Προστατεύοντας τη Γη από τον διαστημικό καιρό (Μέρος 1ο)

Καλλιτεχνική αναπαράσταση που δημιουργήθηκε για λογαριασμό της NASA. Απεικονίζεται πώς η ηλιακή δραστηριότητα επηρεάζει τις συνθήκες που επικρατούν τόσο στο κοντινό μας διάστημα, όσο και στην ίδια τη Γη.

Στις 20 Μαρτίου 2015 οι θεαματικές λαμπερές εκδηλώσεις του σέλαος στο νυχτερινό ουρανό, νοτιότερα από το συνηθισμένο, επισήμαναν  για ακόμα μια φορά την επίδραση που μπορεί να έχει ο «Διαστημικός Καιρός» πάνω στη Γη. Με τον όρο του «Διαστημικού Καιρού» αναφερόμαστε στον κλάδο της φυσικής του διαστήματος στον οποίο εστιάζεται η μελέτη σε μεταβολές της κατάστασης του χώρου εντός του ηλιακού μας συστήματος (ηλιόσφαιρα). Η μελέτη του διαστημικού καιρού εστιάζει κυρίως στην μελέτη  μεταβολών των μακροσκοπικών παραμέτρων του ηλιακού ανέμου, ιδιαίτερα στην περιοχή του χώρου γύρω από την Γη (γεώσφαιρα), καθώς και της ιδιότητες της γήινης μαγνητόσφαιρας, ιονόσφαιρας, και θερμόσφαιρας. Σε αντίθεση με τον διαστημικό καιρό η μελέτη του επίγειου καιρού επικεντρώνεται σε χαμηλότερα στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας όπως την τροπόσφαιρα και την στρατόσφαιρα.

Ο ηλιακός άνεμος είναι ένας «ποταμός ύλης» που ξεχύνεται αδιάκοπα από τον Ήλιο, παρασύροντας μαζί του το ηλιακό μαγνητικό πεδίο. Αυτή η κατάσταση της ύλης που περιέχεται στον ηλιακό άνεμο ονομάζεται ηλιακό πλάσμα και αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια: πυρήνες υδρογόνου ως επί το πλείστον, ιόντα ηλίου, αλλά και άλλων στοιχείων σε μικρότερη αναλογία. Η ταχύτητα του ηλιακού ανέμου αυξομειώνεται, όπως συμβαίνει και με τους ανέμους στη Γη. Οι διαταραχές του διαστημικού καιρού σχετίζονται με την ταχύτητα του ηλιακού ανέμου, αλλά και με την διάδοση «νεφών», όπως συμβαίνει και στην γήινη ατμόσφαιρα. Ωστόσο, τα «νέφη» στο διάστημα δεν είναι αέριες μάζες, αλλά είναι μεγάλες «μπάλες» πλάσματος σε μεγάλη θερμοκρασία, που εκτινάσσονται περιοδικά από την ηλιακή ατμόσφαιρα (ηλιακό στέμμα).

Αυτά τα νέφη πλάσματος, που αναφέρονται στην βιβλιογραφία ως εκτοξεύσεις στεμματικής μάζας, έχουν μέγεθος πολλαπλάσιο της Γης, διαδίδονται με μεγάλη ταχύτητα μέσα στον ηλιακό άνεμο, και όσα από αυτά κατευθύνονται προς τη Γη προκαλούν ισχυρές διαστημικές καταιγίδες στη «γειτονιά» του πλανήτη μας. Σε σύγκριση με τον ηλιακό άνεμο, που εκτονώνεται στην ηλιόσφαιρα με ιλιγγιώδη, σύμφωνα με τα γήινα δεδομένα, ταχύτητα, τα δε νέφη πλάσματος έχουν μέχρι και τριπλάσια από αυτήν ταχύτητα! Τις διαστημικές καταιγίδες τις συνοδεύει βροχή ηλεκτρονίων τα οποία αλληλεπιδρούν με την ατμόσφαιρα της Γης, με αποτέλεσμα το λαμπρό βόρειο σέλας. Οι περισσότερες διαστημικές καταιγίδες απειλούν τα διαστημόπλοια, τις διαστημικές μεταφορές, τις δορυφορικές επικοινωνίες και πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι μπορεί να έχουν επίδραση  στους φυσιολογικούς ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς του ανθρωπίνου σώματος.

