Jeśli Słońce się nie opamięta

Wybuchy odnotowane na Słońcu w ostatnich dwóch tygodniach na razie zakończyły się dla Ziemi bezboleśnie: pojawiły się zorze polarne, przesunięto trasy samolotów latających w okolicach biegunowych. Największy wybuch miał miejsce w nocy z 7 na 8 marca i został oznaczony jako X5,4, co w przełożeniu na sztorm odpowiadałoby mniej więcej dziewiątce w skali Beauforta. Nikomu na razie nic się nie stało, nie ucierpiała ziemska technika – a jednak chyba nie możemy spać spokojnie. Kolejne brewerie naszej gwiazdy przed nami, a rok 2013 zapowiada się pod tym względem jako rekordowy.

Wielki piec

Słońce jest piecem termojądrowym o średnicy 1,4 mln km, odległym od Ziemi o około 150 mln km. Paliwem w nim jest wodór, z którego w wyniku reakcji jądrowych stopniowo powstaje hel; wydzielają się przy tym niesamowite ilości energii. Co sekundę milion ton materii zamienia się w energię równoważną wybuchowi 80 miliardów bomb wodorowych. Zanim niosące ją cząstki dotrą z wnętrza Słońca na powierzchnię, upływa 200 tys. lat. Gdyby jakiś czarodziej wyłączył syntezę termojądrową w jądrze słonecznym, przez kilkadziesiąt lat nie zauważylibyśmy większych zmian. Każda gwiazda, a więc i Słońce, utrzymuje równowagę pomiędzy grawitacją a  emisją energii promienistej: pierwsza ściąga olbrzymie masy materii do  środka, druga wypycha je na zewnątrz. Temperatura we wnętrzu Słońca sięga 14 mln stopni Kelvina, a na  zewnątrz, w fotosferze – 6 tys. K.

Katastrofa „słoneczna" to najgorszy typ kataklizmu – ze względu na jego rozmiary i naturę nie potrafimy mu się przeciwstawić

Jak na piec Słońce zachowuje się dosyć niespokojnie. Na jego powierzchni, kipiącej jak lawa w kotle, pojawiają się ciemne plamy uznawane za miarę intensywności zachodzących we wnętrzu procesów. Ponadto obserwuje się jasne obszary zwane pochodniami, wszelkiego typu protuberancje i rozbłyski połączone z emanacją olbrzymich ilości materii w kosmos. W rzeczywistości plamy są tylko nieco chłodniejsze od otoczenia, ale przez kontrast jasności widzimy je jako ciemne. Pomimo występowania plam ilość wysyłanego wtedy promieniowania rośnie. Wykryto, że aktywność Słońca układa się w cykle 11-letnie, które numeruje się począwszy od XVIII wieku; obecnie mamy 24. cykl aktywności słonecznej.

Niektóre cykle charakteryzują się wielkimi burzami na Słońcu i emisją zwiększonej ilości materii i promieniowania. Głównym składnikiem tzw. wiatru słonecznego są protony i towarzyszące im z racji przeciwnego ładunku elektrycznego elektrony, rozsiewane we wszystkich kierunkach. Emisja tego promieniowania zakłócana jest przez pole magnetyczne Słońca, jego ruch obrotowy oraz wiatr galaktyczny, czyli cząstki dobiegające do Układu Słonecznego z wnętrza Galaktyki. Średnia prędkość strumieni protonów lecących m. in. w kierunku Ziemi to 400 km/s, ale w przypadku gwałtownych erupcji zdarza się nawet 600 km/s i więcej. Oznacza to, że po kilkudziesięciu godzinach mamy je u siebie.

Coraz słabsza tarcza

Chcąc dostać się na Ziemię, protony słoneczne muszą sforsować otaczające ją pole magnetyczne. Odchyla ono kierunek strumieni i ekspediuje je dalej w kosmos, wskutek czego ładunek, jaki trafia na powierzchnię, jest o wiele mniejszy niż bez tej osłony. Ale uwaga: pole magnetyczne Ziemi słabnie, aktywność słoneczna zaś rośnie. Dziury w magnetosferze zauważono już w 2008 roku, a obecnie zieje w niej potężna wyrwa o długości siedmiu średnic Ziemi i szerokości czterech. W przypadku wielkiego wybuchu na Słońcu przez wyrwę tę na powierzchnię naszej planety wtargnie ogromna ilość plazmy. – Skutki nagłego słonecznego sztormu, który przedrze się przez otwory w magnetosferze Ziemi, są porównywalne z wojną jądrową albo upadkiem gigantycznej asteroidy na Ziemię – ostrzega ekspert z uniwersytetu w Colorado odpowiedzialny za przygotowanie raportu

NASA „Zagrożenia kosmicznej pogody: konsekwencje społeczne i ekonomiczne". Nietrudno się domyślić, że jeśli słabnięcie magnetosfery ziemskiej, na co nie mamy żadnego wpływu, nie zatrzyma się, w końcu zostaniemy wydani na pastwę wyjątkowo potężnego wybuchu, który może skutkować katastrofą cywilizacyjną. Bez magnetosfery Ziemię czeka niewesoły los Wenus i Marsa – pierwsza straciła oceany, drugi atmosferę, która odleciała w kosmos.

O tym, co może nam grozić, wiemy z przebiegu dotychczas obserwowanych wielkich rozbłysków na Słońcu i tego, jak odczuliśmy ich skutki na Ziemi. Siłę ich określamy w pięciu kategoriach: A, B, C, M oraz X, od najsłabszych do najsilniejszych. Każda z kategorii oznacza wybuchy dziesięciokrotnie silniejsze od poprzedniczki. Dodatkowo siłę tę w ramach kategorii stopniuje się od 1 do 9, z wyjątkiem kategorii X, gdzie podkategorie mogą przyjąć wyższe wartości. Ziemskie pole magnetyczne radzi sobie na razie z protonowym atakiem ze Słońca, ale i tak część cząstek wnika od strony biegunów magnetycznych. Bieguny te nie pokrywają się z geograficznymi; bardziej nas interesujący znajduje się w Archipelagu Arktycznym należącym do Kanady. Największe zagrożenie przypada więc na Amerykę Północną. Efektem wtargnięcia cząstek do atmosfery są zwykle przepiękne zorze polarne, widoczne głównie w okolicach podbiegunowych, ale gdy intensywność promieniowania rośnie, bywają obserwowane nawet na Kubie czy Jamajce.

Śniadanie poszukiwaczy złota

Pod koniec sierpnia 1859 roku Słońce było szczególnie aktywne, a ciemne plamy na jego tarczy wyjątkowo liczne. 1 września zaobserwowano potężny rozbłysk, który – jak dzisiaj wiemy – wiąże się z tzw. koronalnym wyrzutem masy, czyli emisją potężnego strumienia nie tylko protonów i neutronów, ale także ciężkich jonów helu, tlenu i żelaza. Strumień musiał mieć dużą prędkość, ponieważ dotarł do Ziemi po 18 godzinach, choć zwykle potrzeba na  to trzech – czterech dni. 2 września rozpoczęła się jedna z najbardziej gwałtownych burz magnetycznych na Ziemi: zorze widoczne były na całym świecie, nawet na daleko wysuniętych na południe Karaibach. W Górach Skalistych blask obudził poszukiwaczy złota, którzy zabrali się do śniadania, myśląc, że to już ranek. Na szczęście technika była wtedy jeszcze słabo rozwinięta, urządzeń elektrycznych mało, ale i te ucierpiały co się zowie. W całej Europie i Ameryce awariom uległy telegrafy, doszło nawet do zapalenia się papieru od iskier. Wszystkie relacje zgodnie podkreślają, że mimo odłączenia baterii prąd indukowany w przewodach był na tyle silny, że pozwalał na przesyłanie wiadomości bez zasilania.

