V netradičním tropickém ránu v oblasti San Francisco Bay se země třpytí vlnami tepla a je nemožné dívat se na oblohu bez mžourání. Skutečné teplo je však uvnitř Sluneční a astrofyzikální laboratoře Lockheed Martin v Palo Alto. Tam, v temné místnosti plné počítačových procesorů, vyplňuje pohled na Slunce s vysokým rozlišením devět spojených televizních obrazovek a vytvořil tak solární extravaganzu v divadelní kvalitě.
Z tohoto příběhu
[×] ZAVŘÍT
VIDEO: Používání Slunce k tvorbě hudby
[×] ZAVŘÍT
Nové dalekohledy dávají vědcům nebývalý výhled na Slunce a pomáhají jim lépe porozumět sluneční aktivitě
Video: Úžasný pohled na sluneční erupce
Související obsah
- Sluneční vířící zelené plyny divu
- Španělský průlom ve využití sluneční energie
- Fantastické fotografie naší sluneční soustavy
Sluneční fyzik Karel Schrijver zadává příkazy ke spuštění show: zrychlený film sekvence výbuchů, který omotal Slunce 1. srpna 2010. „Je to jeden z nejúžasnějších dnů, jaké jsem kdy viděl na Slunci, “ říká Schrijver . Díval se na naši nejbližší hvězdu dvě desetiletí.
"Na začátku se tato malá malá oblast rozhodne, že to není šťastné, " říká a zní jako astronomický psychiatr, který se vypořádává se solárními neurózami. Ukazuje na světlice, skromný záchvat bělavého světla. "Pak se tento nedaleký region začne nešťastně a rozzáří." Pak vybuchne obrovské vlákno a prořízne [magnetické] pole jako nůž. Vidíme tento oblouk zářícího materiálu a časem roste. Malé vlákno pod obloukem říká: „Tenhle kousek se mi nelíbí“ a stane se nestabilním a zhasne. “
Kdo věděl, že Slunce má tolik osobnosti?
Během několika hodin - zrychleného na digitalizované přehrávání - se část jeho magnetického pole „rozruší“, říká Schrijver a přeskupuje se, rozpoutává odlesky a obrovské pásy magnetizovaného plynu. Řetězová reakce je živější než jakékoli zobrazení v Hollywoodu. „Když tyto filmy ukazujeme našim kolegům poprvé, “ říká Schrijver, „profesionální výraz je obecně„ Whoa! ““
Proud obrázků pochází z nejpokrokovějšího satelitu, který kdy studoval Slunce: NASA Solar Dynamics Observatory nebo SDO. SDO, které bylo zahájeno v únoru 2010, zírá na hvězdu z bodu 22 300 mil nad zemí. Oběžná dráha satelitu udržuje stabilní polohu vzhledem ke dvěma rádiovým anténám v Novém Mexiku. Každou sekundu, 24 hodin denně, SDO vysílá 18 megabajtů dat k zemi. Obrázky s vysokým rozlišením a mapy slunečních mučených magnetických polí ukazují genezi slunečních skvrn a původ jejich výbuchů.
Tento sluneční film by měl poskytnout nový pohled na kosmické počasí - dopady, které pociťujeme na Zemi, když nás vystřelí Slunce. Někdy je počasí mírné. 1. srpna 2010, erupce vyrazily barevné displeje aurora borealis přes Spojené státy o dva dny později, když rychle se pohybující bouře nabitého plynu narušila zemské magnetické pole. Když se ale Slunce opravdu rozzlobí, severní světla mohou signalizovat potenciálně ohrožující hrozby.
Nejintenzivnější sluneční bouře, která kdy byla zaznamenána, zasáhla léto roku 1859. Britský astronom Richard Carrington pozoroval 1. září obrovskou síť slunečních skvrn, po které následovala nejintenzivnější světelná erupce, jakou kdy byla zaznamenána. Během 18 hodin byla Země pod magnetickým obležením. Oslnivé polární záře zářily až na jih jako Karibské moře a Mexiko a jiskřící dráty uzavíraly telegrafní sítě - internet dne - napříč Evropou a Severní Amerikou.
