Burze magnetyczne – groźniejsze niż burze z piorunami?
Spośród wszystkich zjawisk meteorologicznych burze magnetyczne są jednym z najdziwniejszych – z jednej strony nie uświadamiamy sobie zwykle ich przebiegu, z drugiej, ich konsekwencje są zaskakująco dalekosiężne, a często wręcz niebezpieczne. Co ciekawe, burze magnetyczne nie mają nic wspólnego ze zmianami klimatycznymi, a człowiek na ich powstawanie nie ma absolutnie żadnego wpływu.
Już w 1600 r. William Gilbert, angielski fizyk i filozof, odkrył, że Ziemię otacza pole magnetyczne. Jego istnienie zawdzięczamy roztopionemu żelazu nieustannie buzującemu w rozgrzanym do 5200°C jądrze Ziemi. Magnetosfera pełni bardzo ważną funkcję – chroni nas przed promieniowaniem kosmicznym emitowanym przez Słońce. To ostatnie jest skutkiem reakcji termonuklearnych zachodzących nieprzerwanie na powierzchni największej gwiazdy naszego układu i jest niszczące dla wszystkich form życia.
Co to są burze magnetyczne?
Pod pojęciem burzy magnetycznej rozumiemy tymczasowe zakłócenia w polu magnetycznym Ziemi spowodowane działalnością Słońca. Mogą one trwać kilka godzin lub kilka dni i dla zwykłych ludzi nie są w żaden sposób odczuwalne. Z burzą magnetyczną mogą się jednak wiązać różne zjawiska pogodowe, w tym widoczne gołym okiem zorze pojawiające się na znacznie mniejszych szerokościach geograficznych niż normalnie. W jednym z takich przypadków zorzę obserwowano nawet w południowym Teksasie i na Florydzie.
Kluczowe zjawiska towarzyszące burzy magnetycznej są jednak niewidoczne. Należą do nich strumienie cząstek słonecznych SEP, prądy indukowane geomagnetycznie czy burze jonosferyczne. W bardziej przyziemnej sferze obserwuje się migotanie radarów i sygnału radiowego, a także zaburzenia pracy kompasów magnetycznych – z wychyleniami nawet o 10°!
Aby zdiagnozować burzę magnetyczną naukowcy posługują się jednostkami indukcji magnetycznej, zwanymi nanoTeslami (nT). W normalnych warunkach zaburzenia magnetosfery Ziemi mieszczą się w przedziale od -20nT do +20nT. Wraz z nastaniem burzy indukcja rośnie jednak do 50nT, a następnie spada poniżej -50nT. Główna faza burzy magnetycznej może trwać kilka godzin, a obserwowane w jej czasie zaburzenia sięgają i ponad -600 nT. Potem sytuacja powoli wraca do normy i świat się uspokaja – proces ten może trwać jednak nawet tydzień.
Skąd się biorą burze magnetyczne?
Wiemy już, że za burze magnetyczne można winić Słońce. Sam proces rozwoju burzy zaczyna się jednak od nasilenia wiatru słonecznego, czyli strumienia plazmy płynącego od Słońca w kierunku południowym na Ziemię. Ową plazmę tworzą przede wszystkim protony, elektrony i cząstki alfa, a więc cząsteczki o ładunku elektrycznym. Najsilniejsze burze magnetyczne powstają pod wpływem tzw. koronalnych wyrzutów masy ze Słońca (CME) czyli chmur plazmy z domieszką tlenu, helu i żelaza katapultowanych z prędkością nawet 2000 km/s. Zjawiska te mają bezpośredni związek z aktywnością naszej najbliższej gwiazdy, więc można w uproszczeniu powiedzieć, że gdy Słońce się burzy, Ziemia odczuwa tego skutki właśnie w postaci burz magnetycznych – zwykle z kilkudziesięciu godzinnym opóźnieniem związanym z podróżą CME w kierunku naszej planety.
Alternatywnie, mniej intensywne burze bywają również skutkiem tzw. obszarów korotującej interakcji (CIR), czyli szybkiego strumienia wiatru słonecznego biorącego się z dziur na Słońcu, czyli ciemniejszych, chłodniejszych obszarów w koronie słonecznej.
Dla porządku dodajmy, że aktywność Słońca zmienia się w cyklach trwających ok. 11 lat, a w czasach swego maksimum powoduje okresowy wzrost temperatury na Ziemi i koncentracji ozonu w atmosferze oraz właśnie zaburzenia ziemskiej magnetosfery. W grudniu 2019 r. stwierdzono początek 25. cyklu słonecznego, którego maksimum przewidywane jest na okres między styczniem a październikiem 2024 r.
Jakie szkody może wywoływać burza magnetyczna?
Piękne zorze na niebie i roztańczony kompas to nie jedyne konsekwencje wiatru słonecznego docierającego z impetem na Ziemię. Zmiany pola magnetycznego wywierają bowiem zasadniczy wpływ na przewodniki, takie jak kable, produkując w nich… prąd. Zjawisko to obserwowane jest przede wszystkim na długich liniach przesyłowych i możne poważnie zakłócić ich działanie. W sieciach elektrycznych zwiększa się napięcie, dochodzi do uszkodzeń i awarii prądu, często w bardzo dużej skali.
Prądy indukowane przez burzę magnetyczną mogą dodatkowo fizycznie uszkadzać wiele urządzeń, w tym transformatory, a rzadziej również generatory. Wraz z siecią elektryczną przestaje również oczywiście działać internet.