 

Η ζωή στον πλανήτη μας προστατεύεται από αυτή την κοσμική λαίλαπα με το γεωμαγνητικό πεδίο, το οποίο υπάρχει χάρη στον υγρό αγώγιμο πυρήνα και την αρκούντως ταχεία περιστροφή της Γης.  Το γεωμαγνητικό πεδίο δημιουργεί μία κοιλότητα στο διάστημα που ονομάζεται μαγνητόσφαιρα. Υπάρχουν περιπτώσεις που στη μαγνητόσφαιρα της Γης, δημιουργείται ένα μικρό άνοιγμα, από το οποίο μπορεί να εισχωρήσουν τα φορτισμένα σωματίδια. Αυτό γίνεται με τον κατάλληλο προσανατολισμό του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου. Το διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο είναι το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου που μεταφέρεται από τον ηλιακό άνεμο προς την ηλιόσφαιρα. 

Στην διαδικασία του ανοίγματος της μαγνητόσφαιρας λαμβάνει χώρα ένα εξαιρετικής φυσικής σημασίας φαινόμενο που ονομάζεται μαγνητική επανασύνδεση. Όταν δύο μαγνητικά πεδία έχουν αντίθετο προσανατολισμό, ενώνονται και αλληλοεξουδετερώνονται. Αυτό σημαίνει ότι, όταν το διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο έχει νότιο προσανατολισμό, δηλαδή αντίθετο από αυτόν του γεωμαγνητικού πεδίου (που είναι πάντα βόρειος), τα δύο πεδία εξουδετερώνονται, κι έτσι η μαγνητική θωράκιση του γεωδιαστήματος εξαφανίζεται.  Σε αυτές τις περιοχές το γεωμαγνητικό πεδίο εξασθενεί σημαντικά και εισέρχεται στη μαγνητόσφαιρα ηλιακό πλάσμα. Επιπλέον εισέρχεται και μαγνητική ενέργεια με τη μορφή πρόσθετης μαγνητικής ροής, που είναι εκείνες οι δυναμικές γραμμές του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου, οι οποίες λόγω επανασύνδεσης συγχωνεύτηκαν με το γεωμαγνητικό πεδίο και προστέθηκαν στη μαγνητόσφαιρα.

Η προσθήκη μάζας και ενέργειας στη μαγνητόσφαιρα την κάνει ασταθή, όπως συμβαίνει με οποιοδήποτε φυσικό σύστημα που του προσφέρουν παραπανίσια ενέργεια. Για να επιστρέψει το σύστημα σε ευστάθεια, αυτή η ενέργεια πρέπει να καταναλωθεί, αυτό γίνεται με εκρηκτικά φαινόμενα όπως τις μαγνητικές (ή αλλιώς διαστημικές) καταιγίδες ή τις μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες. Οι μαγνητικές καταιγίδες είναι φαινόμενα στη μαγνητόσφαιρα τα οποία λαμβάνουν χώρα μερικές φορές το μήνα ή και αραιότερα και επηρεάζουν τη μαγνητόσφαιρα συνολικά. Οι υποκαταιγίδες είναι πιο τοπικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα πολλές φορές την ημέρα στη νυχτερινή πλευρά της μαγνητόσφαιρας. 

Παρά την ομοιότητα στην ονομασία τους, οι μαγνητικές καταιγίδες και οι μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες πρόκειται για δύο διακριτές διεργασίες, οι οποίες σχετίζονται αλλά δεν ταυτίζονται. Το κυριότερο στοιχείο των μαγνητικών καταιγίδων είναι η δημιουργία ενός ισχυρού ηλεκτρικού ρεύματος, που ρέει στο διάστημα γύρω από τη Γη. Αυτό το ρεύμα, που ονομάζεται δακτυλιοειδές λόγο της τοπολογίας του, είναι αποτέλεσμα της μαγνητικής παγίδευσης φορτισμένων σωματιδίων. 

Πέρα από τη μελέτη των μαγνητικών καταιγίδων για την καλύτερη κατανόηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο γεωδιάστήμα, τα φυσικά τους αποτελέσματα παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον κυρίως στην επίδραση σε τεχνολογικά συστήματα. Οι πρώτες ενδείξεις για τέτοιου είδους επίδραση των γεωμαγνητικών διαταραχών ανάγονται στα μέσα του 19ου αιώνα. Τότε είχαν παρατηρηθεί ανωμαλίες στη λειτουργία του τηλέγραφου, που είχε αρχίσει να χρησιμοποιείται στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ το πρώτο μισό του 19ου αιώνα. Σήμερα προβλήματα παρουσιάζονται κυρίως στα δίκτυα τηλεπικοινωνιών, άμυνας και ηλεκτροδότησης.

Η μεγαλύτερη έως τώρα ηλιακή καταιγίδα καταγράφηκε το 1859 από τον αστρονόμο Ρίτσαρντ Κάρινγκτον. Η συγκεκριμένη γεωμαγνητική καταιγίδα προκάλεσε ανάφλεξη στα καλώδια του τηλέγραφου ενώ το πολικό σέλας έγινε ορατό μέχρι το Μεξικό. «Υπάρχει 12% πιθανότητα να συμβεί ένα γεγονός όπως το φαινόμενο Κάρινγκτον μέσα στην επόμενη δεκαετία», αναφέρει ο αστροφυσικός Πιτ Ρίλεϊ σε δημοσίευσή του το 2012 σε επιστημονικό περιοδικό. Ενα τέτοιο φαινόμενο σήμερα θα προκαλούσε τεράστιες ζημιές σε δορυφόρους και γραμμές ηλεκτροδότησης.

Η πλήρης κατανόηση του διαστημικού καιρού και η συνακόλουθη δυνατότητα έγκαιρης πρόγνωσης του, θα αποτελέσει πολύ σημαντικό επίτευγμα του 21 ου αιώνα. Τα πρακτικά οφέλη θα είναι: οι επιτυχημένες προγνώσεις διαστημικού καιρού που θα συμβάλουν στην προστασία των τεχνολογιών που επηρεάζονται από τη διαστημική κακοκαιρία. Η έγκαιρη πρόγνωση θα είναι επίσης εξέχουσας σημασίας για μελλοντικά διαπλανητικά ταξίδια μεγάλης διάρκειας και πιθανό αποικισμό άλλων πλανητών.

(Τέλος πρώτου μέρους)

Προτεινόμενη βιβλιογραφία:

     [1] Space Science in the Twenty - First Century: Solar and Space Physics, National Research Council, National Academy Press.

     [2] Introduction to the space environment, Thomas F. Tascione, Krieger Pub.

     [3] The sun and space weather, Arnold Hanslmeier, ASSL, Kluver Acad. Pub.

     [4]  Space Weather Physics and Effects, Bothmer, Volker, Daglis, Ioannis A., Springer Environmental Sciences, 2007

Στην συνέχεια (Μέρος 2ο...) θα υπάρξει ιδιαίτερη αναφορά στην ιστορική ακολουθία των σημαντικότερων ανακαλύψεων και φαινομένων που βοήθησαν την μελέτη του διαστημικού καιρού, τις επιπτώσεις των γεωμαγνητικών καταιγίδων στην τεχνολογία και τον άνθρωπο καθώς και την υπάρχουσα ερευνητική δραστηριότητα που πιθανότατα θα μας επιτρέψει την έγκαιρη πρόγνωση του διαστημικού καιρού.