Vesmírné počasí, poruchy slunečního větru a rádiové záblesky

Sluneční wind, the stream of electrically charged particles emanating from the outer atmospheric layer corona of Sun, poses threat to life form and electrical technology based modern human society. Earth’s magnetic field provide protection against the incoming sluneční vítr tím, že je odkloní pryč. Drastický sluneční events like mass ejection of electrically charged plasma from the corona of Sun creates disturbances in the sluneční wind. Therefore, study of disturbances in the conditions of sluneční wind (called space weather) is an imperative. Coronal Mass Ejection (CMEs), also called ‘sluneční storms’ or ‘prostor storms’ is associated with the sluneční rádio bursts. Study of sluneční radio bursts in the radio observatories can give an idea about CMEs and solar wind conditions. The first statistical study (published recently) of 446 recorded type IV radio bursts observed in the last solar cycle 24 (each cycle refers to the change in Sun’s magnetic field every 11 years), have found that the majority of Long Duration Type IV Radio Sluneční Bursts were accompanied by Coronal Mass Ejection (CMEs) and disturbances in the solar wind conditions. 

Just the way weather on Earth is affected by the disturbances in the wind, prostor weather’ is affected by the disturbances in the ‘solar wind’. But the similarity ends here. Unlike wind on Earth which is made of air comprising of atmospheric gases like nitrogen, oxygen etc, the solar wind consists of superheated plasma comprising of electrically charged particles like electrons, protons, alpha particles (helium ions) and heavy ions that continuously emanate from the sun’s atmosphere in all directions including in the direction of Earth.   

Sun is the ultimate source of energy to life on Earth hence respected in many cultures as giver of life. But there is other side too. The solar wind, the continuous stream of electrically charged particles (viz. plasma) originating from the solar atmosphere poses threat to the life on Earth. Thanks to Earth’s magnetic field that deflects most of the ionising solar wind away (from the Earth) and the Earth’s atmosphere that absorb most of the remaining radiation thus providing protection from the ionising radiation. But there is more to it – in addition to threat to the biological life forms, solar wind also poses threat to electricity and technology driven modern society. The electronic and computer systems, power grids, oil and gas pipelines, telecom, radio communication including mobile phone networks, GPS, prostor missions and programmes, satellite communications, internet etc. – all these can potentially be disrupted and brought to standstill by disturbances in solar wind¹. Zvláště ohroženi jsou astronauti a kosmické lodě. V minulosti bylo několik takových případů, například v březnu 1989 "Quebec Blackout."V Kanadě způsobené masivní sluneční erupcí vážně poškodila elektrickou síť. Některé satelity také utrpěly škody. Proto je nutné sledovat podmínky slunečního větru v blízkosti Země – jak jeho vlastnosti, jako je rychlost a hustota, magnetické pole strength and orientation, and energetic particle levels (i.e., prostor weather) will have an impact on life forms and modern human society.  

Like ‘weather prediction’, can ‘prostor weather’ too be predicted? What determines the solar wind and its conditions in the vicinity of Earth? Can any serious changes in prostor weather be known in advance to take pre-emptive actions to minimise damaging impact on Earth? And, why at all does the solar wind form?   

Slunce je koule horkého elektricky nabitého plynu, a proto nemá jednoznačný povrch. Vrstva fotosféry je považována za povrch slunce, protože to můžeme pozorovat světlem. Vrstvy pod fotosférou směrem dovnitř k jádru jsou pro nás neprůhledné. Sluneční atmosféra je tvořena vrstvami nad fotosférickým povrchem Slunce. Je to průhledné plynné halo obklopující Slunce. Sluneční atmosféra, lépe viditelná ze Země během úplného zatmění Slunce, má čtyři vrstvy: chromosféru, oblast přechodu Slunce, korónu a heliosféru.  

