Oslabujúci štít - substančná látka
Magnetické pole Zeme je stále dosť silné na to, aby nás chránilo pred nepriazňou vesmírneho počasia. Ale ako dlho? Série meraní zaznamenané počas desaťročí práce ukazujú: Ochranný štít neustále stráca pevnosť. Vedci idú zistiť, o čo ide, v brandenburskej provincii.
Niemegk pri Postupime v júli. Slnko šíri príjemné teplo, nič nenasvedčuje tomu, že vedie boj proti Zemi vysoko nad nami. Cvrčky cvrlikajú na poli za mestom v Brandenbursku, na úrodu čaká repka, na ceste dozrievajú slivky a bazy. Z diaľky znie zvuk A9. V ľahkom borovicovom lese sa rozpadáva komplex budov, ktorý vyzerá ako dovolenkové stredisko NDR. V skutočnosti sa tu skúma životne dôležitý ochranný planetárny štít, ktorý chráni Zem pred kozmickým nešťastím: slnečné búrky a ďalšie ostreľovanie z hlbokého vesmíru.
Vedci tu merajú magnetické pole Zeme už 85 rokov a observatórium Adolfa Schmidta je prvou adresou Nemecka v tejto disciplíne. Popredné výskumné centrum je pravdepodobne veľkolepejšie. Viac špičkových technológií. Tu sa ale merania uskutočňujú v dvoch nenápadných drevených budovách.
Údaje, ktoré sú dodávané z týchto kasární, sú o to dôležitejšie, že na svete neexistuje takmer žiadna iná stanica, ktorá by bola tak presne zmeraná. A výsledky z Niemegku a z ďalších asi 200 observatórií magnetického poľa po celom svete potvrdzujú, že prvá obranná línia našej planéty stráca silu, zhruba desať percent od začiatku merania magnetického poľa pred asi 170 rokmi. Situácia je najdramatickejšia v regióne, ktorý sa tiahne od Južnej Ameriky cez Atlantik až po Juhoafrickú republiku a ktorého vedecký názov znie takmer ako choroba: juhoatlantická anomália. Tam je zemské magnetické pole nielen obzvlášť slabé, ale aj sa rozkladá rýchlejšie ako globálne priemery. A postihnutá oblasť rastie.
Možno sa hovorí, že Zem práve začína úplne obracať polaritu Monika Korte. Geofyzik viac ako desať rokov riadil observatórium v Niemegku, ktoré patrí Nemeckému výskumnému centru pre geovedy (GFZ) v Postupime. Dnes vedie pracovnú skupinu GFZ „Dlhodobé variácie magnetického poľa Zeme“. Vedec vysvetľuje, že magnetické póly na Zemi sa menia v priemere každých 500 000 rokov. A posledná zmena polarity bola asi pred 780 000 rokmi - takže by sme sa dostali do omeškania.
Čo sa deje s našimi pólmi a našim kozmickým štítom? Vedci z Nemeckého výskumného centra pre geovedy v Postupime idú zistiť do Brandenburskej provincie, kde na ich merania nemá žiadny vplyv. „Aby sme získali bezchybné údaje, je potrebné vylúčiť akékoľvek rušivé interferenčné polia,“ hovorí Korte. Berlín s elektrickým S-Bahnom je vzdialený 70 kilometrov. Automobily môžu šiť iba do 100 metrov od budov. Dve meracie budovy sú vyrobené z dreva. Každé dverové kovanie a každý necht museli byť pred stavbou testované na magnetickú nezávadnosť.
Dve špeciálne budovy sa nazývajú Variationshaus a Absoluthaus. Pracovníci hvezdárne chodia iba do variácie, kde sa merania uskutočňujú nepretržite pri konštantnej teplote 17,5 stupňa, keď je to nevyhnutne potrebné. "Je to skoro ako bezpečnostná kontrola na letisku, kde najmenšie kovové časti spustia poplach." Ak tam vojdete s zväzkom kľúčov alebo kovovou sponou na opasok, okamžite to vidíme na meraniach, “hovorí Korte. Aj telesná teplota votrelca by výsledky jednoznačne sfalšovala.
V druhej drevenej chatke Absoluthaus sa magnetické pole meria iba raz týždenne. A dodnes ručne pomocou teodolitu, nástroja, ktorý trochu pripomína prístroje, ktoré geodeti používajú na cestách a stavebných pozemkoch. Ibaže toto zariadenie nestojí na skladacom statíve, ale na osemhrannom mramorovom stĺpe vysokom asi jeden meter, ktorý spočíva na ťažkej základovej doske.
