Η φυσική των εκλάμψεων
Η μυστηριώδης προέλευση των ηλιακών εκλάμψεων

Άρθρο, Νοέμβριος 2006

Ο μεγαλύτερος κίνδυνος πρόκλησης καταστροφών στα δίκτυα της Γης αλλά και στους δορυφόρους είναι κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης έκλαμψης.  Γιατί ξαφνικά εκτινάσσεται υλικό από την εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου — οι εκτοξεύσεις στεμματικού υλικού. Μερικά από αυτά τα συμβάντα έχουν ως αποτέλεσμα τεράστιες ποσότητες ιονισμένου αερίου σε πορεία σύγκρουσης με τη Γη, όπως ακριβώς συνέβη με τις πολυάριθμες, εξαιρετικά μεγάλες εκλάμψεις που έλαβαν χώρα το 2003.

Πριν 3 χρόνια ακριβώς (τέλη Οκτωβρίου έως αρχές Νοεμβρίου τού 2003), οι επιστήμονες έγιναν μάρτυρες μερικών από τις πιο ισχυρές ηλιακές εκλάμψεις που είχαν καταγραφεί ποτέ. Αυτοί οι τεράστιοι πίδακες φορτισμένων σωματιδίων έγιναν αντιληπτοί στη Γη και γύρω από αυτήν —150 εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά από την πηγή τους. Για παράδειγμα, το μέτωπο των σωματιδίων που έφτασε στη γειτονιά μας ήταν κάποιες φορές τόσο ισχυρό ώστε πολλοί επιστημονικοί και τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι χρειάστηκε να τεθούν προσωρινά εκτός λειτουργίας. Παρ' όλα αυτά, μερικοί από αυτούς υπέστησαν μόνιμες βλάβες. Ακόμη και οι αστροναύτες του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ISS) κινδύνευσαν και αναγκάστηκαν να αναζητήσουν άσυλο στην καλά θωρακισμένη μονάδα εφοδιασμού και συντήρησης. Πλησιέστερα στον πλανήτη μας, τα επιβατικά αεροσκάφη αναγκάστηκαν να παρεκκλίνουν της πορείας τους αποφεύγοντας τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη —όπου οι πιλότοι θα συναντούσαν προβλήματα με τις ραδιοεπικοινωνίες, ενώ οι επιβάτες και το πλήρωμα θα εκθέτονταν σε ανησυχητικά επίπεδα ακτινοβολίας. Επιπλέον, τα ηλεκτρικά δίκτυα βρίσκονταν υπό στενή παρακολούθηση για ενδεχόμενη εκδήλωση υπέρτασης. Παρά τις παραπάνω προσπάθειες όμως, 50.000 κάτοικοι της νότιας Σουηδίας έμειναν για μικρό χρονικό διάστημα χωρίς ρεύμα.

Εισαγωγή

Αν και οι επιστήμονες από καιρό προσπαθούν να κατανοήσουν τι προκαλεί τις εκλάμψεις και τις εκτοξεύσεις στεμματικου υλικού που συνοδεύουν πολλές από αυτές, μόνο την τελευταία δεκαετία περίπου προέκυψαν παρατηρήσεις ικανές να αποκαλύψουν την πολυπλοκότητα τους και να ρίξουν φως στα φυσικά αίτια τους, χάρη στις νέες τεχνολογίες που εισήχθησαν τη δεκαετία τού 1990. Το κλειδί για αυτές τις εκλάμψεις αποδεικνύεται ότι είναι μια ξαφνική αναδιάταξη των μαγνητικών δυναμικών γραμμών, ένα φαινόμενο το οποίο ονομάζεται ανασύνδεση (reconnection).

Οι ηλιακές εκλάμψεις μπορούν να απελευθερώνουν ενέργεια ισοδύναμη εκείνης δισεκατομμυρίων ατομικών βομβών μέσα σε λίγα μόλις λεπτά. Προκαλούν δε μια έκρηξη ακτίνων Χ και φορτισμένων σωματιδίων, μέρος των οποίων μπορεί αργότερα να πλήξει τη Γη, θέτοντας σε κίνδυνο δορυφόρους και προκαλώντας διακοπές ρεύματος.

