W połowie lipca bieżącego roku obchodzimy 25-lecie Burzy Dnia Bastylii. Mowa oczywiście o burzy magnetycznej, ale nazwanej tak od francuskiego święta narodowego, ponieważ kulminacja zjawisk przypadła na 14 lipca - dzień zdobycia Bastylii w 1789 roku, gdy pod hasłami wolności rewolucjoniści z furią rzucili się na fundamenty cywilizacji łacińskiej, w imię postępu wznosząc ołtarze przemocy, gilotyny i państwowego terroru. Używając zatem tej ugruntowanej już bardzo mocno w środowisku nazwy "Burza Dnia Bastylii" nie będę się rozwodził na moralnej zgniliźnie, którą naród ten sam sobie zgotował, ale na dokonaniach naszej Dziennej Gwiazdy, które jedynie zbiegiem okoliczności wplotły się w kalendarzu w moment, gdy Francuzi dorocznie świętują - ni mniej, ni więcej, początek rzezi. Burza ta umyka często w cieniu pamiętnych wydarzeń przełomu października i listopada 2003 roku, co przy okazji takiego zacnego jubileuszu postanowiłem w tym roku naprawić. Zapraszam Was na kolejną podróż do przeszłości po satysfakcjonującą, mam nadzieję, lekturę.
Zdarzenie to nie miało jeszcze swojego osobnego miejsca w archiwach bloga, a skoro mija ćwierćwiecze - uznałem to za dobry przyczynek ku temu, aby specjalny rocznicowy tekst przygotować, wszak mówimy o pierwszej ekstremalnej burzy magnetycznej po wystrzeleniu sondy SOHO w 1995 roku z koronografami LASCO na pokładzie oraz pierwszej takiej burzy po wprowadzeniu oficjalnych skal przez NOAA/SWPC w 1999 roku. Nie znaczy to oczywiście, że wcześniej do takich burz nie dochodziło: jest to raczej symboliczne zaliczenie pierwszego przypadku burzy o najwyższej kategorii aktywności po przyjęciu znanej nam skali, gdy pogoda kosmiczna zaczęła zyskiwać popularność dzięki wprowadzaniu nowych technologii badania aktywności słonecznej. Tyle tytułem krótkiego wstępu i o motywacjach przygotowania opracowania, jakie w tym momencie trafia do Waszych rąk.
Spis treści:1. Lipiec 2000.7. Podsumowanie
Lipiec 2000
W połowie 2000 roku Słońce znajdowało się w fazie intensywnego wzrostu aktywności, zbliżając się do szczytu 23. cyklu słonecznego. Cykl ten, który rozpoczął się w sierpniu 1996 roku i trwał do grudnia 2008 roku, charakteryzował się znaczną liczbą plam słonecznych widocznych na obu półkulach Słońca w latach 2000-2002 (mimo, że ostatecznie okazał się umiarkowanie silnym).
Choć najwyższą wygładzoną liczbę plam słonecznych - 180.3 - odnotowano nieco później, bo w listopadzie 2001 roku, ten okres bez wątpienia charakteryzował się już podwyższoną dynamiką Słońca. Dlaczego jest to kluczowy wskaźnik produkcji plam i oceny momentu cyklu, w którym możemy przebywać, pisałem o tym dwa miesiące temu - tekst odnajdziecie w tym miejscu. W porównaniu do poprzednich cykli, 23. cykl słoneczny był uznawany za średnio aktywny, lecz jego kulminacja przyniosła szereg potężnych zdarzeń. Już w kwietniu 2000 roku obserwowano znaczące wystąpienia zórz polarnych, które sięgały umiarkowanych szerokości geograficznych, takich jak Floryda i południowa Europa. To wczesne pojawienie się zórz było wyraźnym sygnałem rosnącej aktywności słonecznej i wskazywało na to, że środowisko międzyplanetarne stawało się coraz bardziej podatne na wpływ większych zdarzeń.
Już okres od 10 do 13 lipca 2000 roku charakteryzował się intensywną aktywnością słoneczną. Satelity GOES, z których korzystamy po dziś w ich kolejnych egzemplarzach zastępujących już te wysłużone, zarejestrowały w tym czasie łącznie ponad 20 rozbłysków klasy M i X, a koronografy LASCO na pokładzie wystrzelonej ledwie 5 lat wcześniej sondy SOHO zaobserwowały aż 27 koronalnych wyrzutów masy. Ta obfitość wcześniejszych zdarzeń erupcyjnych jest według wielu heliofizyków istotna, ponieważ sugeruje, że przestrzeń międzyplanetarna w naszym ziemskim otoczeniu była już znacząco zaburzona i zmodyfikowana przed nadejściem CME z Dnia Bastylii. Bardzo możliwe, że podobne "przygotowanie" przestrzeni kosmicznej wokół Ziemi miało miejsce w pierwszych dniach maja 2024 roku, w bezpośrednim sąsiedztwie pierwszej - i niestety dla nas, amatorów zorzy polarnej, jedynej jak dotąd - burzy magnetycznej kategorii G5 w 25. cyklu słonecznym.
Na przykład, mniejszy opór ze strony zredukowanej gęstości wiatru słonecznego mógł pozwolić CME na szybszą podróż lub zachowanie większej spójności w jego budowie po opuszczeniu korony słonecznej, co potencjalnie zwiększyło jego geoefektywność: tak przed rokiem, jak i ćwierć wieku temu. To tylko podkreśla złożoność prognozowania pogody kosmicznej, wymagającego niekiedy uwzględnienia nie tylko pojedynczych zdarzeń erupcyjnych uwalniających kluczowy CME, ale także skumulowanego wpływu wcześniejszych zdarzeń na nasze kosmiczne podwórko i przestrzeń w wewnętrznym Układzie Słonecznym.
