Nauka

Słońce da plamę?

Zagadka słonecznych cykli

Nasze Słońce jest w okresie uśpienia magnetycznego już bardzo długo Nasze Słońce jest w okresie uśpienia magnetycznego już bardzo długo NASA
Słońce zapadło w długą drzemkę, z której budzi się wyjątkowo marudnie. Może to oznaczać, że w najbliższych latach Ziemia dostanie mniej energii. Jak to wpłynie na klimat?

Słońce jest gwiazdą zmienną. Trudno to zauważyć w świetle widzialnym, ale już w ultrafiolecie jego jasność potrafi w kilkanaście minut nawet tysiąckrotnie wzrosnąć lub zmaleć. Jeszcze silniejsze wahania obserwuje się w zakresie rentgenowskim i radiowym. Cykliczność tych z pozoru chaotycznych zmian można dostrzec dopiero po ich uśrednieniu w skali tygodnia (a jeszcze lepiej miesiąca). Odpowiada ona ogólnie znanemu, mniej więcej 11-letniemu, cyklowi aktywności Słońca, którą zazwyczaj mierzy się liczbą plam słonecznych.

Pierwsze szczegółowe opisy plam, sporządzone niemal 400 lat temu, zawdzięczamy Galileuszowi oraz angielskiemu matematykowi i astronomowi Thomasowi Harriotowi. Systematyczne obserwacje rozpoczęto w połowie XVIII w., ale na odkrycie cykliczności w zmianach liczby plam trzeba było czekać do 1843 r., gdy zauważył ją niemiecki astronom Heinrich Schwabe. Pierwszy dobrze udokumentowany cykl słoneczny rozpoczął się w marcu 1755 r. i skończył w czerwcu 1766 r. Obecny, XXIV z kolei, jest na początku fazy wzrostowej.

Magnetyczna aktywność

Plama to obszar koncentracji słonecznych pól magnetycznych. Przeciętne plamy są chłodniejsze o ok. 1500 st. od otoczenia, a czas ich życia wynosi mniej więcej dwa tygodnie (te największe bywają widoczne nawet miesiącami). Pierwsze plamy nowego cyklu ukazują się wyłącznie w pośrednich szerokościach heliograficznych (około ±40 stopni). Kolejne pojawiają się coraz bliżej równika, przy czym we wzrostowej fazie cyklu ich liczba rośnie, zaś w schyłkowej – maleje. Ostatnie plamy starego cyklu widać tuż przy równiku; nierzadko jednocześnie z oddalonymi od niego pierwszymi plamami następnego cyklu.

W maksimum aktywności na Słońcu dochodzi do potężnych wybuchów, podczas których w przestrzeń międzyplanetarną wylatują obłoki rozrzedzonej materii o masie miliardów ton i prędkości dochodzącej do kilku tysięcy kilometrów na sekundę. Rośnie częstość i amplituda rozbłysków rentgenowskich, ultrafioletowych i radiowych; także natężenie wiatru słonecznego (nazwą tą określa się nieustannie wypływający ze Słońca strumień elektronów, protonów oraz jonów helu i cięższych pierwiastków). Dla Słońca katastroficzność tego spektaklu jest jednak pozorna, gdyż łączne tempo emisji wszystkich postaci energii wzrasta zaledwie o 0,1 proc. Co innego dla nas: 0,1 proc. energii spływającej na Ziemię ze Słońca to 12 razy więcej niż łączna moc elektrowni, ciepłowni i silników napędzających wszelkie rodzaje maszyn na całej planecie! Trzeba też pamiętać, że słoneczne wybuchy zakłócają łączność radiową (te najsilniejsze mogą także powodować rozległe awarie sieci energetycznych), a strumienie szybkich cząstek są groźne dla satelitarnej elektroniki i nieobojętne dla zdrowia astronautów.

Nie znamy pierwotnej przyczyny zjawisk składających się na aktywność Słońca, ale mamy powody, by przypuszczać, że i ona podlega jakimś zmianom. Maksymalny poziom aktywności zmienia się z cyklu na cykl. Na ogół niewiele, ale w ostatnich 400 latach zdarzyły się dwa kilkudziesięcioletnie okresy, w których aktywność Słońca ulegała silnemu osłabieniu lub wręcz zanikała. Było tak podczas tzw. minimum Maundera (lata 16451715) oraz minimum Daltona (lata 17901830). W 1976 r. John A. Eddy, heliofizyk z High Altitude Observatory w Boulder (Colorado), zauważył korelację między średnioterminowymi wahaniami aktywności słonecznej i ziemskiego klimatu. Minima Maundera i Daltona, podczas których na północnej półkuli Ziemi zaobserwowano wyraźne ochłodzenie, były jej najlepiej udokumentowanymi przykładami. Krótkoterminowymi prognozami aktywności słonecznej interesowali się już przedtem łącznościowcy, wojskowi i astronauci. Po odkryciu Eddy’ego znaczenia nabrały także prognozy średnioterminowe.