Magnetická bouře v roce 1921 vyřadila signalizační systém pro železniční tratě v New Yorku. Sluneční bouře v březnu 1989 zmrzačila rozvodnou síť v Quebecu a připravila miliony zákazníků o elektřinu na devět hodin. A v roce 2003 způsobila řada bouřek výpadky ve Švédsku, zničila japonskou vědeckou družici ve výši 640 milionů dolarů a přinutila letecké společnosti odklonit lety od severního pólu za cenu 10 000 až 100 000 USD.
Naše moderní, globálně propojená elektronická společnost je nyní tak závislá na dalekohledových transformátorech a rojích satelitů, že velký výbuch Slunce by mohl hodně z toho snížit. Podle zprávy Národní rady pro výzkum z roku 2008 by sluneční bouře o velikosti událostí 1859 nebo 1921 mohla zapnout satelity, deaktivovat komunikační sítě a systémy GPS a smažit energetické sítě za cenu 1 bilionu dolarů nebo více.
"Prostor kolem nás není tak benigní, přátelský a vstřícný k naší technologii, jak jsme předpokládali, " říká Schrijver.
Tím, že dokumentuje původ těchto bouří v bezprecedentních detailech, dává SDO vědcům jejich nejlepší šanci ještě pochopit destruktivní schopnosti Slunce. Cílem je předpovědět kosmické počasí - přečíst si nálady Slunce dostatečně dopředu, abychom proti nim mohli podniknout preventivní opatření. Úspěch bude záviset na tom, že se podíváme přes sluneční povrch, abychom viděli magnetické výbuchy, jak se vyvíjejí, podobně jako meteorologové používají radar pronikající mračnem, aby viděli známky tornáda, než se řeví k zemi.
Ale prozatím je aktivita Slunce tak složitá, že její křeče zmatují nejvyšší mysl pole. Když vědec SDO Philip Scherrer z Stanfordské univerzity požádal o vysvětlení fyziky, která řídí sluneční násilí, nezanechává žádná slova: „V zásadě to nevíme.“
Naše mateřská hvězda je vzdálena pouhých osm minut, jak světlo letí. Slunce získává více času na dalekohled než jakýkoli jiný objekt ve vesmíru a výzkum je globálním podnikem. Nejúspěšnější satelit před SDO, společná mise NASA-European Space Agency s názvem Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), stále odesílá zpětné snímky Slunce 15 let po svém spuštění. Menší průzkumník nyní ve vesmíru, nazývaný Hinode, je spolupráce mezi Japonskem a NASA, která studuje, jak magnetická pole Slunce ukládají a uvolňují energii. A mise NASA pro pozorování slunečních teritoriálních vztahů (STEREO) sestává ze dvou téměř identických satelitů, které cestují na oběžné dráze Země, jeden před naší planetou a jeden za sebou. Satelity umožňují vědcům vytvářet trojrozměrné obrazy vystřelování Slunce. Nyní na opačných stranách Slunce, letos v únoru, pořídili první fotografii celého povrchu Slunce. Na zemi dalekohledy na Kanárských ostrovech v Kalifornii a jinde zkoumají Slunce technikami, které eliminují rozmazané účinky zemské atmosféry.
Slunce je točící se koule plynu dostatečně velká, aby obsahovala 1, 3 milionu Země. Jádrem je pec jaderné fúze, která každou sekundu přeměňuje 655 milionů tun vodíku na helium při teplotě 28 milionů stupňů Fahrenheita. Tato fúze vytváří energii, která se k nám nakonec dostane jako sluneční světlo. Jádro a vnitřní vrstvy Slunce jsou však tak husté, že fotonu energie může trvat milión let, než vybojuje jen dvě třetiny cesty ven. Tam dosáhne toho, co solární fyzici nazývají „konvektivní zónou“. Nad to je tenká vrstva, kterou vnímáme jako povrch Slunce. Sluneční plyny pokračují daleko do vesmíru za tento viditelný okraj v hořící horké atmosféře zvané korona. Celý sluneční systém fouká slabý sluneční vítr.