Na tym nie kończy się jednak pokłosie hiperaktywności Słońca. Jak już wcześniej wspomnieliśmy, w ramach burzy magnetycznej dochodzi również do tzw. burz jonosferycznych, czyli zmiany gęstości elektronów w jonosferze (ok. 50-60 km na powierzchnią ziemi). To z kolei zaburza sygnały radiowe przesyłane na duże odległości. Zagrożenie w bardzo małym stopniu dotyczy telewidzów i fanów audycji radiowych, ale staje się poważnym problemem dla statków czy samolotów korzystających z komunikacji radiowej. Paradoksalnie zagrożone są również inne kanały porozumienia między ludźmi, w tym linie telefoniczne oraz połączenia satelitarne.
Z powodu podgrzania górnych warstw atmosfery, typowego dla silnej burzy magnetycznej, zwiększa się gęstość powietrza na orbicie, co może mieć wpływ na ruch i funkcjonowanie satelitów. Ich orbity stają się trudne do kontrolowania, a okazyjnie dochodzi wręcz do uszkodzenia sprzętu. Zaburzone bywa również działanie systemu nawigacji GPS.
Wśród negatywnych skutków burz magnetycznych wymienia się również trudności pilotowaniu samolotów, których powierzchnia może podlegać elektrycznemu naładowaniu. Setki miliamperów pojawiają się również w rurociągach, co ma dwie zasadnicze konsekwencje: znacząco przyspiesza proces ich korozji oraz zakłóca przesyłanie danych pomiarowych z liczników.
Czy burza magnetyczna ma wpływ na ludzi i zwierzęta?
Ludzie na Ziemi są dość dobrze chronieni przed oddziaływaniem burz magnetycznych – chroni nas właśnie magnetosfera. Pojawiające się w mediach doniesienia o bólach głowy spowodowanych słoneczną aktywnością są przez naukowców jednoznacznie dementowane. Istnieją jednak wąskie studia sugerujące, że burze magnetyczne mogą sprzyjać nasileniu chorób psychicznych (BJPsych, 1994). Tydzień po burzy zaobserwowano np. zwiększenie poziomu hospitalizacji mężczyzn z chorobą maniakalno-depresyjną znajdujących się w fazie depresyjnej. Można spotkać się ze spekulacjami, że zaburzenia pola magnetycznego oddziałują na przepuszczalność błon komórkowych i aktywność kanałów wapniowych, powodując zmiany w mózgu.
Bardziej istotny i ewidentny jest wpływ burz magnetycznych na astronautów znajdujących się wysoko nad powierzchnią Ziemi. Zwiększone dawki promieniowania słonecznego mogą powodować u nich uszkodzenia chromosomów prowadzące do rozwoju raka i innych chorób. W mniejszym stopniu burze magnetyczne mogą oddziaływać na załogę samolotów wznoszących się na dużych wysokościach. Regularne rejsy mogą wiązać się z ryzykiem zwiększonej ekspozycji na promieniowanie.
Wpływ burz magnetycznych na zwierzęta nie jest do końca zbadany. Sugeruje się jednak, że istnieje zbieżność między zakłóceniami magnetosfery a epizodami uwięźnięć wielorybów na plażach. Wiele gatunków zwierząt, zwłaszcza tych migrujących, posiada zdolność do odbierania impulsów magnetycznych, wykorzystując je jako wewnętrzny kompas. Wskutek silnego wiatru słonecznego te zdolności mogą ulec zaburzeniu, utrudniając im wędrówki. Dotyczy to m.in. ptaków i pszczół.
Historia burz magnetycznych
Jako pierwszy zarejestrowany przypadek burzy magnetycznej na świecie przyjmuje się odkrycie niemieckiego badacza Alexandra von Humboldta, który w 1806 r. odnotował pojawienie się zorzy przy jednoczesnych zaburzeniach pracy kompasu.
Za największą burzę magnetyczną czasów nowożytnych uważa się tzw. Wydarzenie Carringtona zaobserwowane na początku września 1859 r. Olbrzymi rozbłysk na Słońcu był efektem silnego koronalnego wyrzutu masy, który w rekordowym tempie nieco ponad 17 godzin dotarł na Ziemię. Dzień później na niebie we Włoszech, Meksyku i na Hawajach obserwowano zorzę, a telegrafy w USA i w Europie doznały poważnych zakłóceń, łącznie z porażeniem prądem pracowników je obsługujących.
Seria zórz obiegła też Ziemię w związku z burzą magnetyczną w 1872 r., a w 1921 r. „Burza Nowojorskiej Kolei” spowodowała szereg pożarów, w tym pożar głównego dworca w Nowym Jorku. Sieć telegraficzna uległa wówczas poważnym zniszczeniom, obejmującym również podmorskie kable. Nieco ponad 50 lat później, w 1972 r., kolejna burza magnetyczna poważnie zaburzyła sieci komunikacyjne i połączenia satelitarne, niszcząc całkowicie jednego satelitę i powodując spontaniczną detonację amerykańskich min morskich we Wietnamie. W 1989 r. natomiast masywny wyrzut koronalny pozostawił 6 milionów Kanadyjczyków bez prądu na ponad 9 godzin. Seria burz w 2003 r. doprowadziła natomiast do blackout’u radiowego oraz 30-godzinnej przerwy w funkcjonowaniu powietrznej nawigacji WAAS.
Warto mieć świadomość, że naprawdę silna burza magnetyczna nie nawiedziła Ziemi już od ponad stu lat, w ciągu których rozwinęła się nasza najbardziej wrażliwa technologia. Trudno powiedzieć, jaki poziom chaosu i szkód mogłaby wywołać super burza magnetyczna w XXI w.
