SONCETAJEMNICENOWEGOCYKLU

Zachowanie naszej gwiazdy stale si zmienia. Co przyniesie nam jej nowy, nietypowy cykl aktywnoci?

WERONIKA LIWA

PO RAZ PIERWSZY plamy na Socu zauway zapewne jaki odwany czowiek jaskiniowy. Podnis nierozwanie oczy ku grze i dostrzeg na tarczy ciemniejsze miejsca. Tym samym rozpocz wiele tysicy lat obserwacji najwaniejszego dla ludzi ciaa niebieskiego, decydujcego o klimacie, a nawet caej Ziemi.

Pierwsze pisemne potwierdzenia, e ludzie zdawali sobie spraw z pojawiajcych si na powierzchni naszej gwiazdy ciemnych struktur pochodz sprzed ok. 2,5 tys. lat z Chin. Jednak dokadniejsza i bezpieczniejsza rejestracja tych dowodw kaprynej natury Soca bya moliwa dopiero po wynalezieniu teleskopu i rozpocza si okoo roku 1612. Dzi wiemy, e plamy to tylko jedna z oznak zmieniajcej si cyklicznie aktywnoci naszej gwiazdy. Jaki jest jej wpyw na Ziemi? eby si o tym przekona, rzumy najpierw okiem na nasz gwiazd.

Soce obserwowane z daleka wyglda raczej niepozornie: jak zupenie zwyczajna gwiazda przecitnej wielkoci. Wraz z kilkuset miliardami starszych i modszych kuzynek kry wewntrz Drogi Mlecznej w redniej odlegoci ok. 25 tys. lat wietlnych od jej rodka. Tym, co by moe je wyrnia, jest towarzyszcy mu ukad planetarny, o cznej masie okoo 0,2% sonecznej.

Ogldane z bliszej perspektywy Soce jest olbrzymi kul gazow o rednicy ok. 1 392 000 km. Jej rednia gsto jest niewiele wiksza od gstoci wody, wynosi bowiem 1400 kg/m3. Ten parametr drastycznie zmienia si jednak wraz z podr w gb gwiazdy: w samym centrum siga 150 000 kg/m3, kilkanacie razy wicej od gstoci oowiu. Temperatura znajdujcego si w centrum sonecznego jdra wynosi a 15 mln stopni. Nic dziwnego - to tam zachodzi proces syntezy termojdrowej - rda energii gwiazdy. Powyej jdra sigajcego do ok. 0,3 promienia znajduje si otoczka, przez ktr produkowana w sonecznym wntrzu energia poda ku grze. Grne warstwy otoczki przypominaj nieco garnek kipicej wody - strumienie gorcej materii unosz si ku grze, ochadzaj i ponownie ton. Ponad otoczk znajduje si soneczna atmosfera, ktrej dolne warstwy, o temperaturze ok. 5500C, nazywamy fotosfer. To std pochodzi wikszo dobiegajcego nas od Soca promieniowania, reszta - ze znajdujcej si wyej chromosfery i rozcigajcej si nawet na odlegoci kilku promieni sonecznych superrzadkiej, rozgrzanej do ponad miliona stopni korony.

Dzi Soce jest stosunkowo stabilne: po burzliwych wydarzeniach okresu narodzin od ponad 4,5 mld lat wieci raczej spokojnie, stopniowo zwikszajc sw jasno i promie: w chwili narodzin miao jasno rwn 0,72 obecnej i promie rwny ok. 0,9 dzisiejszego. I cho zwikszajce si tempo

Chocia nasza gwiazda rzdzi wikszoci zachodzcych na Ziemi procesw, o mechanizmach zmian jej aktywnoci wci wiemy zdumiewajco mao.

Budowa Soca nie rni si od struktury innych gwiazd o podobnej masie i wieku: jdro, w ktrym trwa produkcja energii, otaczaj dwie strefy transportu energii ku jego zewntrznym warstwom. Fotosfera to umowna granica sonecznej atmosfery, najniej pooony obszar, ktry emituje fotony dolatujce bezporednio do Ziemi.

produkcji energii sprawi, e za jaki czas - mniej wicej miliard lat - temperatura powierzchni Ziemi przekroczy 100C, w ludzkich skalach czasowych interesujemy si raczej zmiennoci na mniejsz skal, wynikajc z cyklicznych zmian pola magnetycznego Soca. Tworzone przez ruch naadowanej plazmy wewntrz gwiazdy pole podlega bowiem spektakularnym i stosunkowo-szybkim zmianom.

Kosmiczny magnesSoneczne pole w okresie minimum aktywnoci naszej gwiazdy przypomina nieco pole klasycznego magnesu sztabkowego - tzw. pole dipolowe, ktrego bieguny s ustawione wzdu osi rotacji Soca. Pole dipolowe jest jednak szybko odksztacane wskutek nietypowego obrotu naszej gwiazdy. Rejony rwnikowe tej wielkiej gazowej kuli wykonuj jeden obrt w cigu ok. 25 dni, ale okolice podbiegunowe Soca poruszaj si znacznie wolniej, zataczajc jeden krg w czasie a 36 dni. Tymczasem soneczne pole magnetyczne jest wmro- one w poruszajcy si gaz, tak e oba te skadniki musz porusza si razem. Nic dziwnego, e linie pola w pooonej pod powierzchni otoczce Soca zaczynaj nawija si na gwiazd jak nici na szpulk. Z czasem napicie tych linii robi si tak due, e ich ptle wynurzaj si ponad soneczn powierzchni.

chromosferadziura koronalna

korona

rozbysk

protuberancja

strefa konwektywna

strefapromienista

jdro

plamysoneczne

fotosfera

W obszarze wynurzajcego si pola kipica materia otoczki wmroona w pole nie moe si szybko porusza i sabiej wynosi energi ku grze. Na sonecznej powierzchni obserwujemy chodniejszy, ciemniejszy obszar - plam. Jej temperatura wynosi ok. 3000-4200C. Gdyby znajdowaa si na neutralnym tle, wieciaby wic wielokrotnie janiej od wkna arwki. Jednak na tle gortszych o ponad 1000C okolic, plamy wydaj si niemal czarne. rednica pojedynczej plamy zawiera si w granicach od siedmiu tysicy do kilkudziesiciu tysicy km, na tle jednego takiego utworu z atwoci zmieciaby si wic Ziemia. Nic dziwnego zatem, e plamy mona dostrzec goym okiem.

Pojedyncza plama yje od dnia do kilku tygodni. Z czasem liczba plam i ich grup ronie, a natenie skadowej dipolowej pola Soca maleje. Po jakim czasie dipol zamienia si biegunami tak, e dawny pnocny biegun magnetyczny staje si poudniowym i vice versa. Taki cykl trwa rednio ok. 11 lat (od 8 do 14), a wic pena zamiana biegunw i powrt do stanu pierwotnego zajmuje Socu przecitnie 22 lata. Soneczne maksimum to jednak nie tylko same, dalekie od nas plamy.

Rozbyski i wyrzutyDua aktywno Soca oznacza spore zmiany w okolicach Ziemi. W trakcie wynurzania si na powierzchni sznurw pola magnetycznego cz z nich napina si, a pniej ze sob spltuje. Gdy trafi na siebie sznury, w ktrych kierunki pola magnetycznego s przeciwne, pole anihiluje, a jego potna energia jest wyzwalana w rozbysku sonecznym. Trwajcy od kilkunastu minut do ponad godziny rozbysk moe wysa w przestrze kosmiczn strumie czstek naadowanych poruszajcych si z prdkoci ok. 0,5 prdkoci wiata. Towarzyszy im - jak sama nazwa tego zjawiska wskazuje - niezwykle jasny bysk fal elektromagnetycznych, od rentgenowskich a po radiowe.

