Ποιά εξήγηση υπάρχει για τις γεωμαγνητικές καταιγίδες και τον διαστημικό καιρό;

Συχνές ερωτήσεις, Νοέμβριος 2004

Οι περισσότεροι ξέρουν ότι υπάρχει ο ηλιακός άνεμος, ένας ποταμός ύλης που ξεχύνεται αδιάκοπα από τον Ήλιο, παρασύροντας μαζί του και το μαγνητικό πεδίο του ήλιου. Η ύλη αυτή είναι ηλιακό πλάσμα, δηλαδή ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια: πυρήνες υδρογόνου ως επί το πλείστον, ιόντα ηλίου, αλλά και άλλων στοιχείων σε μικρότερη αναλογία.

Αλλά η ταχύτητα του ηλιακού ανέμου αυξομειώνεται, όπως συμβαίνει και με τους ανέμους στη Γη. Οι διαταραχές του καιρού στο διάστημα σχετίζονται με την ταχύτητα του ηλιακού ανέμου, αλλά και με τη μετακίνηση 'νεφών', όπως συμβαίνει και στη Γη. Μόνο που τα νέφη στο διάστημα δεν είναι αέριες μάζες, αλλά μεγάλες 'μπάλες' καυτού πλάσματος, που εκτινάσσονται κατά καιρούς από τον Ήλιο.

Αυτά τα νέφη πλάσματος, που έχουν μέγεθος πολλαπλάσιο της Γης, προχωρούν βιαστικά, σαν απειλητικά βομβαρδιστικά, μέσα στον ηλιακό άνεμο, και όσα από αυτά κατευθύνονται προς τη Γη προκαλούν ισχυρές διαστημικές καταιγίδες στη «γειτονιά» του πλανήτη μας. Σ' αυτά τα νέφη πλάσματος, κατά κύριο λόγο, οφείλεται η κακοκαιρία στο διάστημα. Τις διαστημικές καταιγίδες τις συνοδεύει βροχή ηλεκτρονίων στην ατμόσφαιρα της Γης, με αποτέλεσμα το λαμπρό βόρειο σέλας. Ακόμη, οι διαστημικές καταιγίδες απειλούν  τα διαστημόπλοια, τις διαστημικές μεταφορές και τις δορυφορικές επικοινωνίες.

Ο ηλιακός άνεμος, που ξεχύνεται για αδιευκρίνιστους ακόμη λόγους από τον Ήλιο, ταξιδεύει με ιλιγγιώδη, για μας, ταχύτητα: ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα την ώρα. Τα δε "βομβαρδιστικά νέφη" έχουν μέχρι και τριπλάσια από αυτήν ταχύτητα!

Η ζωή στον πλανήτη μας προστατεύεται από αυτή την κοσμική λαίλαπα με το γεωμαγνητικό πεδίο, το οποίο υπάρχει χάρη στον υγρό αγώγιμο πυρήνα και την αρκούντως ταχεία περιστροφή της Γης. Το γεωμαγνητικό πεδίο δημιουργεί μία απάνεμη κοιλότητα στο διάστημα, δηλαδή μία κοιλότητα προστατευμένη από τον ηλιακό άνεμο που ονομάζεται μαγνητόσφαιρα. Πρόκειται για ένα χώρο υπαρκτό πλην όμως αόρατο, αφού χαρακτηρίζεται από μαγνητικά πεδία και φορτισμένα σωματίδια που δεν εκπέμπουν ακτινοβολία ορατή στον άνθρωπο.

Το διαστημικό περιβάλλον της Γης προστατεύεται από τον ηλιακό άνεμο και τα νέφη του Ήλιου με το γεωμαγνητικό πεδίο. Δυστυχώς, όμως, τίποτε δεν είναι τέλειο. Μπορεί όμως η μαγνητόσφαιρα της Γης, να  αφήσει ένα μικρό 'άνοιγμα', από το οποίο μπορεί να εισχωρήσουν τα ηλεκτρικά σωματίδια. Κι αυτό γίνεται με τον κατάλληλο προσανατολισμό του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου.

