Jednog neuobičajeno tropskog jutra na području zaljeva San Francisco, tlo blista valovima vrućine i nemoguće je pogledati u nebo bez škljocanja. Ali prava toplina nalazi se u laboratoriju Lockheed Martin Solar i astrofizike u Palo Altu. Tamo, u mračnoj sobi prepunoj računalnih procesora, pogled visoke definicije prema Suncu ispunjava devet povezanih televizorskih ekrana kako bi se stvorila solarna ekstravaganca visoke pozornice široke sedam stopa.
Iz ove priče
[×] ZATVORI
VIDEO: Korištenje Sunca za stvaranje glazbe
[×] ZATVORI
Novi teleskopi omogućili su znanstvenicima neviđen pogled na Sunce, pomažući im da bolje razumiju solarnu aktivnost
Video: Nevjerojatan pogled na solarne bljeskove
Povezani sadržaj
- Sunčevi vrtjeli zeleni plinovi čuda
- Španjolski proboj u korištenju solarne energije
- Fantastične fotografije našeg Sunčevog sustava
Solarni fizičar Karel Schrijver upisuje naredbe za početak emisije: ubrzani film o nizu eksplozija koje su 1. kolovoza 2010. omotale Sunce. "Ovo je jedan od najnevjerovatnijih dana koje sam ikad vidio na Suncu", kaže Schrijver, Dva desetljeća gleda našu najbližu zvijezdu.
"Na početku ovo maleno maleno područje odlučuje da nije sretno", kaže, zvučeći kao astronomski psihijatar koji se suočava sa solarnim neurozama. Pokazuje na bljesak, skroman grč bjelkaste svjetlosti. "Tada ovaj obližnji kraj počinje postati nesretan i to bljesne. Tada se ogromna žarnica eruptira i probija kroz [magnetsko] polje poput noža. Vidimo ovaj luk užarenog materijala, a on raste s vremenom. Malo žarulje ispod luka kaže: "Ne sviđa mi se to jedan dio", i on postaje nestabilan i nestaje. "
Tko je znao da Sunce ima toliko osobnosti?
Za nekoliko sati - provedenih do minuta u digitaliziranoj reprizi - veliki dio magnetskog polja „uznemirava se“, kaže Schrijver i preuređuje se, puštajući rakete i ogromne pojave magnetiziranog plina. Lančana reakcija živopisnija je od bilo kojeg hollywoodskog prikaza. "Kad tim filmovima pokažemo prvi put ove filmove, " kaže Schrijver, "stručni izraz je općenito" Whoa! "
Bujica slika dolazi s najnaprednijeg satelita ikad za proučavanje Sunca: NASA-inog Solar Dynamics Observatory ili SDO-a. Pokrenut u veljači 2010, SDO zuri u zvijezdu iz točke 22.300 milja iznad Zemlje. Orbita satelita drži je u stabilnom položaju s obzirom na dvije radio antene u Novom Meksiku. Svake sekunde, 24 sata dnevno, SDO izbacuje 18 megabajta podataka u zemlju. Slike visoke rezolucije, kao i karte Sunčevih mučenih magnetskih polja, pokazuju genezu sunčevih pjega i porijeklo njihovih izbijanja.
Ovaj bi solarni film trebao pružiti novi uvid u svemirsko vrijeme - utjecaje koji se osjećaju na Zemlji kada izbacivanje Sunca krene našim putem. Ponekad je vrijeme blago. 1. kolovoza 2010. erupcije su započele šarene prikaze aurore borealis nad Sjedinjenim Državama dva dana kasnije kada je brza oluja nabijenog plina ometala magnetsko polje Zemlje. Ali kad se Sunce uistinu naljuti, sjeverna svjetlost može signalizirati potencijalno onemogućavajuće prijetnje.
Najintenzivnija solarna oluja ikad zabilježena pogodila je u ljeto 1859. Britanski astronom Richard Carrington 1. rujna promatrao je divovsku mrežu sunčevih pjega, nakon čega je uslijedio najintenzivniji bljesak ikad zabilježen. Za 18 sati Zemlja je bila pod magnetskom opsadom. Zasljepljujuća sjeverna svjetlost blistala je sve do juga poput Karipskog mora i Meksika, a iskreći žice ugasile su telegrafske mreže - Internet dana - širom Europe i Sjeverne Amerike.
Magnetska oluja 1921. godine oborila je signalni sustav željezničkih pruga u New Yorku. Solarna oluja u ožujku 1989. opustošila je elektroenergetsku mrežu u Quebecu, uskraćujući milionima kupaca električne energije devet sati. A 2003. godine, niz oluja uzrokovao je nestanke u Švedskoj, uništio je japanski znanstveni satelit od 640 milijuna dolara i prisilio zrakoplovne tvrtke da preusmjere letove sa Sjevernog pola po cijeni od 10 000 do 100 000 dolara svaki.
Naše moderno, globalno povezano elektroničko društvo sada se toliko oslanja na daleke transformatore i rojeve satelita da bi velika eksplozija Sunca mogla srušiti mnogo toga. Prema izvještaju Nacionalnog vijeća za istraživanje iz 2008., solarna oluja veličine 1859. ili 1921. mogla bi zapasti satelite, onesposobiti komunikacijske mreže i GPS sustave i pržiti elektroenergetske mreže po cijeni od trilijuna dolara ili više.
„Prostor oko nas nije tako benigan, prijateljski raspoložen i prilagodljiv našoj tehnologiji kao što smo pretpostavljali“, kaže Schrijver.
Dokumentirajući porijeklo ovih oluja do danas bez presedana, SDO pruža istraživačima najbolju priliku još da razumiju Sunčeve razorne sposobnosti. Cilj je predvidjeti svemirsko vrijeme - unaprijed pročitati Sunčeva raspoloženja da možemo poduzeti mjere predostrožnosti protiv njih. Uspjeh će se oslanjati na gledanje kroz Sunčevu površinu kako bi se vidjeli magnetski izljevi dok se razvijaju, na gotovo isti način na koji meteorolozi koriste radar koji prodire kroz oblak kako bi vidjeli znakove tornada prije nego što zazvoni na zemlju.
Ali za sada je Sunčeva aktivnost toliko složena da konvulzije zbunjuju vrhovne umove polja. Na pitanje kako objasniti fiziku koja pokreće Sunčevo nasilje, znanstvenik iz SDO Philip Scherrer sa Sveučilišta Stanford ne zahtijeva ništa od riječi: "Mi to u osnovi ne znamo."
Naša matična zvijezda udaljena je samo osam minuta, dok svjetlost leti. Sunce dobiva više vremena za teleskop nego bilo koji drugi objekt u svemiru, a istraživanje je globalno poduzeće. Najuspješniji satelit prije SDO-a, zajednička misija NASA-a i Europske svemirske agencije nazvana Solarni i heliosferni opservatorij (SOHO), još uvijek šalje slike Sunca 15 godina nakon njegovog lansiranja. Manji istraživač koji je sada u svemiru, a zove se Hinode, je japansko-NASA-ina suradnja koja proučava kako Sunčeva magnetska polja pohranjuju i oslobađaju energiju. A NASA-ina misija za solarne zemaljske odnose (STEREO) sastoji se od dva gotovo identična satelita koji putuju Zemljinom orbitom, jednog ispred naše planete i jednog iza. Sateliti omogućuju znanstvenicima stvaranje trodimenzionalnih slika izbacivanja sunca. Sada na suprotnim stranama Sunca, prošle veljače, napravili su prvu fotografiju čitave Sunčeve površine. Na terenu teleskopi na Kanarskim otocima, Kaliforniji i drugdje pregledavaju Sunce tehnikama koje uklanjaju zamagljujuće učinke Zemljine atmosfere.
Sunce je vrtoglava kugla plina dovoljno velika da sadrži 1, 3 milijuna Zemlji. Njegova jezgra je peć nuklearne fuzije, koja pretvara 655 milijuna tona vodika u helij svake sekunde pri temperaturi od 28 milijuna stupnjeva Fahrenheita. Ta fuzija stvara energiju koja u konačnici dopire do nas kao sunčeva svjetlost. Ali jezgra i unutarnji slojevi Sunca su toliko gusti da bi moglo proći milijun godina da bi se foton energije borio s samo dvije trećine izlaza. Tamo se postiže ono što solarni fizičari nazivaju „konvektivnom zonom.“ Iznad tankog sloja koji doživljavamo kao Sunčevu površinu. Sunčevi plinovi nastavljaju se daleko u svemir iza ovog vidljivog ruba u blistavoj vrućoj atmosferi zvanoj korona. Čitav sunčev vjetar puše kroz čitav Sunčev sustav.
