Badania kosmicznej pogody będą coraz bardziej potrzebne

Nauka w Polsce: Niedawno nad Polską pojawiła się mocna zorza, która dotarła nawet w okolice podzwrotnikowe. Nawet w naszym kraju, zorza to chyba rzadkie zjawisko?

Prof. Iwona Stanisławska: Zwykle zorze pojawiają się powyżej ok. 60 stopni szerokości geograficznej, obejmując m.in. kraje skandynawskie, północne Kanadę i Rosję. Przy silnej aktywności Słońca mogą jednak być widoczne na dużo większym obszarze. Tymczasem ostatnie zorze, które można było zobaczyć nad Polską, "dosięgały" nawet Meksyku.

Dlaczego tak się działo?

Zorza powstaje, gdy silnie naładowane cząstki wiatru słonecznego pojawiają się w bliskim otoczeniu Ziemi i powodują w nim silne zaburzenia. Przyczyną powstania niedawnej, nietypowej zorzy, był silny wybuch na Słońcu. Wybuchy następują zwłaszcza w obszarach tzw. centrów aktywnych w Słońcu, czyli zwykle niestabilnych zgrupowaniach ciemnych plam na dysku słonecznym. Wybuch to nagły, silny wzrost strumienia plazmy wypływającej ze Słońca, promieniowania rentgenowskiego, ultrafioletowego czy radiowego.

Promienie rentgenowskie i ultrafioletowe docierają do Ziemi po ok. ośmiu minutach, ponieważ poruszają się z prędkością światła, natomiast sam wiatr dotrze do Ziemi najprawdopodobniej po kilku, najczęściej kilkudziesięciu godzinach. To daje nam czas na częściowe przygotowanie się na niosące przez taki wiatr zaburzenia.

To chyba bardzo ważne, bo słoneczne wybuchy mogą zagrażać różnym urządzeniom?

Przed cząstkami wiatru słonecznego chroni nas magnetosfera, ale pod naporem powstałej w czasie wybuchu fali uderzeniowej pole magnetyczne Ziemi może ulec odkształceniu. To oznacza, że np. satelity na wysokich orbitach mogą znaleźć się poza tą zasłoną i ulec uszkodzeniom. W polu magnetycznym Ziemi powstają też układy elektryczne, które mogą indukować dodatkowe prądy w długich metalowych przewodnikach, czyli w elektrycznych liniach wysokiego napięcia, liniach telefonicznych, a nawet gazociągach czy rurociągach. Szybko wzrasta przez to ich korozja. Jedno z najpoważniejszych zagrożeń to także możliwość spowodowanym tymi prądami uszkodzeń dużych transformatorów, przez wzrost strat energetycznych, nasycenie, generację harmonik. Takie sytuacje dobrze znamy. Jedna z najbardziej spektakularnych manifestacji takich efektów miała np. miejsce w 1989 roku w Nowym Jorku. Na wykonanych wtedy zdjęciach satelitarnych doskonale widać, jak gasną światła na kolejnych terenach. Zakłóceniu ulega też nawigacja i komunikacja radiowa. Na burzę słoneczną reagują nie tylko satelity, ale i samoloty, a ponieważ latają coraz wyżej, to i zagrożenie rośnie. Tymczasem wiele lotów ma trasy na wysokich szerokościach geograficznych, co dodatkowo zwiększa narażenie.

Jednak ostatnia burza nie spowodowała poważnych kłopotów. Czy można mówić o szczęściu, czy przyczyna jest inna?

To nie kwestia szczęścia. W czasie takiej burzy geomagnetycznej jakieś kłopoty zawsze się zdarzają, ale coraz więcej wiemy i potrafimy w coraz większym stopniu je wyprognozować i zabezpieczać się przed nimi. Zmieniają się warunki w jonosferze, dlatego należy zmieniać np. częstotliwości używane w radiokomunikacji, w liniach energetycznych obniża się moc przesyłanego prądu. Na pewno nie można wtedy wykonywać prac konserwacyjnych transformatorów czy linii przesyłowych, bo wszystkie zapasowe urządzenia mogą okazać się potrzebne. Zmienia się też sytuacja w atmosferze i jonosferze. Linie lotnicze zmieniają trasy przelotów, by ominąć obszary zaburzone, którymi są najczęściej obszary polarne. A przecież wszystkie loty pomiędzy Europą, Ameryką i Azją odbywają się przez okolice polarne. Na szczęście ostatni wielki wybuch na Słońcu 14 maja i następujący wraz z nim szereg niewiele mniejszych zdarzeń nie spowodował aż tak wiele silnych zagrożeń jakie były spodziewane. Nie tylko dlatego, że to groźne centrum aktywne chowa się powoli za skrajem dysku słonecznego, ale także dlatego, że wiedza, co nas czeka, pozwala czasami lepiej przygotować się na to najgorsze.

Zatem wiedza o kosmicznej pogodzie to podstawa. Jak się ją zdobywa?

Kosmiczną pogodę tak naprawdę bada się już od 1928 roku. Pierwsze informacje na ten temat wyemitowano wtedy drogą radiową, z wieży Eiffla. Regularnie wiedzę o pogodzie kosmicznej - choć nie tak ją wtedy nazywano - zaczęto zdobywać w czasie Międzynarodowego Roku Geofizycznego w 1957 roku. Powstawały wtedy sieci obserwatoriów naziemnych. Nowe możliwości otworzyły się wraz z eksploracją kosmosu. Utworzono całą infrastrukturę satelitarną do obserwacji i badań Ziemi i jej otoczenia. Diagnozowanie pogody kosmicznej zyskało wtedy nowy impuls. Kilkadziesiąt krajów założyło wtedy organizację do wspólnych badań, wymianę obserwacji i monitorowania pogody kosmicznej. Dzisiaj organizacja ta nazywa się ISES - International Space Environment Service. Niemalże od początku Centrum Badań Kosmicznych PAN jest jej członkiem.

Jeśli chodzi np. o lotnictwo, to obecnie trzy ośrodki na świecie przygotowują odpowiednie prognozy. Jedno z nich to konsorcjum PECASUS, założone w 2019 roku na potrzeby monitorowania i prognozowania kosmicznej pogody dla Międzynarodowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego ICAO. Uczestniczą w nim Austria, Belgia, Cypr, Finlandia, Niemcy, Polska, Wielka Brytania i Włochy. W drugim ośrodku współpracują Francja, Kanada, Australia i Japonia, a trzecie obejmuje całe Stany Zjednoczone. Ośrodki te rozdzieliły między siebie czas dyżurów.

W jaki sposób bada się Słońce i kosmiczną pogodę?

Po pierwsze wykorzystuje się obserwatoria naziemne. Sieć instrumentów bada na przykład jonosferę, stan magnetyzmu ziemskiego. Oprócz tego naziemne teleskopy nieustannie przyglądają się Słońcu i monitorują jego aktywność, m.in. rejestrując promieniowanie w wielu długościach fal czy powstawanie plam słonecznych. Równie ważne są dane satelitarne. Trudno wymienić wszystkie satelitarne przyrządy, które wykorzystuje się na orbicie. Z ich pomocą obserwuje się przede wszystkim Słońce, w tym wybuchy, do których dochodzi na jego powierzchni, i fale uderzeniowe - szczególnie te skierowane w stronę Ziemi. Jednym z najważniejszych takich instrumentów jest Solar Orbiter Europejskiej Agencji Kosmicznej i NASA. To duży satelita, który dokładnie bada naszą gwiazdę. Na jego pokładzie działa polski teleskop STIX zbudowany w Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Rozpoczynamy także budowę polskiego satelity do obserwacji pogody słonecznej - wszystko jest już przygotowane, czekamy właśnie na decyzję, czy projekt ten uzyska finansowanie. Na orbicie znajduje się zresztą tak wiele różnych satelitów, że trudno je policzyć. Oprócz tego, że do ich utrzymania i poprawnej pracy wykorzystuje się dane odnośnie pogody kosmicznej, to większość z nich można także pośrednio wykorzystać do jej badania. Pozwalają na to prowadzone z ziemi obserwacje ich reakcji na zmiany kosmicznej pogody. Zajmuje się tym m.in. obserwatorium Centrum Badań Kosmicznych PAN w Borówcu. W zrozumieniu pogody kosmicznej pomagają też obserwacje innych ciał Układu Słonecznego.

W jaki sposób?

Dzisiaj zajmujemy się już także wpływem i zrozumieniem kosmicznej pogody na inne planety. Na przykład w stronę Jowisza leci teraz międzyplanetarna sonda JUICE - Jupiter Icy Moon Explorer, na której pokładzie znajduję się instrumenty zbudowane m.in. w CBK PAN. Jowisz ma silną magnetosferę i skomplikowany system księżyców. Obserwacja zachodzących tam zjawisk pozwoli nam lepiej zrozumieć zjawiska, jak Słońce oddziałuje na Ziemię.

Wiele wskazuje na to, że coraz więcej ludzi będzie brało udział w lotach kosmicznych. W tym względzie słoneczna pogoda będzie chyba miała kluczowe znaczenie. Silne promieniowanie czy strumienie cząstek mogą z pewnością mieć różne niekorzystne skutki dla organizmu człowieka.

Właśnie. Coraz więcej uwagi poświęca się temu, jak kosmiczna pogoda wpływa na człowieka - w kosmosie i na Ziemi. Okazuje się np., że może mieć wpływ na na nasze zdrowie. Chodzi np. o wpływ promieniowania kosmicznego; dziedzina rozpoznana dobrze na Ziemi. Sporo prac medycznych prowadzą naukowcy w Izraelu i w Rosji. Wieloaspektowy poziom tej dziedziny wymaga jeszcze wielu badań.

Właściwie to stawiamy już pierwsze kroki jako cywilizacja kosmiczna. Jak Pani widzi znaczenie badań kosmicznej, słonecznej pogody w niedalekiej przyszłości?

Niestety, patrząc na obecne zmiany na świecie, mam spore obawy. Przestrzeń kosmiczna staje się obszarem walki politycznej. Można dostrzec silną rywalizację między różnymi państwami. Zbyt często kraje nie chcą się dzielić swoimi doświadczeniami. Na pewno wpłynie to na naukę, także na badania kosmicznej pogody. Jej analizy jednak z pewnością będą coraz bardziej potrzebne. Obecnie współpraca międzynarodowa w badaniach naukowych zbyt często ogranicza się do bliskiej współpracy dobrze sobie znanych grup naukowych Europy i Ameryk. Komitet Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Pokojowego Wykorzystania Przestrzeni Kosmicznej (COPUOS), którego głównym zadaniem jest wspieranie współpracy międzynarodowej w zakresie pokojowego wykorzystania przestrzeni kosmicznej, chyba będzie miał coraz większe znaczenie.

Prof. dr hab. Iwona Stanisławska pracuje w Centrum Prognoz Heliogeofizycznych w CBK PAN. Wcześniej pełniła funkcję dyrektora Centrum Badań Kosmicznych. Jest specjalistą związków Słońce-Ziemia i pogody kosmicznej. Jest ekspertem w aktywnie działającym w organizacjach naukowych i doradczych International Space Environment Service ISES, w Komitecie Badań Kosmicznych, gdzie jest członkiem Biura COSPAR, Międzynarodowej Organizacji Nauk Radiowych URSI, gdzie prowadzi Roboczą Grupę Pogody Kosmicznej, Międzynarodowej Organizacji Meteorologicznej WMO Expert Team on Space Weather (ET-SWx), a także w International Space Weather Coordination Forum w Genewie.