Jaki przebieg miałaby taka katastrofa w czasach późniejszych, gdy w powszechnym użytku pojawiły się urządzenia elektryczne i elektroniczne? Podczas burzy magnetycznej w roku 1940 w kablu atlantyckim pojawiło się napięcie 2600 V, a liczne stany i prowincje USA i Kanady zostały pozbawione prądu. W marcu 1989 roku silny rozbłysk słoneczny spowodował wyrzucenie w przestrzeń chmury materii o rozmiarach 35-krotnie przewyższających Ziemię; chmura ta poruszała się z prędkością prawie 2 mln km/h. W atmosferę Ziemi uderzyła najpierw gigantyczna fala promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego, zorze widziano na Florydzie, a nawet w Meksyku. Jak pisze autor monografii o Słońcu David Whitehouse, „chmura słonecznej plazmy wdarła się w ziemskie pole magnetyczne i wywołała monstrualny prąd elektryczny przepływający nad powierzchnią planety, który skręcał się i wirował, obejmując dużą część Ameryki Północnej". W kanadyjskiej prowincji Quebec wzrostu napięcia indukowanego w sieci nie wytrzymały kondensatory i w niecałą minutę padła połowa systemu energetycznego. Działo się to w nocy przy  temperaturze prawie -7 st. C; brak prądu przez dziewięć godzin szczególnie odczuli mieszkańcy. Nie działały metro, lotniska, sygnalizacja świetlna. W USA odnotowano ponad 200 awarii transformatorów i linii przesyłowych. Utracono kontrolę nad satelitami o orbitach biegunowych, inne wskutek dezorientacji zaczęły się obracać o 180 stopni. Problemy miał znajdujący się wówczas na niskiej orbicie prom Discovery.

Porwanie atmosfery

Astronauci są szczególnie narażeni na promieniowanie ze Słońca: gdyby podczas lotu doszło do naprawdę dużego rozbłysku, musieliby albo natychmiast lądować, albo szukać ocalenia w kruchych ścianach swojego pojazdu. Na niskich orbitach częściowo chroni ich ziemska magnetosfera. Gdyby jednak znajdowali się na powierzchni Księżyca czy Marsa, skąd szybka ewakuacja nie jest możliwa, ich los byłby nie do pozazdroszczenia. Rozbłysk słoneczny w 1972 roku zalał przestrzeń kosmiczną nad Ziemią promieniowaniem o dawce 20 tys. remów, podczas gdy lecący na Księżyc lunonauci otrzymywali dawkę rzędu 1 rema. Dawka śmiertelna wynosi 450 remów, co oznacza, że zarówno na orbicie, jak i na Księżycu nikt z załogi nie miałby najmniejszych szans na przeżycie. „W jedynym zarejestrowanym przypadku naświetlenia dawką 10 tys. remów człowiek zmarł po 38 godzinach, tracąc przytomność znacznie wcześniej", pisze Whitehouse.

Na przełomie października i listopada 2003 roku na Słońcu doszło do tuzina burz, w tym do najsilniejszej, jaką odnotowano kiedykolwiek (jeden z rozbłysków oznaczono jako X28). Chociaż koronalny wyrzut masy na odległości orbity Ziemi pokrywa przestrzeń o średnicy 50 mln km, tym razem mieliśmy szczęście – główny impet wybuchu został skierowany gdzie indziej i szkody były niewielkie. Część satelitów uległa drobnym uszkodzeniom, astronauci zaś na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej musieli szukać schronienia w lepiej ekranowanych sekcjach. W sondzie Odyssey krążącej wokół Marsa uszkodzeniu uległ monitor promieniowania, ale i tak odnotowano, jak fala uderzeniowa „rozciąga i szarpie cienką atmosferę Marsa, część odrywając i unosząc w kosmos". Następnie fala uderzeniowa dotarła do Jowisza i Saturna, zakłócając pole magnetyczne, co zostało odnotowane przez sondy Ulysses i Cassini.

Co by się stało, gdyby w roku 2012 zwaliła się nam na kark burza geomagnetyczna na skalę tej z połowy ubiegłego wieku? Wszak obecny, 24. cykl aktywności słonecznej zapowiadany jest jako wyjątkowo niespokojny. Mamy też o wiele więcej delikatnych urządzeń elektronicznych, choćby komputerów, od których zależy nasza egzystencja. Można je oczywiście ekranować, lecz potężne zmienne pole magnetyczne jest w stanie wyindukować w doprowadzających do nich energię kablach prądy, które zamienią je w złom. Poważne awarie sieci przesyłowych będą wtedy na porządku dziennym. Tu należy się liczyć z niszczeniem kondensatorów i transformatorów, co skutkować będzie brakiem prądu. A bez prądu nie uda się nie tylko wyprodukować nowych transformatorów, ale w ogóle niczego – i tak wedle scenariuszy tragików cofniemy się do wieku XIX. Nawet jeśli cywilizację uda się podtrzymać, to nie za darmo; w USA straty przekraczałyby 3 biliony dolarów. Dodatkowe koszty wynikną z uszkodzenia prawie tysiąca sztucznych satelitów krążących wokół Ziemi, które zapewniają nam nawigację, komunikację i inne usługi.