Gdzie te plamy?

Rok temu na tarczy Słońca próżno było szukać choćby najmniejszej plamki. Minimum aktywności trwało już dwukrotnie dłużej niż poprzednie i najwyraźniej nie miało zamiaru się skończyć. Na chwilę powiało optymizmem, gdy Rachel Howe i Frank Hill z National Solar Observatory w Tucson (Arizona) przeprowadzili pomysłowe obserwacje, z których wynikało, że XXIV cykl jest tuż za progiem. Rzeczywiście, jego pierwsze plamy wkrótce się pokazały, lecz... szybko znikły. Słońce znów stało się idealnie gładkie. Jego nienormalnie długa drzemka była już od jakiegoś czasu wdzięcznym materiałem dla mass mediów, ale teraz zaniepokojenie zaczęli przejawiać nawet poważni heliofizycy. Pod koniec lipca 2009 r. David Hathaway z Solar Physics Group przy National Space Science and Technology Center w Huntsville (Alabama) udzielił „New York Timesowi” wywiadu, w którym nie wykluczył nadejścia „drugiego minimum Daltona”. POLITYKA pisała o opóźniającym się cyklu XXIV w artykule Zbigniewa Jaworowskiego „Te plamy nas wykończą” (33/09).

A powodów do zmartwień przybywało. William Livingstone i Matthew Penn z National Solar Observatory w Tucson od 17 lat mierzyli pole magnetyczne plam słonecznych, stwierdzając, że maleje ono w tempie 5 militesli na rok (średnia wartość pola magnetycznego Ziemi to ok. 0,05 militesli). We wrześniu 2009 r. oświadczyli, że jeśli ta tendencja się utrzyma, to już w 2015 r. plamy mogą praktycznie zniknąć, co wiązałoby się z wejściem w okres podobny do minimum Maundera. Być może popełnili przy tym grzech nieuprawnionej ekstrapolacji, ale nie byli w swoich prognozach odosobnieni. Na domiar złego opublikowano dane satelitarne, zgodnie z którymi w XXIII minimum tempo emisji energii słonecznej zmalało o 0,125 proc., a więc wyraźnie mocniej niż w dwóch poprzednich minimach, a ciśnienie wiatru słonecznego osiągnęło najniższą wartość od ponad 50 lat, czyli od chwili, w której rozpoczęto jego pomiary.

W listopadzie ukazało się kilka plam XXIV cyklu, które jednak i tym razem szybko znikły. W całym 2009 r. bezplamistych dni było 260, co pod tym względem dało mu czwarte miejsce od początku XX w. Wyraźny wzrost aktywności Słońca nastąpił dopiero na przełomie stycznia i lutego 2010 r. Luty był pierwszym od trzech lat miesiącem, w którym zaobserwowano kilka silnych wybuchów, a na słonecznej tarczy zawsze widać było co najmniej jedną plamę. Do pierwszego wybuchu, sklasyfikowanego jako bardzo silny, doszło 19 kwietnia (Słońce wyrzuciło wtedy około miliarda ton gazu). Jeszcze silniejsza eksplozja miała miejsce 12 czerwca.

Czas na kolejny cykl

Nie ma więc wątpliwości: Słońce się budzi. Problem w tym, że jego aktywność narasta dużo wolniej niż w poprzednich cyklach i astronomowie nie potrafią przewidzieć, czym to się skończy. „Przez ostatnie sto lat nie widzieliśmy niczego podobnego. Poznanie procesów odpowiedzialnych za przebieg cyklu aktywności Słońca pozostaje jednym z największych wyzwań dla heliofizyki” – przyznał Hathaway na zakończonym w ostatnich dniach maja zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego. Nie oznacza to jednak, że jesteśmy całkowicie bezradni. Naturalny reaktor termojądrowy, jakim jest Słońce, ma niezawodny termostat, który od miliardów lat nie dopuszcza do większych wahań tempa produkcji energii. Jego działanie śledzimy na bieżąco, prześwietlając słoneczny glob neutrinami i sondując za pomocą samowzbudnych fal, podobnych do ziemskich fal sejsmicznych. Badania tych fal są domeną heliosejsmologów, którzy potrafią dziś nie tylko sięgnąć prawie do samego centrum Słońca, lecz nawet przejrzeć je na wylot i wykryć plamy na jego półkuli aktualnie odwróconej od Ziemi.