Το διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο είναι το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου που μεταφέρεται από τον ηλιακό άνεμο προς τους πλανήτες. Πως όμως συμβαίνει το άνοιγμα της μαγνητόσφαιρας;

Εξαιτίας μίας φυσικής διαδικασίας που λέγεται μαγνητική επανασύνδεση: όταν δύο μαγνητικά πεδία έχουν αντίθετο προσανατολισμό, ενώνονται και αλληλοεξουδετερώνονται. Αυτό σημαίνει ότι, όταν το διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο έχει νότιο προσανατολισμό, δηλαδή αντίθετο από αυτόν του γεωμαγνητικού πεδίου (που είναι πάντα βόρειος), τα δύο πεδία εξουδετερώνονται, κι έτσι η μαγνητική θωράκιση του γεωδιαστήματος εξαφανίζεται.

Αυτό το γεγονός συμβαίνει σε απόσταση 70 χιλιάδων χιλιομέτρων από τη Γη. Κατά περιοχές το γεωμαγνητικό πεδίο εξαφανίζεται, οι «πύλες» ανοίγουν και εισέρχεται στη μαγνητόσφαιρα ηλιακό πλάσμα. Επιπλέον εισέρχεται και μαγνητική ενέργεια με τη μορφή πρόσθετης μαγνητικής ροής, που είναι εκείνες οι δυναμικές γραμμές του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου, οι οποίες λόγω επανασύνδεσης συγχωνεύτηκαν με το γεωμαγνητικό πεδίο και προστέθηκαν στη μαγνητόσφαιρα.

Η προσθήκη μάζας και ενέργειας στη μαγνητόσφαιρα την κάνει ασταθή, όπως συμβαίνει με οποιοδήποτε φυσικό σύστημα που του προσφέρουν παραπανίσια ενέργεια. Αυτή η ενέργεια νομοτελειακά πρέπει να καταναλωθεί, κι αυτό γίνεται με δύο τρόπους - με δύο εκρηκτικά φαινόμενα που έχουν και παρόμοια ονόματα: μαγνητικές (ή αλλιώς διαστημικές) καταιγίδες και μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες. Παρά την ομοιότητα στην ονομασία τους, πρόκειται για δύο διακριτές διεργασίες, οι οποίες σχετίζονται αλλά δεν ταυτίζονται. Οι υποκαταιγίδες είναι «τοπικό» φαινόμενο που λαμβάνει χώρα πολλές φορές την ημέρα στην αφήλια (δηλαδή τη νυχτερινή) πλευρά της μαγνητόσφαιρας. Οι καταιγίδες είναι «παγκόσμιο» φαινόμενο, λαμβάνουν χώρα πολύ πιο σπάνια (μερικές φορές το μήνα ή και αραιότερα) και επηρεάζουν τη μαγνητόσφαιρα συνολικά.

Το κυριότερο στοιχείο των μαγνητικών καταιγίδων είναι η δημιουργία ενός ισχυρού ηλεκτρικού ρεύματος, που ρέει στο διάστημα γύρω από τη Γη σαν ένα γιγαντιαίο ηλεκτρικό δαχτυλίδι. Αυτό το ρεύμα, που ονομάζεται δακτυλιοειδές, είναι αποτέλεσμα της μαγνητικής παγίδευσης φορτισμένων σωματιδίων που πλησιάζουν τη Γη καθώς επιταχύνονται από την πλεονάζουσα μαγνητική ενέργεια που αναφέραμε προηγουμένως.

Σ' αυτό το σημείο ας αναφέρουμε και τα σχετικά ενεργειακά μεγέθη: η ισχύς των μαγνητικών καταιγίδων μπορεί να ξεπεράσει τα 1.000 γιγαβάτ, αριθμός εντυπωσιακός, αφού ένα τυπικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος έχει ισχύ της τάξης του 1 γιγαβάτ.

Πέρα από τα φυσικά αποτελέσματα των καταιγίδων, έχουμε και επιδράσεις σε τεχνολογικά συστήματα. Οι πρώτες ενδείξεις για τέτοιου είδους επίδραση των γεωμαγνητικών διαταραχών ανάγονται στα μέσα του 19ου αιώνα. Τότε είχαν παρατηρηθεί ανωμαλίες στη λειτουργία του τηλέγραφου, που είχε αρχίσει να χρησιμοποιείται στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ το πρώτο μισό του 19ου αιώνα.

Σήμερα προβλήματα παρουσιάζονται κυρίως στα δίκτυα τηλεπικοινωνιών, άμυνας και ηλεκτροδότησης. Τα προβλήματα στις δύο πρώτες κατηγορίες οφείλονται σε δυσλειτουργίες ή και απώλειες των σχετικών δορυφόρων, κυρίως λόγω του «βομβαρδισμού» κυκλωμάτων ελέγχου από ενεργειακά ηλεκτρόνια και ιόντα. Τα προβλήματα στα δίκτυα ηλεκτροδότησης οφείλονται σε ηλεκτρικά ρεύματα που επάγονται στο έδαφος. Κατά τη διάρκεια ισχυρών μαγνητικών καταιγίδων αυτά τα ρεύματα μπορούν να καταστρέψουν, με υπερθέρμανση, μεγάλους μετασχηματιστές του δικτύου ηλεκτροδότησης και να προκαλέσουν διακοπές ρεύματος.

Το πιο γνωστό σχετικό επεισόδιο ήταν η κατάρρευση του δικτύου ηλεκτροδότησης στην επαρχία Κεμπέκ του Καναδά, το Μάρτιο του 1989. Το μπλακάουτ κράτησε εννέα ώρες και κόστισε πάνω από πεντακόσια εκατομμύρια δολάρια. Έχει υπολογιστεί ότι αντίστοιχο μπλακάουτ στην πυκνοκατοικημένη περιοχή των βορειοανατολικών ΗΠΑ θα στοίχιζε τουλάχιστον πέντε δισεκατομμύρια δολάρια.

Η πλήρης κατανόηση του διαστημικού καιρού και η συνακόλουθη δυνατότητα έγκαιρης και φερέγγυας πρόγνωσης του, θα αποτελέσει πολύ σημαντικό επίτευγμα του 21 ου αιώνα. Η προσπάθεια αυτή μπορεί να παραβληθεί με τη γέννηση της επιχειρησιακής μετεωρολογίας στις αρχές του 20ού αιώνα. Συγκρίσιμα είναι επίσης τα πρακτικά οφέλη: οι επιτυχημένες προγνώσεις διαστημικού καιρού θα συμβάλουν στην προστασία των τεχνολογιών που επηρεάζονται από τη διαστημική κακοκαιρία, και που χρόνο με το χρόνο αυξάνονται σε αριθμό και πολυπλοκότητα. Οι προγνώσεις θα είναι επίσης ζωτικής σημασίας για μελλοντικά διαπλανητικά ταξίδια και εποικισμό άλλων πλανητών. Μπορεί σήμερα αυτά να μας φαίνονται εξωπραγματικά, αλλά ας σκεφτούμε πόσες από τις σημερινές δραστηριότητες των ανθρώπων θα φαίνονταν «φυσιολογικές» στους προπάππους μας.

Πως επιδρά ο διαστημικός καιρός στις δραστηριότητες του ανθρώπου:

1. Ο ταραγμένος διαστημικός καιρός δημιουργεί το Σέλας σε περιοχές γύρω από τους μαγνητικούς πόλους της γης και άλλων πλανητών με διπολικά μαγνητικά πεδία.
2. Ο ταραγμένος διαστημικός καιρός επάγει μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της Γης που τις ονομάζουμε μαγνητικές καταιγίδες και υποκαταιγίδες της γης. Παρόμοια φαινόμενα συμβαίνουν και στους άλλους πλανήτες.
3. Οι ηλιακές εκρήξεις εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και σε ακτίνες Χ και γάμα. Η ακτινοβολία Χ ιονίζει περισσότερο την ιονόσφαιρα και αλλάζει τις συνθήκες διάδοσης της (ανάκλασης) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην ιονόσφαιρα. Έτσι επηρεάζονται και συχνά μεταβάλλονται δραστικά οι συνθήκες τηλεπικοινωνίας μεγάλων αποστάσεων επειδή αλλάζει την σύσταση και το ύψος της ιονόσφαιρας της Γης που δρα σαν καθρέφτης ανακλώντας τα βραχέα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που σε κανονικές συνθήκες μεταδίδονται πέρα από τον ορίζοντα. Κατά την διάρκεια εντόνων μεταβολών της ιονόσφαιρας, που προκαλούνται από την έντονη εκπομπή σε υπεριώδη ακτινοβολία και ακτίνες Χ που εκπέμπονται κατά τα εκρηκτικά ηλιακά φαινόμενα οι τηλεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων και η ραδιοφωνία στα βραχέα κύματα που βασίζονται στην διάδοση με ανάκλαση στην ιονόσφαιρα διακόπτονται.Ομοίως μεταβάλλονται οι συνθήκες διάδοσης σε διάφορες συχνότητες, όπως: HF, VHF, VLF, LF και MF.
4. Ο διαστημικός καιρός επιδρά δυσμενώς στις λειτουργίες των δορυφόρων και των διαστημοπλοίων και μερικές φορές η σύνδεση με κάποιο διαστημόπλοιο γίνεται δύσκολη ή ακόμη έχουμε απώλεια του διαστημοπλοίου. Υπήρξαν περιπτώσεις που καταστράφηκαν τεχνητοί δορυφόροι της Γης από έντονο διαστημικό καιρό. Η θέρμανση της ατμόσφαιρας από την ακτινοβολία έχει επακόλουθο την διόγκωσή της, ανυψώνεται και αλλάζει την τροχιά των δορυφόρων. Από την ηλιακή δραστηριότητα μειώνεται βαθμιαία το ύψος της τροχιάς διαστημοπλοίων επειδή μετά από ηλιακές εκλάμψεις η γήινη ατμόσφαιρα ανυψώνεται και αλλάζει βαθμιαία την τροχιά του διαστημοπλοίου σε βαθμό που εισέρχεται στη ατμόσφαιρα της Γης και καταστρέφεται. Η χρήσιμη ζωή δορυφόρων που έχουν χαμηλή τροχιά είναι δυνατό να μειωθεί ακόμη και στο μισό.
5. Η λειτουργία των γεωστατικών δορυφόρων επηρεάζεται κατά τις ισημερίες.
6. Η πρωτονική καταιγίδα είναι σωματιδιακή ακτινοβολία (πρωτόνια και βαρύτερα ιόντα μεγάλης σχετικά ενέργειας) επηρεάζουν τα ηλεκτρονικά των διαστημοπλοίων. Τα πολλά και μεγάλης ενέργειας ηλεκτρόνια και πρωτόνια που έρχονται στη Γη ως αποτέλεσμα της εκτόξευσης στεμματικού υλικού από τον Ήλιο καταστρέφουν τα ηλεκτρονικά ορισμένων τεχνητών δορυφόρων, πιθανώς από εκφορτίσεις που δημιουργούνται όταν φορτιστεί υπερβολικά το διαστημόπλοιο. Οι αστροναύτες κινδυνεύουν (ιδίως όταν είναι εκτός διαστημοπλοίου), τα πληρώματα και δευτερευόντως οι επιβάτες των αεροπλάνων υφίστανται εκτεταμένη επικίνδυνη έκθεση σε ακτινοβολία. πληρώματα. Πρέπει να τονισθεί ωστόσο ότι ο επιβάτης αεροπλάνου δεν έχει τίποτε να φοβάται από τον κακό διαστημικό καιρό.
7. Οι διαστημικές συνθήκες σε όλη την ηλιόσφαιρα και ειδικότερα στον χώρο μεταξύ Ηλίου και Γης μεταβάλλουν παροδικά την ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας στη Γη άλλά και σε εκτεταμένη περιοχή της ηλιόσφαιρας. Τα έντονα μαγνητισμένα νέφη που εκτοξεύονται από τον ήλιο κατά τις εκτοξεύσεις στεμματικού υλικού δημιουργούν τα φαινόμενα Forbush στην κοσμική ακτινοβολία.
8. Ο διαστημικός καιρός μεταβάλλει παροδικά την ταχύτητα περιστροφής της Γης και την διάρκεια του ημερονυκτίου.
9. Οι μεταβολές του διαστημικού καιρού οδηγούν σε απότομες μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της Γης σε βαθμό που αναπτύσσονται έντονα επαγωγικά ρεύματα σε όλους τους αγωγούς μήκους πολλών χιλιομέτρων (καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος και σωλήνες μεταφοράς πετρελαίου) επάνω στη Γη. Το φαινόμενο αυτό είναι εντονότατο κοντά στους μαγνητικούς πόλους της Γης. Αποτέλεσμα είναι η μεγάλη μεταβολή των ρευμάτων να προκαλέσει τήξη μετασχηματιστών υψηλής τάσης έως και τέλεια διακοπή της διανομής ηλεκτρικού ρεύματος, όπως έγινε σον Καναδά τον Μάρτη 1989.
10. Οι μεταλλικοί αγωγοί πετρελαίου διαβρώνονται από τα επαγωγικά ρεύματα παρά την χρήση διορθωτικών τάσεων που εφαρμόζονται για να αναιρέσουν τα επαγωγικά ρεύματα που οφείλονται στον διαστημικό καιρό.
11. Ο διαστημικός καιρός έχει παροδική επίδραση στη λειτουργία των γεωγραφικών συστημάτων (GPS: geographic positioning system), που χρησιμοποιούμε για να βρίσκουμε τη θέση μας πάνω στη Γη και τα οποία λειτουργούν με χρήση διαστημοπλοίων.
12. Πιστεύεται επίσης ότι η ηλιακή δραστηριότητα επιδρά στον καιρό στη Γη και στο κλίμα της. Πιθανώς αυτό είναι αποτέλεσμα της μεταβολής της λεγόμενης ηλιακής σταθεράς, δηλαδή της ισχύος του Ηλίου κατά ποσοστό 0,2%, που μοιάζει μικρό αν και δεν είναι καθόλου αμελητέο. Η επίδραση της μεταβολής της ηλιακής ακτινοβολίας δεν έχει αποδειχθεί ότι επηρεάζει τον καιρό και το κλίμα στη Γη.
13. Οι γεωμαγνητικές καταιγίδες επηρεάζουν και την υγεία του ανθρώπου. Μελέτες που έκαναν ρώσοι γιατροί και φυσικοί δείχνουν ότι μεταβάλλονται οι ορμόνες του ανθρώπου, ενεργοποιεί θετικά τα νέα και υγιή άτομα, επηρεάζεται το ιξώδες του αίματος. Επηρεάζονται κυρίως ευαίσθητα άτομα, εμφανίζονται πονοκέφαλοι, αυξάνουν στο διπλάσιο ή τριπλάσιο τα εγκεφαλικά και καρδιακά επεισόδια, η αρρυθμία της καρδιάς πολλαπλασιάζεται στο χιλιαπλάσιο. Συνδυασμός υψηλής ατμοσφαιρικής πίεσης και γεωμαγνητικής καταιγίδας αυξάνει τα εγκεφαλικά επεισόδια, ενώ χαμηλή ατμοσφαιρική πίεση και γεωμαγνητική καταιγίδα οδηγεί σε αύξηση των καρδιακών επεισοδίων. Σε νότιες χώρες, μακριά από τον γεωμαγνητικό ισημερινό, όπως η Ελλάδα, η επίδραση είναι μικρότερη διότι τα μαγνητικά πεδία δεν μεταβάλλονται παρά ανεπαίσθητα.

Το παρόν άρθρο προέρχεται από την ελληνική έκδοση του Popular Science, τεύχος Μαΐου 2004 και γράφτηκε από τον Ιωάννη Δαγκλή, διευθυντή ερευνών διαστημικής στο Ινστιτούτο Διαστημικών Εφαρμογών καθώς και από την ιστοσελίδα Έρευνα και Εκπαίδευση στη Διαστημική Φυσική του Τομέα Αστροφυσικής του Παν. Αθηνών