Jeszcze potniejszym zjawiskiem s koronalne wyrzuty masy, ktre wysyaj w kosmos miliardy ton plazmy poruszajcej si w stosunkowo wskiej wizce z prdkoci tysicy kilometrw na sekund. Jeli wyrzut jest skierowany ku Ziemi, docierajce do niej w cigu kilkudziesiciu godzin czstki wywouj burz geomagnetyczn: uderzaj w pole magnetyczne Ziemi, powodujc zmiany jego ksztatu i natenia oraz silniejsze prdy pynce w ziemskiej jonosferze. Same czstki uderzaj w atmosfer w okolicach biegunw magnetycznych Ziemi, wywoujc spektakularne zorze polarne.

wit o pnocyCzy takie zjawiska mog by dla nas niebezpieczne? Od pewnego natenia - tak. Najsynniejsze z dotychczas zarejestrowanych zjawisk tego rodzaju wydarzyy si w 1859 roku. Od 28 sierpnia do 2 wrzenia na Socu

Pod wpywem wiatru sonecznego i wyrzutw czstek naadowanych otaczajca Ziemi magnetosfera ugina si i przesuwa. Zawsze jednak chroni nasz planet przed wikszoci sonecznej aktywnoci.

W okolicach biegunw magnetycznych Ziemi ziemskie pole magnetyczne umoliwiasonecznym czstkom dotarcie do granic ziemskiej atmosfery. Wywouj one jej wiecenie - zorz polarn.

OGLDAMY SOCEBezpieczne obserwacje Soca nie s trudne. Pod adnym pozorem nie mona na nie patrze ani goym okiem, ani - tym bardziej - przez jakiekolwiek instrumenty optyczne, poniewa grozi to powanym, nawet permanentnym uszkodzeniem wzroku. Nie spogldajmy te na nasz gwiazd przez zaimprowizowane przesony, nawet jeli wydaj si one niemal cakowicie tumi soneczny blask. Nie mamy bowiem adnej gwarancji, e pochaniaj one rwnie szkodliwe promieniowanie spoza pasma widzialnego - ultrafiolet i podczerwie. Dla amatorw najlepsza jest metoda rzutowa, w ktrej obraz Soca skupiony w lunecie lub lornetce pada na kartk papieru. Taki sposb ma t dodatkow zalet, e ten sam obraz Soca moe podziwia jednoczenie kilka zainteresowanych osb. Na rzutowanym obrazie Soca odnajdziemy niewielkie ciemne obszary - plamy soneczne. Jeli nauczymy si odnajdywa i zapisywa pooenie plam, bdziemy mogli przystpi do systematycznych, dzielonych z innymi badaczami obserwacji - pomiaru liczby i skupienia plam, a take oceny innych widocznych na obrazie Soca struktur. Ich liczba i rodzaj bd si stopniowo zmieniay, bo aktywno Soca regularnie ronie i maleje. W okresie minimum plam jest bardzo niewiele lub wcale ich nie obserwujemy, ale podczas maksimum aktywnoci na powierzchni gwiazdy plamy pojawiaj si bardzo licznie.

23 wrzenia 2000 roku

rozmiar Ziemi

metalowych przewodach. W tamtych czasach byy to przede wszystkim druty pierwszych telegrafw. Poraonych zostao wielu telegrafistw, pali si papier telegraficzny, z instalacji leciay iskry. Niektre telegrafy dziaay nawet odczone od zasilania.

Tak silny, skierowany dokadnie ku Ziemi wyrzut ko- ronalny dotd si nie powtrzy. Z oszacowa prowadzonych na podstawie analizy rdzeni lodowych mona wnioskowa, e zdarza si raz na ok. 500 lat. Jednak nawet mniejsze wyrzuty mog by dla Ziemian niebezpieczne, zwaszcza e coraz bardziej rozwinita technika jest coraz podatniejsza na zewntrzne zagroenia. I tak 13 marca 1989 roku ulega awarii sie energetyczna w Quebecu, poniewa wywoane burz geomagnetyczn prdy spaliy wany transformator. Przerwa w dostawie prdu trwaa 9 godzin i dotkna a 9 mln ludzi. Takimi awariami s zagroone i dzi due sieci energetyczne i rurocigi, zwaszcza te pooone w pobliu ziemskich biegunw magnetycznych, czyli na Alasce, w Kanadzie i na Syberii.

Zagroenie siga rwnie kosmosu. Ziemska atmosfera pod wpywem dostarczonej jej energii rozdyma si, hamujc ruch krcych nisko satelitw. To wanie wskutek takiego, wywoanego sonecznym rozbyskiem atmosferycznego tarcia spada kiedy stacja Skylab, a ostatnio rozbysk z 7 stycznia 1997 roku sprowadzi stopniowo na Ziemi satelit telekomunikacyjnego. Prdy w ziemskiej jonosferze obniaj jako komunikacji radiowej i mog sprawi, e dokadno wskaza GPS spadnie do zaledwie 50 m.

obserwowano wtedy liczne plamy i rozbyski. Najwikszy rozbysk obserwowany 1 wrzenia wywoa potny koronalny wyrzut masy, ktry dotar do Ziemi w cigu 18 godzin (podczas gdy normalnie zajmuje to 3-4 dni). W nocy z 1 na 2 wrzenia rozpocza si potna burza geomagnetyczna. Zorze polarne widziano wwczas nawet na Karaibach, na Hawajach i w Rzymie. Poszukiwacze zota w Grach Skalistych obudzeni o pierwszej w nocy zorz polarn myleli, e to wit i rozpoczli prac. Stra poarna notowaa wiele doniesie o poarach od osb przeraonych czerwon un - tak jasn, e mona byo przy niej czyta gazety. Szybkie i potne zmiany ziemskiego pola magnetycznego wywoay silne prdy pynce w dugich

1996

1997

1998

1999

20002C

2006

012002

2003

2004

2005

nelach baterii sonecznych. Gorzej, gdy zagroenie dotyka ludzkich zag. Astronautw na Midzynarodowej

Stacji Kosmicznej chroni przed czci z tych zaburze ziemskie pole magnetyczne, cho i tak przy powaniejszych rozbyskach chowaj si oni do silniej zabezpieczonych fragmentw stacji.

Groniej przedstawia si sprawa dalszych wypraw zaogowych, np. planowanych z czasem podry na Ksiyc i Marsa. Natura przekazaa nam

ju swoje ostrzeenie w trakcie programu Apollo. 7 sierpnia 1972 roku midzy misjami Apollo 16

i 17 Soce wyrzucio tak silny strumie czstek naadowanych, e gdyby napotka zaog w trakcie podry na Ksiyc lub na jego powierzchni, mgby okaza si dla niej miertelny. Dlatego przysze wyprawy kosmiczne bd nie tylko dobrze zabezpieczone przed promieniowaniem, ale i starannie zaplanowa

ne czasowo, by najtrudniejsza cz misji przypadaa raczej na soneczne minimum.

Soce podgrzewa klimatTego rodzaju zagroenia s bardzo spektakularne, ale czy zmieniajce si Soce nie oddziauje na Ziemi rwnie w bardziej subtelny sposb? W trakcie maksimum sonecznego jasno naszej gwiazdy ronie o ok. 0,1% - mimo e cz powierzchni Soca przesaniaj wwczas ciemniejsze plamy, takie przysonicie z nadmiarem kompensuj rozbyski i inne energetyczne oznaki aktywnoci. Czy tak niewielki przyrost energii moe jako wpyn na ziemski klimat? Badacze od dawna poszukiwali oznak 11-letniej zmiennoci klimatu, jednak dopiero niedawno pojawiy si pewne oznaki, e zmieniajce si Soce rzeczywicie ksztatuje globaln pogod. Co zmienia si wic na Ziemi wraz ze sonecznym cyklem?

Pierwszy ze sonecznych efektw wie si z wpywem Soca na przestrze caego Ukadu Sonecznego. W trakcie maksimum sonecznego pole magnetyczne naszej gwiazdy izoluje Ukad Soneczny od czstek

Obserwujc Soce przez kilkanacie lat, mona dostrzec, e jego aktywno cyklicznie si zmienia. Dugo cyklu wynosi niecae 11 lat, ale moe si waha od 8 do nawet 14 lat. W maksimum aktywnoci na powierzchni naszej gwiazdy pojawia si wicej plam i rozbyskw, a moc jego promieniowania nieznacznie ronie.

Groba wie si rwnie ze strumieniem samych naadowanych czstek. Na powierzch

ni Ziemi chroni nas przed nimi nie tylko pole magnetyczne Ziemi, ale i jej atmosfera - lekko niepokoi si mog co najwyej osoby regularnie latajce samolotami na trasach nad biegunami magnetycznymi Ziemi. W kosmosie sytuacja jest jednak powaniejsza. P biedy, gdy wysokoenergetyczne czstki uderzaj w satelity, niszczc ich sprzt elektroniczny i powoduj wyadowania na pa

Najwysz warstw sonecznej atmosfery

jest korona, rozcigajca si na odlego ponad

dwch sonecznych promieni. Widzimy

j najczciej podczas zamienia Soca,

a jej rozmiary zale od poziomu aktywnoci

naszej gwiazdy w dniu jej obserwacji.

Aby obserwowa koron, nie trzeba

czeka na zamienie. Mona posuy si

koronografem - urzdzeniem, ktre

przesania blask sonecznej tarczy. Takie

urzdzenie wykorzystuj m.in. znajdujce si

na Hawajach teleskopy soneczne.

promieniowania kosmicznego dochodzcego z dalekiego kosmosu. Zwykle s to rozpdzone protony i jdra lekkich pierwiastkw wyrzucone podczas wybuchw supernowych lub z okolic kwazarw i innych obszarw aktywnych. Wpadajce w ziemsk atmosfer czstki jonizuj atomy powietrza. Powstae jony tworz jdra kondensacji pierwszych kropelek chmur. Przy duym nateniu promieniowania kosmicznego zamiast maej liczby duych kropli, ktre tworzyyby si w normalnych warunkach, powstaje dua liczba kropelek. Z utworzonych z nich chmur deszcz pada niechtnie, a wic dugo unosz si one w atmosferze. W dodatku s to chmury silnie odbijajce wiato soneczne. Im wicej takich obokw zakrywa Ziemi, tym mniej promieniowania sonecznego dociera do jej powierzchni i tym jest ona chodniejsza.

Mniejsza ilo promieniowania kosmicznego to rwnie mniejsza ilo produkowanego w grnych warstwach atmosfery radioaktywnego izotopu wgla 14C. Powstaje on w procesie rozbijania atomw atmosferycznego azotu przez kosmiczne neutrony. Tak wic silniejsza aktywno Soca to mniej chmur i mniej wgla 14C. Zmiany poziomu tego pochanianego przez roliny izotopu moemy ledzi w szcztkach drzewnych sprzed nawet kilkunastu tysicy lat, a tym samym - podglda dawn aktywno naszej gwiazdy.

Na ochronie przed promieniowaniem kosmicznym rola Soca wcale si nie koczy. Wraz ze zmianami jego aktywnoci zmienia si te poziom emitowanego przez gwiazd promieniowania ultrafioletowego, ktre jest niezbdne do produkcji ozonu w grnych warstwach atmosfery Ziemi. W maksimum sonecznej aktywnoci ozonu jest wicej, grne warstwy ziemskiej atmosfery s nieco cieplejsze i tym samym zmienia si kierunek wiejcych w nich wiatrw. Jednoczenie pod wpywem wzrostu natenia sonecznego promieniowania silniej podgrzewaj si rwnikowe obszary oceanu. Oba te efekty, dziaajc razem, sprawiaj, e w rejonach tropikalnych opady s nieco wiksze ni w latach sonecznego minimum. Czy aktywno Soca nie wie si jeszcze z jakimi innymi skutkami, ktrych na razie nie umiemy zidentyfikowa? I czy tego rodzaju zmiany bd si utrzymywa przez nastpne stulecia? By odpowiedzie na te pytania, musimy sign do najdawniejszych zanotowanych obserwacji plam.

ycie bez plamJak si okazuje, nawet w najnowszej historii ludzkoci byy okresy, gdy plam sonecznych po prostu nie byo. Ostatnio z takim przypadkiem mielimy do czynienia w latach 1640-1700. W tym czasie astronomowie donosili o braku sonecznych plam. Notowali te brak korony widocznej zwykle podczas zamie Soca jako wietlista otoczka sigajca nawet na kilka promieni od rodka gwiazdy. W latach braku plam zamiast korony obserwowano tylko wski czerwony piercie, a wic zapewne sam chro- mosfer. Takiemu minimum aktywnoci, zwanemu rwnie minimum Maundera, towarzyszya tzw. maa epoka lodowcowa - okres wyranego ochodzenia klimatu, ktry zakoczy si wraz z powrotem sonecznych plam. Czy oba te zjawiska wystpiy jednoczenie przypadkiem? Wydaje si, e nie.

By spojrze dalej w przeszo, ni pozwalaj na to rda pisane, badacze ledz lady, ktre zostawia na powierzchni Ziemi soneczna aktywno. Jednym z lepszych rde informacji jest wspomniany ju poziom wgla radioaktywnego i innych podobnych mu izotopw w tkankach drzew i rdzeniach lodowych. Takie sigajce okoo 11 400 lat w przeszo badania wykazay kilka duszych okresw sonecznego braku

aktywnoci i maksimw wyjtkowo silnej aktywnoci, Zwykle byy one skorelowane z okresowymi ocie- pleniami i ozibieniami klimatu. A dzi?

Jestemy obecnie raczej w okresie silnych maksimw i duej aktywnoci Soca podczas kolejnych cykli. Ostatni taki aktywny okres mia miejsce a 8000 lat temu. Czy jednak taka aktywno utrzyma si duej? Takie pytanie pojawio si wraz z wyjtkowo sabym pocztkiem kolejnego, 24 od rozpoczcia pomiarw w marcu 1755 roku, sonecznego cyklu.

Cykl 24Zacz si w 2008 roku tradycyjnie - od pojawienia si pierwszych plam nowego pola magnetycznego w trakcie minimum sonecznej aktywnoci. Zgodnie z pierwotnymi przewidywaniami Soce powinno by obecnie blisko maksimum przewidywanego pocztkowo na kwiecie 2011 roku. Tymczasem ostatnie minimum byo wrcz zdumiewajco spokojne i dugie. W jego trakcie notowalimy niezwykle mao plam, nawet jak na stan minimum. Ostatnio tak spokojne Soce obserwowalimy w roku 1913. Pierwsze liczniejsze plamy zaczy si pojawia dopiero pod koniec 2009 roku, ale byo ich mniej ni zazwyczaj. Wci czekamy na maksimum - obecnie uwaa si, e zanotujemy je w maju-lip- cu 2013 roku i e bdzie ono najsabsze od cyklu 16, w latach 1923-1933.

Soce rozpdza si powoli. W sierpniu 2010 roku zanotowano cztery spore koronalne wyrzuty masy. W lutym 2011 pojawi si nareszcie silny rozbysk soneczny pierwszy tak jasny od grudnia 2006. Czy Soce nadgoni opnienie, czy moe powinnimy si spodziewa kolejnego obnienia jego aktywnoci, i by moe nieznacznego ochodzenia klimatu, lub przynajmniej przyhamowania globalnego ocieplenia? Na dokadniejsze przewidywania jest jeszcze za wczenie. Na razie wasnoci nowego cyklu uwanie ledz przede wszystkim planici misji satelitarnych i zaogowych usiujcy ustali optymalne czasy startu misji i ich bardziej skomplikowanych manewrw. Jednak nowy cykl 24 moe si okaza ciekawy nie tylko dla pasjonatw dalekiego kosmosu.

DR WERONIKA LIWA, redaktor Wiedzy i ycia