Gwiazda nasza codzienna

Tekst z archiwum tygodnika "Uważam Rze"

Od najdawniejszych czasów ludzie zdawali sobie sprawę z wyjątkowej roli Słońca w ich codziennym życiu. Jego ruch na nieboskłonie regulował dobowy rytm życia starożytnych. Wiedza o energii słonecznej i zmianie jej natężenia w różnych porach roku zapoczątkowała rozwój rolnictwa. Dla większości mieszkańców Ziemi Słońce było przez wieki niezbadanym bytem. Tysiące lat temu zaczęto przypisywać mu cechy boskie. Kult Słońca rozwinął się szczególnie w Egipcie, gdzie nasza gwiazda miała nawet kilku boskich patronów. Wszystkim znany jest bóg Ra, czyli słoneczne bóstwo dzienne. Egipcjanie czcili również Horusa, który był bóstwem wschodu Słońca, oraz Atuma – bóstwo zachodzącego Słońca. W Grecji bóstwami Słońca byli Apollo i Helios, w Japonii Amaterasu, a na terenach słowiańskich Swaróg. W starożytnym Babilonie bogiem dobroczynnego Słońca był Szamasz, a niszczącego – Nergal.

Kult solarny rozwijał się tam, gdzie powstawały silne organizacje państwowe, przede wszystkim w basenie Morza Śródziemnego. Kojarzony jest z rozwojem monarchii i postaciami cesarza lub króla. Słabo rozwinął się natomiast w Afryce (poza Egiptem), w Australii czy obu Amerykach (z wyjątkiem Meksyku). – Rola Słońca w polityce i obrzędach religijnych Majów była znacząca, ale już w samych wierzeniach zdecydowanie mniejsza. Wszystko zależy od okresu i od tego, czy dotyczyło to elity, kupców czy rolników starożytnego państwa Majów – tłumaczy dr Stanisław Iwaniszewski z Państwowego Muzeum Archeologicznego w Warszawie i jednocześnie profesor archeologii Escuela Nacional de Antropologia e Historia w mieście Meksyk. Majowie obdarzali Słońce mocą sprawczą, możliwością działania niezależnego od ludzi, znali także jego pozycję w momentach przesileń. Nie znali natomiast pojęcia równonocy. Z kolei Aztekowie wierzyli, że Słonce było stworzone na początku istnienia świata poprzez ofiarę z życia bogów.

Największy rozkwit kultu solarnego nastąpił u schyłku Cesarstwa Rzymskiego, na terenie którego w II w. n.e. wprowadzono kult Sol Invictus (Słońce Niezwyciężone). Święto bóstwa obchodzone było w dniu przesilenia zimowego, stąd niektórzy historycy sugerują, że święta Bożego Narodzenia czerpią z tradycji kultu solarnego rzymskiego Sol Invictus i indoirańskiej Mitry.

Słoneczny kalendarz

Już starożytni Egipcjanie wykorzystywali pozorny ruch Słońca na tle gwiazd do celów praktycznych. – Znamy starsze kalendarze księżycowe, ale dopiero w starożytnym Egipcie zastosowano po raz pierwszy precyzyjny kalendarz słoneczny, którego zasady z grubsza stosowane są do dzisiaj. Egipską rachubą lat posługiwał się jeszcze Mikołaj Kopernik. Dzięki temu mógł łatwo porównywać swoje obserwacje z obserwacjami dokonywanymi nawet w czasach starożytnych – mówi prof. dr hab. Jarosław Włodarczyk z Instytutu Historii Nauki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Dzisiejszy kalendarz słoneczny jest zreformowaną przez papieża Grzegorza XII w 1582 r. wersją kalendarza juliańskiego (opracowanego na życzenie Juliusza Cezara przez greckiego astronoma Sysogenesa w 45 r. p.n.e.), który opierał się na solarnym kalendarzu starożytnych mieszkańców doliny Nilu.

Podczas gdy ruch Słońca na sferze niebieskiej zbadano i opisano jeszcze w starożytności, to prawdziwą naturę procesów zachodzących na najbliższej Ziemi gwieździe poznano dopiero niedawno. – Naturę Słońca próbowali odgadnąć już starożytni filozofowie przyrody. Dla jednych było wiecznym ogniem, dla innych rozżarzoną dziurą w pierścieniach otaczających Ziemię, dla jeszcze innych rozpalonym kamieniem ogrzewającym Ziemię. Pomysłów było wiele. To właśnie wtedy, w VI–V w. p.n.e., filozofowie rozpoczęli poszukiwanie odpowiedzi na pytanie o jego fizyczną naturę. W IV w. p.n.e. Arystoteles zaproponował model świata, w którym wszystkie ciała obserwowane na sferze niebieskiej były zbudowane z wiecznego i niezniszczalnego eteru. Idea idealnego eteru jako budulca Słońca przetrwała do czasów Galileusza, który jako jeden z pierwszych obserwował Słońce przez teleskop i dostrzegł na nim plamy – mówi profesor Jarosław Włodarczyk.