Pred meraním musí Korte otvoriť okná smerujúce do mesta Niemegk. Malým otočným ďalekohľadom zameriava pozornosť na dve výrazné a dobre viditeľné budovy, vodnú vežu a vežu neogotického mestského kostola. Geodáta pre obe sú známe na milimeter presne rovnako ako teodolit. Takto určuje Korte, kde je geografický sever. Potom otočí na ďalekohľad snímač magnetického poľa, akýsi vysoko citlivý kompas. Kým to nebude kolmé na magnetické siločiary, ktoré tu prebiehajú. Z uhla medzi geografickým severom a snímačom určuje presný smer magnetického poľa v Niemegku.
Korte a jej kolegovia porovnávajú tieto údaje s radmi meraní z Variationshaus, aby mohli vypočítať chyby. Meracie prístroje sú v dome variácií dobre chránené, ale kolísanie teploty alebo kolísanie hladiny podzemnej vody môžu ľahko skresliť výsledky.
V dobe satelitov na pozorovanie Zeme to znie veľmi zastaralo - ale satelity môžu merať iba malú časť pod nimi. Iba s údajmi z približne 200 pozemných meracích staníc na celom svete je presný obraz stavu magnetického poľa Zeme, ktorý nás chráni pred kozmickým bombardovaním.
Zjednodušene to funguje takto: Tam, kde je magnetické pole Zeme silné, odchyľuje tok častíc, ktorý sa neustále ťahá zo slnka a z hlbín vesmíru smerom k zemi. „Nabité častice lietajú rovnobežne s líniami magnetického poľa a sú nasmerované okolo Zeme,“ hovorí Korte. Polárne oblasti sú výnimkou - tu magnetické siločiary vychádzajú takmer vertikálne zo Zeme a na druhom magnetickom póle vedú späť do Zeme. Tu môžu častice prenikať do atmosféry pozdĺž línií magnetického poľa. Tam sa stretávajú s kyslíkom a dusíkom a stimulujú ich k žiareniu ako vo žiarivke: polárne žiary.
Ale znova a znova Slnko vrhá do vesmíru výrazne viac nabitých častíc ako zvyčajne v obrovských erupciách. Ak taký mohutný front častíc dopadne na zem, vznikne geomagnetická búrka: zlé vesmírne počasie. Potom sa elektróny z blízkeho zemského priestoru enormne urýchľujú a vytvárajú silné elektrické polia na zemi.
To môže byť obzvlášť nebezpečné pre elektrinu a komunikačné siete. V roku 1989 paralyzovala geomagnetická búrka v kanadskej provincii Québec celé napájanie na deväť hodín. Rôzne satelity boli niekoľko hodín mimo kontroly. Najnásilnejšia známa geomagnetická búrka sa do dejín zapísala ako Carringtonova udalosť v roku 1859. Vtedy boli škody obmedzené, pretože neexistovali elektrické siete, ako ich poznáme dnes. Telegrafická sieť, ktorá bola chrbticou komunikácie, bola ťažko zasiahnutá: stožiare iskrili, stanice sa vznietili a zamestnanci pracujúci na zariadeniach utrpeli úrazy elektrickým prúdom. Poisťovacia spoločnosť Munich Re odhaduje hospodárske škody na kanadskom výpadku prúdu z roku 1989 na necelú miliardu EUR. V našom vysoko prepojenom svete s pásom komunikačných satelitov by geomagnetická búrka triedy Carrington stála 2 000-krát viac. K tomuto záveru dospeje aspoň jedna štúdia NASA z roku 2009.
A väčšina odborníkov súhlasí s tým, že sme čoraz viac konfrontovaní s vplyvmi vesmírneho počasia. Jedinou nezhodou je, v akej podobe: môžeme čakať katastrofy s veľkými výpadkami elektriny, alebo to zostane pri veľkolepých polárnych žiarach v regiónoch, kde ich nikdy predtým nebolo vidieť?
S cieľom odpovedať na túto otázku chcú vedci ako Monika Korte lepšie pochopiť, ako sa mení magnetické pole Zeme a ako sa pohybujú póly, tieto brány pre nabité častice. Ako rýchlo sa Zem otáča? Posledná udalosť tohto druhu mohla nastať iba za 100 rokov, informovali vlani talianski vedci. „Zmena polarity zvyčajne trvá dlhšie,“ hovorí Korte, „pravdepodobne niekoľko tisíc rokov. A to pravdepodobne vyústi do komplikovanejšej štruktúry s niekoľkými poľami a niekoľkými pólmi. ““
Na geomagnetizme ma skutočne fascinuje to, že z meraní tu na povrchu Zeme možno vyvodiť závery o tom, čo sa deje 3000 kilometrov pod našimi nohami.
