Słoneczne przesilenie

Słońce jest wciąż wyjątkowo spokojne. Przez większość poprzedniego i obecnego roku plam na jego powierzchni było jak na lekarstwo. W 2018 r. nie pojawiły się przez 208 dni. Ten rok jeszcze trwa, ale już wiadomo, że dni bez plam będzie jeszcze więcej. Ich nieobecność przez wiele tygodni i miesięcy to objaw osłabienia naszej gwiazdy. Dotyczy to zarówno emitowanego przez nią promieniowania, jak i jej pola magnetycznego, które – jeśli znajduje się w dołku – gorzej chroni cały Układ Słoneczny, w tym Ziemię, przed wysokoenergetycznymi cząstkami docierającymi do nas z odleglejszych rejonów Galaktyki. Dlatego właśnie obserwatoria geofizyczne na całym globie od miesięcy rejestrują intensywne fale neutronów i innych cząstek wtórnych pędzących ku powierzchni globu. Rodzą się one w wyniku bombardowania atmosfery ziemskiej przez owe galaktyczne cząstki kosmiczne. W tym roku pojawia się ich szczególnie wiele, co może oznaczać, że obecny dołek słoneczny należy do tych głębszych.

Słabość Słońca jest jednak przejściowa, a bierze się stąd, że nasza gwiazda znajduje się w tej chwili w końcówce 11-letniego 24. cyklu aktywności. Ta numeracja prowadzona jest od połowy XVIII w., co oczywiście nie oznacza, że słoneczny rytm jest taki młody, tylko że monitorujemy go od niedawna, w czym główna zasługa XIX-wiecznego szwajcarskiego astronoma Rudolfa Wolfa. Choć cykle trwają średnio 11 lat, licząc od jednego minimum do następnego, to ich czas może być różny – w pewnych granicach. Były takie, które trwały tylko 9 lat, i takie, które wydłużyły się do 14 lat. Linia pokazująca przebieg takiego cyklu wygląda jak rollercoaster. Podczas minimum plam nie ma wcale lub prawie wcale, potem ich liczba szybko rośnie w ciągu kolejnych 5–6 lat, a następnie zaczyna się ostra jazda w dół. Rytm jest dość regularny, ale kolejne cykle nie są kopiami poprzednich. Raz mają silniejsze maksima (wtedy widać nawet ponad 200 plam), innym razem są słabsze (plam jest najwyżej 100), a czasami bardzo słabe (plam pojawia się mniej niż 50). Warto jednak podkreślić, że amplituda tych oscylacji, czyli zmiana w natężeniu promieniowania słonecznego, jest niewielka – wynosi ułamek procentu emitowanej przez Słońce energii.

Kto ukradł plamy?

Co się stanie ze Słońcem w najbliższej przyszłości? Oto pytanie, które dziś najbardziej ekscytuje naukowców. Cykl 24. okazał się bowiem znacznie słabszy od kilku poprzednich i na dodatek przyszedł z pewnym opóźnieniem. Poprzedziło go też głębokie i dłuższe minimum. Prognozy przygotowane przed jego nadejściem mówiły co innego. Nasza gwiazda zrobiła astronomom małego psikusa. W 2006 r. ogłosili oni, że pierwsze plamy cyklu 24. powinny się pojawić w ciągu kilku miesięcy. Nie trafili. Nie było ich przez dwa lata. Dopiero na przełomie 2008 i 2009 r. zaobserwowano pewne oznaki ożywienia gwiazdy, wskazujące na to, że wydobywa się ona z energetycznego dołka i powoli zabiera do roboty. Ale rozkręcała się irytująco długo. Więcej plam pojawiło się na niej dopiero w 2011 r. „Więcej” nie znaczy, że dużo. Podczas maksimum cyklu 24., które nastąpiło w kwietniu 2014 r., było ich niewiele ponad 100. Tymczasem w drugiej połowie XX w. zdarzały się maksima, podczas których liczba plam zbliżała się do 200, a nawet przekraczała ten próg.