Przez ponad 2 tys. lat dla filozofów i astronomów Słońce było tylko jednym z ciał niebieskich krążących wokół Ziemi. Dopiero Mikołaj Kopernik w XVI w. w swojej teorii zaprezentowanej w dziele „O obrotach..." umieścił Słońce w środku Układu Słonecznego. Według Kopernika to nie Ziemia, lecz nasza dzienna gwiazda stanowi centrum znanego Wszechświata. „Czyż bowiem w tej najpiękniejszej świątyni moglibyśmy umieścić ten znicz w innym albo lepszym miejscu niż w tym, z którego może on wszystko równomiernie oświetlać?" – pisał Mikołaj Kopernik.

Gwiezdna elektrownia atomowa

Słońce wraz z Układem Słonecznym powstało niespełna 5 mld lat temu z obłoku gazu i pyłu, w którym uformowały się lokalne zagęszczenia, z których powstały Słońce, planety i ich księżyce. Mechanizm powstawania energii słonecznej znamy od niedawna. W latach 30. XX w. Hans Bethe wykazał, że reakcje termojądrowe mogą być podstawowym mechanizmem generacji energii w gwiazdach, za co w 1967 r. otrzymał Nagrodę Nobla. – W uproszczeniu promieniowanie docierające do Ziemi ze Słońca powstaje w jego jądrze w wyniku szeregu reakcji termojądrowych prowadzących do stopniowej przemiany wodoru w hel. W jądrze, gdzie temperatura wynosi około 15,5 mln st. C, ciśnienie ponad 300 mld atmosfer, a gęstość materii sięga 153 g/cm3, wskutek całego ciągu reakcji jądrowych cztery jądra wodoru (protony) łączą się w jedno jądro helu (składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów), przy czym wydzielana jest ogromna ilość energii – mówi prof. dr hab. Paweł Rudawy, heliofizyk z Instytutu Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego. W ciągu każdej sekundy w jądrze Słońca ponad 600 mln ton wodoru jest zamienianych w hel, przy czym aż 4 mln ton materii zamieniają się w energię, której ilość można policzyć na podstawie znanej formuły E=mc2.

– Od momentu powstania Słońca utrata masy w wyniku reakcji termojądrowych nie ma żadnego znaczenia dla jego ewolucji. Co sekundę Słońce traci też milion ton materii w postaci tzw. wiatru słonecznego, czyli plazmy słonecznej wypływającej bądź wyrzucanej w przestrzeń międzyplanetarną aż do granicy tzw. heliosfery, rozciągającej się w odległości 100 razy większej niż odległość Ziemi od Słońca – dodaje profesor Paweł Rudawy.

Z jądra Słońca energia przenoszona jest przez fotony, które przez bardzo gęstą plazmę powoli wędrują w kierunku zewnętrznych warstw ze średnią prędkością 3 km na rok. Gdy opuszczają Słońce, ich prędkość oddalania się osiąga prędkość światła, czyli prawie 300 tys. km/sek. – Gdyby dziś w jądrze naszej najbliższej gwiazdy przestały zachodzić reakcje fuzji jądrowej, dowiedzielibyśmy się o tym dopiero po kilkuset tysiącach lat – mówi prof. dr hab. Maciej Mikołajewski z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, wiceprezes Polskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Mgła i wiatr słoneczny

Zewnętrzna warstwa Słońca nazywana jest fotosferą. Jej średnia temperatura nie przekracza 6 tys. st. C. To na niej obserwujemy plamy, rozbłyski, granule. Wbrew pozorom nie ma żadnej stałej, twardej powierzchni Słońca. Słońce jest gigantyczną kulą gorącej plazmy, stopniowo przechodzącą w wiatr słoneczny. To, co postrzegamy jako powierzchnię Słońca, to jedynie dość cienka warstwa plazmy o grubości ok. 300 km emitująca promieniowanie widzialne i dlatego nazywana fotosferą. Gdy obserwujemy Słońce z Ziemi z odległości niemal 150 mln km, tak cienką warstwę widzimy jako niezwykle „ostrą" krawędź tarczy słonecznej. – Gdybyśmy jednak mogli pokusić się o wyprawę do wnętrza fotosfery, zaobserwowalibyśmy, że znajdujemy się w warstwie niezwykle rozrzedzonej plamy – 10 tys. razy rzadszej niż atmosfera ziemska! Tylko wielka bezwzględna grubość fotosfery powoduje, że obserwowana z oddali staje się nieprzezroczysta (wszak nie widać przez nią wnętrza Słońca) i świeci. Jest to fenomen nieco podobny do zjawiska mgły. To, co z daleka wydaje się nieprzezroczyste, na krótkich dystansach może być niemal zupełnie przezroczyste – wyjaśnia Paweł Rudawy.

Nad fotosferą znajdują się już bardzo rozrzedzone gazy. Tu zaczyna się atmosfera Słońca. W jej pierwszej warstwie zwanej chromosferą temperatura sięga 25 tys. st. C. Nad nią znajduje się tzw. korona słoneczna, którą można obserwować podczas całkowitych zaćmień Słońca. To z korony słonecznej uciekają cząstki tworzące wiatr słoneczny, który może zakłócać funkcjonowanie pola magnetycznego naszej planety. – Za ucieczkę cząstek wiatru słonecznego odpowiedzialna jest niezwykle wysoka temperatura korony słonecznej wynosząca od 1 do 2 mln st. C. W takiej temperaturze część cząstek korony słonecznej uzyskuje taką prędkość, że jest w stanie opuścić Słońce – mówi profesor Rudawy.

Wiatr słoneczny wypełnia całą tzw. heliosferę, czyli otoczenie Słońca rozciągające się 100 razy dalej, niż wynosi odległość Ziemi od Słońca. Ziemia krąży więc po orbicie położonej wewnątrz rozległej atmosfery słonecznej. Głównymi składnikami heliosfery są elektrony, protony i cząstki alfa. Takie same cząstki opuszczają każdy reaktor jądrowy na Ziemi.

Słoneczny rentgen

Gdy na Słońcu nastąpi wybuch, do Ziemi wiatr słoneczny przywieje ogromne ilości materii po kilkunastu godzinach. Jednak promieniowanie gamma i rentgenowskie dotrze do nas bardzo szybko, bo z prędkością światła, czyli po 8 minutach. – Na Słońcu zachodzą liczne zjawiska, nazywane łącznie aktywnością słoneczną, mogące prowadzić do emisji bardzo silnych, zmiennych w czasie strumieni promieniowania rentgenowskiego, ultrafioletowego, radiowego, a nawet promieniowania gamma. Z praktycznego punktu widzenia najniebezpieczniejsze dla ludzi są zwiększone dawki promieniowania rentgenowskiego. Nie trzeba chyba nikogo przekonywać, że promieniowanie to w dawkach ponadnormatywnych może być bardzo szkodliwe np. dla astronautów – wyjaśnia prof. Paweł Rudawy. Przed ultrafioletem chroni nas już zwykłe ubranie czy parasol przeciwsłoneczny.

Najpotężniejszym przejawem aktywności słonecznej są rozbłyski słoneczne, gdy w ciągu kilkudziesięciu minut powstaje ogromna ilość energii. Gdyby energię jednego rozbłysku zamienić na energii elektryczną, cała Unia Europejska potrzebowałaby 130 mln lat, by ją zużyć! – Wywoływane przez rozbłyski strumienie promieniowania i wyrzuty materii w przestrzeń kosmiczną mogą być niebezpieczne i wywołać lokalne zakłócenia pracy oraz awarie infrastruktury technicznej. Na szczęście od lat 70. XX w., gdy kilkukrotnie sieci energetyczne ulegały awariom z powodu przepięć indukowanych przez zaburzone ziemskie pole magnetyczne, poznaliśmy dość dobrze ich naturę. Obecnie jesteśmy dość dobrze zabezpieczeni przed skutkami rozbłysków na Słońcu – uspokaja prof. Paweł Rudawy.

Gwałtowne wybuchy na powierzchni Słońca obserwowane są od lat. Ostatni miał miejsce 5 marca tego roku. Jeden z najpotężniejszych wybuchów, który wywołał najsilniejszą znaną w historii burzę magnetyczną, zdarzył się w 1859 r. Naładowane cząsteczki dotarły do atmosfery Ziemi 2 września 1859 r. i wywołały burzę magnetyczną o nieznanej dotychczas skali. Awarii uległy sieci telegraficzne w Europie i Ameryce Północnej. Wybuch wyzwolił energię wielokrotnie większą niż upadek meteorytu odpowiedzialnego za wyginięcie dinozaurów.

Kosmiczna pogoda

– Słońce rządzi Ziemią w stopniu znacznie większym, niż to sobie uświadamiamy na co dzień – przekonuje prof. Maciej Mikołajewski. Dlatego dzisiaj istnieje cała dziedzina nauki zwana pogodą kosmiczną. Nie ma ona nic wspólnego z tradycyjną prognozą pogody. Analiza pogody kosmicznej polega na ciągłym monitorowaniem aktywności słonecznej, przewidywaniem i obserwowaniem rozbłysków słonecznych oraz aktywności naszej najbliższej gwiazdy.

Dzień w dzień Słońce jest monitorowane przez kilka stacji kosmicznych. Co kilka godzin wydawane są bieżące komunikaty związane z aktywnością słoneczną i jej zagrożeniem dla naszej planety. Często są to przewidywania czysto statystyczne, podobnie jak przewidywanie pogody na Ziemi. Wielu badaczy twierdzi, że właśnie zmienność „słonecznej pogody" i niestabilność płynąca z kosmosu zapoczątkowały rozwój bardzo zróżnicowanego życia na naszej planecie. – Przypuszczam, że gdyby jakaś planeta krążyła w samym środku ekosfery, czyli w obszarze wokół gwiazdy, gdzie mogłoby powstać życie, i gdyby była osłonięta przed bombardowaniem planetoid i cząstek wiatru gwiazdowego, to w tak stabilnych i przyjaznych warunkach taką planetę zdominowałby zapewne jeden gatunek rośliny dostosowany do różnych warunków klimatycznych i środowiskowych, zarówno wodnych, jak i lądowych. Niestabilność warunków klimatycznych na Ziemi oraz ciągłe zagrożenie płynące z przestrzeni kosmicznej dały tak wielkie zróżnicowanie gatunków na Ziemi. Kto wie, czy gdyby nie upadek meteorytu 65 mln lat temu, dzisiejsze sale wykładowe nie musiałyby mieć wielkości stadionu, by pomieścić kilkudziesięciu studentów dinozaurów – uważa profesor Mikołajewski. – Zapewne odpowiedzią ewolucji na te niestabilności, przede wszystkim będące wynikiem procesów zachodzących na Słońcu, jest płeć. A gdyby nie płeć, nie byłoby miłości, kultury i sztuki – dodaje uczony.

Każda osoba dysponująca

niewielkim sprzętem obserwacyjnym może prowadzić ważne i wartościowe obserwacje Słońca. – Nawet zwykłą lunetką lub większą lornetką można prowadzić systematyczne obserwacje. Co prawda nie ostrzegą nas one przed wybuchami na Słońcu, ale mogą dać naprawdę ważne i pożyteczne naukowo wyniki – mówi Piotr Urbański, przewodniczący Towarzystwa Obserwatorów Słońca im. Wacława Szymańskiego z Żychlina. Towarzystwo zrzesza kilkudziesięciu pasjonatów astronomii z całego świata, którzy codziennie prowadzą stałe obserwacje naszej dziennej gwiazdy. – Te obserwacje mają ogromną wartość, ponieważ można je porównać z danymi nawet sprzed stu lat – mówi prof. Maciej Mikołajewski.

Miłośnicy astronomii określają tzw. liczbę Wolfa, która jest podstawowym wskaźnikiem aktywności Słońca. Została ona opracowana w 1847 r. przez szwajcarskiego matematyka i astronoma Rudolfa Wolfa. Liczba ta jest sumą liczby zaobserwowanych grup plam na Słońcu pomnożoną przez 10 i liczby plam we wszystkich grupach.

Plamy na Słońcu to chłodniejsze obszary naszej gwiazdy. Gdy średnia temperatura „powierzchni" Słońca wynosi prawie 6 tys. st. C, temperatura materii tworzącej plamę jest niższa o prawie 2 tys. st. C. To skutek działania bardzo silnego pola magnetycznego utrudniającego przepływ gorącej materii z głębszych warstw fotosfery słonecznej na jej powierzchnię.

Sebastian Soberski, doktorant z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika prowadzący Planetarium i Obserwatorium Astronomiczne w Grudziądzu, przestrzega jednak przed obserwacjami bez przygotowania i właściwego zabezpieczenia: – Nigdy nie wolno patrzeć bezpośrednio na Słońce, tym bardziej przez teleskop czy nawet lornetkę! Grozi to natychmiastowym uszkodzeniem i utratą wzroku! Najbezpieczniej jest rzutować obraz Słońca z lunety, teleskopu lub lornetki na ekran umieszczony kilkadziesiąt centymetrów za okularem. Można też użyć specjalnych filtrów na obiektyw lunety lub teleskopu.