Stvari postaju posebno zanimljive u konvektivnoj zoni. Ogromne greske nabijenog plina dižu se i padaju, kao u loncu s kipućom vodom, samo još jače. Sunce se okreće različitim brzinama - otprilike jednom u 24 dana na svom ekvatoru i sporije, otprilike svakih 30 dana, na svojim polovima. Ova razlika u brzini smanjuje plin i tangira njegove električne struje, podstičući Sunčeva magnetska polja. Cjelokupno magnetsko polje ima smjer, baš kao što Zemljin sjeverni i južni pol privlače naše kompase. Međutim, Sunčevo polje puno je zavoja i zavoja i svakih 11 godina ono se okreće: sjeverni pol postaje južni, a zatim 11 godina kasnije opet sjeverni. To je dinamičan ciklus koji znanstvenici ne shvaćaju u potpunosti, a srž je većine napora da shvate kako se Sunce ponaša.
Za vrijeme tih okretaja, Sunčevo duboko magnetsko polje postaje stvarno usrano. Diže se i probija kroz vidljivu površinu stvarajući sunčane pjege. Ove tamne mrlje plina su hladnije od ostatka Sunčeve površine, jer zapletena magnetska polja djeluju kao barijere, sprečavajući da Sunčeva energija pobjegne u svemir. Polja na sunčanim mjestima mogu potencijalno eruptirati. Iznad sunčevih pjega Sunčevo se magnetsko polje petlja i vrti kroz koronu. Ta krila aktiviraju eksplozije na Lockheedovim video ekranima u Palo Altu.
Schrijver i njegov šef Alan Title zajedno su radili 16 godina, dovoljno dugo da dovrše jedni drugima rečenice. Najnovija kreacija njihove grupe, Atmosferska slika skup - skup od četiri teleskopa koji snimaju milijune plinova u koroni - jedan je od tri instrumenta raspoređena na SDO-u. NASA ga uspoređuje s IMAX kamerom za Sunce.
"Taj mjehurić ispuha plina 30 puta je veći od Zemljinog promjera, kreće se milion milja na sat", kaže Title, pokazujući na ekranu sve veći crveni vrtlog koji je SDO uhvatio ubrzo nakon lansiranja satelita. I, napominje gotovo slučajno, ovo je bila prilično mala erupcija.
Magnetska polja održavaju Sunčeve plinove u liniji dok se lukovi u prostor, kaže Naslov, baš kao što i magnet sa šipkama postavlja željezne filete u uredne uzorke. Što su polja zamršenija, ona su manje stabilna. Solarni izljevi događaju se kad magnetska polja uskoče u novi obrazac - događaj koji fizičari nazivaju „ponovnim spajanjem“.
Tipični solarni izljev izbačen prema Zemlji, nazvan izbacivanje koronalne mase, mogao bi sadržavati deset milijardi tona nabijenog plina koji se utrkuje u svemir. "Morate zamisliti skup snaga koji je dovoljan da se u 15 do 30 sekundi izbaci čitava voda u rijeku Mississippi brzinom 3000 puta brže nego što mlazni avion leti", kaže, zaustavljajući trenutak kako bi taj tonuo "Na Zemlji to nema usporedbu. Imamo problema s objašnjenjem tih procesa. "
Prethodne solarne misije napravile su nejasne snimke velikih izbacivanja koronalnih masa. Ostali su teleskopi zumirali radi sitnih detalja, ali mogli su se usredotočiti na samo maleni dio Sunca. Visoka razlučivost SDO-a za čitavu hemisferu Sunca i njegove snimke brze vatre otkrivaju kako se površina i atmosfera mijenjaju iz minute u minutu. Neke su karakteristike toliko neočekivane da ih znanstvenici još nisu imenovali, poput plinovitog uzorka plina koji Schrij-ver vidi na ekranu prstom. Smatra da je spiralno magnetsko polje koje se vidi uz njegov rub, kako prolazi kroz plin dok se uspinje u svemir. "Kao da se [plin] podiže u slinama", kaže on.
Prije nego što je misija bila stara godinu dana, znanstvenici su analizirali stotine događaja koji su trajali tisuće sati. (Otkrili su da će erupcije 1. kolovoza biti povezane magnetskim "zonama grešaka" koje se protežu na stotine tisuća milja.) Tim radi pod pritiskom NASA-e i drugdje kako bi bolje prognozirali svemirsko vrijeme.
"Dobri Bože, ovo je komplicirano", kaže Schrijver, drugi dan igrajući film o Sunčevom raspoloženju. "Na Suncu nije miran dan."
Nekoliko kilometara dalje, na kampusu Stanforda, solarni fizičar Philip Scherrer bori se istim pitanjem koje animira grupu Lockheed Martin: Hoćemo li moći predvidjeti kada će Sunce kataklizmično nagaziti napunjeni plin prema Zemlji? "Željeli bismo dati dobru procjenu hoće li neko aktivno područje proizvesti rakete ili masovna izbacivanja ili će to jednostavno nestati", kaže on.
Scherrer, koji koristi satelitsku vezu za televizijski prijem, objašnjava utjecaj svemirskog vremena prisjećajući se događaja 1997. godine. "Jedne subote smo se probudili i sve što smo vidjeli bilo je nejasno", kaže on. Izbacivanje koronalne mase prošlo je pored Zemlje noć prije. Magnetski oblak očito je izvadio satelit Telstar 401 koji koriste UPN i druge mreže.
"To sam osobno uzeo, jer to je bio" Star Trek "[nisam ga mogao gledati]", kaže Scherrer sa škrto osmijehom. "Da se to dogodilo ujutro Super Bowla, svi bi to znali."
Scherrerov tim i inženjeri tvrtke Lockheed Martin razvili su SDO-ov Helioseizmički i magnetski imager, instrument koji ulazi u unutrašnjost Sunčevog svjetlosti i prati smjer i jačinu magnetskog polja, stvarajući crno-bijele mape nazvane magnetogrami. Kad se pojave sunčeve pjege, karte prikazuju magnetske nemire na osnovama lučnih građevina u Sunčevoj atmosferi.
Instrument mjeri i vibracije na Sunčevoj površini. Na Zemlji seizmolozi mjere površinske vibracije kako bi otkrili kvarove potresa i geološke strukture daleko pod zemljom. Na Suncu vibracije ne dolaze od sunčevih udara, već od pulsacija uzrokovanih plinovima koji se na površini uzdižu i spuštaju brzinom od oko 700 milja na sat. Kako se svaka mrlja plina sruši, to potiskuje zvučne valove na Sunce i oni uskaču čitavu zvijezdu. Scherrerov uređaj mjeri te vibracije na Sunčevom licu.
Ključ, kaže Scherrer, vodeći stručnjak za helioseizmologiju, kako je ova znanost poznata, jest da se zvučni valovi brže kreću kroz topliji plin, poput turbulentnih čvorova daleko ispod površine koji često predosjećaju sunčane pjege. Zvučni valovi se također ubrzavaju kada se kreću kroz plinove koji teku u istom smjeru. Iako ova mjerenja stvaraju matematičke noćne more, računala mogu stvoriti slike onoga što se događa ispod Sunčeve površine.
Na taj način Scherrerov tim može otkriti sunčeve pjege na krajnjoj strani Sunca danima prije nego što se okrenu u vidokrug i prije nego što budu u stanju izbaciti štetne čestice i plin prema Zemlji. Znanstvenici se također nadaju da će uočiti aktivne regije koje bubu iz Sunca dan ili više prije nego što budu vidljive kao sunčeve pjege.
Ove tehnike omogućuju pregled nadolazećih atrakcija. Izazov je, kaže Scherrer, pronalaženje pravih znakova magnetske zamke koji poput radarskih slika novonastalog tornada daju pouzdana upozorenja. Neki su se istraživači usredotočili na oblike magnetskog polja, primjećujući da određena zakrivljenost u obliku slova S često najavljuje ispad. Drugi gledaju na to mijenja li se magnetska jakost u središtu mjesta za sunčanje brzo - što je znak da bi mogao biti spreman za snimanje.