Bezpośrednim źródłem burzy Dnia Bastylii był aktywny region słoneczny AR9077. W momencie emisji rozbłysku klasy X5.7 z 14 lipca 2000 roku, który zapoczątkował tę historię, region ten znajdował się w pobliżu centrum tarczy słonecznej, na współrzędnych N22W02. Ta centralna lokalizacja była kluczowa dla geoefektywności późniejszego koronalnego wyrzutu masy (CME), ponieważ zapewniała jego bezpośrednie skierowanie ku Ziemi. Ewolucja regionu aktywnego 9077 w dniach poprzedzających erupcję wskazywała na narastającą złożoność magnetyczną. Obserwacje wskazywały na wykształcenie pola magnetycznego typu beta-gamma-delta i sugerowały, że warunki w koronie słonecznej stały się bardziej sprzyjające rekoneksji magnetycznej w ciągu zaledwie dwóch dni przed rozbłyskiem Dnia Bastylii. Obserwowano bardzo wysoki stopień skręcenia i złożoności pola magnetycznego, a energia swobodna zgromadzona w polu magnetycznym obszaru 9077 osiągnęła swój szczyt na około półtorej doby przed samym rozbłyskiem klasy X5.7.
14.07.2000: Dzień Bastylii. Od rozbłysku, przez SEP i GLE, do CME
Burza Dnia Bastylii miała swój początek w serii dynamicznych zdarzeń na Słońcu, które szybko rozwinęły się w jedno z najbardziej znaczących zjawisk pogody kosmicznej w historii pomiarów. 14 lipca 2000 roku, w godzinach od około 10:03 do 10:43 UTC, satelity GOES zarejestrowały intensywny (choć historycznie - daleki od najsilniejszych) rozbłysk słoneczny klasy X5.7. Szczyt intensywności promieniowania rentgenowskiego tego rozbłysku nastąpił o godz. 10:24 UTC.
Jako, że obszar aktywny 9077 stanowiący źródło rozbłysku znajdował się bardzo blisko centrum tarczy słonecznej - zapewnił swoim położeniem, że towarzyszący mu koronalny wyrzut masy (CME) został skierowany bezpośrednio w stronę Ziemi. Do CME jeszcze wrócę, ale najpierw trochę wspominek o tym co jeszcze towarzyszyło rozbłyskowi: to zdarzenia nie mniej konieczne do odnotowania, co sam wyrzut.
Obszary aktywne na tarczy słonecznej 14 lipca 2000 r i moment rozbłysku klasy X5.7 w skrajnym ultrafiolecie z perspektywy sondy SOHO. Sprawca zamieszania - region 9077 osiągał tego dnia centralny południk i znajdował się dokładnie na wprost Ziemi. Z rozbudowaną strukturą - choć pozbawioną szczególnie dużych składników - ale przede wszystkim z polem magnetycznym typu beta-gamma-delta posiadał zdolność emisji silnych rozbłysków klasy X, z czego wielokrotnie korzystał. Credit: SOHO.
W efekcie rozbłysku klasy X5.7 z 14 lipca 2000 r., który uwolnił burzę wysokoenergetycznych protonów, które uderzyły w Ziemię kilkanaście minut później, instrument CDS (Coronal Diagnostic Spectrometer) na pokładzie sondy SOHO został poważnie zakłócony przez strumień cząstek, mimo że obserwował zupełnie inną część Słońca, niż miejsce rozbłysku. CDS służy do badania temperatury, gęstości i ruchów gazu w atmosferze słonecznej na podstawie widm w zakresie ultrafioletu. Cząstki z rozbłysku przenikały przez elektronikę, powodując liczne zakłócenia w danych. Obserwacje stały się praktycznie bezużyteczne, a sekwencję pomiarową przerwano, aby uniknąć uszkodzeń instrumentu. Pokazane obrazy ukazują surowe dane pełne zakłóceń oraz wersję „oczyszczoną”, przygotowaną za pomocą automatycznych algorytmów usuwających ślady cząstek. Credit: SOHO/CDS.
Zdarzenie GLE: gdy cząsteczki dosłownie uderzają w Ziemię
Tak oto przechodzimy do jeszcze rzadszego zjawiska określanego jako zdarzenie GLE (Ground Level Enhancement) - a więc wzrost strumienia cząstek na poziomie gruntu. GLE to nagły wzrost liczby cząstek rejestrowanych na poziomie gruntu przez detektory neutronów - zwykle związany z bardzo silnym rozbłyskiem słonecznym i towarzyszącym mu zdarzeniem SEP wspomnianym wcześniej. Zjawiska te są na tyle rzadkie, że od początku pomiarów obowiązuje jedna, chronologiczna numeracja poszczególnych przypadków, bez "resetowania" co określony czas - w przeciwieństwie np. do grup plam, numerowanych co 10 tysięcy (przy okazji przypomnę tutaj, że w lutym br. weszliśmy w nowe "tysiąc-plamie" od AR4000, więc do resetu licznika wciąż długa droga). GLE z 14 lipca 2000 roku było dopiero 59. zdarzeniem promieniowania na poziomie gruntu od początku obserwacji kilkadziesiąt lat wcześniej.
GLE to zjawisko, w którym wysokoenergetyczne cząstki słoneczne, głównie protony, przyspieszone przez rozbłyski słoneczne lub fale uderzeniowe napędzane przez koronalne wyrzuty masy, docierają do Ziemi z wystarczającą energią, aby przeniknąć przez magnetosferę i całą atmosferę aż do poziomu gruntu. Powoduje to mierzalny wzrost liczby neutronów w naziemnych monitorach neutronowych, sygnalizując znaczące zagrożenie radiacyjne wykraczające poza typowe zdarzenia pogody kosmicznej. Energetyczne protony z rozbłysku X5.7 ciężko zbombardowały satelity i wnikały głęboko w atmosferę ziemską.
Zapis strumienia wysokoenergetycznych protonów emitowanych przez Słońce, mierzone przez satelitę GOES w dniach 12-20.07.2000 r. Linie w różnych kolorach oznaczają protony o różnej energii: czerwona (>10 MeV), niebieska (>50 MeV) i zielona (>100 MeV). Gwałtowne wzrosty, szczególnie widoczne od 14 lipca 2000 roku, wskazują na burzę radiacyjną - intensywne zdarzenie, w którym Słońce wyrzuca w przestrzeń kosmiczną miliardy cząstek, powodujące w tym przypadku ciężką burzę radiacyjną poziomu S4. Widoczny gwałtowny wzrost strumienia protonów (szczególnie tych >10 MeV) - to wyraźny znak zdarzenia SEP, czyli wyrzutu wysokoenergetycznych protonów ze Słońca w kierunku Ziemi. Protony o tej energii mogą już stanowić zagrożenie dla astronautów i satelitów. Na trzecim wykresie strumień protonów nadal jest podwyższony, ale wartości dla wyższych energii (niebieska i zielona) znacząco spadły, co świadczy o tym, że najszybsze i najbardziej energetyczne cząstki już minęły Ziemię, a wolniejsze protony nadal dominują. Ostatecznie burza radiacyjna zakończyła się 20 lipca i trwała niemal tydzień. Credit: GOES/SWPC
Wystąpienie GLE, rzadkiego zjawiska, natychmiast zasygnalizowało bezpośrednie zagrożenie radiacyjne dla lotnictwa na dużych wysokościach i satelitów, odmienne od późniejszych efektów burzy magnetycznej. Skoro GLE oznacza dotarcie wysokoenergetycznych protonów z rozbłysku aż do poziomu gruntu, bezpośrednio przekłada się to na zwiększoną ekspozycję na promieniowanie dla astronautów, pasażerów i załóg samolotów latających na dużych wysokościach. Powoduje to również wspomniany już szum w satelitarnych systemach obrazowania, gdy cząstki uderzają w czujniki i rejestratory obrazu.
Dane z oficjalnej bazy monitorów neutronowych na fińskiej stacji Oulu, ukazujące nagły i znaczący wzrost natężenia promieniowania kosmicznego na poziomie gruntu (GLE) z 14 lipca 2000 roku krótko po energetycznym rozbłysku klasy X5.7. Jest to dopiero 59. zdarzenie tego typu od rozpoczęcia regularnych pomiarów w latach 40. XX wieku. Wykres pokazuje 59-procentowy wzrost detekcji promieniowania kosmicznego w stosunku do poziomu sprzed zdarzenia, zarejestrowany przez różne stacje monitorujące neutrony rozmieszczone na Ziemi. Pionowy wzrost linii wskazuje na moment dotarcia cząstek do naszej planety i ich interakcję z atmosferą, co skutkuje zwiększoną liczbą detekcji na powierzchni. Credit: GLE Database, Oulu
CME: Fat-Man lub Little Boy z Nagasaki i Hiroszimy pomnożone przez… tysiąc miliardów - tak, tak: przez polski bilion - nie amerykański miliard
Rozbłysk X5.7 został natychmiastowo poprzedzony wykryciem koronalnego wyrzutu masy (CME) typu full-halo w danych koronograficznych, począwszy od godziny 10:54 UTC. Wygląd pełnego halo widocznego w postaci materii rozchodzącej się na pełnych 360 stopniach wokół Słońca w sytuacji emisji z centralnie położonej grupy plam oznacza, że CME rozprzestrzenia się bezpośrednio w kierunku Ziemi. CME był ponadprzeciętnie szybki, z szacowaną prędkością propagacji około 1700 km/sek. Ten szybki czas tranzytu na drodze Słońce-Ziemia był kluczowym czynnikiem w intensywności późniejszej burzy magnetycznej. Średnia prędkość tranzytu wyrzutu wynosiła około 1500 km/sek.
Koronalny wyrzut masy (CME) typu full-halo po rozbłysku klasy X5.7 z obszaru aktywnego 9077 oraz natychmiastowe skutki bombardowania wysokoenergetycznymi protonami matrycy koronografu LASCO C2 (powyżej) i C3 (poniżej) na pokładzie sondy SOHO. To pierwszy tak ciężki szturm jakiego ta sonda doświadczyła od umieszczenia w przestrzeni kosmicznej. Credit: SOHO/LASCO.
Skala zaszumienia obrazów rejestrowanych przez LASCO w efekcie natychmiastowego uderzenia burzy wysokoenergetycznych protonów w SOHO spowodowała praktycznie zerową użyteczność instrumentów przez okres kilkudziesięciu godzin do momentu ustania najwyższych zakłóceń. Uwolnienie CME możliwe jest do śledzenia właściwie tyko na kilku pierwszych zobrazowaniach z koronografu, podczas gdy w dalszych godzinach skutki burzy radiacyjnej powodują oślepienie sondy na kilka dni. Credit: SOHO/LASCO.
Obserwacje z satelity SOHO były niezwykle ważne dla zrozumienia tego zdarzenia, ponieważ była to pierwsza tak duża burza słoneczna po uruchomieniu SOHO, dostarczająca rewolucyjnych danych na temat ekstremalnych rozbłysków i CME. Dane zebrane przez SOHO pozwoliły naukowcom, takim jak Tibor Török z Predictive Science, Inc., szybko zrozumieć fizykę ekstremalnych rozbłysków. Török, wykorzystując nowoczesne symulacje magnetohydrodynamiczne (MHD), obliczył, że w eksplozji uwolniono 1033 ergów energii magnetycznej – równowartość około tysiąca miliardów bomb atomowych z II wojny światowej. To wyjaśnia, dlaczego nawet sondy Voyager odczuły skutki tego zdarzenia.
Tak: chodzi o Voyagera 1 i 2. Nie ma tu żadnej pomyłki co do sond. Mówimy o słynnych Voyagerach, które znajdowały się wówczas na krańcach Układu Słonecznego, a ich „udział” w tej historii jest naprawdę fascynujący. Zdarzenie było tak potężne, że jego fale uderzeniowe zostały odczute przez odległe sondy Voyager długi czas później. Dotarcie fali uderzeniowej CME do sond Voyager zajęło miesiące - 180 dni do Voyagera 2 (62 AU) i 245 dni do Voyagera 1 (79 AU). Będąc na skraju Układu Słonecznego, sondy te były naturalnie wystawione na wysoki poziom promieniowania kosmicznego. CME z Dnia Bastylii, przetaczając się przez przestrzeń, zmiotło to promieniowanie, tworząc tymczasowe zmniejszenie jego poziomu i powodując nawet w takiej odległości tzw. efekt Forbusha - tymczasowe zmniejszenie promieniowania kosmicznego.
Warunki promieniowania kosmicznego w położeniu obydwu Voyagerów powróciły do normy dopiero po 3-4 miesiącach: tak bardzo CME zmiótł promieniowanie kosmiczne na tak dalekim dystansie od Słońca. Jako dygresję, w ramach ciekawostki przypomnę tutaj, że niedawno także i nasza planeta doświadczyła istotnego efektu Forbusha - podczas burzy magnetycznej kategorii G4 z początku ubiegłego miesiąca promieniowanie kosmiczne docierające do Ziemi zmniejszyło się o ponad 14%, co stanowiło największe tego typu zjawisko od 22 lat i słynnych burz G5 przełomu października i listopada 2003 roku.
Zapis danych monitora neutronowego z fińskiej stacji Oulu ukazujący efekt Forbusha z Burzy Dnia Bastylii (po lewej) - czyli tymczasowy, ale znaczący spadek natężenia promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi. Skala 3-godzinna, zakres od 01.07 do 31.07.2000 r. Ten sam efekt Forbusha zaobserwowany został również niedawno podczas ciężkiej burzy magnetycznej kategorii G4 z początku czerwca 2025 roku (po prawej - zakres od 15.05 do 15.06.2025 r.) i co ciekawe był on nawet nieznacznie wyraźniejszy, niż podczas burzy sprzed ćwierćwiecza. Przy okazji rozważań w kontekście CME z Dnia Bastylii pamiętajmy jednak, że mówimy o wystąpieniu efektu Forbusha nie tylko na Ziemi, ale na krańcach Układu Słonecznego, 62 - a nawet 79 jednostek astronomicznych od Słońca. Credit: University of Oulu, Neutron Monitor Database.
Jednym z fundamentów współczesnych badań Słońca i heliosfery jest modelowanie magnetohydrodynamiczne (MHD). Pozwala ono naukowcom na symulowanie zachowań plazmy, a więc właśnie zjonizowanego gazu, z którego składają się Słońce i wiatr słoneczny pod wpływem pól magnetycznych. Jest to kluczowe narzędzie do zrozumienia dynamicznych zjawisk słonecznych, takich jak rozbłyski słoneczne i CME. Ze względu na swoją intensywność i dostępność danych z wielu instrumentów (zarówno naziemnych, jak i satelitarnych), Burza Dnia Bastylii stała się kluczowym zdarzeniem referencyjnym dla rozwoju modeli MHD. Naukowcy, tacy jak Tibor Török z Predictive Science, wykorzystali zgromadzone dane do przeprowadzenia szczegółowych symulacji. Na podstawie obserwacji Słońca przed i w trakcie zdarzenia, modele MHD pozwalają na odtworzenie początkowej konfiguracji pola magnetycznego w regionie aktywnym, gdzie doszło do rozbłysku i uwolnienia CME.
Symulacje MHD pomagają zidentyfikować fizyczne procesy odpowiedzialne za nagłe uwolnienie ogromnych ilości energii. Ujawniły one, że podczas Burzy Dnia Bastylii uwolnionych zostało niewyobrażalne 10^33^ ergów energii magnetycznej. To gigantyczna ilość, porównywalna z energią tysiąca miliardów bomb atomowych z II wojny światowej, uwalniana w zaledwie kilka minut lub godzin. Ta potworna moc jest wynikiem procesu rekoneksji magnetycznej, gdzie splątane linie pola magnetycznego gwałtownie zrywają się i łączą na nowo, uwalniając zgromadzoną energię. Modele MHD śledzą, jak CME propaguje się przez wiatr słoneczny, oddziałując z otaczającą plazmą i polami magnetycznymi. Jest to kluczowe dla prognozowania czasu dotarcia CME do Ziemi i jego właściwości (np. prędkości, gęstości, siły i orientacji pola magnetycznego).
Współczesna komputerowa symulacja modelu magnetohydrodynamicznego (MHD) koronalnego wyrzutu masy z 14.07.2000 r. Każdy z paneli tej grafiki odsłania inny aspekt tego dynamicznego wydarzenia poprzedzającego CME z Burzy Dnia Bastylii, który uwolnił energię porównywalną z bilionem bomb atomowych. Panele (a) i (f) w widoku 3D to serce symulacji. Ukazują one skręconą wiązkę linii pola magnetycznego ("flux rope" - czyli magnetyczny rdzeń CME). Kolory i kształty informują o sile i orientacji pola magnetycznego, a także o rozkładzie temperatury i prędkości plazmy. Widać, jak plazma jest podgrzewana do milionów stopni Kelvina i przyspieszana do tysięcy kilometrów na sekundę. Panele (b) i (d) w widoku 2D (przekroje) pokazują "wnętrzności" erupcji. Widzimy, jak fala uderzeniowa ("shock front") rozprzestrzenia się przed czołem magnetycznego rdzenia CME, ściskając i nagrzewając plazmę. Kolory w tych panelach ilustrują zmiany gęstości plazmy oraz rozkład prędkości i temperatury. Szczególnie intrygujące są strzałki, które wizualizują pole magnetyczne - jego skomplikowany układ i kierunek, kluczowy dla energetyki całego procesu. To właśnie w miejscach, gdzie pola magnetyczne się splatają i gwałtownie przecinają w procesie rekoneksji, następuje uwolnienie ogromnych ilości energii. Panele (c) i (e) odzwierciedlają to, co mogłyby zaobserwować sondy kosmiczne, np. takimi instrumentami jak AIA obecny na pokładzie SDO. Przedstawiają symulowane obrazy w świetle ultrafioletowym (tu np. w zakresie 131 angstremów), które jest szczególnie czułe na gorącą plazmę. Ta symulacja MHD to zatem potężne narzędzie pozwalające wizualizować i analizować niewidzialne dla oka, ale niezwykle energetyczne procesy fizyczne na Słońcu, mające bezpośredni wpływ na Ziemię i decydujące o potencjale CME do wpływu na aktywność geomagnetyczną po dotarciu do Ziemi. Credit: Tibor Török i in., The Astrophysical Journal, 856:75 (22pp), 2 Marca 2018.
Warto w tym miejscu krótko podsumować i uświadomić sobie co się zadziało: zdarzenie Dnia Bastylii nie było “tylko” potężnym rozbłyskiem czy “tylko” szybkim i "tylko" energetycznym CME, ale połączeniem wszystkich możliwych zjawisk, zwłaszcza ich bezpośredniego skierowania ku Ziemi i obecności silnego południowego pola magnetycznego (Bz) w CME. Ta kumulacja wzmocniła jego wpływ. Sam rozbłysk w zakresie rentgenowskim powoduje niemal natychmiastowe zakłócenia radiowe (poziom R3) i nagrzewanie atmosfery. Zdarzenie SEP w połączeniu z GLE stwarza zagrożenie radiacyjne.
Przebieg burzy
Jednak burza magnetyczna jest napędzana głównie przez przybycie CME i jego interakcję z magnetosferą Ziemi. Kluczem do silnej burzy magnetycznej nie musi być tylko prędkość CME (choć w takich sytuacjach wzmacnia to efekty) ale co znacznie ważniejsze - siła i orientacja pola magnetycznego wewnątrz samego wyrzutu. Koronalny wyrzut masy z 14 lipca 2000 roku uderzył w sondę ACE w punkcie Lagrange’a1 L1 około 1,5 mln km “przed Ziemią” na linii Słońce-Ziemia 15 lipca około 14:00 UTC - w około 28 godzin po erupcji. Statek kosmiczny Wind, monitorujący wiatr słoneczny w odległości 1 AU, zarejestrował silną falę uderzeniową z nagłym wzrostem prędkości z około 600 km/sek. do ponad 1000 km/sek. około godziny 14:37 UTC dnia 15 lipca 2000 roku. Ta fala uderzeniowa wykazała również silne wzrosty gęstości, temperatury i natężenia pola magnetycznego. Siła pola magnetycznego (IMF - Bt) niesionego przez CME wzrosła w otoczeniu Ziemi z dotychczasowej 8-9nT do 46nT podczas napływu zewnętrznej warstwy wyrzutu przy gęstości powyżej 60 protonów/cm3. Co ciekawe, jak już pisałem w tym opracowaniu zbiorczym za ubiegły miesiąc, w porównywalnie szybkim tempie, jedynie niewiele później - bo w 29 godzin - dotarł do nas CME podczas burzy magnetycznej kategorii G4 z 1 czerwca, będący przypadkiem najszybszego wyrzutu od ponad dwóch dekad.
Przez pierwsze godziny występowały typowe wahania w skierowaniu Bz, między północnym +34 a południowym -42nT, co i tak momentalnie wyzwoliło ciężką burzę magnetyczną kategorii G4, ale wartości te stanowiły ledwie wstęp do głównej części burzy. Jednak kluczowe dla jeszcze potężniejszego wzmocnienia intensywności burzy okazało się przybycie magnetycznego rdzenia CME, niosącego silne pole magnetyczne skierowane na południe (Bz), około godziny 19:00 UTC. Struktura ta przynosi zwykle największe nasilenie warunków magnetycznych i ich ustabilizowanie w korzystnym lub zupełnie pechowym dla obserwatorów wydaniu. W tym przypadku rdzeń niósł silną składową pola magnetycznego skierowaną na południe (ujemne Bz), co jest kluczowe dla wywoływania intensywnych burz magnetycznych. Taki kierunek umożliwia efektywną rekoneksję magnetyczną z północnym polem magnetycznym Ziemi, przenosząc energię do magnetosfery i napędzając burzę.
Rozbłyski i SEP miały oczywiście swoje znaczenie, ale to właśnie konfiguracja magnetyczna wewnątrz CME jest tym, co faktycznie decyduje o intensywności każdej burzy. Gdyby te parametry zawiodły - rozbłysk mógłby być dowolnie silniejszy i nie spowodować finalnie żadnej istotnej aktywności geomagnetycznej. Doskonałym przykładem tego była już wspominana przeze mnie sytuacja z 1 czerwca 2025 roku: pomimo bardzo szybkiego dotarcia CME (jedynie godzinę później w porównaniu do CME z Dnia Bastylii!), o wiele słabsze cechy pola magnetycznego w jego wnętrzu sprawiły, że burza magnetyczna zakończyła się na kategorii G4. To wyraźnie pokazuje, że prędkość to nie wszystko.
Wraz z dotarciem rdzenia CME do Ziemi około 5 godzin po uderzeniu, siła IMF wzrosła do 59nT z silnym ustabilizowaniem południowej Bz na poziomie -54nT. W połączeniu z prędkością powyżej 1000 km/sek. łatwo doprowadziło to do intensyfikacji aktywności burzy, która osiągnęła ekstremalną kategorię G5 - pierwszy raz od oficjalnego wprowadzenia tej skali, jak też pierwszy raz od wystrzelenia SOHO, ACE i WIND do punktu Lagrange’a L1 celem stałego monitoringu warunków wiatru słonecznego i pola magnetycznego. Rozpoczęła się pierwsza ekstremalna burza magnetyczna 23. cyklu słonecznego.
Po lewej: zapis zmian pola magnetycznego wiatru słonecznego w efekcie uderzeń CME obserwowanych 14.07 oraz 15.07 (CME Dnia Bastylii). Krzywa biała - IMF Bt - obrazuje całkowitą siłę pola magnetycznego w wietrze słonecznym napływającym na Ziemię, krzywa czerwona - składowa Bz - wahania w kierunku północ-południe decydujące dla wykorzystywania lub blokowania potencjału wynikającego z Bt. W szczycie zaburzeń IMF siła wzrosła do 59nT, niemal tyle samo (-54nT) wynosiło południowe odchylenie składowej Bz wraz z dotarciem magnetycznego rdzenia CME. Credit: GOES/Research Gate. Po środku: zapis zmian gęstości i prędkości wiatru słonecznego w efekcie uderzeń CME z 13, 14 i 15 lipca 2000 roku. Dwa pierwsze CME przyniosły silne burze magnetyczne kategorii G3 i "przygotowały" magnetosferę na jeszcze wyraźniejszą odpowiedź na uderzenie trzeciego CME z Dnia Bastylii, który przyniósł prędkości dochodzące do 1200 km/sek. w otoczeniu Ziemi, dwukrotnie wyższe względem okresu sprzed uderzenia. Credit: GOES/Research Gate. Po prawej: zapis danych wiatru słonecznego z sondy ACE. W efekcie ciężkiej burzy radiacyjnej poziomu S4 niektóre czujniki uległy awarii i rejestrowały nieużyteczne dane odległe od rzeczywistych warunków; poza magnetometrami dane za ten okres z ACE mogą być obarczone dużymi błędami. Credit: ACE/SWPC
Zapis warunków wiatru słonecznego z ACE za okres 15-16.07.2000 r. Wskutek silnej, a następnie ciężkiej burzy radiacyjnej poziomu S3-S4 awaryjnemu wyłączeniu poddano niektóre satelity, zaś te których działanie utrzymano wielokrotnie rejestrowały zupełnie błędne odczyty - jak ACE w godzinach poprzedzających uderzenie CME Dnia Bastylii oraz pewien czas po nim, w zakresie gęstości, prędkości i temperatury. Pewne ustabilizowanie kontroli nad odbiorem danych nadeszło paradoksalnie kilka godzin po największym wzburzeniu aktywności geomagnetycznej gdy szybki wiatr słoneczny potężnego CME "zmiótł" wysokoenergetyczne protony zmniejszając z upływem czasu intensywność burzy radiacyjnej. Wiarygodne pozostają jednak parametry pola magnetycznego, które wykazuje ekstremalnie zwiększoną siłę do 59nT (Bt - krzywa biała), choć skierowanie składowej Bz (krzywa czerwona) ulega częstym i silnym wahaniom przez kilka godzin od impaktu. To typowe i często obserwowane zmienności podczas przechodzenia Ziemi przez zewnętrzne warstwy CME. Korzystne wyklarowanie warunków nadchodzi wraz z dotarciem rdzenia CME 15.07 około godz. 19:00 UTC niosącego najbardziej stabilne magnetycznie cechy i maksymalnie nasilony potencjał wiatru do intensyfikowania burzy. Wraz z jego dotarciem składowa Bz notuje swój maksymalny przeskok na południowe skierowanie do -54nT co przy prędkości przekraczającej 1100-1200 km/sek. skutkuje zaistnieniem ekstremalnej burzy magnetycznej kategorii G5. Wysoka prędkość wiatru była jednak z drugiej strony powodem szybkiego przepływu CME przez Ziemię i braku szans na kilkunastogodzinne ustabilizowanie warunków związanych z rdzeniem CME, skutkiem czego już 16.07 około godz. 06:00 UTC po mniej niż 12 godzinach składowa Bz zbliżyła się do zera i płynnie przeszła na północne skierowanie skutecznie tłumiące aktywność burzy z biegiem kolejnych godzin. Wraz ze słabnięciem siły pola magnetycznego wiatru słonecznego zmiana w Bz była płynna i łagodnie rozłożona w czasie co jest typową oznaką wychodzenia z rdzenia CME, w którym skręcona helikalnie wiązka linii pola magnetycznego pozwala dobrze przewidzieć czy i w jakim kierunku postępować będą zmiany poszczególnych składowych pola - obserwujemy to niemal zawsze po najkorzystniejszych centralnych uderzeniach CME o bezpośrednim skierowaniu ku Ziemi. Ostatni globalnie epizod burzy (G1) wystąpił 16.07 między 12:00 a 15:00 UTC, po tym czasie burza uległa zakończeniu. Credit: ACE/SWPC.
Indeks Dst (intensywność aktywności geomagnetycznej) podczas ekstremalnych burz magnetycznych kategorii G5 z 15 lipca 2000 r. (dane ostateczne) oraz z 10-12 maja 2024 r. (dane tymczasowe) gromadzone przez Światowe Centrum Danych Geomagnetyzmu w Kioto w Japonii. Obniżenie Dst do -301nT podczas Burzy Dnia Bastylii to świadectwo bardzo wysokiego wzburzenia aktywności geomagnetycznej, ale w maju 2024 roku było ono jeszcze bardziej intensywne. Mimo, że w przypadku ubiegłorocznej burzy dane mogą jeszcze podlegać niewielkim korektom nie będą to już na tyle duże zmiany, aby zagrozić wyraźnej przewadze burzy z 2024 roku nad burzą z lipca 2000 roku. Credit: WDC for Geomagnetism, Kyoto
Co ciekawe, burza G4 (ale już z Kp9-) z października 2024 roku przyniosła nam DstT równy -341nT, a więc także solidniejszy od ekstremalnej burzy z lipca 2000 roku. Wciąż jednak było to dalekie od wydarzenia na miarę burzy Caringotna z 1859 roku. Choć w 1859 roku nie istniał jeszcze formalny indeks Dst, szacowane wartości tego indeksu dla burzy Carringtona opierające się na analizie historycznych zapisów magnetometrów, podają wartości w zakresie od -850 nT do nawet -1760 nT. Najczęściej jednak cytowane i najbardziej prawdopodobne wartości to około -850 nT do -900 nT, ale niektóre analizy sugerują, że mógł potencjalnie dochodzić do -1200 nT. Więcej o tej burzy możecie czytać w archiwum bloga w tekście “Super-burza magnetyczna blisko minęła Ziemię” z marca 2014 roku.
Burza Dnia Bastylii była pierwszą burzą magnetyczną kategorii G5, w której zarejestrowano maksymalny Kp na poziomie 9 od czasu burzy ze słynnym blackoutem w kanadyjskim Quebecu z marca 1989 roku (Dst -559 nT) i zaledwie jedną z czterech takich burz do dzisiaj; pozostałe trzy to burze z końca października 2003 roku (Dst -353 nT oraz -383 nT) i wspomniana już burza z maja 2024 roku. Rdzeń CME z Dnia Bastylii niósł silną składową pola magnetycznego o skierowaniu południowym stanowiąc wymarzony prezent dla miłośników zorzy polarnej, bo było to kluczowe dla wywołania ekstremalnej aktywności geomagnetycznej. Rekoneksja między tym południowym Bz wiatru słonecznego, a północnym polem magnetycznym Ziemi w magnetopauzie zawsze najwydajniej przenosi energię z wiatru słonecznego do magnetosfery i tworzy wzmocniony prąd pierścieniowy, który definiuje główną fazę burzy. Intensywne burze (a więc te z Dst ≤ -100 nT) są zazwyczaj spowodowane przez silne pola magnetyczne skierowane na południe, gdzie Bz wynosi około -15 nT lub więcej. W tym przypadku Bz obniżył się do -59nT, a sześć godzin później wciąż przekraczał -20nT.
Po lewej: wybuch aktywności zorzy polarnej nad Farborough w Wielkiej Brytanii wieczorem 15 lipca 2000 roku. Zdjęcia wykonane na filmie Konica 200ASA, ogniskowa 50mm f/1.8. Jak relacjonuje sam autor, "wcześniej wieczorem pomyliłem to z zanieczyszczeniem światłem. Ale kiedy wróciłem do domu i spojrzałem w górę, w Wielkiej Niedźwiedzicy pojawiły się łososiowej barwy światła, jaśniejsze niż niektóre gwiazdy Wielkiego Wozu. Pomimo, że była północ, obudziliśmy dzieci i staliśmy na zewnątrz na drodze, gapiąc się aż do 1 w nocy, kiedy niebo stało się jasnozielone". Credit: Grant Privett. Po środku i po prawej: obrazy w dalekim ultrafiolecie z należącego do NASA satelity IMAGE (Explorer 78) uzyskane za pomocą "kamery zorzowej" ukazujące skalę aktywności zorzy polarnej 14 lipca przed uderzeniem CME i po uderzeniu 15 lipca 2000 r. Credit: NASA/IMAGE FUV Team.
Sekwencja czterech obrazów w dalekim ultrafiolecie z satelity IMAGE (Explorer 78) ukazujące rozwój aktywności zorzy polarnej na przestrzeni nieco ponad godziny po uderzeniu CME z 15.07.2000 r. Credit: NASA/IMAGE
Wpływ na infrastrukturę na Ziemi i poza nią
Warto jeszcze wspomnieć o wpływie tej burzy na infrastrukturę technologiczną. Wysokoenergetyczne protony z towarzyszącego zdarzenia SEP generowały szumy w systemach obrazowania satelitarnego, w tym w instrumentach EIT i LASCO. Zgłoszono anomalie na kilku satelitach. Zwiększona gęstość atmosfery spowodowana nagrzewaniem słonecznym doprowadziła do zwiększonego oporu na satelitach na niskich orbitach, co z kolei skutkowało obniżeniem orbity i potencjalnie wpływało na ich stabilność. Chociaż oczekiwano, że nowe satelity przetrwają, zdarzenie mogło przyspieszyć starzenie się i zwiększyć ryzyko przedwczesnych awarii starszych satelitów.
W kontekście sieci energetycznych, nie odnotowano powszechnych awarii w dystrybucji energii elektrycznej. Wiadomo, że prądy indukowane geomagnetycznie (GIC) płyną w liniach przesyłowych energii podczas burz magnetycznych, potencjalnie uszkadzając transformatory. Jednakże, konkretny zakres wpływu GIC z wydarzenia Dnia Bastylii na sieci energetyczne był stosunkowo ograniczony w porównaniu do zdarzeń takich jak blackout w Quebecu w 1989 roku, którym media chętnie straszą mniej zorientowanych odbiorców, a czego przykładem może być niedawny artykuł Zielonego Onetu, o który sporo czytelników zapytało.
Ta rozbieżność między intensywnością burzy a jej wpływem na sieć energetyczną jest istotna. Dlatego też apeluję tu do wszystkich, którzy zbyt łatwo ulegają sensacyjnym doniesieniom o Słońcu, aby zwrócili szczególną uwagę na ten i kolejny akapit. Efekty GIC jako podwalina wszelkich blackoutów z historii burz magnetycznych są w dużym stopniu zależne od rozmaitych czynników, które daleko wykraczają poza same indeksy Dst czy Kp (i oficjalne kategoryzowanie burz). Takimi czynnikami mogą być m.in. przewodność gruntu w danym regionie (np. regiony o mniejszej przewodności podłoża skalnego, jak Tarcza Kanadyjska, są bardziej podatne) czy najzwyczajniej w świecie - nawet taki banał jak konfiguracja samej sieci energetycznej - w sensie: projekt, uziemienie, obecność kondensatorów szeregowych w liniach przesyłowych, dbałość i wykonanie takiej sieci. Wysokie indeksy Kp (nawet najwyższa kategoria burzy) czy niskie Dst nie przekładają się automatycznie na katastrofalne awarie sieci energetycznych. Lokalne czynniki geologiczne i specyficzne dla sieci odgrywają często znacznie większą rolę. Obecnie, dzięki możliwości obserwacji CME jeszcze przed dotarciem do Ziemi, operatorzy sieci energetycznych mogą podejmować stosowne działania zabezpieczające, eliminując ryzyko poważniejszych blackoutów niemal do zera. Nie traćmy szacunku do możliwości Dziennej Gwiazdy, ale zarazem pamiętajmy, że po Quebecu mieliśmy jeszcze trzy lub cztery* burze magnetyczne kategorii G5, w tym dwie lub trzy* silniejsze od Burzy Dnia Bastylii - i do podobnych sytuacji jak w 1989 roku już nie dochodziło.
* Krótka dygresja: burze G5 z 29 i 30/31.10.2003 były efektem dwóch odrębnych CME docierających dzień po dniu, ale aktywność geomagnetyczna była ciągła, więc niektóre statystyki liczą to jako jedną burzę (co jest zasadne z powodu kontynuacji aktywności bez przerwy), a niektóre jako dwie następujące krótko po sobie (co także można uznawać, gdyż wywoływały je dwa odrębne zjawiska na Słońcu zachodzące w 1-dniowym odstępie).
Chociaż silne południowy Bz jest kluczowy, czas trwania i szybkość zmian Bz również mogą być w takich sytuacjach krytyczne - co zresztą często akcentuję w opracowaniach burz, podkreślając różnice między intensywnością odchylenia Bz w konkretnym kierunku, a częstotliwością wahań jego skierowania. Przykładowo - silny, ale krótkotrwały ekstremalnie południowy Bz rzędu -59nT jak w omawianym przypadku, może nie indukować tak dużych, utrzymujących się długo GIC jak zaledwie umiarkowanie południowy około -15nT, ale za to wielogodzinny, długotrwale stabilny Bz. Wspomniana w danych z 15 lipca 2000 roku silna szybkość zmian indeksu Dst (dDst/dt) na poziomie około 130 nT/godzinę wskazuje na gwałtowność zjawiska, ale z drugiej strony ograniczony czas trwania najbardziej intensywnego południowego Bz mógł być czynnikiem obniżającym ryzyko powstania silnych prądów GIC. Zwróćmy uwagę, że już 7 godzin po dotarciu magnetycznego rdzenia CME, składowa Bz z początkowych -59nT przeszła na dodatnie wartości przyjmując kierunek północny.
Wpływ CME z Dnia Bastylii odczuł również system nawigacji GPS, którego dokładność pozycjonowania została przez burzę wyraźnie pogorszona. Burza ta miała znaczący wpływ na jonosferę - zjonizowaną warstwę atmosfery zawierającą swobodne elektrony. Zmiany te można zaobserwować poprzez zjawisko zwane TEC (Total Electron Content), czyli całkowitą zawartość elektronów w słupie atmosfery między satelitą a odbiornikiem GPS. Im większe wahania TEC, tym bardziej sygnał GPS ulega zakłóceniu. W jednej z kilku interesujących prac dostępnych w Research Gate, E. A. Araujo-Pradere zbadał, jak burza wpłynęła na TEC na średnich szerokościach geograficznych - czyli w rejonach oddalonych zarówno od biegunów, jak i równika.
Ekstremalny wzrost VTEC nad Przylądkiem Canaveral podczas Burzy Dnia Bastylii. Grafika przedstawia stosunek całkowitej zawartości elektronów (VTEC) do warunków spokojnych, zarejestrowany przez stację w Cape Canaveral na Florydzie. Obserwacje te świadczą o intensywnych zaburzeniach jonosfery spowodowanych silną burzą magnetyczną. Credit: Dane pochodzą z pracy E. A. Araujo-Pradere i wsp. (2006).
To ważne z punktu widzenia współczesnych systemów GNSS, które są dziś znacznie szerzej wykorzystywane niż w roku 2000, biorąc pod uwagę powszechne poleganie na GPS we wszystkim, od osobistej nawigacji po precyzyjne rolnictwo, lotnictwo i synchronizację krytycznej infrastruktury. Burza z Dnia Bastylii pokazała, że nawet bez powszechnych awarii zasilania, wszech-medialnych blackoutów i notorycznie wieszczonej słonecznej apokalipsy pogoda kosmiczna może w pewnym stopniu zakłócić nowoczesne społeczeństwo poprzez swoje efekty na usługi satelitarne. Dziś, w odpowiedzi na takie zagrożenia rozwinięto różne systemy korekcji GNSS/GPS, które dostarczają poprawek opartych na naziemnych stacjach monitorujących i modelach jonosferycznych. Mamy też już lepsze niż wówczas - choć wciąż zawodne i dalece niedoskonałe - systemy predykcji pogody kosmicznej, które ostrzegają operatorów przed spodziewanym wzrostem zakłóceń. Tak czy owak, dzięki tym rozwiązaniom, dzisiejsze odbiorniki są znacznie lepiej przygotowane na wpływ burz na jonosferę, niż ćwierć wieku temu.
Podsumowanie
Indeks zaburzeń ziemskiego pola magnetycznego w okresie 13-14.07.2000 r. oraz 15-16.07.2000 r. według wstępnych danych operacyjnych NOAA/SWPC (po lewej i po środku) oraz za okres 13-16.07.2000 r. wg ostatecznych danych GFZ (po prawej). Jak widzimy, CME Dnia Bastylii uderzył w momencie już odpowiedniego, uprzedniego przygotowania pola magnetycznego Ziemi na silniejszą odpowiedź: ekstremalny wyrzut dotarł tuż po dwukrotnie silnych (G3) burzach, po których sytuacja nie zdążyła się jeszcze w pełni unormować, co mogło być istotnym czynnikiem zwiększającym intensywną aktywność geomagnetyczną po uderzeniu największego CME 15 lipca. Burza magnetyczna kategorii G5 rozciągnęła się w sumie na 24 godziny, choć powrót do pełnego wyciszenia aktywności w ziemskim otoczeniu zajął jeszcze kilka dni po ustaniu zaburzeń. Credit: SWPC/GFZ Poczdam.
Wykrycie fali uderzeniowej CME i jej efektów przez sondy Voyager w odległości 62 i 79 AU pokazuje, że wpływ tak potężnych erupcji słonecznych rozciąga się daleko poza bezpośrednie otoczenie Ziemi i wpływa na całą heliosferę. Okazuje się bowiem, że nawet po ustąpieniu bezpośrednich wpływów w ziemskim otoczeniu, kosmiczne środowisko pozostaje zaburzone przez dłuższe okresy, oddziałując nawet na odległe statki kosmiczne.
f t yt Bądź na bieżąco z tekstami, zapowiedziami, alarmami zorzowymi i wiele więcej - dołącz do stałych czytelników bloga na Facebooku, obserwuj blog na Twitterze, subskrybuj materiały na kanale YouTube lub zapisz się do Newslettera.
Oprac. własne w oparciu o materiały źródłowe Research Gate (1), (2), (3), (4), (5), SpaceWeather (1), (2), AGU (1), (2), NIH, Wiki, SOHO, ADS Harvard, Arxiv.org, WIND, Ursa Fi, Oulu, JPL NASA.
Komentarze
Prześlij komentarz
Zainteresował Ciebie wpis? Masz własne spostrzeżenia? Chcesz dołączyć do dyskusji lub rozpocząć nową? Śmiało! :-)
Jak możesz zostawić komentarz? - Instrukcja
Pamiętaj o Polityce komentarzy
W komentarzach możesz stosować podstawowe tagi HTML w znacznikach <> jak b, i, a href="link"