Αυτό που τροφοδοτεί ενεργειακά τις εκλάμψεις είναι το ταραχώδες μαγνητικό πεδίο του Ήλιου. Η ξαφνική απελευθέρωση ενέργειας κατά τη διάρκεια μιας έκλαμψης είναι επακόλουθο μιας διαδικασίας η οποία ονομάζεται ανασύνδεση, μέσω της οποίας αντιπαράλληλες μαγνητικές δυναμικές γραμμές συναντώνται και εν μέρει εξαϋλώνονται. Αν και θεωρητικές μελέτες για τη μαγνητική ανασύνδεση που συντελείται στον Ήλιο διεξάγονταν επί δεκαετίες, μόλις πρόσφατα οι διαστημοσυσκευές αποκάλυψαν παρατηρησιακά δεδομένα τα οποία στηρίζουν αυτό το σενάριο.

Οι ηλιακές εκλάμψεις και οι υπόλοιπες εκφάνσεις του διαστημικού καιρού όμως σχετίζονται με τις αλληλεπιδράσεις μαγνητικών πεδίων και αερίων τόσο θερμών ώστε ιονίζονται (δηλαδή, τα άτομα που τα αποτελούν χάνουν τα ηλεκτρόνια τους). Αυτού του είδους οι αλληλεπιδράσεις δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, ενώ η οπτικοποίησή τους αποδεικνύεται δύσκολη ακόμη και για τους ειδικούς.

Η θεωρία

Η κυρίαρχη ιδέα για το πώς αυτά τα φαινόμενα δημιουργούν ηλιακές εκλάμψεις — η ανασύνδεση δηλαδή των μαγνητικών γραμμών που σε γενικές γραμμές λαμβάνει χώρα όταν συναντώνται αντιπαράλληλες μαγνητικές δυναμικές γραμμές — χρονολογείται από τις δεκαετίες τού 1950 και του 1960. Εντούτοις, τα παρατηρησιακά δεδομένα που την υποστήριζαν κατέφταναν με τόσο βραδύ ρυθμό ώστε μερικοί διαστημικοί φυσικοί είχαν αρχίσει να αμφιβάλλουν για την αξία τής εν λόγω θεωρίας.

Σε γενικές γραμμές, οι επιστήμονες συμφωνούν ότι η ενέργεια η οποία απελευθερώνεται κατά την έκλαμψη πρέπει πρώτα να έχει αποθηκευτεί στο μαγνητικό πεδίο του Ήλιου.

Αυτή η εικασία βασίζεται στο γεγονός ότι οι εκλάμψεις εκδηλώνονται σε μέρη του Ήλιου που ονομάζονται περιοχές δράσης και στις οποίες τα ηλιακά μαγνητικά πεδία είναι κατά μέσον όρο ισχυρότερα. Οι περιοχές αυτές αναγνωρίζονται εύκολα από την παρουσία ηλιακών κηλίδων —σκοτεινών σχηματισμών που φιλοξενούν τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία στον Ήλιο. Σε τούτες τις ζώνες, οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου εκτείνονται από την επιφάνεια προς το στέμμα — το οποίο αποτελεί το εξωτερικό στρώμα της ηλιακής ατμόσφαιρας — και καμπυλώνονται σχηματίζοντας φαρδείς τοξοειδείς βρόχους, οι οποίοι παγιδεύουν θερμό αέριο, μερικά εκατομμύρια Κέλβιν. Αυτές οι θερμοκρασίες είναι τόσο υψηλές ώστε εξαναγκάζουν το εγκλωβισμένο αέριο να εκπέμψει ακραία υπεριώδη ακτινοβολία αλλά και ακτίνες Χ. Οι εκλάμψεις, οι οποίες περιστασιακά εκδηλώνονται στις περιοχές δράσης, εκπορεύονται από τέτοιους μαγνητικούς σχηματισμούς και θερμαίνουν το παγιδευμένο στους βρόχους αέριο περισσότερο απ' ό,τι συνήθως — τυπικά, μεταξύ 10 εκατομμυρίων και 40 εκατομμυρίων Κέλβιν.

Πέρα από τη γενική σχέση μεταξύ εκλάμψεων και ισχυρών μαγνητικών πεδίων, η εικόνα για το πώς ακριβώς εξελίσσεται το φαινόμενο παρέμενε για μεγάλο διάστημα θολή. Για παράδειγμα, οι αστρονόμοι άρχισαν σιγά σιγά να συνειδητοποιούν ότι οι βρόχοι του μαγνητικού πεδίου, καθώς και το θερμό αέριο που εμπλέκεται στις εκλάμψεις, ενδεχομένως διαφέρουν αρκετά από φαινομενικά παρόμοιες δομές οι οποίες βρίσκονται σε άλλα σημεία των περιοχών δράσης.

Πηγή ενέργειας των ηλιακών εκλάμψεων όπως είδαμε είναι το φαινόμενο της μαγνητικής ανασύνδεσης, και κατά το οποίο οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές του Ήλιου ενώνονται και αναδιαμορφώνονται γρήγορα. Τέτοιου είδους ανασυνδέσεις αποσπούν ενέργεια από το μαγνητικό πεδίο και τη χρησιμοποιούν για να θερμάνουν τοπικά την ηλιακή ατμόσφαιρα και να επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια σε υψηλές ταχύτητες.

Τα φορτισμένα σωματίδια του πλάσματος στον ήλιο κινούνται σπειροειδώς γύρω από τις μαγνητικές δυναμικές γραμμές, αλλά η κίνηση τους είναι σχετικά ελεύθερη κατά μήκος τους. Όταν αυτά τα σωματίδια συναντήσουν ένα πεδίο αυξανόμενης έντασης (όπου οι δυναμικές γραμμές συγκλίνουν), η κίνηση τους κατά μήκος των δυναμικών γραμμών αρχικά επιβραδύνεται και εν συνεχεία αναστρέφεται, με αποτέλεσμα τελικά αυτά να παλινδρομούν μεταξύ των δύο ιχνών του μαγνητικού βρόχου.

Οι φυσικοί από καιρό υποπτεύονταν ότι μια απότομη αναδιάταξη του μαγνητικού πεδίου αυξάνει τη θερμοκρασία του εγκλωβισμένου πλάσματος με αποτέλεσμα τα σωματίδια του να εκτοξεύονται προς το Διάστημα (έκλαμψη), έλειπαν όμως ακόμα οι απαραίτητες παρατηρήσεις που θα αποκάλυπταν τις βαθύτερες λεπτομέρειες της συγκεκριμένης διαδικασίας.

Η μετατροπή της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου

Το πρόβλημα όμως προκύπτει όταν προσπαθούμε να εξηγήσουμε πώς ακριβώς όλη αυτή η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου μετατρέπεται σε θερμότητα, επιταχυνόμενα σωματίδια και εκτοξευόμενο υλικό.

Μια πιθανή λύση προκύπτει αν απλά θεωρήσουμε την περίπτωση ενός οποιουδήποτε ηλεκτρικού κυκλώματος — το οποίο δεν χαρακτηρίζεται μόνο από το ηλεκτρικό ρεύμα και τη διαφορά δυναμικού που κατευθύνει τη ροή του φορτίου, αλλά επιπλέον από την ηλεκτρική του αντίσταση. Το νήμα ενός ηλεκτρικού λαμπτήρα πυράκτωσης, λόγου χάρη, προβάλλει αντίσταση στη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος, οδηγώντας σε απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας και μετατροπή της σε φως και θερμότητα. Αλλά και η ατμόσφαιρα του Ήλιου εμφανίζει ηλεκτρική αντίσταση, διότι τα φορτισμένα σωματίδια που συγκροτούν τα ηλεκτρικά ρεύματα ενίοτε συγκρούονται μεταξύ τους, γεγονός το οποίο εμποδίζει την ελεύθερη κίνηση τους και προκαλεί θέρμανση της ατμόσφαιρας. Επιπλέον δε, η διαφορά δυναμικού που δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα συνδέεται με ένα ηλεκτρικό πεδίο. Αν μάλιστα αυτό το ηλεκτρικό πεδίο είναι αρκετά ισχυρό, τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια και ιόντα θα βρεθούν έξω από το θερμό πλάσμα.

Ιδού, λοιπόν, τα απαραίτητα συστατικά μιας έκλαμψης: θέρμανση και υψηλής ενέργειας σωματίδια.

Δυστυχώς όμως, αυτή η απλή εξήγηση δεν αντέχει σε λεπτομερέστερη εξέταση. Ένας λόγος είναι ότι η ηλεκτρική αντίσταση στο στέμμα έχει τυπικά μικρή τιμή — πολύ μικρή για να εξηγήσει τον εκρηκτικό ρυθμό με τον οποίο αυξάνεται η λαμπρότητα μιας ηλιακής έκλαμψης. Ακόμη δε και αν η αντίσταση ήταν μεγαλύτερη, και πάλι δύσκολα θα μπορούσε να εξηγηθεί πώς η απαιτούμενη ποσότητα μαγνητικής ενέργειας συγκεντρώνεται σε ένα μέρος και απελευθερώνεται μέσω μιας ξαφνικής έκρηξης. Οι ερευνητές κατέληξαν πριν από δεκαετίες ότι το να δημιουργηθεί μια ηλεκτρική τάση, η οποία αναπτύσσει με τη σειρά της ένα απλό, μοναδικό ρεύμα, δεν θα μπορούσε ούτε να θερμάνει την ατμόσφαιρα του Ήλιου αρκετά γρήγορα ούτε να παραγάγει ροή επιταχυνόμενων σωματιδίων ικανή να δημιουργήσει μια έκλαμψη.

Με τα χρόνια, οι διαστημικοί φυσικοί πρότειναν σωρεία ακόμη πιο πολύπλοκων ιδεών. Ίσως, σκέφτηκαν, οι εκλάμψεις να είναι αποτέλεσμα πολλών διαφορετικών ρευμάτων τα οποία συναντώνται ή προέρχονται από πλήθος κυμάτων του τυρβώδους πλάσματος και των τυχαίων ηλεκτρικών πεδίων που συνδέονται με αυτά. Τέτοια ιδιαίτερα συστήματα είναι ίσως ικανά να δημιουργήσουν μια έκλαμψη, όμως οι μηχανισμοί αυτοί δεν μπορούν να εξηγήσουν όλες τις παρατηρήσεις, ιδίως την τάση να συνοδεύονται οι ηλιακές εκλάμψεις από εκτοξεύσεις στεμματικού υλικού. Μια περισσότερο υποσχόμενη θεωρία εμπλέκει όχι μόνο τη δυναμική του ηλεκτρικού πεδίου αλλά και εκείνη του αντίστοιχου μαγνητικού.

Το 2002 η NASA εκτόξευσε τον Φασματικό Απεικονιστή Υψηλής Ηλιακής Ενέργειας Ramaty (RHESSI), ο οποίος μέχρι στιγμής έχει απεικονίσει λεπτομερώς την περιοχή του σημείου ανάκαμψης ορισμένων ηλιακών εκλάμψεων. Με τον τρόπο αυτό, ο RHESSI έχει εφοδιάσει τους επιστήμονες με πειστικές ενδείξεις — στην ουσία, αδιάσειστα αποδεικτικά στοιχεία — που επιβεβαιώνουν ότι η μαγνητική ανασύνδεση ευθύνεται τόσο για τις εκλάμψεις όσο και για τις εκτοξεύσεις στεμματικού υλικού.

Έτσι, φαίνεται ότι έχουμε πλέον την εξήγηση για το πώς σχηματίζονται, ορισμένες τουλάχιστον, από τις ηλιακές εκλάμψεις και εκτοξεύσεις στεμματικού υλικού.

