Magnetosféra Země vydává svá tajemství

Sluneční vítr není jen neustálým poklidným proudem nabitých částic. Vykazuje poryvy podobné skutečnému větru a čas od času s ním k Zemi přichází chuchvalce plazmatu (plazmoidy) spolu s vlečeným (zamrzlým) magnetickým polem. Ze Slunce jsou plazmoidy vyvrhovány například při koronálních výronech hmoty. Pokud plazmoid doletí k Zemi a výrazněji naruší její magnetické pole, říkáme, že došlo k magnetické bouři. Intenzita magnetické bouře je většinou posuzována podle tzv. Dst indexu. Existuje ale i mnoho dalších indexů a koeficientů geomagnetické aktivity

První magnetickou bouři pozorovali pravděpodobně Anders Celsius (1701–1744) spolu se svým asistentem Olofem Hiorterem (1696–1750) v roce 1741. Zjistili, že v průběhu polární záře je střelka kompasu velmi neklidná a nepravidelně se komíhá. Právě to je typické pro magnetické bouře a polární záře jsou jejich častým doprovodným jevem. V historii bylo zaznamenáno několik mimořádně silných magnetických bouří, které jsou námětem tohoto vyprávění.

Slunce a Země. Ilustrace z knížky P. Kulhánek, J. Rozehnal: Slunce planety, magnety. Mladá fronta 2007, kresba Ivan Havlíček.

V roce 1859 došlo k zatím nejintenzivnější zaznamenané magnetické bouři vůbec. Tato magnetická bouře byla pozorována 2. září 1859, méně výrazné změny magnetického pole byly patrné již od 28. srpna. Na několik hodin byla vyřazena z provozu většina z 200 000 kilometrů tehdejších telegrafních linek v Evropě a Severní Americe. V té době šlo o jediný možný způsob komunikace na větší vzdálenosti, a proto měla událost celosvětový význam. Na některých místech došlo k obloukovému výboji a následným rozsáhlým požárům. Chování magnetického pole Země bylo nahráváno prvními magnetometry umístěnými v blízkosti Londýna a v Indii (observatoř Colaba, Mumbai). Po několik hodin byly pozorovány kvaziperiodické oscilace magnetického pole s několikaminutovou periodou. Tyto ultranízkofrekvenční změny pole nazýváme dnes ULF vlny. Obdobně jako kytarista rozezvučí struny kytary, sluneční vítr rozvlní magnetické silokřivky natažené mezi oběma póly. Celá bouře souvisela s RTG vzplanutím na Slunci (dle současné klasifikace s intenzitou X10 nebo vyšší, viz AB 23/2005), které pozoroval 1. září 1859 anglický amatérský astronom Richard Christofer Carrington (1826–1875) a nezávisle další anglický amatérský astronom Richard Hodgson (1855–1905). Carrington zaznamenal vzplanutí jako bílou svítící plošku při rutinním zakreslování slunečních skvrn na soukromé observatoři v Redhillu. Přibližně 18 hodin (17 hodin, 40 minut) po pozorování vzplanutí se objevila intenzivní magnetická bouře. Carrington správně předpokládal, že obě události spolu souvisí. Narazil ovšem na zcela odmítavý postoj svých součastníků a sklidil jen jejich posměch. Z prodlevy mezi vzplanutím a vzniklou magnetickou bouří můžeme snadno určit rychlost šíření rázové vlny od Slunce na 2 380 km/s. Vzniklá bouře byla doprovázena polárními zářemi i v nízkých zeměpisných šířkách, dokonce až na 23° geomagnetické šířky. Dst index této dosud největší zaznamenané magnetické bouře se odhaduje na −1 760 nT.

Při velkých slunečních vzplanutích vytvářejí protony dopadající do horních vrstev atmosféry nitráty, které zanechávají stopy v ledovcích. V roce 1992 byly nalezeny stopy souvisící se vzplanutím z roku 1859 v grónských ledových krách. Obdobné otisky zde zanechala i dřívější vzplanutí, o kterých ovšem nemáme písemné záznamy.

Carringtonovo pozorování slunečních skvrn a vzplanutí (A, B, C, D) ze dne 1. 9. 1859.

Další velmi významná geomagnetická bouře se odehrála v roce 1909. V té době již o souvislosti magnetických bouří a slunečních vzplanutí nikdo nepochyboval. V roce 1905 proběhla na toto téma diskuze v Královské astronomické společnosti v Londýně a Edward Walter Maunder (1851–1928) spolu s Josephem Larmorem (1857-1942) podali přesvědčivé argumenty. Maunder předložil statistickou analýzu souvislosti mezi vzplanutími a geomagnetickými bouřemi. Larmor argumentoval nedávným objevem elektronu (1897). Správně předpokládal, že svazky elektronů ze slunečního vzplanutí nějakým způsobem ovlivňují magnetické pole Země.

V roce 1909 tedy již nikoho souvislost obří geomagnetické bouře se slunečním vzplanutím nepřekvapila. Joseph Norman Lockyer (1836–1920) pozoroval spektrograficky výrazné sluneční vzplanutí dne 24. září 1909 mezi desátou a jedenáctou dopolední hodinou světového času. Vzplanutí ve viditelném oboru zaznamenal v téže době také anglický astronom Edwin Holmes (1842–1919). Následný koronální výron hmoty (CME) způsobil rozsáhlou geomagnetickou bouři dne 25. září 1909. Důsledkem této bouře byly polární záře viditelné až v blízkosti geomagnetického rovníku, dokonce v Singapuru a v Jakartě. V Austrálii došlo půlhodinovému přerušení telegrafního spojení Perth–Kalgoorlie a Perth–Albany. V obou případech šlo o mnohasetkilometrové vzdálenosti. Dst index, který by odpovídal této události se odhaduje na −1 500 nT.

Magnetická bouře měla opět za následek narušení telekomunikačních systémů. Mladý doktorand David Stenquist ze Stockholmské univerzity popsal ve své disertační práci z roku 1914 případ, kdy telefonní operátorka ve švédském Lulee dne 25. září 1909 po zdvihnutí mikrofonu dostala takovou elektrickou ránu, že nebyla schopna pohnout rukou. Mikrofon i její ruka byly obklopeny zářícím výbojem, jiskrami a rozptýleným světlem. Jiskry vytvářely na ruce drobné puchýře.

Polární záře pozorovaná v Antarktidě (na pozadí je hora Mt. Erebus) při britské expedici British Imperial Antarctic Expedition vedené zkušeným polárním badatelem Ernestem Shackletonem (1874–1922) v letech 1907 až 1909.

V Evropě se rozpadaly poslední bašty socializmu, na obloze osmým rokem pozorovala družice Dynamics Explorer aurorální ovál polárních září a vědci měli pocit, že je magnetosféra Země již nedokáže překvapit. Dne 13. března ale došlo k mimořádné události s Dst indexem −589 nT. K Zemi dolétl oblak nabitých částic, který způsobil velmi prudké změny magnetického pole. Indukované elektrické napětí zapříčinilo vyhoření hlavního transformátoru hydroelektrárny s výkonem 21 000 MW v kanadské provincii Quebec. Centrální síť s pěti hlavními vedeními do Montrealu se zhroutila během necelé minuty. Zbytek sítě zkolaboval do 25 sekund. Totální výpadek energetické sítě zasáhl Ontario i Britskou Kolumbii. Lokální výpadky byly v Pensylvánii, New Yorku, Kalifornii a dokonce i Švédsku. Šest milionů lidí bylo bez energie po devět i více hodin. Čtyři navigační družice námořnictva Spojených států byly vyřazeny z provozu na celý týden. Nad ochromenou Amerikou se rozzářily nádherné polární záře...

Na základě této události se začalo kosmické počasí systematicky sledovat. Fluktuace magnetického pole mohou indukovat elektrické proudy nejenom ve vedeních vysokého napětí, ale i v dlouhých potrubích, například ropovodech a plynovodech a způsobovat jejich mimořádně silnou korozi. Průtokoměry poskytují navíc v průběhu geomagnetické bouře zcela nesmyslné údaje. Dalším problémem jsou kontrolní systémy kosmických lodí. I přes různé automatické ochrany dochází k mimořádným událostem. způsobeným geomagnetickými bouřemi. Bezpečně se nemohou před geomagnetickými bouřemi cítit ani jaderné elektrárny. Při události z 13. 3. 1989 se díky indukovaným polím přehřál jeden ze tří generátorů švédské jaderné elektrárny Oskarshamn.

Geomagnetické bouři opět předcházelo mimořádně jasné bílé sluneční vzplanutí (X15) pozorované 7. až 10. března mnoha přístroji v aktivní oblasti skvrn označované číslem 5935. Koronograf družice SMM zaznamenal koronální výron hmoty, který doletěl k Zemi 13. března. Dne 16. srpna téhož roku došlo k ještě většímu vzplanutí (X20), uvolněný oblak plazmatu ale naštěstí nemířil směrem k Zemi.

Transformátor zničený v průběhu geomagnetické bouře v elektrárně v New Jersey, 1989.

V 21. století probíhá především systematický družicový průzkum magnetosféry. Kolem Země se nachází velké množství družic se specializovanými přístroji pro průzkum magnetického pole a nabitých částic v magnetosféře. K nejvýznamnějším patří čtveřice družic Cluster Evropské kosmické agentury fungující od roku 2000. Tyto družice poprvé pořizují prostorová data za čtyř pozorovacích míst. Dráha družic je volena tak, že procházejí čelní rázovou vlnou, polárními kaspy i plazmosférou, tedy všemi klíčovými místy zemské magnetosféry.

Po roce 2000 došlo k několika magnetickým bouřím, u žádné z nich ale Dst index nepoklesl pod hodnotu −500 nT, která je považována za hranici velkých geomagnetických bouří. Při geomagnetické bouři z 30. 10. 2003 (Dst bylo −342 nT) došlo v 20:07:15 UT k výpadku dodávky elektrické energie ve švédském Malmö. Odpojeno bylo 130 kV vedení a 50 000 lidí zůstalo bez elektrické energie po dobu 20 až 50 minut.

Některé menší magnetické bouře ale výrazně přispěly k našemu poznání magnetosféry. Dnes víme, že k přepojení magnetických silokřivek dochází na třech místech magnetosféry. Prvním místem, kde často dochází k přepojení silokřivek je zemský ohon. V jeho středu je oblast nulového magnetického pole. Nad a pod touto oblastí míří magnetické silokřivky opačným směrem a zde dochází k jejich přepojování.

Druhým místem je čelo magnetosféry, kde zemské silokřivky míří trvale severním směrem (severní magnetický pól je na jižní polokouli). K přepojení se silokřivkami meziplanetárního pole dochází v situaci, kdy má meziplanetární pole jižní směr, tedy opačný než zemské pole. Po propojené silokřivce pronikají nabité částice slunečního větru do magnetosféry Země. V případě, že meziplanetární pole je orientováno jižně, míří silokřivky obou polí souhlasně a přepojení je krajně nepravděpodobné. Dlouho je známo, že i v této situaci pronikají nabité částice nějakým způsobem do vnitřních částí magnetosféry. Tento mechanizmus byl objeven až čtveřicí družic Cluster. Dne 3. července 2001 prolétly sondy oblastí na boku magnetosféry, kde se nacházely obří víry. Ukázalo se, že právě tyto víry jsou klíčem k záhadnému pronikání částic do magnetosféry Země.

Na bocích magnetosféru obtéká sluneční vítr a je zde proto rozhraní dvou prostředí s různou rychlostí částic. Na takovém rozhraní dochází k rozvoji KH nestability. Klasickým případem KH nestability je vznik vln na vodní hladině za větru. Na hranici magnetosféry vznikají KH nestabilitou obří víry o velikosti 40 000 km až 55 000 km. V těchto vírech se mísí plazma slunečního větru s plazmatem magnetosféry. Při tomto mísení se silokřivky meziplanetárního pole, které jsou přinášeny slunečním větrem, dostávají do protisměru se silokřivkami magnetosféry. V takové situaci dochází k přepojení silokřivek a po vzniklé silokřivce pronikají částice slunečního větru do vnitřní magnetosféry.

Čtveřice družic Cluster prolétá v blízkosti hranice magnetosféry, kde vlivem Kelvinovy-Helmholtzovy nestability dochází ke vzniku obřích vírů. Směr letu družic je naznačen čárkovanou čárou. Zdroj: ESA/Cluster.

Numerická simulace vzniku KH nestability na boční hranici magnetosféry. Barevně je kódována hustota plazmatu (fialové odpovídá sluneční vítr, oranžové hustota magnetosférického plazmatu. Šipkami je znázorněna rychlost částic a šedými čarami magnetické silokřivky. Zdroj: ESA/Cluster.

Nahrávka průletu družic Cluster víry na boku magnetosféry a následné přepojení magnetických silokřivek byla sice pořízena v roce 2001, nicméně k jejímu zpracování a publikaci došlo až v roce 2004. Detailní vysvětlení mechanizmů bylo podáno až v článku z roku 2006 (K. Nykyri et al.).

Dalším velmi zajímavým jevem v magnetosféře jsou ultranízkofrekvenční vlny (ULF) magnetického pole poprvé pozorované při obří magnetické bouři v roce 1859. Dnes se zdá, že začínáme chápat mechanizmus jejich vzniku. Přispěla k tomu zejména měření družic Cluster ze 3. července 2001, 25. listopadu 2001 a 31. října 2003. Vždy šlo o situaci, při které byly na bocích magnetosféry detekovány obří víry. Pro studium vzniku vln byla mimořádně příznivá situace 25. listopadu 2001. Šlo o období menší geomagnetické bouře, při které byly družice Cluster na boku magnetosféry ve výšce 110 000 km. V té samé době byla družice POLAR ve výšce 58 000 km a současně byla pořízena detailní data na povrchu Země magnetometrem CARISMA. K analýze byla využita data z družic Goes 8, Goes 10 a Geotail. Rychlost slunečního větru byla kolem 750 km/s, tedy výrazně nad normální hodnotou 500 km/s. Počáteční zvlnění hranice magnetosféry se KH nestabilitou vyvinulo do vírové struktury, následně vznikla povrchová vlna šířící se do nitra magnetosféry. Tato vlna rezonovala s magnetickými silokřivkami zemského pole a rozvlnila je na frekvenci 1,5÷1,6 mHz, tj. s periodou přibližně 11 minut. Období od pořízení dat po jejich komplexní analýzu trvá vždy několik let. Proto byla například analýza nahrávky z 31. října 2003 publikována až v letošním roce a nezávisle potvrdila scénář z 25. listopadu 2001. V roce 2003 byly ULF vlny detekovány ve vnějším van Allenově pásu.

Rozvlněné silokřivky magnetického pole se chovají jako pomalu kmitající napjaté struny. Magnetometry sond v takové situaci detekují pomalu se měnící hodnotu magnetického pole. Vzniklá ULF vlna je schopná urychlovat elektrony na velmi vysoké energie. Tyto elektrony jsou velmi nebezpečné jak pro provoz družic (zejména telekomunikačních družic na geosynchronní dráze), tak pro kosmonauty. Anglicky se nazývají killer electrons (zabijácké elektrony).

Vznik ULF vlny v zemské magnetosféře. Zdroj: ESA/Cluster.