Zvláště zajímavé jsou věci v konvekční zóně. Obří gyry nabitého plynu stoupají a klesají, jako v hrnci vroucí vody, jen turbulentnější. Slunce se otáčí různými rychlostmi - přibližně jednou za 24 dní ve svém rovníku a pomaleji, přibližně každých 30 dní, u svých pólů. Tento rozdíl v rychlosti stříhá plyn a zamotává jeho elektrické proudy, pohánějící magnetická pole Slunce. Celkové magnetické pole má směr, stejně jako severní a jižní póly Země přitahují naše kompasy. Pole Slunce je však plné křivek a zauzlení a každých 11 let se otáčí: severní pól se stává jižním a pak o 11 let později zpět na sever. Je to dynamický cyklus, který vědci plně nechápou, a je v centru většiny snah pochopit, jak se slunce chová.
Během těchto překlopení se hluboké magnetické pole Slunce opravdu pokroucuje. Vstává a prochází skrz viditelný povrch a vytváří sluneční skvrny. Tyto tmavé skvrny plynu jsou chladnější než zbytek slunečního povrchu, protože vázaná magnetická pole fungují jako bariéry a zabraňují úniku části sluneční energie do vesmíru. Pole v slunečních skvrnách mají potenciál vybuchnout. Nad slunečními skvrnami se Sluneční magnetické pole smyčí a víří koronou. Tyto svíjení podnítí výbuchy na video obrazovkách Lockheed v Palo Alto.
Schrijver a jeho šéf, Alan Title, spolupracovali 16 let, dost dlouho na to, aby si navzájem dokončili věty. Nejnovější výtvor jejich skupiny, Atmosférické zobrazovací shromáždění - sada čtyř dalekohledů, které snímají miliony stupňů plynů v koróně - je jedním ze tří nástrojů nasazených na SDO. NASA to porovná s kamerou IMAX pro Slunce.
"Tato bublinka plynu, která fouká, je 30krát větší než průměr Země a pohybuje se rychlostí milionu mil za hodinu, " říká Title a ukazuje na obrazovku na rozšiřující se červený vír zachycený SDO brzy po vypuštění satelitu. A poznamenává téměř nenuceně, šlo o docela malou erupci.
Titul říká, že magnetická pole udržují sluneční paprsky v linii, zatímco se obloukují do vesmíru, stejně jako tyčový magnet uvádí do čistých vzorů železné piliny. Čím jsou pole více zamotaná, tím méně stabilní jsou. Solární výbuchy nastávají, když magnetická pole zapadnou do nového vzoru - událost, kterou fyzici nazývají „opětovným připojením“.
Typický sluneční výbuch vypuzený na Zemi, nazývaný vyhazování koronální hmoty, by mohl obsahovat deset miliard tun nabitého plynu, který proběhne vesmírem. "Musíte si představit sadu sil dostatečnou k vypuštění veškeré vody v řece Mississippi rychlostí 3 000krát rychlejší, než tryskové letadlo letí, za 15 až 30 sekund, " říká a na okamžik se zastaví, aby to nechal klesnout "Na Zemi neexistuje žádný protějšek." Máme potíže s vysvětlením těchto procesů. “
Předchozí solární mise zachytily nejasné snímky velkých koronálních výronů hmoty. Jiné dalekohledy přiblížily jemné detaily, ale mohly se soustředit pouze na malou část Slunce. Vysoké rozlišení SDO celé polokoule Slunce a jeho rychlé ohnivé záznamy ukazují, jak se povrch a atmosféra mění z minuty na minutu. Některé rysy jsou natolik neočekávané, že je vědci ještě nenapomenuli, například vývrtka podobná vývrtce, kterou Schrij-ver sleduje prstem na obrazovce. Myslí si, že je to spirálovité magnetické pole, které je vidět podél jeho okraje a jak se stoupá do vesmíru, přichází do plynu. "Je to, jako by se [plyn] zvedal v praku, " říká.
