Nie samo Słońce zrobiło nam burzę. Ziemia dorzuciła własne paliwo

Gdy mówimy o burzach geomagnetycznych, winnego wskazujemy niemal automatycznie: Słońce. To ono wyrzuca plazmę, produkuje rozbłyski, wysyła w naszą stronę koronalne wyrzuty masy i potrafi zrobić z nieba spektakl zórz polarnych. Badanie przeprowadzone przez naukowców z Nagoya University i JAXA pokazuje jednak, że jest to o wiele bardziej skomplikowane. Podczas wielkiej burzy z maja 2024 r. Ziemia nie była tylko tarczą obrywaną przez kosmiczny sztorm. Sama dostarczyła ogromną część paliwa, które pomogło zbudować zaburzenie w magnetosferze.

W maju 2024 r. aktywny region na Słońcu wystrzelił serię potężnych erupcji. Chmury namagnesowanej plazmy ruszyły przez przestrzeń kosmiczną, połączyły się po drodze i uderzyły w ziemską magnetosferę. Efekt był spektakularny, bo zorze polarne widziano na nietypowo niskich szerokościach geograficznych, a sama burza geomagnetyczna przeszła do historii jako jedna z najpotężniejszych ostatnich dekad.

To wydarzenie znane jest jako burza Gannon albo burza Dnia Matki. Jej wskaźnik SYM-H spadł do -518 nT, co oznacza drugi największy wynik od 1981 r., odkąd dostępny jest ten sposób oceny intensywności podobnych zaburzeń. Ostatnie porównywalne zdarzenie miało miejsce w listopadzie 2004 r.

O tym, że burze słoneczne nie są tylko ładnym pokazem na niebie, pisaliśmy w tekście: Burza słoneczna nie spali telefonu. Ale może wyłączyć świat. Silne zaburzenia pogody kosmicznej mogą uderzać w GPS, łączność, satelity i sieci energetyczne. Teraz dochodzi do tego ważny niuans: żeby dobrze przewidywać siłę takiej burzy, nie wystarczy patrzeć wyłącznie na to, co leci od strony Słońca.

Najistotniejszym elementem burzy geomagnetycznej jest tzw. prąd pierścieniowy. To ogromny pas naładowanych cząstek krążących wokół Ziemi tysiące kilometrów nad równikiem. Tworzą go wysokoenergetyczne jony, głównie wodoru i tlenu. Gdy taki prąd się wzmacnia, wytwarza pole magnetyczne częściowo przeciwne do naturalnego pola Ziemi. Na powierzchni rejestrujemy to jako spadek natężenia pola magnetycznego, czyli właśnie jeden z podstawowych sygnałów burzy geomagnetycznej.

Przez lata naukowcy dyskutowali, skąd dokładnie biorą się jony tworzące ten prąd. Są dwa główne źródła. Pierwsze to wiatr słoneczny, czyli strumień cząstek lecących od Słońca. Drugie to ziemska jonosfera, czyli górna, naładowana elektrycznie warstwa atmosfery. W normalnych burzach udział mają oba źródła.

Przy tak potężnym i gęstym uderzeniu wiatru słonecznego można było się spodziewać, że cząstki ze Słońca będą ważnym składnikiem prądu pierścieniowego. Tymczasem pomiary pokazały coś innego. Podczas szczytu burzy Gannon dominowały jony pochodzące z Ziemi.

Można powiedzieć, że japoński satelita Arase znalazł się we właściwym miejscu we właściwym czasie. To bardzo ważne, bo superburze geomagnetyczne są rzadkie, a bez bezpośrednich pomiarów w odpowiednim rejonie magnetosfery naukowcy muszą opierać się na modelach i pośrednich wskaźnikach. Arase krąży po orbicie przecinającej region, w którym rozwija się prąd pierścieniowy, i ma instrumenty zdolne rozróżniać jony według masy oraz energii.

