Co anomalie w temperaturze, składzie, lokalizacji i rozprzestrzenianiu się cząstek mogą oznaczać dla satelitów i… GPS?
Potężna burza geomagnetyczna, która miała miejsce 11 maja, doprowadziła do powstania widocznych zórz polarnych na południu Stanów Zjednoczonych i zakłóciła technologię GPS. Naukowcy z Virginia Tech, wykorzystując NASAinstrumentu GOLD udokumentował bezprecedensowe zjawiska atmosferyczne i zbadał ich wpływ na jonosferę Ziemi. Badania podkreślają dynamiczny charakter górnych warstw atmosfery i jej podatność na aktywność słoneczną, która obecnie nasila się w miarę zbliżania się do szczytu cyklu słonecznego w roku 2025.
Oszałamiające zorze polarne i zakłócenia technologiczne
Wspaniała zorza polarna zaskoczyła obserwatorów gwiazd w południowych Stanach Zjednoczonych 11 maja. W ten sam weekend: Ciągnik prowadzony przez GPS nie trafił w cel.
Co wspólnego ma widoczność zorzy polarnej z uszkodzonym sprzętem rolniczym na Środkowym Zachodzie?
Według dwóch nowo opublikowanych artykułów, których współautorem jest Scott England z Virginia Tech, jest to wyjątkowo potężna burza geomagnetyczna.
„Zorza polarna powstaje w wyniku energetycznych, naładowanych cząstek uderzających w górne warstwy atmosfery, na które wpływa wiele czynników kosmicznych, w tym słońce” – powiedział England, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Lotniczej i Oceanicznej Kevina T. Croftona. „Podczas słonecznych burz geomagnetycznych w przestrzeni wokół Ziemi znajduje się znacznie więcej tych naładowanych energią cząstek, dlatego widzimy pojaśnienie zorzy polarnej, a obszar, nad którym je widać, rozciąga się, obejmując miejsca takie jak 48 niższych stanów, w których zazwyczaj nie widzą tego wyświetlacza.”
Przełomowe badania atmosferyczne
Anglia wraz z zespołem współpracowników z uniwersytetów i przemysłu śledziła zdarzenie w górnych warstwach atmosfery, które miało miejsce 11 maja, za pomocą teleskopów NASA ZŁOTO instrument. Okazało się, że była to najsilniejsza burza geomagnetyczna zarejestrowana w ciągu ostatnich 20 lat. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Listy z badań geofizycznych w dwóch badaniach, których współautorem jest Anglia. Pierwsze badanie, przeprowadzone przez pierwszego autora Deepaka Karana z Uniwersytetu Kolorado w Boulder, wykazało bezprecedensowe zmiany w lokalizacji i rozprzestrzenianiu się cząstek w górnych warstwach atmosfery. Drugie badanie, przeprowadzone przez pierwszego autora i absolwenta Virginia Tech, J. Scotta Evansa ’88, udokumentowało zmiany składu i temperatury.
Wśród zebranych danych Anglia odnotowała, że po raz pierwszy była świadkiem „zachwycających wirujących wzorów” oraz dramatycznego ruchu powietrza od zorzy polarnej, powodującego utworzenie ogromnych wirów, które poruszały powietrze po spirali większej niż huragan. Konkretne obserwacje obejmowały:
- Nieprzewidywalny ruch naładowanych cząstek o niskiej energii z okolic równika w stronę zorzy polarnej
- Naładowane cząstki, które można podzielić na dwa rodzaje: niskoenergetyczne i wysokoenergetyczne, przy czym to drugie może zranić człowieka pracującego w kosmosie oraz uszkodzić elektronikę
- Zmiany temperatury i ciśnienia, które prawdopodobnie prowadzą do widocznych wirów i wirów
- Zmiany lokalizacji i rozprzestrzenianie się cząstek o niskiej energii, które mogą negatywnie wpływać na GPS, satelity, a nawet sieć elektryczną
Szerszy wpływ na technologię i środowisko
„W miarę jak zorza się nasila, widać więcej świateł, ale wraz z tym do atmosfery dostaje się więcej energii, przez co atmosfera w pobliżu biegunów staje się bardzo gorąca, co zaczyna wypychać powietrze z biegunów w stronę równika” – England powiedział. „Te dane rodzą wiele pytań, takich jak: czy podczas tej burzy geomagnetycznej wydarzyło się coś naprawdę innego niż miało to miejsce wcześniej, czy też po prostu mamy lepsze instrumenty do pomiaru zmian?”
Co więcej, co te zmiany mogą oznaczać dla technologii stworzonej przez człowieka, która krąży wokół tego obszaru atmosfery?
Więcej niż pokaz zorzy polarnej
Górna atmosfera Ziemi, rozciągająca się na wysokość od około 60 do 600 km nad nami, graniczy z przestrzenią kosmiczną i jest strefą, w której przebywają satelity i Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Górna atmosfera składa się z tych samych cząstek, co dolna atmosfera, w której żyjemy i oddychamy.
Ale ma też drugą stronę – jonosferę, którą można traktować niemal jak koc elektryczny – jest silnie naładowana i podlega ciągłym wahaniom. Te naładowane cząstki w jonosferze to jedna rzecz, która sprawia, że ten obszar przestrzeni jest tak dynamiczny. Często zmienia się temperatura i skład górnych warstw atmosfery i jonosfery. W rzeczywistości robi to przewidywalnie w dzień i w nocy, a nawet zmienia się w miarę upływu czasu w zależności od pory roku.
Wpływ Słońca i przyszłe implikacje
Anglia stwierdziła, że na cząsteczki w atmosferze ziemskiej wpływa wiele czynników kosmicznych, w tym aktywność Słońca. Podczas rozbłysku słonecznej burzy geomagnetycznej intensywny wybuch promieniowania słonecznego zmienia skład i prędkość cząstek w atmosferze ziemskiej. Dlaczego więc w ostatnich miesiącach na całym świecie zorza polarna była widoczna w miejscach, gdzie wcześniej jej nie widziano?
„Liczba plam słonecznych, rozbłysków i burz zmienia się w 11-letnim cyklu, który nazywamy cyklem słonecznym” – stwierdził England. „Liczba obserwowanych przez nas rozbłysków stopniowo rośnie przez ostatnie kilka lat, w miarę zbliżania się do szczytu cyklu słonecznego”.
Oprócz widoczności zorzy polarnej burze geomagnetyczne mają szereg wpływów na naszą technologię. Ponieważ sygnały radiowe i GPS przemieszczają się przez ten stale zmienny „koc elektryczny”, zmiany w tej warstwie atmosfery mogą zakłócać sygnały oraz utrudniać systemy nawigacji i komunikacji, takie jak GPS. Różne czynniki, zarówno ziemskie, jak i kosmiczne, mogą mieć wpływ na tę kluczową warstwę, ale pozostaje wiele do nauczenia się na temat przyczyn zachodzących zmian w górnych i dolnych warstwach atmosfery oraz ich wpływu na życie, jakie znamy.
„Burze te mogą również zwiększyć prądy elektryczne przepływające wokół Ziemi, co może mieć wpływ na urządzenia technologiczne wykorzystujące bardzo długie przewody. W ostatnich latach nastąpił wpływ na sieć energetyczną, gdy przez przewody przepływał zbyt duży prąd. Podczas największej burzy geomagnetycznej, jaką kiedykolwiek zarejestrowano, zdarzenia Carringtona w 1859 r., spowodowało to zapalenie się systemów telegraficznych – szczytowej wówczas technologii –” – stwierdził England.
Naukowcy podejrzewają, że burza podobna do zdarzenia w Carrington z 1859 r., gdyby wydarzyła się dzisiaj, mogłaby spowodować internetową apokalipsę, powodując wyłączenie dużej liczby ludzi i firm. Chociaż burza z 11 maja nie spowodowała drastycznych zakłóceń, a szczyt cyklu słonecznego ma osiągnąć w lipcu 2025 r., wciąż jesteśmy około roku od poznania potencjalnych skutków.
„Jednym z powodów, dla których badamy burze geomagnetyczne, jest próba zbudowania modeli przewidywania ich skutków” – stwierdził England. „Na podstawie cyklu słonecznego spodziewalibyśmy się, że warunki, które obserwujemy w tym roku, będą się utrzymywać przez około dwa lata”.
Referencje:
„ZŁOTE obserwacje łączenia się południowego grzbietu równikowej anomalii jonizacyjnej i zorzy polarnej podczas super burzy geomagnetycznej z okazji Dnia Matki w dniach 10 i 11 maja 2024 r.” Deepaka Kumara Karana, Carlosa R. Martinisa, Roberta E. Daniella, Richarda W. Eastesa, Wenbin Wang, William E. McClintock, Robert G. Michell i Scott England, 09 sierpnia 2024 r., Listy z badań geofizycznych.
DOI: 10.1029/2024GL110632
16 sierpnia 2024, Listy z badań geofizycznych.
DOI: 10.1029/2024GL110506