Než byla mise rok stará, vědci analyzovali stovky událostí a pokryli mnoho tisíc hodin. (Erupce 1. srpna, jak zjistili, byly spojeny magnetickými „poruchovými zónami“ přesahujícími stovky tisíc kilometrů.) Tým pracuje pod tlakem NASA i jinde pro lepší předpovědi kosmického počasí.
"Dobrý bože, je to složité, " říká Schrijver a hraje si film o náladě Slunce v jiný den. "Na Slunci není žádný tichý den."
Několik kilometrů daleko, v areálu Stanfordu, solární fyzik Philip Scherrer zápasí se stejnou otázkou, která oživuje skupinu Lockheed Martin: Budeme schopni předvídat, kdy Slunce kataklyzmaticky vrhne nabitý plyn na Zemi? "Chtěli bychom dát dobrý odhad, zda daný aktivní region bude produkovat světlice nebo hromadné vystřelení, nebo jestli to prostě zmizí, " říká.
Scherrer, který používá satelitní příjem pro televizní příjem, vysvětluje dopad kosmického počasí odvoláním na událost v roce 1997. „Jednu sobotu jsme se probudili a vše, co jsme viděli, bylo chmurné, “ říká. Vyhození koronální masy minulou noc minulo Zemi. Magnetický mrak zřejmě vyřadil satelit Telstar 401 používaný UPN a dalšími sítěmi.
"Vzal jsem si to osobně, protože to byl 'Star Trek' [nemohl jsem se dívat], " říká Scherrer s obezřetným úsměvem. "Kdyby se to stalo ráno Super Bowl, všichni by o tom věděli."
Scherrerův tým a inženýři společnosti Lockheed Martin vyvinuli SDO Helioseismic and Magnetic Imager, nástroj, který pronikne do vnitřku slunečních paprsků a sleduje směr a sílu magnetického pole a vytváří černobílé mapy zvané magnetogramy. Když přijdou sluneční skvrny, mapy zobrazují magnetické nepokoje na základnách zaklenutých struktur v sluneční atmosféře.
Přístroj také měří vibrace na povrchu Slunce. Na Zemi seismologové měří povrchové vibrace, aby odhalili zemětřesení a geologické struktury daleko pod zemí. Na Slunci vibrace nepocházejí ze slunečních otřesů, ale z pulzací způsobených plyny, které se houpají nahoru a dolů na povrchu rychlostí asi 700 mil za hodinu. Když se každá část plynu zhroutí, pohání zvukové vlny do Slunce a pohupuje celou hvězdu. Scherrerovo zařízení měří tyto vibrace přes sluneční tvář.
Klíčem, říká Scherrer, přední odborník na helioseismologii, jak je tato věda známa, je to, že zvukové vlny se pohybují rychleji horkým plynem, jako jsou turbulentní uzly hluboko pod povrchem, které často předstírají sluneční skvrny. Zvukové vlny se také zrychlují, když se pohybují plyny proudícími stejným směrem. Ačkoli tato měření vytvářejí matematické noční můry, počítače mohou vytvářet obrázky toho, co se děje pod povrchem Slunce.
Tímto způsobem může Scherrerův tým detekovat sluneční skvrny na druhé straně Slunečních dnů před tím, než se otočí do dohledu a než jsou v poloze, aby mohly přivést škodlivé částice a plyn k Zemi. Vědci také doufají, že si všimnou aktivních oblastí bublajících zevnitř Slunce den nebo déle, než budou viditelné jako sluneční skvrny.
Tyto techniky poskytují náhledy nadcházejících atrakcí. Úkolem, podle Scherrera, je nalezení správných známek magnetického zapletení, které - stejně jako radarové obrazy nově vytvářejícího se tornáda - poskytuje spolehlivá varování. Někteří vědci se zaměřili na tvar magnetických polí a poznamenali, že určité zakřivení ve tvaru S často ohlašuje výbuch. Jiní se dívají na to, zda se magnetická síla ve středu slunečního skvrn rychle mění - což je známka toho, že by mohla být připravena k zachycení.
Scherrer vyvolá na své obrazovce několik obrázků a omlouvá se, že nepřekonávají Lockheed filmy. Helioseismické obrazy mi připomínají kulovitý povrch oranžové barvy, přičemž uzly plynu narůstají vzhůru přes celou sféru Slunce. Magnetická grafika vrhá slunce do skvrnitých šedých tónů, ale když se Scherrer přiblíží, černé a bílé skvrny narostou v nepravidelné skvrny. Jedná se o pásky magnetické síly, které dopadají na nebo z neustále se pohybujícího povrchu Slunce.
Když se čáry magnetického pole znovu spojí vysoko v atmosféře Slunce, Scherrer říká: „Je to skoro jako zkrat, když se dotknete dvou vodičů proudem. Energie proudící v proudu se promění v teplo nebo světlo. “Náhlé jiskry střílejí podél magnetického pole a vrazí do povrchu Slunce a vydávají silný světlice.
Nejsilnější z obloukových magnetických polí Slunce může pod nimi zachytit miliardy tun plynu a připravit půdu pro vystřelení koronální hmoty. Když magnetické opětovné připojení náhle uvolní veškeré napětí, plyn se sluneční sluneční paprsky zvedne do vesmíru. "Je to jako řezat provázek na heliový balón, " říká Scherrer.
Studiem mnoha takových událostí si Scherrer myslí, že on a jeho kolegové mohou vymyslet systém, který řadí šanci Slunce zaměřené na erupci na Zemi - měřítko, které by mohlo běžet od „všeho jasného“ po „přijetí opatření“. Takové pokyny by nebyly předpovídá, připouští a také uznává, že solární předpověď nemusí nikdy soupeřit se zprávami o pozemském počasí. Solární predikce vyžaduje, aby tým porovnával nedávnou aktivitu na Slunci s počítačovými modely. Modely jsou však zapojeny tak, že v době, kdy počítač vyplivne odpověď, už možná Slunce vyskočilo nebo zůstalo ticho.
Jedním z největších slunečních překvapení za posledních 50 let nebylo něco, co Slunce udělalo, ale něco, co neudělalo: většinu let 2008 a 2009 nevyrábělo mnoho slunečních skvrn. „Jeli bychom 60, 70, 80 "90 dní bez jediného slunečního skvrnku, " říká vědecký editor NASA Tony Phillips, který nezávisle publikuje SpaceWeather.com. "Za života solárních fyziků to nikdo neviděl." Překvapilo to celou komunitu. “
Nikdo neví, co způsobilo děsivé ticho. Hluboké magnetické pole se zjevně nezkroutilo obvyklým způsobem, snad proto, že elektrické proudy uvnitř Slunce zeslábly. Někteří vědci spekulovali, že Slunce se alespoň dočasně vypíná. Panel solárních fyziků tyto změny studoval a předpokládal, že aktivita Slunce by mohla v příštím 11letém cyklu slunečních skvrn dosáhnout až poloviny svých nedávných úrovní. To by mohlo mít menší dopad na změnu klimatu. Za minulé století lidská činnost daleko převažovala nad modulacemi Slunce, které ovlivňovaly zemské klima. Pokud vzorec snížené sluneční aktivity bude pokračovat skrz další sluneční cykly a dále, může jemné snížení energie ze Slunce mírně kompenzovat globální oteplování.
Očekává se, že Slunce dosáhne vrcholu svého současného cyklu slunečních skvrn na konci roku 2013 nebo začátkem roku 2014. Není však důvod myslet si, že klidnější Slunce tak zůstane. „Největší částice a geomagnetická bouře v zaznamenané historii“ - událost 1859 pozorovaná Carringtonem - „nastala během slunečního cyklu přibližně stejné velikosti jako ta, kterou promítáme v příštích několika letech, “ říká Phillips. Nedávná studie Suli Ma a kolegů z Harvard-Smithsonianova centra pro astrofyziku navíc ukázala, že jedna třetina sluneční bouře, která zasáhla Zemi, vznikla bez sluneční erupce nebo jiných varovných signálů. Tyto tajné útoky naznačují, že Slunce může být nebezpečné, i když se zdá tiché.
Neexistuje způsob, jak chránit Zemi před erupcemi Slunce; silné bouře vždy naruší magnetické pole naší planety. Jejich včasné varování však může omezit jejich dopad. Mezi preventivní opatření patří snížení energetické zátěže, aby se zabránilo přepětí na elektrických vedeních, uvedení satelitů do elektronického bezpečného režimu, a - v případě NASA - vyzvání astronautům, aby se uchránili v nejvíce opevněných částech své kosmické lodi.
I s těmito opatřeními by událost tak závažná, jako sluneční bouře z let 1859 nebo 1921, vyvolala zmatek, říká autor sluneční energie a vesmíru Daniel Baker z University of Colorado, hlavní autor zprávy Národní rady pro výzkum za rok 2008. Do roku 2010 lidé rostou více závislí na komunikačních technologiích, říká Baker, což nás činí stále citlivějšími na elektromagnetický chaos. "K těmto [závažným] událostem dochází pravděpodobně každé desetiletí, " říká. "Je to jen otázka času, než nás jeden z nich udeří."
Baker a jeho kolegové vyzvali NASA a National Oceanic and Atmospheric Administration, která provozuje Středisko předpovědi počasí v Boulderu v Coloradu, aby vyvinula systém satelitů pro varování před kosmickým počasím. Dnes je jediným nástrojem, který dokáže určit směr magnetického pole uvnitř blížícího se vyhazování koronální hmoty - rozhodujícím faktorem pro určení, jak násilně bude interagovat se Zemí -, je na 13letém satelitu, který nemá krátkodobou náhradu.
"Slunce je vysoce proměnná hvězda, " varuje Baker. "Žijeme ve své vnější atmosféře a kybernetický kokon, který obklopuje Zemi, podléhá rozmarům." Raději bychom se s tím smířili. “
Robert Irion řídí program psaní přírodních věd na University of California v Santa Cruz.
Extrémní ultrafialový obraz slunce. Modré oblasti jsou nejžhavější, na 1, 8 milionu stupňů Fahrenheita. (NASA / GSFC / AIA) 
Když vystřelení koronální hmoty dosáhne Země, sluneční částice proudí podél magnetických siločar, napájejí plyny v atmosféře a září jako severní světla (v Manitobě). (Federico Buchbinder) 
Observatoř Solar Dynamics, která je zde uvedena v koncepci umělce, byla spuštěna v roce 2010 a poskytuje nebývalý výhled na Slunce. (NASA) 
Bouřlivý týden na Slunci vyvrcholil erupcemi 1. srpna 2010, které rozsvítily severní světla nad Spojenými státy. (NASA) 
Byl to „jeden z nejúžasnějších dnů, který jsem kdy viděl na Slunci, “ říká Karel Schrijver z erupcí z srpna 2010. (John Lee / Aurora Select) 
Pozorování z observatoře sluneční dynamiky ukazují na povrchu Slunce překvapivou složitost. Sluneční větry proudí do vesmíru z temné „koronální díry“. (NASA) 
Magnetické vlákno, které tančí přes jižní polokouli Slunce, je dlouhé asi 340 000 kilometrů nebo o 40 procent delší než vzdálenost od Země k Měsíci. (Didier Favre) 
Sluneční erupce vycházející ze Slunce sleduje jasné magnetické smyčky. (NASA) 
Philip Scherrer, poblíž Stanfordovy sluneční observatoře, používá helioseismologii a magnetické zobrazování k pochopení hlubokých struktur Slunce a ke sledování toho, co se děje na vzdálené straně hvězdy - než se potenciální potíže promění v dohled. (John Lee / Aurora Select) 
Magnetický obraz Slunce. (NASA) 
Nástroje observatoře sluneční dynamiky odesílají zpětné snímky Slunce v různých vlnových délkách. Jedna vlnová délka vystřelení koronální hmoty minulé léto ukazuje výbuch záření a magnetického materiálu vytrysknutého ze Slunce. (NASA) 
Tato vlnová délka poskytuje jasnější obraz výbuchové vlny, když se erupce šíří po povrchu Slunce. (NASA)