Scherrer poziva neke slike na svoj ekran, ispričavajući se što nisu suparnički filmovi Lockheed. Helioseizmičke slike podsjećaju na naličnu narančastu površinu, s čvorovima plinova koji se uzdižu prema cijeloj sferi Sunca. Magnetska grafika izbacila je Sunce u pjegavim sivim tonovima, ali kad Scherrer zumira, crne i bijele fleke prerastu u nepravilne mrlje. To su vrpce magnetske sile, koje izlaze na ili iz Sunčeve neprestane pokretne površine.
Kad se linije magnetskog polja ponovno povežu visoko u Sunčevoj atmosferi, Scherrer kaže, "vrlo je sličan kratkom spoju kad strujom dodirnete dvije žice. Energija koja teče strujom pretvara se u toplinu ili svjetlost. "Iznenadne iskre ispadaju duž magnetskog polja i zabiju se u Sunčevu površinu, stvarajući snažan bljesak.
Najjača sunčeva magnetska polja mogu zarobiti milijarde tona plina ispod njih, postavljajući pozornicu za izbacivanje koronalnih masa. Kad se magnetskim ponovnim spajanjem iznenada oslobodi sve te napetosti, plin se otpušta u svemir s solarnim vjetrom. "To je poput rezanja žice na balonu sa helijem", kaže Scherrer.
Proučavajući mnoge takve događaje, Scherrer misli da on i njegove kolege mogu osmisliti sustav koji rangira sunce prema cilju erupcije na Zemlji - ljestvica koja bi mogla biti „od čistog do“ i „poduzeti mjere opreza“. Takve smjernice ne bi bile predviđanja, priznaje, i on također priznaje da solarno predviđanje možda nikad neće biti suparničko zemaljskim vremenskim izvještajima. Solarno predviđanje zahtijeva da tim uspoređuje nedavne aktivnosti na Suncu s računalnim modelima. No modeli su toliko upleteni da je u trenutku kad računalo ispusti odgovor, Sunce već moglo iskočiti ili šutjeti.
Jedno od najvećih solarnih iznenađenja u posljednjih 50 godina nije nešto što je Sunce napravilo, već nešto što nije učinio: nije stvorilo puno sunčevih pjega veći dio 2008. i 2009. godine. "Prošli bismo 60, 70, 80, 90 dana bez ijedne sunčeve mrlje ", kaže NASA-in urednik znanosti Tony Phillips, koji samostalno objavljuje SpaceWeather.com. „Tijekom života solarnih fizičara, to nitko nije vidio. Iznenadila je cijelu zajednicu. "
Nitko ne zna što je uzrokovalo da trtica bude tiha. Duboko magnetsko polje očito se nije iskrivilo na svoj uobičajeni način, možda zato što su električne struje unutar Sunca postale slabije. Neki su znanstvenici nagađali kako se Sunce gasi, barem privremeno. Panel solarnih fizičara proučavao je ove promjene i procijenio je da bi Sunčeva aktivnost u sljedećem 11-godišnjem ciklusu sunčevih pjega mogla doseći tek polovicu nedavnih razina. To bi moglo imati male posljedice na klimatske promjene. U prošlom stoljeću ljudska aktivnost daleko je nadmašila Sunčeve modulacije u utjecaju na klimu Zemlje. Ako se obrazac smanjene sunčeve aktivnosti nastavi kroz drugi Sunčev ciklus i dalje, suptilno smanjenje energije Sunca moglo bi malo nadoknaditi globalno zagrijavanje.
Predviđa se da će Sunce dostići vrhunac svog trenutnog ciklusa sunčevih pjega krajem 2013. ili početkom 2014. Ali nema razloga misliti da će tako mirnije Sunce tako ostati. "Najveći događaj čestica i geomagnetska oluja u zabilježenoj povijesti" - događaj iz 1859. koji je primijetio Carrington - "dogodio se tijekom solarnog ciklusa približno iste veličine kao onaj koji projiciramo u narednih par godina", kaže Phillips. Štoviše, nedavno istraživanje Suli Ma i njegovih kolega iz Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku pokazalo je da jedna trećina solarnih oluja koje udaraju na Zemlju nastaje bez sunčevih bljeskova ili drugih znakova upozorenja. Ovi napadi krađe sugeriraju da Sunce može biti opasno čak i kad se čini mirnim.
Nema načina da zaštitimo Zemlju od Sunčevih erupcija; snažne oluje uvijek će poremetiti magnetsko polje našeg planeta. Ali unaprijed upozorenje može ograničiti njihov utjecaj. Mjere opreza uključuju smanjenje opterećenja napajanja radi sprječavanja prenapona na električnim vodovima, stavljanje satelita u elektronički sigurni mod i - u NASA-inom slučaju - navođenje astronauta da se sklone u najutvrđenije dijelove svojih svemirskih letjelica.
Čak i uz te mjere, događaj ozbiljan poput solarne oluje 1859. ili 1921. godine doveo bi do pustošenja, kaže solarni i svemirski fizičar Daniel Baker sa Sveučilišta u Koloradu, glavni autor izvješća Nacionalnog vijeća za istraživanje 2008. godine. Ljudi postaju sve više ovisni o komunikacijskoj tehnologiji iz godine u godinu, kaže Baker, čineći nas sve ranjivijim na elektromagnetski kaos. "Ti se [teški] događaji vjerojatno događaju svakog desetljeća", kaže on. "Samo je pitanje vremena prije nego što nas jedan od njih pogodi."
Baker i njegovi kolege pozvali su NASA-u i Nacionalnu upravu za okeanske i atmosferu, koja upravlja Centrom za predviđanje svemirskog vremena u gradu Boulder, Colorado, da razviju sustav satelita za upozorenje u svemirskim vremenskim uvjetima. Danas je jedini instrument koji može odrediti smjer magnetskog polja unutar približavanja izbacivanju koronalne mase - kritični faktor za određivanje kako će nasilno utjecati na Zemlju - na 13-godišnjem satelitu koji nema skoro zamjenu.
„Sunce je visoko promjenjiva zvijezda“, upozorava Baker. "Živimo u njegovoj vanjskoj atmosferi, a cyber-električni kokon koji okružuje Zemlju podložan je njegovim hirovima. Bolje da se s tim suočimo. "
Robert Irion upravlja programom pisanja znanosti na Sveučilištu Kalifornija u Santa Cruzu.
Ekstremna ultraljubičasta slika sunca. Plave regije su najtoplije, sa 1, 8 milijuna stupnjeva Farenhajta. (NASA / GSFC / AIA) 
Kad izbacivanje koronalne mase dosegne Zemlju, solarne čestice struju duž linija magnetskog polja, energiziraju plinove u atmosferi i blistaju poput sjevernog svjetla (u Manitobi). (Federico Buchbinder) 
Opservatorij solarne dinamike, prikazan ovdje u umjetnikovoj koncepciji, pokrenut je 2010. godine i pruža pogled bez presedana prema Suncu. (NASA) 
Burni tjedan na Suncu kulminirao je erupcijama 1. kolovoza 2010, koja je obasjala sjeverna svjetla nad Sjedinjenim Državama. (NASA) 
Bio je to "jedan od najčudesnijih dana koje sam ikad vidio na Suncu", kaže Karel Schrijver iz erupcije iz kolovoza 2010. godine. (John Lee / Aurora Select) 
Promatranja iz opservatorija solarne dinamike pokazuju iznenađujuću složenost na Sunčevoj površini. Solarni vjetrovi teku u svemir iz mračne "koronske rupe". (NASA) 
Magnetska nit koja pleše po Sunčevoj južnoj hemisferi dugačka je oko 340 000 milja ili oko 40 posto duže od udaljenosti Zemlje od Mjeseca. (Didier Favre) 
Sunčeva bljeskalica koja izbija iz Sunca ugledala je svijetle magnetske petlje. (NASA) 
Philip Scherrer, u blizini Stanfordove solarne opservatorije, koristi helioseizmologiju i magnetsko snimanje kako bi razumio duboke strukture Sunca i vidio što se događa s daleke strane zvijezde - prije nego što potencijalni problemi nastanu. (John Lee / Aurora Select) 
Magnetska slika Sunca. (NASA) 
Instrumenti opservatorije solarne dinamike vraćaju slike Sunca u različitim valnim duljinama. Jedna valna duljina izbacivanja koronalne mase prošlog ljeta pokazuje eksploziju zračenja i magnetiziranog materijala koji je izbio iz Sunca. (NASA) 
Ta valna duljina daje jasniju sliku eksplozivnog vala kako se erupcija širi po površini Sunca. (NASA)