Solar wind is formed in corona, the second layer (from outside) of the solar atmosphere. Corona is a layer of very hot plasma. While the temperature of the surface of the Sun is about 6000K, the average temperature of corona is about 1-2 million K. Called ‘Coronal Heating Paradox’, the mechanism and the processes of heating of corona and acceleration of the solar wind to very high speed and expansion into meziplanetární prostor is not well understood yet, ² i když v nedávném článku se to výzkumníci snažili vyřešit pomocí fotonů pocházejících z axionu (hypotetické elementární částice temné hmoty). ³.  

Occasionally, huge amount of hot plasma is ejected from corona into the outermost layer of solar atmosphere (heliosphere). Called Coronal Mass Ejections (CMEs), the mass ejections of plasma from corona are found to generate large disturbances in solar wind temperature, velocity, density and meziplanetární magnetic field. These create strong magnetic storms in the geomagnetic field of the Earth ⁴. Erupce plazmatu z koróny zahrnuje urychlení elektronů a urychlení nabitých částic generuje rádiové vlny. Výsledkem je, že výrony koronální hmoty (CME) jsou také spojeny s výbuchy rádiových signálů ze Slunce. ⁵, Proto, prostor weather studies would involve study of timing and intensity of mass ejections of plasma from the corona in conjunction with the associated solar bursts which is a Type IV radio burst lasting for long-duration (greater than 10 min.).    

V minulosti byl studován výskyt rádiových záblesků v dřívějších slunečních cyklech (periodický cyklus magnetického pole Slunce každých 11 let) ve vztahu k výronům koronální hmoty (CME).  

Jedna nedávná dlouhodobá statistická studie od Anshu Kumari a kol. z Univerzita v Helsinkách na rádiových záblescích pozorovaných ve slunečním cyklu 24 vrhá další světlo na asociaci dlouhotrvajících rádiových záblesků se širší frekvencí (nazývaných záblesky typu IV) s CME. Tým zjistil, že asi 81 % vzplanutí typu IV bylo následováno výrony koronální hmoty (CME). Asi 19 % vzplanutí typu IV nebylo doprovázeno CME. Kromě toho je pouze 2.2 % CME doprovázeno rádiovými záblesky typu IV ⁶.  

Understanding the timing of type IV long duration bursts and the CMEs in an incremental manner will help in the design and timing of the ongoing and future prostor programs accordingly, so as to lessen the impact of these on such missions and ultimately on the life forms and the civilization on Earth. 

***

Reference:    

1. White SM.,  nd. Solar Radio Bursts and space Weather. University of Maryland. Available online at https://www.nrao.edu/astrores/gbsrbs/Pubs/AJP_07.pdf Zpřístupněno 29. Jamaury 2021. 

2. Aschwanden MJ et al 2007. Coronal Heating Paradox. The Astrophysical Journal, ročník 659, číslo 2. DOI: https://doi.org/10.1086/513070  

3. Rusov VD, Sharph IV, et al 2021. Řešení problému koronálního ohřevu pomocí fotonů axionového původu. Physics of the Dark Universe Volume 31, leden 2021, 100746. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dark.2020.100746  

4. Verma PL., et al 2014. Koronální výrony hmoty a poruchy v parametrech plazmy slunečního větru ve vztahu s geomagnetickými bouřemi. Journal of Physics: Conference Series 511 (2014) 012060. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/511/1/012060   

5. Gopalswamy N., 2011. Výrony koronální hmoty a sluneční rádiové emise. CDAW datové centrum NASA. Dostupné online na https://cdaw.gsfc.nasa.gov/publications/gopal/gopal2011PlaneRadioEmi_book.pdf Zpřístupněno 29. ledna 2021.  

6. Kumari A., Morosan DE., a Kilpua EKJ., 2021. O výskytu slunečních radiových záblesků typu IV ve slunečním cyklu 24 a jejich spojení s výrony koronální hmoty. Publikováno 11. ledna 2021. The Astrophysical Journal, ročník 906, číslo 2. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc878  

***