Solární fyzika a bezpečnost

Solární fyzika, resp. fyzika Slunce, se zabývá studiem a popisem hvězd, jich popisem jeho struktury i chování. Napřímo ovlivňuje bezpečnostní obory, jak je vidět na příkladech, které uvádíme na konec článku. Následující poskytnuté informace jsme čerpali z následujících zdrojů:

¹MICHAL, Švanda. Sluneční fyzika. MICHAL, Švanda. Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova [online]. Praha: Sirrah, UK, 2015. Dostupné z: http://sirrah.troja.mff.cuni.cz/~svanda/AST001/ ,

²ŠALOMOUNOVÁ, Markéna. Kosmické počasí – variace Ionosféry vlivem procesů na Slunci. Brno, 2011. Bakalářská práce. Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta, Ústav teoretické fyziky a astrofyziky. Vedoucí práce Mgr. Zbyšek Mošna.

Pokud Vás zajímá více článků o fyzice a bezpečnosti, sledujte naší rubriku Fyzika A Bezpečnost – KINT S.r.o.

Solýrní fyziku můžeme rozdělit do následujících oblastí:

–   obecný popis Slunce jako hvězdu,

–   vnitřní strukturu Slunce,

–   konvekce,

–   atmosféra,

–   rotace,

–   oscilace,

–   helioseismologie,

–   sluneční magnetismus,

–   erupce,

–   korona,

–   kosmické počasí.

Z hlediska fyziky pro bezpečnostní obory se zaměříme zejména na kosmické počasí jakožto důsledek vlastností popisované v dalších odvětvích solární fyziky, protože má přímí vliv na lidský systém a technologie.

Kosmické počasí

Kosmické počasí výrazným způsobem ovlivňuje lidské technologie a klima Země, proto se oblast měření a předpovědi kosmického počasí považuje za velmi perspektivní obor s využitím v aplikované sluneční fyzice. Výkyvy v kosmickém počasí způsobují mimo jiné: geomagnetické bouře, polární záře, ionosférické poruchy, poruchy elektroniky, poruchy dálkových vedení ³MICHAL, Švanda. Sluneční fyzika. MICHAL, Švanda. Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova [online]. Praha: Sirrah, UK, 2015 [cit. 2017-09-04]. Dostupné z: http://sirrah.troja.mff.cuni.cz/~svanda/AST001/ .

Sledované veličiny kosmického počasí především jsou:

–   sledování IMF (meziplanetární magnetické pole) v okolí Země v nT,

–   poruchové proudy v ionosféře (Dst) vzniklé zvýšenou aktivitou Slunce v nT pro určení intenzity magnetické bouře v nízkých zem. Šířkách,

–   další geomagnetické indexy – K, Kp, Ap, AE ⁴ŠALOMOUNOVÁ, Markéna. Kosmické počasí – variace Ionosféry vlivem procesů na Slunci. Brno, 2011. Bakalářská práce. Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta, Ústav teoretické fyziky a astrofyziky. Vedoucí práce Mgr. Zbyšek Mošna.,

–   rychlost slunečného větru v km/s,

–   Proxy sluneční aktivity (¹⁴C):

–   ¹⁴C, izotopy Be: kosmogenní prvky,

    –       zřejmě galaktický původ, při zvýšené sluneční aktivitě ztrácí energii a jejich pronikavost do zemské magnetosféry je menší,

    –       vyšší aktivita = méně ¹⁴C,

    –       izotopy lze nalézt v ledovcích, letokruzích stromů,

–   geologické vrstvy mapující obecně klimatickou teplotu.

Metody předpovědi aktivity:

–   Předpovědi aktivity:

    –       krátkodobé – extrapolace založené na zkušenosti, „pozorování“ odvrácené strany

            –          úspěšnost ~ 85 % na týden,

    –       dlouhodobé

            –          matematická funkce modelující vývoj indexu aktivity

                        –           předpověď = extrapolace,

            –          fyzikální model beroucí principy, kalibruje se na pozorování,

                        –           předpověď = vývoj modelu do budoucna,

–   Sluneční aktivita ovlivňuje techniku – z důvodu plánování je nutné mít alespoň odhad

    –       NASA a plánování misí a pobytů ve volném kosmu,

    –       energie – ostražitost před výpadky,

    –       družice – možné poruchy, přechod do bezpečného režimu.