Ωστόσο, πολλά ερωτήματα εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα. Για παράδειγμα: Τι ευθύνεται για την επιτάχυνση των σωματιδίων στις εκλάμψεις; Και τι προκαλεί την απότομη έναρξη της μαγνητικής ανασύνδεσης; Οι διαστημικοί φυσικοί ευελπιστούν ότι σύντομα θα ανακαλύψουν τις απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα, καθώς θα συνεχίζουμε να μελετάμε εκλάμψεις με τον RHESSI και τα άλλα δορυφορικά ηλιακά παρατηρητήρια, μεταξύ των οποίων και των διαστημοσυσκευών Solar Β και STEREO (Δορυφορικό Παρατηρητήριο Συσχέτισης Ήλιου-Γης), οι οποίες προβλέπεται να εκτοξευτούν σύντομα.

O ιαπωνικός δορυφόρος  Solar Β θα χαρτογραφήσει τα ηλιακά μαγνητικά πεδία με μεγάλη λεπτομέρεια, ενώ η αποστολή STEREO, που εκτοξεύτηκε στις 26 Οκτωβρίου 2006, θα τοποθετήσει δύο διαστημοσυσκευές σε κατάλληλες θέσεις από όπου θα λαμβάνουν ζεύγη τρισδιάστατων στερεοσκοπικών εικόνων του Ήλιου. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι με τον τρόπο αυτό θα συλλέξουν περισσότερα στοιχεία για τη γεωμετρία των εκτοξεύσεων στεμματικού υλικού καθώς αυτό θα εγκαταλείπει τον Ήλιο και θα ταξιδεύει στον μεσοπλανητικό χώρο.

Ο δορυφόρος Solar Β, που εκτοξεύτηκε στις 23 Σεπτεμβρίου 2006 με καθυστέρηση ενός έτους από την προγραμματισμένη εκτόξευσή του, έχει βάρος 900 κιλών, ενώ θα παίρνει ενέργεια μέσω των ηλιακών κυψελών του. Αναμένεται να παρατηρήσει τον ήλιο περίπου για δέκα χρόνια.

Χωρίς αμφιβολία, η ικανότητα των επιστημόνων να προβλέπουν τον διαστημικό καιρό θα βελτιωθεί μέσα στα επόμενα χρόνια. Το κέρδος μας θα είναι διπλό: τόσο από την καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού που διέπει τις ηλιακές εκλάμψεις όσο και από την κατασκευή ολοένα και πιο εκλεπτυσμένων εργαλείων υψηλής τεχνολογίας για την παρακολούθηση του Διαστήματος γύρω από τον Ήλιο και τη Γη.  Όμως, οι νέοι ηλιακοί δορυφόροι έχουν αυτή τη δυνατότητα.

Πηγή: SCIENTIFIC AMERICAN

Είναι γνωστό ότι η δραστηριότητα του Ήλιου δεν είναι σταθερή αλλά έχει τα μέγιστα και τα ελάχιστα της, Τα μοντέλα πρόβλεψης των ειδικών της NASA, που βασίζονται στην κινητικότητα του καυτού ποταμού πλάσματος στον πυρήνα του Ήλιου (μεταξύ του Βόρειου και του Νότιου Πόλου του), μπορούν να μας πουν τι θα γίνει σε ένα ορίζοντα 20 ετών. Τα τελευταία δεδομένα μιλούν για μια πρωτοφανή μείωση της ταχύτητας του καυτού ποταμού στον Ήλιο. Έτσι, πρόβλεψαν ότι ο επόμενος Ηλιακός Κύκλος (ο λεγόμενος Solar Cycle 25) θα έχει ελάχιστες ηλιακές εκρήξεις, με το έτος 2022 να είναι το πιο ήσυχο εδώ και αιώνες.

Ο υπέρθερμος όμως τρέχων κύκλος ηλιακής δραστηριότητας (ο Solar Cycle 24) θα γνωρίσει την κορύφωσή του γύρω στο 2010 με 2012. 

Βέβαια η πρόβλεψη των ηλιακών δραστηριοτήτων γίνεται αναγκαία και για το σύνολο του πλανήτη - όχι μόνο για τους αστροναύτες και τους αεροπόρους.