Problemy pojawiają się, gdy trzeba wytłumaczyć drobne wahania dostaw słonecznej energii podczas cyklu aktywności. Ich przyczyną najprawdopodobniej są niewielkie zaburzenia przepływu energii z głębokiego wnętrza słonecznego globu (gdzie jest wytwarzana) do jego powierzchni (z której dociera do nas już bezpośrednio). Zaburzenia te dopiero zaczynamy obserwować i sporo czasu upłynie, zanim zrozumiemy ich mechanizm. Niezrozumiała jest też zależność ziemskiego klimatu od poziomu aktywności Słońca – przede wszystkim dlatego, że skutki wydają się nieproporcjonalnie duże w stosunku do przyczyn. Obniżenie temperatury Ziemi w minimum Maundera było na tyle poważne, że zamarzał Bałtyk; szeregiem długich i mroźnych zim odznaczyło się też minimum Daltona (tragiczny odwrót Napoleona spod Moskwy przypadł niemal dokładnie w środku tego okresu). Wielu naukowców do dziś wątpi, by zmniejszenie dostaw energii o 0,10,2 proc. mogło wywołać takie efekty.

Jak policzyć słoneczną energię?

Inni próbują rozwiązać te zagadki za pomocą symulacji komputerowych. Zdaniem Drewa Shindella z Goddard Institute for Space Studies w Nowym Jorku, średnie dostawy energii w minimum Maundera były o 0,25 proc. mniejsze niż obecnie. Z jego obliczeń wynika, że po takim przygaśnięciu Słońca średnia temperatura całej Ziemi spada zaledwie o ułamek stopnia, ale w Europie i Ameryce Północnej ochłodzenie jest znacznie silniejsze (przyczyną tego są zmiany wydajności stałych wiatrów, przenoszących ciepło z okolic równika w wyższe szerokości geograficzne). Niezależne symulacje przeprowadził ostatnio Gerard Meehl z National Center for Atmospheric Research w Boulder, któremu przy jednopromilowych wahaniach dostaw energii udało się uzyskać efekty podobne do słynnych anomalii pogodowych el Nińo i la Nińa.

Wszystkie te obliczenia trzeba jednak traktować jako pierwsze kroki. Z symulacjami wahań przepływu energii przez wnętrze Słońca jest jeszcze gorzej – na tym polu dopiero zaczynamy. Naukowcy potrzebują więcej danych. Część z nich dostarczy wystrzelony w lutym przez NASA satelita SDO (Solar Dynamics Observatory), który od kwietnia nieustannie zbiera bardzo szczegółowe informacje o atmosferze i polach magnetycznych Słońca, przesyłając je na Ziemię w tempie ponad 1,5 terabajta na dobę. Jest to flagowy okręt całej flotylli satelitów heliofizycznych, wśród których odznacza się europejski SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). To właśnie on potrafi obejrzeć słoneczną półkulę niewidoczną z naszej planety i zidentyfikować na niej ogniska aktywności, zanim wskutek obrotu Słońca skierują się one w stronę Ziemi. Ponieważ Słońce wiruje wokół własnej osi w tempie mniej więcej jednego obrotu na miesiąc, dzięki SOHO zyskujemy co najmniej kilka dni na przygotowanie się do niemiłych niespodzianek w rodzaju wzmożonego ostrzału obłokami słonecznej materii.

Informacje o stanie Słońca oraz prognoza kosmicznej pogody na najbliższe dni są na stronie www.spaceweather.com. Można też na niej obejrzeć archiwalne wykresy liczby plam i ocenić, na ile obecny okres przypomina ten z początku minimum Daltona. Ostatnie średnioterminowe prognozy Hathaway’a ciągle jeszcze nie wykluczają, że XXIV maksimum będzie tylko nieco słabsze od XXIII, ale poważne osłabienie aktywności jest dużo bardziej prawdopodobne. Heliofizycy radzą jednak, by się nie martwić: nawet jeśli Słońce nieco przygaśnie, zrobi to w samą porę, by zmniejszyć skutki globalnego ocieplenia.

 

Polityka 29.2010 (2765) z dnia 17.07.2010; Nauka; s. 76
Oryginalny tytuł tekstu: "Słońce da plamę?"
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Społeczeństwo

Ile mamy płci?

Rozmowa z dr n. med. Aleksandrą Jodko-Modlińską, psychologiem i seksuologiem, o nieoczywistej tożsamości płciowej.

Paweł Walewski
08.06.2020
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną