Co ma wspólnego magnetyczna lawina na Słońcu z twoim prądem w gniazdku i łącznością GPS w telefonie? Dużo więcej, niż się wydaje.
To nie był zwykły rozbłysk słoneczny, który tylko ładnie wygląda na zdjęciach NASA. Dzięki sondzie Solar Orbiter naukowcy zobaczyli, jak wielka erupcja energii na Słońcu rodzi się z kaskady mikroskopijnych pęknięć pola magnetycznego – niczym lawina schodząca z gór po jednym niepozornym drgnięciu. Stawką nie są jednak tylko lepsze obrazki ze Słońca, ale coś znacznie bardziej przyziemnego: bezpieczeństwo sieci energetycznych, satelitów, GPS i całej cyfrowej infrastruktury, na której opiera się nasze codzienne życie.
Niepozorny rozbłysk, który okazał się przełomem
Dokładnie 30 września 2024 r. Solar Orbiter zbliżył się do Słońca na około 43 mln km, czyli znacznie bliżej niż Ziemia. Właśnie wtedy na powierzchni gwiazdy doszło do rozbłysku średniej klasy – nie największego, ale na tyle silnego, by wysłać w przestrzeń strumień wysokoenergetycznego promieniowania ultrafioletowego i promieni X.
Zespół badaczy przeanalizował sekwencję obrazów w ekstremalnym nadfiolecie, pomiary promieniowania rentgenowskiego i zmiany w polu magnetycznym regionu, z którego wystartował rozbłysk. Widać było najpierw sieć drobnych, lokalnych zaburzeń – maleńkich miejsc, gdzie splątane linie pola magnetycznego napinały się, pękały i z powrotem łączyły. Każde takie mikro-rozerwanie uwalniało porcję energii i rozgrzaną plazmę.
Tych punktowych zapłonów było dziesiątki. Z czasem zaczęły się one łączyć w większy front – jak lawina, w której pierwsze kamyczki pociągają za sobą skały. Naukowcy widzieli, jak w łuku magnetycznym nad plamą słoneczną coraz szybciej zachodzi tzw. rekoneksja magnetyczna, czyli gwałtowne przeplatanie i zrywanie linii pola. To właśnie ten proces jest silnikiem rozbłysków: napięte pole magnetyczne przez długi czas gromadzi energię, a potem w ułamku sekundy ją uwalnia.
Nowością nie jest sam mechanizm rekoneksji, ale szczegółowy obraz tego, jak pracuje on w praktyce: nie w jednym, spektakularnym wystrzale, ale w postaci łańcucha coraz silniejszych mikrowybuchów. Dla astrofizyki to przełomowy szczegół, dla specjalistów od pogody kosmicznej – potencjalny nowy zestaw sygnałów ostrzegawczych.
To ma naprawdę ogromne znaczenie, zwłaszcza dla energetyki
Burza geomagnetyczna to bardzo konkretne zjawisko fizyczne. Kiedy silny rozbłysk słoneczny połączony z wyrzutem koronalnym (CME) wyrzuca w naszą stronę chmurę plazmy, ta po 1-3 dniach dociera do Ziemi i uderza w ziemskie pole magnetyczne. Magnetosfera zaczyna gwałtownie falować, indukując prądy w długich przewodzących strukturach, m.in. w liniach wysokiego napięcia.
Oznacza to, iż w sieci energetycznej pojawiają się dodatkowe, niechciane prądy, które potrafią przegrzewać transformatory i uszkadzać elementy infrastruktury. W scenariuszu naprawdę ekstremalnym skutki mogą być długotrwałe – wymiana dużych transformatorów to nie kwestia dni, ale miesięcy.
Nowe obserwacje Solar Orbitera pokazują, iż zanim dojdzie do dużej erupcji, w rejonie aktywnym Słońca pojawia się charakterystyczna migotliwa sygnatura – kaskada małych rekoneksji, które rosną w siłę. jeżeli uda się ją zautomatyzować w modelach, może to oznaczać dodatkowe minuty albo godziny ostrzeżenia: informację, iż dany region właśnie wchodzi w fazę gwałtownego uwalniania energii.
Dla operatorów sieci energetycznych każda taka chwila ma znaczenie. Dodatkowy czas można wykorzystać np. na przełączenie konfiguracji sieci, ograniczenie obciążenia najbardziej wrażliwych elementów, a w skrajnym przypadku na kontrolowane wyłączenia wybranych fragmentów infrastruktury, zamiast ryzyka niekontrolowanej awarii.
GPS, satelity, samoloty. Co może pójść nie tak?
Sieci energetyczne to tylko jedna z gałęzi gospodarki, którą interesuje zachowanie Słońca. Wichura geomagnetyczna potrafi zakłócić również sygnały radiowe i nawigacyjne.
Turbulencje w jonosferze, czyli w warstwie atmosfery, w której odbijają się fale radiowe, mogą powodować zaniki łączności na dalekich trasach lotniczych, zwłaszcza na wysokich szerokościach geograficznych. Zdarza się, iż linie lotnicze, po ostrzeżeniu o silnej burzy, omijają rejony polarne, wydłużając trasy, ale minimalizując ryzyko utraty łączności i problemów z nawigacją.
Systemy GPS i inne satelitarne systemy nawigacyjne również odczuwają skutki rozbłysków. Nie chodzi tylko o chwilowe skoki pozycji. W skrajnym przypadku można mieć do czynienia z dłuższymi przerwami w działaniu, co z punktu widzenia lotnictwa, żeglugi czy transportu lądowego jest realnym problemem.
Im lepiej zrozumiemy, jak i kiedy Słońce odpala duże rozbłyski, tym bardziej precyzyjne mogą być prognozy dla operatorów satelitów. To oni jako pierwsi reagują na ostrzeżenia: zmieniają orientację satelity, przełączają go w tryb awaryjny, ograniczają korzystanie z wrażliwych instrumentów. W czasach, kiedy na orbitach krąży już kilka tysięcy satelitów komunikacyjnych, obserwacyjnych i nawigacyjnych, precyzyjna pogoda kosmiczna staje się równie ważna, co prognoza deszczu.
Solar Orbiter – sonda, która podlatuje bliżej niż większość śmiałków
To, iż w ogóle widzimy magnetyczną lawinę w takiej skali, zawdzięczamy konstrukcji i orbitom Solar Orbitera. Sonda ESA została wysłana w 2020 r., a jej trasa wokół Słońca jest mocno wydłużona i nachylona względem płaszczyzny planet. Dzięki serii asyst grawitacyjnych przy Wenus i Ziemi potrafi zbliżać się do Słońca choćby na ok. 0,28 jednostki astronomicznej – mniej więcej 40-45 mln km.
Na pokładzie ma jednocześnie instrumenty dotykające ośrodka plazmowego i zestaw kamer. EUI fotografuje koronę w ekstremalnym nadfiolecie, STIX rejestruje promieniowanie rentgenowskie z regionów aktywnych, SPICE rozkłada światło na barwy, pozwalając mierzyć temperaturę i skład plazmy, a PHI śledzi zmiany pola magnetycznego na powierzchni Słońca.
Istotne jest to, iż te instrumenty pracują równocześnie. Naukowcy mogą więc zobaczyć, jak zmiana pola magnetycznego na fotosferze (widzialnej powierzchni Słońca) przekłada się na rozgrzanie łuków plazmy wysoko w koronie, a potem na emisję promieniowania X i przyspieszanie cząstek. W przypadku rozbłysku z 30 września 2024 r. udało się zrekonstruować cały łańcuch zdarzeń, od pierwszych mikroskopijnych iskier po główną erupcję.
Dla modelarzy pogody kosmicznej to istne złoto. Dane z Solar Orbitera trafiają do kodów numerycznych, które do tej pory musiały opierać się na uproszczeniach. Teraz można je porównać z realnym przebiegiem zdarzenia i poprawić tak, by lepiej oddawały sposób, w jaki drobne zaburzenia przechodzą w pełnowymiarowy rozbłysk.
Czy będziemy potrafili wyłączyć prąd, zanim zrobi to Słońce?
Czy najnowsze odkrycia oznaczają, iż za kilka lat kosmiczna pogoda będzie przewidywalna jak prognoza opadów na weekend? Na to pozostało za wcześnie. Opisany rozbłysk to jedno wydarzenie, a naukowcy muszą sprawdzić, czy magnetyczna lawina jest uniwersalną cechą wszystkich erupcji, czy tylko części z nich.
Już teraz widać jednak, iż Solar Orbiter przesuwa granicę tego, co możemy zobaczyć i zrozumieć. Im więcej takich dokładnych filmów z rozbłysków zarejestrujemy, tym większa szansa, iż modele pogody kosmicznej nauczą się rozpoznawać w danych z obserwatoriów naziemnych i satelitarnych wczesne oznaki lawiny, zanim ta zamieni się w globalną burzę geomagnetyczną.
W idealnym scenariuszu przyszłości operatorzy sieci energetycznych, lotniczych i satelitarnych dostaną nie tylko lakoniczne ostrzeżenie mówiące o tym, iż możliwa jest burza, ale konkret: z jakiego regionu Słońca, jak gwałtownie i jak mocny wyrzut plazmy zmierza w naszą stronę. A my wszyscy, zamiast zastanawiać się, czy pewnego dnia obudzimy się bez prądu i internetu, będziemy mogli traktować groźne kaprysy Słońca jak kolejne, choć wymagające, zjawisko pogodowe.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
