Czy możemy ochronić Ziemię przed skutkami zjawisk pogodowych w kosmosie?

We wrześniu 1859 roku zjawisko zorzy polarnej było widoczne daleko na południu w regionie Karaibów. Odpowiedzialna za tę anomalię była geomagnetyczna burza słoneczna – a mówiąc dokładniej koronalny wyrzut masy nazwany „efektem Carringtona” od nazwiska astronoma, który jako pierwszy zarejestrował to zjawisko.

Erupcja słoneczna dotarła do Ziemi w ciągu 17,6 godzin, powodując zakłócenia, które trwały przez około trzy dni. „Relacje świadków mówią o awarii urządzeń telegraficznych, które albo przestały działać, albo włączały się pomimo braku baterii za sprawą niezależnego źródła energii elektromagnetycznej, lub zapalały się”, mówi Palmroth, badaczka z Uniwersytetu w Helsinkach.

Gdyby do podobnego zdarzenia o zbliżonej sile doszło dzisiaj to czy z uwagi na znacznie większe uzależnienie współczesnego świata od urządzeń elektronicznych skutki byłyby o wiele bardziej dalekosiężne i długotrwałe? „Tak nam się wydaje, choć na ten moment nie mamy pewności. Dlatego staram się to ustalić w swoich badaniach”, dodaje Palmroth, była przewodnicząca unijnej grupy doradczej ds. kosmosu. „Dane historyczne pokazują, że zdarzeń o takiej sile należy spodziewać się co 100-150 lat. Sądzę, że będę świadkiem kolejnego”.Słońce nieustannie uwalnia strumień naładowanych cząstek do przestrzeni kosmicznej. Są to zarówno cząstki wysokoenergetyczne o niskiej gęstości pochodzące z rozbłysków słonecznych oraz cząstki niskoenergetyczne o wysokiej gęstości z obłoków plazmy.

Tor lotu tych cząstek jest odchylany przez ziemskie pole magnetyczne w okolicy biegunów polarnych, wywołując efekt zorzy polarnej, choć oczywiście skutki oddziaływania tych cząstek na Ziemi są o wiele bardziej dalekosiężne. „Nawet jeśli przestrzeń kosmiczna rozciąga się od pułapu około 100 km ponad powierzchnią Ziemi, pogoda kosmiczna silnie oddziałuje na naszą planetę”, wyjaśnia Palmroth.

W 2012 roku należący do NASA satelita STEREO zarejestrował rozbłysk słoneczny o skali podobnej do efektu Carringtona, lecz na szczęście od Ziemi dzieliło go parę dni. Gdyby podobna burza dotarła do magnetosfery Ziemi, prawdopodobnie doświadczylibyśmy istotnych zakłóceń w funkcjonowaniu sieci komunikacyjnych, energetycznych i transportowych.

„Takie zmiany pola magnetycznego Ziemi generują geomagnetycznie indukowane prądy (ang. geomagnetically induced currents, GIC), podczas gdy cząstki słoneczne blokują propagację fal radiowych w jonosferze i zwiększają promieniowanie kosmiczne przy powierzchni Ziemi wskutek ich schwytania”, podsumowuje Palmroth.

Supernaładowane prądy GIC powodują przeciążenie sieci energetycznych, doprowadzając do awaryjnego wyłączenia generatorów, jak miało to miejsce w Malmö w Szwecji w 2003 roku.

Cząstki słoneczne zakłócają sygnały komunikacyjne, powodując zmianę gęstości jonosfery, co zakłóca działanie urządzeń wykorzystujących pasma o wysokiej częstotliwości, takie jak radar. Miałoby to również negatywny wpływ na działanie telefonów i nawigacji GPS oraz doprowadziłoby do utraty znaczników czasu satelitów, które mają kluczowe znaczenie między innymi dla sektora finansów.

Większe promieniowanie kosmiczne przy powierzchni Ziemi miałoby również bezpośredni wpływ na działanie satelitów używanych do celów prognozowania pogody, nawigacji i obserwacji Ziemi. W zależności od ich orbity, materiały, z których są zbudowane, mogłyby ulec degradacji pod wpływem promieniowania lub ulec całkowitemu zniszczeniu wskutek kolizji z naładowanymi cząstkami wysokoenergetycznymi poruszającymi się z prędkością światła.

„Choć opieramy się na danych, wciąż są to jedynie spekulacje”, podkreśla Palmroth. „Jeśli chodzi o pogodę ziemską, dysponujemy wieloma urządzeniami monitorującymi, jednak w przypadku szacowania możliwych konsekwencji zdarzeń związanych z pogodą kosmiczną musimy polegać w znacznym stopniu na modelach”.Dzięki stypendium, jakie Palmroth otrzymała 15 lat temu ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, badaczka opracowała narzędzie do modelowania środowiska kosmicznego zaprojektowane do współpracy z superkomputerami, które w tamtym czasie jeszcze nie istniały. Urządzenie o nazwie symulator Vlasiator, który niedawno został udoskonalony dzięki badaczom z projektu PRESTISSIMO, tworzy wykresy lokalizacji, prędkości i trajektorii lotu cząstek wysokoenergetycznych przemieszczających się w przestrzeni kosmicznej.

„Na początku wszyscy myśleli, że zwariowałam. Teraz jednak dysponujemy najdokładniejszym na świecie symulatorem środowiska kosmicznego, wykorzystującym największe w Europie superkomputery do wizualizacji zjawisk, które wcześniej były dla nas niedostępne. Ponieważ symulator Vlasiator oparty jest na otwartym źródle, korzystają z niego inni badacze, w tym specjaliści od modelowania innych planet”, dodaje Palmroth.

Badaczka skupia się obecnie na badaniu prawdopodobnych skutków kosmicznych zjawisk pogodowych, koncentrując się na dwóch głównych pytaniach badawczych: jak GIS mogłyby wpłynąć na sieci elektroenergetyczne oraz jak przepływ cząstek i energia wpływają na satelitów.

Oba te zagadnienia są trudne do zbadania, ponieważ wymagają dostępu do komercyjnie i politycznie wrażliwych danych na temat konfiguracji sieci i satelitów. Z tego powodu zespół badawczy pracuje obecnie na danych fińskich.

„Wiemy, że sieci elektroenergetyczne Finlandii oparłyby się ewentualnym skutkom oddziaływań pogody kosmicznej, ponieważ nasze transformatory lepiej radzą sobie z dodatkowym obciążeniem prądem stałym niż ma to miejsce w innych krajach europejskich”, mówi Palmroth. „Czy to oznacza, że w najgorszym przypadku do blackoutu doszłoby we wszystkich krajach europejskich poza Finlandią? Tego nie wiemy”.

Badacze z projektu CARRINGTON współpracują z fińskimi służbami odpowiedzialnymi za gotowość i reagowanie na sytuacje kryzysowe, aby wspólnie stworzyć strategię łagodzenia skutków takich zdarzeń. „W przypadku zdarzenia o skali Carringtona, pytanie brzmi: co jesteśmy w stanie zrobić w ciągu 17 godzin? Musimy mieć gotowy plan działania”, mówi Palmroth.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej na temat badania Palmroth: New modelling promises accurate future space weather forecasts.