W czasie tamtej burzy satelita przeleciał przez prąd pierścieniowy tuż po rozpoczęciu zjawiska i ponownie w pobliżu jego szczytu. Dane były zaskakująco jednoznaczne. Około 85 proc. jonów stanowił tlen pochodzący z ziemskiej jonosfery. Wkład jonów wiatru słonecznego był minimalny, mimo że to właśnie wiatr słoneczny dostarczył energię całemu układowi.

Ciężkie jony tlenu zachowują się inaczej niż lekkie protony – potrafią zmienić sposób, w jaki działa prąd pierścieniowy, wzmocnić całe zaburzenie i przesunąć jego najintensywniejszą część bliżej Ziemi. Innymi słowy: o sile burzy nie decyduje wyłącznie to, ile energii przyleci ze Słońca. Równie ważne jest to, czym nasza magnetosfera zostanie wypełniona.

Najlepiej wyobrazić to sobie tak: Słońce dostarczyło silnik i iskrę, ale Ziemia dorzuciła masę, która zaczęła krążyć w naszym magnetycznym otoczeniu. Jonosfera nie jest pasywną warstwą powietrza gdzieś wysoko nad głowami. Podczas ekstremalnych zaburzeń może oddawać własne jony do magnetosfery. Te cząstki są później przyspieszane do energii nawet około 100 tys. razy większych niż miały na początku w jonosferze.

Szczególnie ważny okazał się tutaj tlen. Podczas burzy Gannon pojedynczo zjonizowane atomy tlenu O+ mocno wzrosły i stały się dominującym składnikiem w rejonie prądu pierścieniowego. Bliżej Ziemi pojawił się także wzrost udziału podwójnie zjonizowanego tlenu O++, którego wkład potrafił dorównać lub przewyższać wkład wodoru.

Ziemia nie stworzyła tej burzy sama. Bez silnego uderzenia ze Słońca nic takiego by się nie wydarzyło. Jednak ziemska jonosfera dostarczyła materiał, który po przyspieszeniu odegrał kluczową rolę w rozwoju superburzy.

Arase zaobserwował również około 40-proc. spadek natężenia pola magnetycznego w rejonie położonym mniej więcej 16 tys. km nad Ziemią. To wyjątkowo blisko, jak na tak silne zaburzenie prądu pierścieniowego. Naukowcy zwracają uwagę, że szczyt energii jonów znalazł się w okolicy 2,5-3 promieni Ziemi od środka planety, czyli bliżej niż w wielu wcześniejszych przypadkach.

Dlaczego to ważne? Bo im bliżej Ziemi zachodzą tak silne zmiany, tym większe znaczenie mogą mieć dla satelitów, pasów radiacyjnych i całej infrastruktury działającej w przestrzeni okołoziemskiej. Podczas tej samej obserwacji zauważono też spadek liczby wysokoenergetycznych elektronów, które zwykle krążą w pasach radiacyjnych. Gdy pole magnetyczne silnie się deformuje, elektrony mogą wypadać ze swoich normalnych trajektorii.

To jeszcze wymaga oczywiście dalszych badań, ale trop jest bardzo ciekawy. Superburza nie tylko potrząsnęła polem magnetycznym. Mogła też przestawić układ cząstek w najbliższym kosmicznym sąsiedztwie Ziemi, wpływając na pasy radiacyjne i środowisko pracy satelitów.

Dzisiejsze modele pogody kosmicznej bardzo mocno opierają się na danych o wietrze słonecznym: jego prędkości, gęstości, polu magnetycznym i kierunku. To logiczne, bo burza zaczyna się od tego, co nadlatuje z kosmosu. Nowe badanie sugeruje jednak, że to może nie wystarczyć.

Jeżeli ziemska jonosfera może w ekstremalnych warunkach dostarczyć dominującą część jonów do prądu pierścieniowego, to trzeba uwzględniać także stan atmosfery i magnetosfery naszej planety. Ziemia nie jest bierną kulką w strumieniu plazmy. Jest aktywnym układem z własnym polem magnetycznym, jonosferą, pasami radiacyjnymi i procesami, które mogą wzmacniać albo zmieniać przebieg zjawiska.