Zaintrygowani naukowcy zaczęli się zastanawiać, czy po fazie dużej aktywności Słońca, trwającej przez większość poprzedniego stulecia, nadchodzi długotrwały okres jego wyciszenia. Jak bardzo prawdopodobne jest, że plamy znów znikną na dłużej? Co by się stało, gdyby Słońce nie obudziło się z drzemki przez 30–40 lat? Takie stawiano sobie pytania. Są one jak najbardziej zasadne, jako że w przeszłości Słońce nieraz robiło sobie dłuższe wakacje, a jego jedenastoletni rytm stawał się ledwie wyczuwalny lub wręcz zamierał. Tak właśnie zachowała się nasza gwiazda w XVII w. Po odkryciu plam słonecznych przez Galileusza w 1610 r. kolejne maksima następowały coraz rzadziej, a ok. 1645 r. aktywność gwiazdy zmniejszyła się do tego stopnia, że plamy powróciły na nią dopiero w 1715 r. Nie było ich przez jakieś 70 lat! Na to wyjątkowo długie minimum pierwszy zwrócił uwagę pod koniec XIX w. Edward Maunder, astronom z Królewskiego Obserwatorium w Greenwich pod Londynem. On i jego asystentka naukowa Annie Russel (kilka lat później wzięli ślub) dotarli do obserwacji prowadzonych przez żyjących dwa wieki wcześniej obserwatorów nieba, w tym m.in. przez Heweliusza.

W 1976 r. amerykański astronom John „Jack” Edy nadał tej 70-letniej anomalii nazwę minimum Maundera. Do już istniejących dowodów historycznych i obserwacyjnych dołożył kolejny w postaci pomiarów ilości promieniotwórczego izotopu węgla 14C w słojach drzew. Radiowęgiel 14C powstaje w wyniku reakcji zachodzących w atmosferze pod wpływem wysokoenergetycznych cząstek docierających z odległego kosmosu. Wzrost poziomu tego izotopu w roślinach, do których przenika z atmosfery, wskazuje zatem na spadek mocy naszej słonecznej tarczy magnetycznej. W podobny sposób „Jack” Edy zidentyfikował jeszcze jeden jeszcze dłuższy okres nadzwyczaj spokojnego Słońca, który według niego trwał mniej więcej od 1460 do 1550 r. Nazwał go minimum Spörera, tym razem od nazwiska XIX-wiecznego niemieckiego astronoma Gustava Spörera, jednego z pionierów badań nad cyklami słonecznymi.

W Europie oba te słoneczne dołki, a w szczególności minimum Maundera, zbiegły się z fazą spadku średnich temperatur powietrza. Podczas surowych zim zamarzał Bałtyk, a londyńczycy na skutej lodem Tamizie organizowali sobie co roku karnawał mrozu. Ten okres niższych temperatur nazwano, jak wiemy, małą epoką lodową. Warto jednak podkreślić, że tamto ochłodzenie trwało znacznie dłużej niż oba wielkie minima słoneczne (od ok. 1400 do ok. 1800 r.) i, co równie ważne, nie objęło równocześnie całej Ziemi. Gdy Europejczycy doświadczali surowych zim, mieszkańcy Dalekiego Wschodu i regionu Pacyfiku nie odczuwali żadnych spadków temperatury. Najwyraźniej słabsze Słońce trochę wpłynęło na klimat, ale raczej w skali regionalnej, a nie globalnej.

Spokojnie, to tylko słońce

W marcu 2019 r. 12 astronomów zebrało się w amerykańskim Narodowym Centrum Badań Atmosfery w Boulder w stanie Kolorado, aby przygotować prognozę kolejnego cyklu – 25. Takie spotkania są zwoływane od 1989 r. Od początku organizują je wspólnie NASA oraz amerykańska Narodowa Agencja Oceanów i Atmosfery (NOAA). Tym razem złe doświadczenia z niezbyt udaną prognozą startu i intensywności cyklu 24. nakazywały badaczom ostrożność. Generalnie nasze Słońce uchodzi za ustabilizowaną gwiazdę. Znajdujący się w jej centrum gigantyczny reaktor termojądrowy od prawie 4,6 mld lat przeobraża wodór w hel, a syntezie tej towarzyszy uwolnienie olbrzymich dawek energii. Paliwa wystarczy jeszcze na ok. 5 mld lat. Wielkich wahań aktywności jak nie było, tak raczej nie będzie. Z perspektywy Słońca zmiany jego nastrojów są zatem maleńkie. To jednak – paradoksalnie – sprawia, że są trudne do przewidzenia.

Każdy z uczestników spotkania w Boulder przyjechał z wynikami symulacji komputerowych, a przede wszystkim z własnym poglądem na to, co rządzi rytmami aktywności słonecznej. Wiedza ta jest zresztą nieustannie rewidowana na podstawie danych przesyłanych przez nowe sondy obserwujące naszą gwiazdę (takie jak Solar Dynamics Observatory wystrzelona w 2010 r. czy Parker Solar Probe, która okrąża Słońce od zeszłego roku; obie zbudowała NASA, a w lutym 2020 r. ma do nich dołączyć europejska sonda Solar Orbiter).

Analizowanie danych, porównywanie wyników symulacji wykonanych przez 61 modeli odtwarzających zachowanie Słońca i wyciąganie wniosków trwało w Boulder cztery dni. W końcu ogłoszono prognozę: finał obecnego cyklu 24. nastąpi pod koniec 2019 r. lub w pierwszej połowie 2020 r., a jego następca, czyli cykl 25., będzie równie słaby i także może zwlekać z nadejściem. Jego maksimum powinno nastąpić pomiędzy rokiem 2023 a 2026, ale liczba plam słonecznych obserwowanych w kolejne rekordowe dni będzie raczej niewielka – od 95 do 130. To byłby wynik znacznie niższy od średniej z XX w., która waha się w granicach 140–220 plam. Czy kolejny słaby cykl oznacza, że Słońce rzeczywiście zamierza zdrzemnąć się w XXI w.? Dwunastka z Boulder udzieliła negatywnej odpowiedzi na to pytanie. – Nie spodziewamy się żadnego dołka w stylu minimum Maundera. Bardziej prawdopodobne jest odwrócenie obecnego spadkowego trendu.

Przypomnimy, jak to wyglądało w całym XX w. Na początku tamtego stulecia maksima słoneczne były raczej umiarkowane, po czym Słońce się rozkręciło mniej więcej w latach 40. i utrzymywało dobrą formę przez pół wieku. Fazę tę nazwano nawet współczesnym maksimum (ang. modern maximum). Jednak cykl 23., którego kumulacja przypadła na 2001 r., był już znacznie słabszy od poprzedniego, a cykl 24. okazał się dramatycznie słaby w porównaniu z 23. Następny może być podobny: powolny start, niewiele plam słonecznych podczas kumulacji, ale od kolejnego cyklu aktywność Słońca powinna zacząć ponownie rosnąć. Choć są też inne prognozy.

Powtórka z rozrywki

Nie minęły trzy miesiące od zakończenia spotkania znakomitości w Boulder, a swój pogląd na przyszłą aktywność Słońca zaprezentowała Irina Kitiashvili, badaczka z NASA Ames Research Center. Według niej gwiazda wciąż będzie zmniejszała aktywność, a nadchodzący cykl 25. powinien być nawet o połowę słabszy od tego, który właśnie odchodzi. Gdyby tak się zdarzyło, byłby to najsłabszy cykl od ok. 200 lat! Na przełomie XIX i XX w. liczba plam podczas trzech kolejnych maksimów ledwo przekraczała 50. Model, na którego podstawie Kitiashvili wyciągnęła taki wniosek, uwzględnia wyniki najnowszych obserwacji pola magnetycznego Słońca. Badaczka z Ames metodę przetestowała na cyklu 24. Twierdzi, że precyzyjnie przewidziała jego przebieg. – Przed nami wiele ważnych wypraw kosmicznych, w tym loty ludzi w kierunku Słońca. Spokojniejsze Słońce byłoby ich sprzymierzeńcem – mówi.

