Ce este meteorologia spaţială?

Dezvoltarea tehnologică din a doua jumătate a secolului XX şi lupta acerbă pentru cucerirea spaţiului cosmic au avut ca efect extrapolarea multor activităţi de cercetare în spaţiul extraatmosferic. Au apărut astfel domenii noi de cercetare ştiinţifică şi tehnologică. Printre acestea, vremea şi meteorologia spaţiale.

 

Explorarea spaţiului cosmic a impus un nou domeniu de prognoză: “vremea spaţială” sau "meteorologia spaţială". Această “vreme spaţială” poate influenţa multe tehnologii terestre sau comportamentul uman.
 

Ejecţie de masă din corona solară
credit: NASA

De la prognoza meteorologică locală la “meteorologia spaţială”

Unul din domeniile cunoaşterii mediului înconjurător în care au fost emise prognoze zilnice, din cele mai îndepărtate timpuri, este meteorologia. La începuturile civilizaţiei, mobilitatea zilnică a vânătorilor sau zona de interes a agricultorilor se limita la “o zi de mers pe jos”, asa că şi prognoza meteo se rezuma la o arie geografică restrânsă. În epoca transporturilor mecanizate, când diligenţele, căile ferate sau vapoarele au permis o mult mai mare mobilitate, prognoza meteo şi-a mărit arealul. Mai târziu, când liniile aeriene au permis deplasări zilnice de mii de kilometri, problema prognozelor meteo a devenit una transfrontalieră, ajungând de importanţă globală. Dezvoltarea mijloacelor de comunicaţii a permis schimbul de informaţii într-un timp extrem de scurt, putându-se astfel obţine o imagine regională sau chiar globală a unor mărimi fizice ce definesc “starea vremii”.

În urmă cu mai bine de cincizeci de ani a început era spaţială, odată cu lansarea primului satelit artificial al Pământului. Pentru prima dată Pământul a fost privit,“de sus”, din zone exterioare atmosferei. Au fost captate şi transmise spre sol imagini reale şi de ansamblu ale unor zone întinse ce acopereau continente. Astfel, descrierile imaginate de cercetători au putut fi verificate “pe viu”: uragane şi cicloane ce afectau mari întinderi de pământ sau ape şi formaţiuni noroase ce acopereau continente. Iar spaţiul extraatmosferic s-a dovedit a fi o lume dăunătoare vieţii, o lume de coşmar. Un adevărat laborator de particule aflate la energii înalte, un haos în care Soarele este singurul stăpân.

Cu toate că astronomii ştiau de mult timp de existenţa erupţiilor solare, cu toate că se ştia că Soarele este o stea variabilă, cu toate că cercetătorii studiau de mult timp aurorele boreale sau australe, de-abia era spaţială a permis dezvoltarea unui nou domeniu al astrofizicii: meteorologia spaţială. Prin analogie cu “starea vremii”, ansamblului de fenomene fizice extraatmosferice ce au efecte imediate în atmosfera Pământului i s-a atribuit termenul de “vreme spaţială”.

 

Care sunt fenomenele care determină “vremea spaţială”?

Erupţiile solare sunt însoţite de degajări imense de materie şi energie. O parte din această materie se va regăsi în “vântul solar” care va ajunge până dincolo de limitele Sistemului Solar. Fluxurile intense de particule elementare, vântul solar sau alte particule generate în îndepărtate zone ale Universului pătrund în straturile superioare ale atmosferei terestre provocând ionizări ale atomilor, fenomene de excitare-dezexcitare a electronilor şi generarea unor câmpuri electromagnetice secundare. Furtunile magnetice creează un adevărat haos, prin modificările imprevizibile ale direcţiei şi mărimii vectorilor de câmp magnetic. Aceste modificări brutale induc în materialele conductoare curenţi electrici ce de multe ori nu pot fi neglijaţi.


Care sunt efectele la sol ale perturbaţiilor puternice din spaţiul extraatmosferic?

