Kai žvelgiame į dangų, Saulė mums atrodo rami ir nekintanti gyvybės šaltinis. Tačiau už šio ramaus fasado slepiasi milžiniškas branduolinis reaktorius, kurio paviršiuje nuolat kunkuliuoja energija, kartais prasiveržianti galingais sprogimais – Saulės audromis. Šie kosminiai reiškiniai, nors ir vyksta už 150 milijonų kilometrų, gali turėti labai realių ir kartais katastrofiškų pasekmių mūsų technologinei civilizacijai. Tačiau jie taip pat dovanoja mums vieną įspūdingiausių gamtos reginių – poliarines pašvaistes. Kas iš tiesų yra Saulės audros, kaip jos veikia Žemę ir ar esame pasiruošę atlaikyti tikrai galingą kosminį smūgį?
Kas yra Saulės audros ir kodėl jos kyla?
Norint suprasti Saulės audras, pirmiausia reikia suprasti pačią Saulę. Mūsų žvaigždė nėra kietas kūnas – tai milžiniškas įkaitusios plazmos (jonizuotų dujų) rutulys. Kadangi Saulė sukasi aplink savo ašį, o skirtingos jos dalys (pusiaujas ir ašigaliai) sukasi skirtingu greičiu, jos magnetinis laukas nuolat išsitempia, susisuka ir trūkinėja. Šis procesas vadinamas Saulės dinamo. Būtent ši magnetinio lauko dinamika ir yra visų Saulės audrų priežastis.
Saulės aktyvumas kinta maždaug 11 metų ciklais. Ciklo piko metu Saulės paviršiuje atsiranda daugiau tamsesnių, vėsesnių sričių, vadinamų Saulės dėmėmis. Šios dėmės yra intensyvaus magnetinio aktyvumo zonos, kuriose susikaupusi magnetinė energija gali staiga išsiveržti. Būtent čia ir gimsta pagrindiniai Saulės audrų komponentai.
Trys Saulės audrų „raiteliai“
Saulės audra nėra vienas konkretus reiškinys. Tai kompleksas procesų, kuriuos galima suskirstyti į tris pagrindines rūšis, dažnai vykstančias vienu metu:
- Saulės žybsniai (Solar Flares): Tai patys greičiausi Saulės audrų reiškiniai. Įsivaizduokite milžinišką sprogimą Saulės atmosferoje, kurio metu per kelias minutes išsiskiria energija, prilygstanti milijonams vandenilinių bombų. Šio sprogimo metu į kosmosą išmetamas intensyvus elektromagnetinės spinduliuotės pliūpsnis – nuo radijo bangų iki Rentgeno ir gama spindulių. Kadangi ši spinduliuotė sklinda šviesos greičiu, Žemę ji pasiekia vos per 8 minutes. Būtent ji pirmoji paveikia mūsų planetą, sutrikdydama radijo ryšį apšviestoje Žemės pusėje ir sukeldama jonosferos svyravimus.
- Vainikinės masės išmetimai (Coronal Mass Ejections – CME): Tai bene pavojingiausia Saulės audrų dalis. CME yra gigantiški Saulės plazmos ir joje įšalusio magnetinio lauko debesys, kurie atitrūksta nuo Saulės vainiko ir milžinišku greičiu (nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių kilometrų per sekundę) lekia į kosmosą. Priklausomai nuo greičio, šis plazmos debesis Žemę gali pasiekti per 1-4 dienas. Būtent CME sąveika su Žemės magnetiniu lauku sukelia geomagnetines audras, kurios ir kelia didžiausią grėsmę mūsų technologijoms.
- Saulės vėjas (Solar Wind): Tai nuolatinis įkrautų dalelių (daugiausia protonų ir elektronų) srautas, sklindantis nuo Saulės į visas puses. Įprastai Žemės magnetinis laukas (magnetosfera) mus nuo jo saugo kaip skydas. Tačiau Saulės audrų metu šis vėjas gerokai sustiprėja ir tampa veržliu Saulės protonų srautu, galinčiu pažeisti palydovų elektroniką.
Kelionė į Žemę ir susidūrimas su magnetosfera
Kai vainikinės masės išmetimo debesis artėja prie Žemės, jis pirmiausia susiduria su mūsų planetos gynybine linija – magnetosfera. Šis nematomas magnetinis laukas, kurį generuoja skystos geležies judėjimas Žemės branduolyje, veikia kaip skydas, nukreipdamas didžiąją dalį Saulės vėją sudarančių dalelių aplink planetą.
Tačiau galingas CME smūgis gali šį skydą suspausti ir deformuoti. Jei CME magnetinis laukas yra orientuotas priešingai nei Žemės magnetinis laukas (į pietus), įvyksta procesas, vadinamas magnetiniu persijungimu. Jo metu Saulės ir Žemės magnetinio lauko linijos susijungia, atverdamos vartus milžiniškam energijos ir dalelių kiekiui patekti į Žemės atmosferą, ypač ties ašigaliais. Būtent tada ir prasideda geomagnetinė audra.
Kosminis spektaklis – poliarinės pašvaistės
Pats gražiausias ir akimis matomas Saulės audrų rezultatas yra poliarinės pašvaistės (Aurora Borealis šiauriniame pusrutulyje ir Aurora Australis pietiniame). Kai energizuotos Saulės dalelės patenka į viršutinius Žemės atmosferos sluoksnius (100-400 km aukštyje), jos susiduria su deguonies ir azoto atomais. Šie susidūrimai sužadina atomus, kurie, grįždami į ramybės būseną, išspinduliuoja šviesos fotonus. Būtent šiuos fotonus mes ir matome kaip šokančias šviesas danguje.
Spalva priklauso nuo to, su kokiomis dujomis ir kokiame aukštyje susiduria dalelės. Deguonis didesniame aukštyje švyti raudonai, žemesniame – ryškiai žaliai, o azotas sukuria mėlynus ir violetinius atspalvius. Ypač stiprių geomagnetinių audrų metu pašvaistės ovalas išsiplečia, todėl jas galima pamatyti daug toliau nuo ašigalių nei įprastai. Būtent tokių audrų metu pašvaistės kartais nušvinta ir virš Lietuvos.
Nematoma grėsmė: poveikis technologijoms
Nors pašvaistės yra nuostabus reginys, geomagnetinės audros kelia rimtą pavojų mūsų nuo technologijų priklausomam pasauliui. Didžiausios grėsmės kyla keliose srityse:
Elektros tinklai
Stiprios geomagnetinės audros metu kintantis magnetinis laukas Žemės paviršiuje gali indukuoti nuolatinės srovės sroves (GIC – Geomagnetically Induced Currents) ilguose laidininkuose, tokiuose kaip elektros perdavimo linijos ir vamzdynai. Elektros tinklai yra pritaikyti kintamajai srovei, todėl ši papildoma nuolatinė srovė gali perkaisti ir sugadinti didžiulius transformatorius. Būtent taip nutiko 1989 m. kovo 13 d., kai palyginti vidutinio stiprumo Saulės audra visą Kvebeko provinciją Kanadoje 9 valandoms paliko be elektros. Sugedus vos vienam transformatoriui, visa sistema subyrėjo kaip kortų namelis.
Palydovai ir GPS
Palydovai, skriejantys virš apsauginio atmosferos sluoksnio, yra ypač pažeidžiami. Energingi Saulės protonai gali pažeisti jautrią elektroniką, saulės baterijas. Padidėjęs atmosferos tankis audros metu sukuria didesnį pasipriešinimą, dėl kurio palydovai gali prarasti aukštį ir nukrypti nuo orbitos. Be to, jonosferos sutrikdymai iškraipo GPS signalus, todėl jų tikslumas gali sumažėti nuo kelių metrų iki dešimčių ar net šimtų metrų. Tai kelia pavojų aviacijai, laivybai ir visoms sistemoms, kurios remiasi tikslia navigacija.
Ryšiai ir aviacija
Saulės žybsnių sukelta Rentgeno spinduliuotė jonizuoja viršutinę atmosferos dalį (D sluoksnį), kuri sugeria aukšto dažnio (HF) radijo bangas. Šiomis bangomis naudojasi lėktuvai, skraidantys virš vandenynų (ypač poliariniais maršrutais), gelbėjimo tarnybos ir kariuomenė. Radijo ryšio praradimas tokiose situacijose gali turėti rimtų pasekmių. Taip pat, skrydžių metu poliariniais maršrutais keleiviai ir įgula gauna didesnę radiacijos dozę, todėl audrų metu tokie skrydžiai kartais yra atšaukiami arba nukreipiami kitais maršrutais.
Karingtono įvykis: praeities pamoka ateičiai
Kad suprastume, kokia galinga gali būti Saulės audra, turime atsigręžti į 1859 metus. Tų metų rugsėjo 1-2 dienomis Žemę talžė galingiausia užfiksuota geomagnetinė audra, pavadinta Karingtono įvykiu (pagal britų astronomą Richardą Carringtoną, kuris pirmasis pastebėjo ją sukėlusį Saulės žybsnį).
Pasekmės tuometiniam, dar tik besikuriančiam technologiniam pasauliui buvo dramatiškos. Telegrafo sistemos visoje Europoje ir Šiaurės Amerikoje nustojo veikti, operatoriai patyrė elektros šoką, o iš aparatų skriejo kibirkštys ir užsidegdavo telegrafo juostos. Kai kur telegrafo linijos veikė net ir atjungtos nuo maitinimo šaltinių, maitinamos vien geomagnetinių srovių. Pašvaistės buvo matomos visame pasaulyje – net Kuboje ir Havajuose. Žmonės Kolorado uolose kėlėsi vidury nakties ir pradėjo pusryčiauti, manydami, kad jau išaušo.
Šiandien Karingtono lygio audra turėtų nepalyginamai katastrofiškesnių pasekmių. Ekspertų vertinimu, ji galėtų pažeisti šimtus transformatorių visame pasaulyje, sukeldama ilgalaikius ir plačius elektros energijos tiekimo sutrikimus, kurie truktų ne valandas ar dienas, o savaites, mėnesius ar net metus. Tokiu atveju nustotų veikti viskas: nuo vandens tiekimo ir kanalizacijos iki bankų, komunikacijų ir transporto. Tai būtų smūgis moderniai civilizacijai, nuo kurio atsigauti būtų be galo sunku.
Ar galime apsisaugoti?
Nors Saulės audrų sustabdyti negalime, galime joms pasiruošti. Šiuolaikinis mokslas deda didžiules pastangas prognozuojant kosminius orus. Tokie kosminiai aparatai kaip SOHO (Saulės ir heliosferos observatorija) ir DSCOVR (Deep Space Climate Observatory), esantys Lagranžo taške L1 (tarp Saulės ir Žemės), nuolat stebi Saulę ir gali mus įspėti apie artėjantį CME maždaug 15-60 minučių prieš jam pasiekiant Žemę.
Šis išankstinis perspėjimas yra gyvybiškai svarbus. Gavę jį, elektros tinklų operatoriai gali sumažinti tinklų apkrovą, palydovų operatoriai gali pervesti aparatus į saugų režimą, o avialinijos – pakeisti skrydžių maršrutus.
Taip pat kuriami ir atsparesni technologiniai sprendimai. Inžinieriai ieško būdų, kaip apsaugoti transformatorius nuo GIC srovių, kuriami nauji palydovai su geresne apsauga nuo radiacijos. Tačiau tai ilgas ir brangus procesas, o mes lenktyniaujame su laiku, nes nežinome, kada smogs kita „didžioji“ audra.
Saulės audros yra puikus priminimas, kad gyvename dinamiškoje ir kartais priešiškoje kosminėje aplinkoje. Jos parodo, kokia trapi gali būti mūsų technologinė visuomenė ir koks glaudus yra Žemės ryšys su savo gimtąja žvaigžde. Tai reiškinys, apjungiantis stulbinantį grožį ir bauginančią galią – kosminis spektaklis, kurio pasekmes galime pajusti kiekvienas.