Jeszcze śmielsze, wręcz szokujące – a przy okazji znacznie dalej wybiegające w przyszłość – prognozy przedstawili Valentina Zharkova i jej współpracownicy z Northumbria University w Newcastle upon Tyne w Wielkiej Brytanii w artykule, który ukazał się w lipcu tego roku na łamach prestiżowego „Nature Scientific Reports”. Otóż twierdzą oni, że błyskawicznie zbliża się ku nam… wielkie minimum słoneczne. Nasza gwiazda wycisza się stopniowo i w trzech kolejnych dekadach XXI w. plam na jej powierzchni możemy zobaczyć bardzo niewiele albo nie dostrzeżemy ich wcale. Badacze bazują na własnym modelu, który z dużą dokładnością odtworzył wahania aktywności Słońca w ciągu ostatnich 3 tys. lat. O tych oscylacjach wiemy dzięki zapisom historycznym oraz naturalnym archiwom: słojom drzew akumulującym radiowęgiel 14C, o czym już pisaliśmy, a także lodowi grenlandzkiemu akumulującemu promieniotwórczy beryl 10Be, mający podobną genezę jak radiowęgiel. Według naukowców z Wielkiej Brytanii poza rytmem 11-letnim istnieje też znacznie dłuższy rytm naprzemiennych wzlotów i zjazdów aktywności słonecznej. Podczas wzlotów nasza gwiazda staje się bardziej energiczna, co przejawia się dużą liczbą plam w kolejnych maksimach cyklów jedenastoletnich – tak było przez znaczną część XX w. Natomiast podczas zjazdów energetycznych traci plamy na wiele dekad – tak było w minimum Maundera. Rodzi się pytanie: co rządzi tym dłuższym rytmem? Najpierw przypomnijmy sobie, skąd w ogóle biorą się plamy na Słońcu.

Nasza gwiazda to kula rozgrzanych naładowanych cząstek, które generują prąd elektryczny, a ten z kolei indukuje pole magnetyczne. Jest ono potężne, ale zmienne. Promień Słońca wynosi w przybliżeniu 700 tys. km; mniej więcej jedna czwarta z tego przypada na gęste jądro, w którym w wyniku syntezy wodór przekształca się w hel, dalej jest strefa promienista, gdzie energia jest przenoszona w formie promieniowania cieplnego, a następnie chłodniejsza od poprzedniej strefa konwekcyjna o grubości ok. 200 tys. km, w której materia nieustannie krąży. W tej ostatniej strefie Słońce wiruje szybciej na równiku niż na biegunach, co prowadzi do rozciągania i skręcania linii sił pola magnetycznego i w efekcie do powstawania na powierzchni gwiazdy plam, czyli obszarów o silniejszym polu magnetycznym. Taka plama może być większa od średnicy Ziemi, a jej ciemniejsza barwa wynika z niższej temperatury (3000–4000°C) w stosunku do temperatury otoczenia (5500°C). Plamy pojawiają się zwykle parami – symetrycznie po obu stronach słonecznego równika, początkowo dalej od niego, a następnie coraz bliżej, i układają się w charakterystyczny diagram motylkowy, stworzony po raz pierwszy przez Spörera w XIX w.

Wróćmy teraz do wielkiego minimum słonecznego. Zharkova twierdzi, że nadchodząca faza wyraźnie mniejszej aktywności ma związek z ruchem gwiazdy względem środka masy (barycentrum) całego Układu. W wyniku ruchu planet i zmiany ich położenia względem siebie oraz Słońca barycentrum Układu wędruje, co przekłada się na długookresowe oscylacje pola magnetycznego samej gwiazdy. Finalnie modyfikują one moc jej podstawowego 11-letniego rytmu „bicia serca”. Wielkie minimum słoneczne przyhamuje wzrost temperatur na globie. Nadal będą się one podnosić za sprawą emisji gazów cieplarnianych przez ludzi, ale ten wzrost wyniesie najwyżej 0,5°C do końca XXI w.