Efecte perturbatoare sau chiar distructive în radiocomunicaţii. Un puternic semnal perturbator va înrăutăţi raportul semnal/zgomot al liniei de transmisie, apărând în acest fel întreruperi. Se ştie că majoritatea echipamentelor de radiocomunicaţii (mai ales cele destinate recepţiei) sunt aparate sensibile, capabile să pună în evidenţă chiar şi cele mai slabe semnale radio. Dacă aceste echipamente sensibile sunt supuse unui câmp electromagnetic intens, multe din elementele semiconductoare din etajele de intrare vor fi supuse unui câmp electric puternic, fapt ce va provoca de multe ori fenomene neliniare distructive.

Efecte distructive asupra reţelelor de distribuţie ale energiei electrice. Un câmp magnetic variabil va produce, prin inducţie, o tensiune electromotoare perturbativă în reţelele lungi de distribuţie ale curentului electric. Fluctuaţiile ce pot să apară vor fi greu de compensat, existând riscul apariţiei unor avarii majore.

Tot datorită tensiunilor electromotoare induse, furtunile electromagnetice puternice pot avea efecte distructive asupra conductelor de transport a gazului metan şi a lichidelor petroliere. Descărcările electrice necontrolate şi coroziunea electrochimică în zonele de cuplaj a conductelor pot avea efecte catastrofale.

Perturbări ale traficului aerian, prin întreruperi ale comunicaţiilor radio sau prin dereglarea echipamentelor destinate navigaţiei.

Nici efectele biologice, ce pot afecta comportamentul său chiar sănătatea organismelor vii, nu sunt de neglijat.


Importanta studierii “vremii spaţiale” şi a emiterii de prognoze în acest domeniu

În urmă cu 151 de ani, în data de 1 septembrie 1859, o puternică furtună electromagnetică a afectat liniile de telegraf şi a provocat aurore boreale atât de intense încât la lumina lor roşie sau verde se puteau citi ziarele. Fenomenul a rămas în istorie sub denumirea "Carrington Event". Un raport recent al Academiei de Ştiinţe a Statelor Unite arată că o furtună similară ar produce societăţii noastre ultratehnologizate pagube de peste 1000 de miliarde de dolari. Pentru refacerea completă a infrastructurii high-tech, în urma unui astfel de eveniment, se estimează un necesar de 4 până la 10 ani. Pentru comparaţie, pagubele produse de uraganul Katrina au fost evaluate la valori între 80 şi 125 miliarde de dolari.

Furtunile electromagnetice puternice pot avea efecte dezastruoase asupra echipamentelor de telecomunicaţii şi de navigaţie sau asupra aeronavelor aflate în zbor. De asemenea, variaţiile mari ale câmpului magnetic pot induce în liniile de înaltă tensiune curenţi importanţi ce nu pot fi compensaţi. Astfel, în data de 13 martie 1989, o puternică furtună magnetică a provocat căderea sistemului de distribuţie a energiei electrice într-o mare parte a Statelor Unite şi în sudul Canadei, timp de aproape nouă ore. Pagube serioase apar şi datorită curenţilor induşi în conductele lungi de transport al petrolului sau gazelor naturale, provocând deteriorări sau chiar explozii. Furtunile electromagnetice acţionează nefast şi asupra organismului uman. În cadrul unui studiu efectuat asupra populaţiei din Moscova s-a constatat că în timpul unor astfel de furtuni au loc foarte multe atacuri de cord. Se observă, de asemenea, o reducere semnificativă a ritmului cardiac şi a presiunii arteriale.


Soarele este cea mai apropiată stea

Pentru Pământ, Soarele este cea mai apropiată stea. Imensa energie pe care o degajă şi care, în parte, ajunge şi pe Pământ, constituie un factor determinant în fenomenele fizice ce se desfăşoară în atmosfera terestră. Radiaţia solară acoperă aproape întreg spectrul undelor electromagnetice, având un maxim în zona spectrului vizibil. Iată câteva date semnificative:

Distanţa medie de la Pământ la Soare: 149.597.871 km (această distanţă este des utilizată în astronomie şi se numeşte “unitate astronomică” sau prescurtat 1AU). Lumina străbate această distanţă în 499 de secunde.

Diametrul Soarelui este de 1.392.000 km şi este de aproximativ 109 ori mai mare decât diametrul Pământului.

Soarele se roteşte ca un fluid, având viteza unghiulară mai mare la ecuator şi mai mică la poli. Perioada de rotaţie a Soarelui la Ecuator este de aproximativ 25.5 zile, iar la poli depăşeşte 30 de zile.

Masa Soarelui este de 1.99x1030 kg, de 332.900 ori mai mare decât masa Pământului.

Energia medie generată de Soare şi captată de Pământ, pe fiecare metru pătrat şi în fiecare secundă este de 1370J, adică o putere medie de 173 milioane de giga-waţi pentru întreaga planetă.

Soarele este o stea variabilă, având o succesiune de perioade de activitate intensă şi perioade de acalmie. Această ciclicitate este de aproximativ 11ani, următorul maxim al activităţii solare fiind în 2013, luna mai, conform estimărilor NASA.


Intensificarea activităţii solare se manifestă prin apariţia petelor solare şi a erupţiilor solare

Petele solare pot avea diametre de zeci de mii de kilometri. Petele solare indică zone cu temperatură mai redusă decât cea a zonelor învecinate. În aceste zone, câmpurile magnetice deosebit de intense frânează mişcarea de convecţie a materiei dinspre interior spre exterior. Dar tot aceste pete indică zone în care se acumulează energie şi unde declanşarea unei erupţii solare este foarte probabilă. Numărul de pete este strâns legat de activitatea solară, fiind cu atât mai mare cu cât activitatea solară este mai intensă.

Suprafaţa Soarelui sau fotosfera este înconjurată de coroană solară. Aceasta poate fi pusă în evidenţă în timpul eclipselor totale de Soare sau cu instrumente optice ce pot crea “eclipse artificiale”. Coroana solară este formată din particule cu energii înalte, temperatura coroanei solare fiind mai mare decât a suprafeţei Soarelui (fotosfera). O parte din aceste particule ajung în heliosferă şi prin intermediul “vântului solar”; ele vor străbate distanţe imense, ajungând chiar şi în afara Sistemului Solar.

Câmpul magnetic terestru este un scut natural împotriva vântului solar şi a altor radiaţii cosmice sau particule de foarte înaltă energie. Datorită în principal exploziilor solare, structura liniilor de câmp poate fi puternic perturbată, apărând furtunile electromagnetice. În zonele polare, unde câmpul magnetic se intensifică şi liniile de câmp sunt deschise, mulţi electroni de mare energie pătrund până la altitudini de ordinul a 100km unde interacţionează cu moleculele de gaz din atmosfera mai puţin rarefiată, printr-un mecanism de excitare-dezexcitare ce duce la eliberarea unor cantităţi mari de fotoni. Acest fenomen se intensifică în timpul furtunilor electromagnetice şi devine de multe ori vizibil de pe Pământ sub forma unor aurore boreale sau australe. În aceste zone polare, curentul electric generat de deplasarea sarcinilor electrice poate atinge valori de 1 milion de amperi într-o zonă spaţială destul de restrânsă. Dacă furtuna electromagnetică este foarte intensă, aurora polară poate să apară chiar şi la latitudini mai mici, cum s-a observat în data de 15 iulie 2000 în sudul Franţei.


Concluzie

Activitatea solară este un factor determinant în evoluţia "vremii spaţiale". Atenta analiză a ciclurilor solare, supravegherea în timp real a evoluţiei petelor solare şi a erupţiilor puternice vor permite prognozarea în timp util a unor fenomene catastrofale. Prin măsuri de protecţie adecvate se vor putea diminua pagubele ce pot fi provocate echipamentelor de telecomunicaţii, a celor destinate transportului de energie electrică, a gazelor naturale sau a produselor petroliere.

Aşa cum am arătat în prima parte a articolului, "vremea spaţială" este influenţată şi de alte fenomene ce se desfăşoară la scara cosmică. Dar acest subiect îl voi dezvolta într-un alt articol ...

 

Sursa:scientia.ro