Málokto z geofyzikov to chce spáchať. „Bohužiaľ, vôbec netušíme, ako fungujú obrátené póly,“ hovorí Korteho kolega Hermann Lühr. „Ak sa však pozrieme na pokles magnetického poľa v južnom Atlantiku, je to jasný signál, že sa tam už vytvára protichodné pole.“ Lühr málokedy presný pohľad na anomáliu v južnom Atlantiku. Vedie nemeckú projektovú kanceláriu pre európsku satelitnú misiu Swarm pri GFZ. V projekte tri identické satelity Alpha, Bravo a Charlie merajú magnetické pole Zeme - a najmä slabé miesto nad južným Atlantikom - presnejšie ako kedykoľvek predtým.
Od novembra 2013 obleteli planétu okolo 15 krát denne, dva v nadmorskej výške 462 kilometrov, tretí okolo 510 kilometrov. V tejto formácii môžu po prvýkrát zaznamenať trojrozmerný obraz zemského magnetického poľa. Monika Korte a jej kolegovia z GFZ dúfajú, že trio získa obrovské množstvo vedomostí. Prvé výsledky roja zverejnené v polovici roku 2014 potvrdzujú, že magnetické pole Zeme celkovo stráca energiu. Údaje však tiež ukazujú, že magnetické pole môže okrem regiónov, ako je juhoatlantická anomália, ktoré výrazne strácajú na sile, dokonca získať silu aj v miestnych oblastiach - dôležitá informácia, ak chceme presnejšie predpovedať, kde sa vesmírne počasie prejaví.
Napríklad slabnúca juhoatlantická anomália dáva Brazílčanom menej presný signál GPS. Bombardovanie časticami nabíja ionosféru elektricky, čo narúša signály zo satelitov GPS. Pre astronautov na medzinárodnej vesmírnej stanici ISS znamená juhoatlantická anomália obrovské ďalšie vystavenie žiareniu. Vo vesmíre dostanú s dávkou 650 mikrosievertov denne 100-násobné množstvo na zemský povrch. Z toho 200 mikrosievertov je dôsledkom juhoatlantickej anomálie, cez ktorú preletia šesťkrát denne. Diaľkové lety, ktoré prechádzajú regiónom, sú tiež vystavené vyššej úrovni radiácie.
Pre istotu má Monham na jednej zo satelitov Metop vypnutý špeciálny komunikačný modul, keď dôjde k anomálii - má na palube dva a anomália už jednu uniesla. Iné sú ešte prísnejšie: Napríklad Hubblov vesmírny ďalekohľad sa v zónach so zvýšeným žiarením úplne vypína.
Sila, s ktorou prúd častíc dopadá na zem, je znázornená grafickými implementáciami meraní na magnetickom poli Zeme. Vlastne by to malo vyzerať ako tyčový magnet: Na jednom konci sa objavuje magnetický severný pól, siločiary, ktoré popisujú širokú krivku a vedú späť do magnetu na druhom konci, južnému pólu. V zásade je to takto: Zatiaľ čo siločiary na póloch vstupujú a vystupujú takmer zvisle a teda neposkytujú takmer žiadnu ochranu, na rovníku zasahujú ďaleko do vesmíru a odvracajú nepretržitý oheň. Ale na strane otočenej k slnku je magnetické pole silne stlačené, zatiaľ čo na nočnej strane siaha ďaleko do vesmíru ako chvost kométy.
Obrázok, ktorý majú vedci o pôvode tohto vírivého poľa, je oveľa menej jasný. Ak sa na tieto otázky spýtate Moniky Korte, inak dosť zdržanlivá žena pôjde do vytržení. „Na geomagnetizme ma skutočne fascinuje to, že merania tu na povrchu Zeme umožňujú robiť závery o tom, čo sa deje 3 000 kilometrov pod našimi nohami,“ hovorí. "Nemáš k tomu priamy prístup." Môžeme poslať rakety do vesmíru a letieť na Mesiac. Môžeme sa však skutočne pozrieť iba na zem, vŕtať sa do nej, na niekoľko kilometrov. Nedostanete sa veľmi ďaleko. “Rekord, ktorý vytvoril tím geológov v roku 1989 na ruskom polostrove Kola, je dobrých dvanásť kilometrov.
Podľa všeobecne uznávaného stavu výskumu je 95 percent zemského magnetického poľa tvorených geodynamom, pretože súhra kovov v zemskom jadre sa volá: Vnútorné jadro, ktoré má okolo 5 000 stupňov Celzia, ohrieva tekutý kov vo vonkajšom jadre a umožňuje mu stúpať. S pribúdajúcou vzdialenosťou sa ochladzuje a opäť klesá. Pretože elektricky vodivý materiál sa pohybuje s kovom, prúdia prúdy - a tie vytvárajú magnetické pole.
Zvyšných päť percent zemského magnetického poľa pochádza z magnetizovaných hornín, z pohybov vodivej slanej vody v oceánoch a z magnetických polí v horných vrstvách atmosféry vytvorených slnečným vetrom.
Hlavné pole generované geodynamom sa mení len veľmi pomaly. Veľké a rýchle výkyvy intenzity a smeru magnetického poľa preto naznačujú zvýšenú slnečnú aktivitu. V Niemegku sa cítili aj takzvané halloweenske slnečné búrky z októbra 2003. Prudké výkyvy meracích prístrojov sa začali 29. októbra v skorých ranných hodinách a pokračovali až do popoludnia 31. októbra. Magnetometre sa zbláznili v observatóriách po celom svete.
Monika Korte pozerá dole, aby pochopila magnetické pole. Bothmer pozerá do vesmíru, aby pochopil nebezpečenstvo, pred ktorými nás chráni. Vesmírne počasie je zvyčajne nepríjemné, ale nie príliš nebezpečné: okrem viditeľného svetla vydáva slnko aj zmes UV a röntgenových lúčov, protónov a elektrónov, ako aj atómov hélia - slnečný vietor. Spolu s kozmickými lúčmi, vysokoenergetickými časticami z hlbín vesmíru preniká do vesmíru blízko zeme. Slnečná búrka je úplne iná záležitosť. Vzniká v dôsledku zložitých magnetických procesov na povrchu slnka, počas ktorých naša centrálna hviezda zrazu vykašle obrovské množstvo hmoty. „Takéto vyvrhnutie koronálnej masy zodpovedá niekoľkým miliardám ton hmoty alebo inými slovami celej himalájskej hore,“ hovorí Volker Bothmer.
Tento vysoko zrýchlený oblak hmoty sa pre nás však stáva relevantným, iba ak letí presne v smere Zeme. Našťastie nie je také ľahké zasiahnuť slnko: Z vášho pohľadu sa nám naša planéta zdá byť veľká ako špendlíková hlavička zo vzdialenosti desiatich metrov. Jediný problém je: slnko má neobmedzený počet pokusov zasiahnuť nás.
Nejde o to, či, kedy, keď nás taká super búrka zasiahne znova.
Pre odborníkov na vesmírne počasie je jedna vec istá: Carringtonská udalosť, najťažšia streľba tohto druhu, ktorá je nám známa, nezostane ojedinelým incidentom. „Nejde o to, či práve vtedy, keď nás taká super búrka zasiahne,“ hovorí Bothmer. Jedinú predpovednú službu, ktorá zodpovedá svojmu názvu, v súčasnosti ponúka Centrum predpovede vesmírneho počasia v severoamerickej meteorologickej organizácii NOAA. Pre satelitných operátorov ako Eumetsat však ani to nie je skutočne užitočné. Spoľahlivé varovania prichádzajú často až vtedy, keď letové tímy v strediskách satelitného riadenia už nie sú schopné zasiahnuť, hovorí letecký manažér spoločnosti Metop Andrew Monham. A satelit sa nedá vypnúť iba na základe podozrenia. Údaje sú napriek tomu užitočné: spätne, aby sa objasnili neobvyklé udalosti na palube satelitov.
Bothmer tento problém pozná: „Údaje týkajúce sa predpovede doteraz pochádzajú z vedeckých satelitov, ktoré nie sú určené na nepretržité pozorovanie kozmického počasia.“ V rámci výskumného projektu EÚ Affects (Advanced Forecast for Ensuring Communications through Space), Bothmer rozvíja spoluprácu s ďalšími európskymi partnermi. Prototyp systému včasného varovania pred vesmírnym počasím. Okrem iného by mal prostredníctvom aplikácie pre smartphone poskytovať informácie o nových slnečných aktivitách v priebehu niekoľkých minút.
Pre operačný systém, ktorý spoľahlivo funguje nepretržite, je potrebných oveľa viac, hovorí Bothmer. Nielen satelity, ktoré by bolo treba postaviť špeciálne pre tento výstražný systém, ale aj nové analytické metódy a modelové výpočty. Globálne platné normy, podľa ktorých sa vydávajú varovania. A tvorcovia rozhodnutí, ktorí na takéto varovania reagujú jasne definovanými opatreniami.
To je veľa, ak vezmeme do úvahy, že slnečná búrka so silou podujatia Carrington je veľmi zriedkavá. Napriek tomu je dôležité byť pripravený, hovorí Bothmer. „Dlhodobý výpadok napájania v určitých oblastiach bude mať samozrejme dramatické následky, v závislosti od technológie sieťového systému. Vo Fukušime ste videli, že niekedy nemôžete predvídať všetky riziká, ktoré môžu hroziť. ““
Možno v takom prípade by bola drevená búda uprostred ničoho v Brandenbursku jedným z najbezpečnejších miest. •