Rzeczywistość wkrótce zweryfikuje wszystkie teorie. Fizycy atmosfery i klimatolodzy dość zgodnie uważają, że od czasu, gdy zaczęliśmy wpompowywać do atmosfery duże ilości gazów cieplarnianych, niewielkie wahania mocy słonecznej mają znikomy wpływ na to, co się dzieje w dolnych warstwach ziemskiej atmosfery. – Aktywność Słońca zmniejsza się od ponad dwóch dekad, a w tym czasie zanotowaliśmy na globie rekordowe wzrosty temperatur. Owszem, przez większą część XX w. do górnych warstw atmosfery Ziemi docierało trochę więcej promieniowania słonecznego, ale wzrost temperatur z tego wyniósłby najwyżej 0,1°C. Tymczasem podniosły się one o 1°C, czyli dziesięciokrotnie więcej, za co odpowiada wzrost poziomu gazów cieplarnianych w atmosferze – mówi Gavin Schmidt, klimatolog z NASA Goddard Institute for Space Studies w Nowym Jorku. Jego zdaniem klimatyczne znaczenie takich niewielkich wahań aktywności Słońca jest przeceniane. – W minimum Maundera, trwającym ponad pół wieku, średnie temperatury na globie obniżyły się o jakieś 0,3°C – zauważa.

Porażenie słoneczne

Bez wątpienia takie spokojne Słońce miałoby jedną oczywistą zaletę (poza ułatwieniem życia astronautom). Choć, jak już powiedzieliśmy, nie należy ono do tych znerwicowanych gwiazd, które na zmianę wpadają w depresję albo są rozpierane przez nadmierną energię, to i jemu zdarza się wybuchać i groźnie pomrukiwać. Im jest aktywniejsze, tym częściej pojawiają się na nim rozbłyski i inne gwałtowne zjawiska, których konsekwencją jest wyrzucenie dużych porcji energii w formie promieniowania elektromagnetycznego oraz mniej lub bardziej naładowanych cząstek.

Większość eksplozji składających się na taką kanonadę nie stanowi zagrożenia dla naszej wysoko rozwiniętej cywilizacji technicznej. Ale raz na jakiś czas gwiazda może wystrzelić z gigantyczną mocą. Wtedy lepiej nie znaleźć się na jej celowniku. Gigantyczna burza magnetyczna wywołana przez wpadające w ziemską atmosferę wysokoenergetyczne cząstki słoneczne oraz towarzyszące im promieniowanie mogłaby sparaliżować pracę satelitów telekomunikacyjnych, wyłączyć sygnały telewizyjne, radiowe, telefonii komórkowej, GPS, uziemić samoloty, wyłączyć prąd i zablokować pracę bankomatów. Policzono, że taka katastrofa przyniosłaby straty w wysokości kilku bilionów dolarów, a rany leczylibyśmy przez dziesiątki lat. Co prawda taka wielka erupcja energii i materii na Słońcu może się zdarzyć zawsze, a opisany wcześniej czarny scenariusz pogrążenia się ludzkości w chaosie elektronicznym i telekomunikacyjnym odwołuje się do najsilniejszej znanej nam burzy słonecznej z 1859 r., która wystąpiła w dość łagodnym cyklu. Niemniej kiedy plam jest dużo, wtedy rozbłyski są na porządku dziennym, a każdy może narobić nam kłopotów lub też narazić na szwank zdrowie i życie astronautów przebywających w przestrzeni kosmicznej. Z tego punktu widzenia należałoby się raczej cieszyć, że w najbliższych latach gwiazda powinna być spokojna, aniżeli zamartwiać się z tego powodu.