Pisaliśmy o podobnym problemie w tekście: Coś niepokojącego dzieje się na Słońcu. Grozi nam utrata łączności, gdzie stawką były zakłócenia GPS, sieci energetyczne i łączność. Tam głównym bohaterem było Słońce. Tutaj dochodzi Ziemia, która podczas silnej burzy potrafi sama zasilić własny kosmiczny prąd.

Burza Gannon była jedną z najlepiej udokumentowanych burz geomagnetycznych w historii. NASA zwracała uwagę, że jej skutki były widoczne od powierzchni Ziemi po przestrzeń okołoziemską. Były zorze na nietypowych szerokościach, problemy z GPS, kłopoty z lotami transatlantyckimi, zaburzenia w jonosferze, ogrzanie termosfery i zwiększony opór dla satelitów.

Mimo tego takie wydarzenia nadal trudno prognozować z precyzją, jakiej oczekiwalibyśmy w świecie zależnym od satelitów i nawigacji. Samo przewidzenie, kiedy koronalny wyrzut masy dotrze do Ziemi, jest trudne. Jeszcze trudniejsze jest przewidzenie, jak dokładnie zareaguje magnetosfera.

Jeśli znaczenie ma nie tylko kosmiczny pocisk, ale też stan tarczy, zadanie robi się podwójnie złożone. Trzeba wiedzieć, co leci od Słońca, ale też jak przygotowana jest Ziemia: ile jonów może dostarczyć jonosfera, gdzie zostaną przyspieszone, jak uformuje się prąd pierścieniowy i czy najgorsze zaburzenie pojawi się bliżej planety niż zwykle.

Dla większości ludzi burza z maja 2024 r. była przede wszystkim pięknym, widowiskowym wydarzeniem. Media społecznościowe zalały zdjęcia zórz widocznych tam, gdzie zwykle nikt się ich nie spodziewa. To zrozumiałe. Zorza jest jednym z najbardziej efektownych dowodów, że Ziemia naprawdę żyje w kosmicznym środowisku.

Jednak dla inżynierów i operatorów infrastruktury to nie był zwykły pokaz. Silne burze geomagnetyczne mogą powodować problemy z łącznością radiową, pogarszać dokładność GPS, zwiększać dawki promieniowania dla lotnictwa na trasach polarnych, podgrzewać i rozszerzać górną atmosferę, a tym samym zwiększać opór dla satelitów na niskiej orbicie. Mogą też indukować prądy w sieciach energetycznych.

O najgorszych scenariuszach pisaliśmy w tekście: Kosmiczny kataklizm wywoła zamieszki. Przerażająca prognoza. Nie chodzi o straszenie końcem świata, lecz o fakt, że nowoczesna cywilizacja jest znacznie bardziej wrażliwa na pogodę kosmiczną niż 100 lat temu. Im więcej satelitów, systemów GNSS, linii energetycznych, komunikacji i automatyki, tym większe znaczenie ma dobra prognoza.

Wnioski z badania wspierają pomysł japońskiej misji FACTORS, czyli koncepcji dwóch satelitów mających lepiej zbadać, jak jony uciekają z jonosfery do magnetosfery i jak zasilają burze geomagnetyczne. Pojedynczy satelita może dać znakomity przekrój danych, ale nie pokaże całego obrazu w każdej chwili i w każdym miejscu.

Jeśli chcemy naprawdę przewidywać superburze, potrzebujemy pomiarów, które obejmują nie tylko wiatr słoneczny przed Ziemią, ale też wnętrze magnetosfery, jonosferę i pasy radiacyjne. Trzeba zobaczyć, kiedy Ziemia zaczyna oddawać własne jony, jak są przyspieszane i gdzie trafiają.

Przeczytaj także:

Prognoza pogody kosmicznej nie może polegać wyłącznie na patrzeniu na erupcję na Słońcu. Musi rozumieć cały układ: Słońce, wiatr słoneczny, magnetosferę, jonosferę i infrastrukturę, która przez ten układ przebiega.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI