Nowe informacje na temat efektów minimum aktywności Słońca na Ziemię

Nowe informacje na temat efektów minimum aktywności Słońca na Ziemię
Nowe informacje na temat efektów minimum aktywności Słońca na ZiemięOriginal Press Release
Od 1611 roku ludzie rejestrują zmieniającą się liczbę plama na Słońcu.

Historycznie, słoneczne minimum jest definiowane za pomocą liczby plam słonecznych. Na tej podstawie, 2008 został wskazany jako okres minimum słonecznego. Ale geomagnetyczne efekty osiągnęły minimum jakiś czas później, w 2009 roku. Postanowiliśmy więc przyjrzeć się, co wywołało owo minimum geomagnetyczne

Bruce Tsurutani
NASA JPL

Efekty geomagnetyczne są w zasadzie równoznaczne z jakimikolwiek zmianami pola magnetycznego Ziemi wynikającymi z aktywności Słońca. Ich pomiaru dokonuje się za pomocą magnetometrów na powierzchni Ziemi. Zjawiska te są zwykle nieszkodliwe, a jedyną oznaką ich obecności  jest pojawienie się zórz polarnych w pobliżu biegunów. Jednak w skrajnych przypadkach mogą powodować awarie sieci energetycznej na Ziemi lub wywoływać niebezpieczne prądy w długich rurociągach, warto jest zatem wiedzieć, jak owe efekty zmieniają się wraz ze zmianami aktywności Słońca.

Trzy rzeczy określają, ile energii ze Słońca jest przekazywane do magnetosfery Ziemi z wiatru słonecznego: jego prędkość, siła pola magnetycznego poza granicami magnetosfery Ziemi (tzw. międzyplanetarne pole magnetyczne) oraz jego wektor, ponieważ składowa południowa jest niezbędna do utworzenia efektywnego połączenia z magnetosferą i transferu energii w stronę Ziemi. Zespół – do którego należeli również Walter Gonzalez i Ezequiel Echer z brazylijskiego Narodowego Instytutu Badań Kosmicznych w Sao José dos Campos – zbadał każdy z tych elementu po kolei.

Na początek naukowcy zauważyli, że w 2008 i 2009 międzyplanetarne pola magnetyczne było najsłabsze w historii ery lotów kosmicznych. Niewątpliwie była to jedna z przyczyn minimum geomagnetycznego. Ale ponieważ efekty geomagnetyczne nie były najsłabsze w 2008 roku, nie mogło to być jedynym czynnikiem.

Aby zbadać prędkość wiatru słonecznego zespół wykorzystał dane sondy NASA ACE (Advanced Composition Explorer), który znajduje się w przestrzeni międzyplanetarnej poza ziemską magnetosferą, w odległości około 1 600 000 km w kierunku Słońca. Dane ACE wykazały, że prędkość wiatru słonecznego pozostała wysoka podczas minimum plam słonecznych. Dopiero później nastąpił jej stały spadek, w terminem zgodnym ze spadkiem efektów geomagnetycznych.

Następnym krokiem było zrozumienie, przyczyn spadku prędkości wiatru słonecznego. Zespół odkrył sprawcę w czymś, co określa się dziurami koronalnymi. Dziury koronalne to ciemniejsze i chłodniejsze obszary w zewnętrznej atmosferze Słońca. Szybki wiatr słoneczny wylatuje z  centrum dziur koronalnych z prędkością sięgającą 700 km na sekundę, ale wiatr wypływający bliżej krawędzi spowalnia rozpraszając się w przestrzeń kosmiczną.

„Zazwyczaj w trakcie minimum słonecznego, dziury koronalne znajdują się na biegunach Słońca”- mówi Giuliana de Toma, naukowiec z National Center for Atmospheric Research, której badania na ten temat pomogły w badaniach. -„Dlatego w okresie minimum do Ziemi dociera wiatr z   krawędzie dziur i nie jest on tak szybko. Jednak w latach 2007 – 2008 dziury koronalne nie ograniczały się jak to dotąd miało miejsce do biegunów.”

Dziury koronalne pozostały na niskich szerokościach heliograficznych aż do końca 2008 roku. W związku z tym centrum dziur w tym czasie nadal wskazywało Ziemię, wysyłając w naszą stronę strumień szybkiego wiatr słonecznego. Dopiero gdy w 2009 roku dziury przemieściły się bliżej biegunów prędkość wiatru słonecznego w kierunku Ziemi zaczęła maleć. W wraz z nim efekty geomagnetyczne efektów i zorze polarne.

Dziury koronalne wydają się być także odpowiedzialne za zmniejszenie południowej składowej wektora  międzyplanetarnego pola magnetycznego. Pola magnetyczne wiatru słonecznego oscylują w trakcie podróży ze Słońca na Ziemię. Wahania te są znane jako fale Alfvén. Wiatr wypływające ze środka dziur kornalnych ma dużą amplitudę wahań, co przekłada się na dużą południową (podobnie zresztą jak i pozostałe) składową magnetyczną. Wiatr, który pochodzi z krawędzi dziury, wykazuje mniejsze wahania a zatem również mniejszą składową południową. Zatem również dziury koronalne  na niższych szerokościach heliograficznych mają większe szanse na utworzenie połączenia z magnetosferą Ziemi, powodując większe efekty geomagnetyczne, a im dziury te leżą dalej od równika, tym ich efektywność maleje.

Pracując razem, te trzy czynniki – niska siła międzyplanetarnego pola magnetycznego, w połączeniu z mniejszą prędkością wiatru słonecznego i mniejszymi oscylacjami pola magnetyczne wynikającymi z lokalizacji dziur koronalnych – stworzyć idealne warunki do wystąpienia minimum geomagnetycznego.

Wiedza, jakie sytuacje wywołują a jaki tłumią intensywną aktywność geomagnetyczną na Ziemi, to krok w kierunku lepszego przewidywania, gdy takie wydarzenia mogą nastąpić. Tsurutani wskazuje, że by robić to dobrze konieczne jest zrozumienie, jak bardzo efekty te i złożona fizyka Słońca są ze sobą powiązane. „Koniecznie musimy lepiej zrozumieć wszystkie te zjawiska”- mówi Tsurutani. -” Musimy zrozumieć, co prowadzi do obniżenia siły  międzyplanetarnego pola magnetycznego i jak powstają dziury koronalne. Wszystko to jest częścią cyklu słonecznego. Wszystko to oddziałuj  na Ziemię.”

Źródła:

New Insights on How Solar Minimums Affect Earth

Since 1611, humans have recorded the comings and goings of black spots on the sun. The number of these sunspots waxes and wanes over approximately an 11-year cycle — more sunspots generally mean more activity and eruptions on the sun and vice versa. The number of sunspots can change from cycle to cycle, and 2008 saw the longest and weakest solar minimum since scientists have been monitoring the sun with space-based instruments.

Observations have shown, however, that magnetic effects on Earth due to the sun, effects that cause the aurora to appear, did not go down in synch with the cycle of low magnetism on the sun. Now, a paper in Annales Geophysicae that appeared on May 16, 2011 reports that these effects on Earth did in fact reach a minimum — indeed they attained their lowest levels of the century — but some eight months later. The scientists believe that factors in the speed of the solar wind, and the strength and direction of the magnetic fields embedded within it, helped produce this anomalous low.

„Historically, the solar minimum is defined by sunspot number,” says space weather scientist Bruce Tsurutani at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif., who is first author on the paper. „Based on that, 2008 was identified as the period of solar minimum. But the geomagnetic effects on Earth reached their minimum quite some time later, in 2009. So we decided to look at what caused the geomagnetic minimum.”

Geomagnetic effects basically amount to any magnetic changes on Earth due to the sun, and they're measured by magnetometer readings on the surface of the Earth. Such effects are usually harmless, with the only obvious sign of their presence being the appearance of auroras near the poles. However, in extreme cases, they can cause power grid failures on Earth or induce dangerous currents in long pipelines, so it is valuable to know how the geomagnetic effects vary with the sun.

Three things help determine how much energy from the sun is transferred to Earth's magnetosphere from the solar wind: the speed of the solar wind, the strength of the magnetic field outside Earth's bounds (known as the interplanetary magnetic field) and which direction it is pointing, since a large southward component is necessary to connect successfully to Earth's magnetosphere and transfer energy. The team — which also included Walter Gonzalez and Ezequiel Echer of the Brazilian National Institute for Space Research in Sao José dos Campos, Brazil — examined each component in turn.

First, the researchers noted that in 2008 and 2009, the interplanetary magnetic field was the lowest it had been in the history of the space age. This was an obvious contribution to the geomagnetic minimum. But since the geomagnetic effects didn't drop in 2008, it could not be the only factor.

To examine the speed of the solar wind, they turned to NASA's Advanced Composition Explorer (ACE), which is in interplanetary space outside the Earth's magnetosphere, approximately 1 million miles toward the sun. The ACE data showed that the speed of the solar wind stayed high during the sunspot minimum. Only later did it begin a steady decline, correlating to the timing of the decline in geomagnetic effects.

The next step was to understand what caused this decrease. The team found a culprit in something called coronal holes. Coronal holes are darker, colder areas within the sun's outer atmosphere. Fast solar wind shoots out the center of coronal holes at speeds up to 500 miles per second, but wind flowing out of the sides slows down as it expands into space.

„Usually, at solar minimum, the coronal holes are at the sun's poles,” says Giuliana de Toma, a solar scientist at the National Center for Atmospheric Research whose research on this topic helped provide insight for this paper. „Therefore, Earth receives wind from only the edges of these holes, and it's not very fast. But in 2007 and 2008, the coronal holes were not confined to the poles as normal.”

Those coronal holes lingered at low latitudes to the end of 2008. Consequently, the center of the holes stayed firmly pointed towards Earth, sending fast solar wind in Earth's direction. Only as they finally appeared closer to the poles in 2009 did the speed of the solar wind at Earth begin to slow down. And, of course, the geomagnetic effects and sightings of the aurora along with it.

Coronal holes seem to be responsible for minimizing the southward direction of the interplanetary magnetic field as well. The solar wind's magnetic fields oscillate on the journey from the sun to Earth. These fluctuations are known as Alfvén waves. The wind coming out of the centers of the coronal holes has large fluctuations, meaning that the southward magnetic component – like that in all the directions — is fairly large. The wind that comes from the edges, however, has smaller fluctuations, and comparably smaller southward components. So, once again, coronal holes at lower latitudes would have a better chance of connecting with Earth's magnetosphere and causing geomagnetic effects, while mid-latitude holes would be less effective.

Working together, these three factors — low interplanetary magnetic field strength, combined with slower solar wind speed and smaller magnetic fluctuations due to coronal hole placement — create the perfect environment for a geomagnetic minimum.

Knowing what situations cause and suppress intense geomagnetic activity on Earth is a step toward better predicting when such events might happen. To do so well, Tsurutani points out, requires focusing on the tight connection between such effects and the complex physics of the sun. „It's important to understand all of these features better,” he says. „To understand what causes low interplanetary magnetic fields and what causes coronal holes in general. This is all part of the solar cycle. And all part of what causes effects on Earth.”

Karen C. Fox, NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *