ich odkrycia zostały niedawno opublikowane w Geophysical Research Letters w dwóch badaniach, których współautorem był England. Pierwsze badanie, autorstwa pierwszego autora Deepaka Karana z University of Colorado w Boulder, wykazało bezprecedensowe zmiany w lokalizacji i rozprzestrzenianiu się cząstek w górnych warstwach atmosfery. Drugie badanie, autorstwa pierwszego autora i absolwenta Virginia Tech J. Scotta Evansa '88, udokumentowało zmiany składu i temperatury.
Wśród zebranych danych Anglia odnotowała, że po raz pierwszy była świadkiem „zachwycających wirowych wzorów” oraz dramatycznego ruchu powietrza od zorzy, powodującego powstawanie ogromnych wirów, które poruszały powietrze w spirali większej niż huragan. Konkretne obserwacje obejmowały:
Nieprzewidywalny ruch niskoenergetycznych cząstek naładowanych wokół równika w kierunku zorzy polarnej. Cząstki naładowane można podzielić na dwie grupy: niskoenergetyczne i wysokoenergetyczne, z których te drugie mogą szkodzić ludziom pracującym w kosmosie i uszkadzać elektronikę. Zmiany temperatury i ciśnienia, które prawdopodobnie prowadzą do widocznych zawirowań i wirów. Zmiany lokalizacji i rozprzestrzeniania się cząstek niskoenergetycznych, które mogą negatywnie wpływać na GPS, satelity, a nawet sieć energetyczną.
„W miarę jak zorza się nasila, widać więcej świateł, ale wraz z tym do atmosfery dostaje się więcej energii, więc atmosfera w pobliżu biegunów staje się bardzo gorąca, co zaczyna wypychać powietrze z biegunów w kierunku równika” – powiedział England. „Te dane rodzą wiele pytań, na przykład, czy podczas tej burzy geomagnetycznej wydarzyło się coś naprawdę innego niż miało to miejsce wcześniej, czy po prostu mamy lepsze instrumenty do pomiaru zmian?”
Co więcej, jakie znaczenie mogą mieć te zmiany dla technologii stworzonej przez człowieka, która krąży wokół tego regionu atmosfery?
Więcej niż pokaz zorzy polarnej
Górna atmosfera Ziemi, rozciągająca się od około 60 do 400 mil nad nami, graniczy z przestrzenią kosmiczną i jest strefą przebywania satelitów i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Górna atmosfera składa się z niektórych z tych samych cząsteczek, co dolna atmosfera, w której żyjemy i oddychamy. Ma jednak również drugą stronę, jonosferę, którą można postrzegać niemal jak koc elektryczny — wysoce naładowaną i nieustannie fluktuującą. Te naładowane cząsteczki w jonosferze to jedna z rzeczy, która sprawia, że ten region przestrzeni jest tak dynamiczny. Temperatura i skład górnej atmosfery i jonosfery często ulegają zmianom. W rzeczywistości zmienia się to przewidywalnie w ciągu dnia i nocy, a nawet zmienia się w czasie wraz z porami roku.
England powiedział, że na cząsteczki w atmosferze Ziemi oddziałuje wiele czynników w kosmosie, w tym aktywność Słońca. Podczas słonecznej burzy geomagnetycznej intensywny wybuch promieniowania ze Słońca zmienia skład i prędkość cząsteczek w atmosferze Ziemi. Dlaczego więc w ostatnich miesiącach na całym świecie zorze polarne były widoczne w miejscach, w których wcześniej ich nie widziano?
„Liczba plam słonecznych, rozbłysków i burz zmienia się w 11-letnim cyklu, który nazywamy cyklem słonecznym” – powiedział England. „Liczba rozbłysków, które widzimy, stopniowo wzrasta od kilku lat, w miarę jak zbliżamy się do szczytu cyklu słonecznego”.
Oprócz widoczności zorzy polarnej, burze geomagnetyczne mają szereg oddziaływań na naszą technologię. Ponieważ sygnały radiowe i GPS przemieszczają się przez ten stale zmieniający się „koc elektryczny”, zmiany w tej warstwie atmosfery mogą zakłócać sygnały i utrudniać nawigację i systemy komunikacyjne, takie jak GPS. Różne czynniki, zarówno z ziemskiej pogody, jak i kosmicznej, mogą wpływać na tę kluczową warstwę, ale jest wiele do nauczenia się o tym, dlaczego zachodzą zmiany w górnej i dolnej atmosferze i jak mogą one wpływać na życie, jakie znamy.
„Te burze mogą również zwiększyć natężenie prądu elektrycznego płynącego wokół Ziemi, co może mieć wpływ na urządzenia technologiczne wykorzystujące bardzo długie przewody. W ostatnich latach dochodziło do zakłóceń w sieciach energetycznych, gdy przez przewody przepływało zbyt dużo prądu. Podczas największej zarejestrowanej burzy geomagnetycznej, wydarzenia Carringtona w 1859 r., spowodowały one podpalenie systemów telegraficznych — szczytowej technologii w tamtym czasie —” — powiedział England.
Naukowcy podejrzewają, że burza podobna do wydarzenia Carringtona z 1859 r., gdyby wydarzyła się dzisiaj, mogłaby spowodować internetową apokalipsę, odcinając dostęp do Internetu dużej liczbie osób i firm. Podczas gdy burza z 11 maja nie spowodowała drastycznych zakłóceń, a szczyt cyklu słonecznego spodziewany jest w lipcu 2025 r., wciąż dzieli nas około roku od poznania tych potencjalnych skutków.
„Jednym z powodów, dla których badamy burze geomagnetyczne, jest próba zbudowania modeli, aby przewidzieć ich skutki” – powiedział England. „Na podstawie cyklu słonecznego spodziewalibyśmy się, że warunki, które obserwujemy w tym roku, będą występować przez około dwa kolejne lata”.