Vybrané slunečné jevy a anomálie

Scénář eruptivní události:

            1. Vysokoenergetické elektromagnetické záření

–   RTG a gama,

–   ionizuje atmosféru, poruchy komunikací a GPS,

–   trvá osm a půl minuty po erupci.

            2. Protonová bouře

–   nebezpečná pro astronauty, zvyšuje radiační zátěž pilotů atd.,

–   diferenciální nabíjení částic,

–   trvá 23 minut až dvě hodiny.

            3. Koronální ejekce hmoty

–   poruchy magnetosféry,

–   výpadky družic, výpadky sítí,

–   20 hodin až tři dny.

Polární záře je výsledek interakce částic slunečního větru s atomy a molekulami v atmosféře (srážková excitace); velký příkon, až 600 GW; vyskytují se nejčastěji v okolí polárních kruhů; probíhají téměř symetricky na jižní a severní polokouli; naprosto neškodné – ruší krátkovlnné spojení, umožňuje spojení dlouhovlnné.

Dopady Slunečné aktivity na Zemi

Vlivy Slunečné aktivity na Zemi:

–   Vznik napětí na dlouhých vedení:

    –       rozpad energetických sítí,

    –       koroze ropovodů.

–   Ovlivnění rádiového spojení:

    –       letecký provoz!

–   Navigace:

    –       těžební plošiny,

    –       radiomajáky.

–   Falešné signály.

–   Elektronika.

–   Poškození kosmických družic.

–   Zvýšené radiační riziko pro kosmonauty, piloty, letušky.

–   Potenciální nebezpečí pro kybernetické implantáty.

–   Lidé citlivější na změny magnetického pole:

    –       možný vliv na NMR vyšetření  (nukleární magnetická rezonance).

–   Ztráta orientace zvířat: holubi, delfíni, velryby apod.

Periody aktivity a souvislost s klimatem

Gleissbergův cyklus:  87 let, modulace amplitudy cyklu.

De Vriesův cyklus:     205 let.

Hallstattův:    2300 let.

Erupční perioda: 140—170 (154) dní.

Silná perioda ~ 27 dní! + aperiodická složka

Periody nemají fyzikální základ, nereprodukují se v modelech ⁵MICHAL, Švanda. Sluneční fyzika. MICHAL, Švanda. Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova [online]. Praha: Sirrah, UK, 2015. Dostupné z: http://sirrah.troja.mff.cuni.cz/~svanda/AST001/.

Vztah mezi slunečnou aktivitou a pozemským klimatem dle ⁶MICHAL, Švanda. Sluneční fyzika. MICHAL, Švanda. Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova [online]. Praha: Sirrah, UK, 2015. Dostupné z: http://sirrah.troja.mff.cuni.cz/~svanda/AST001/:

10.–13. století: teplé klima, Grónsko – zemědělská kolonie (Green-land)

13. století: ochlazování

645–1715: Malá doba ledová  (Maunderovo minimum)

Vybrané pohromy

 Kapitola stručně uvádí vybrané pohromy zapříčiněné sluneční aktivitou a náhlou změnou magnetického pole, dle [20].

            Carrington Event (supererupce)

–   první historicky doložená erupce z 1. 9. 1859,

–   geomagnetická bouře následující dva dny,

–   polární záře až v Karibiku, horníci ve Skalistých horách snídali v domnění, že je ráno, bylo možné číst noviny,

–   výpadek telegrafního spojení, popálení operátorů, některé linky posílaly falešné zprávy i bez napájení,

–   Dst index −1760 nT.

Elektromagnetická bouře roku 1921

–   geomagnetická bouře vyřadila 13. května 1921 městskou železnici v New Yorku

    –       zřejmě od telegrafního vedení vyhořela kontrolní věž,

–   kompletní výpadek telegrafní sítě na východě USA,

–   rozsáhlé poruchy (“vyhořelá elektronika”) telefonní sítě ve Švédsku,

–   poruchy transkontinentálních kabelů.

Québeck blackout

–   13. březen 1989 rozsáhlá geomagnetická bouře jako výsledek série erupcí a CME (koronární výtrisk hmoty),

–   rozpad energetické sítě v Québecu, kompletní blackout trval 9 hodin,

    –       izolující kamenné podloží,

    –       rozpad trval řádově sekundy,

    –       vyhořelo několik transformátorů,

    –       celkové škody $6 milionů,

–   vyhořelý 500 kV transformátor v New Jersey,

–   dva vyhořelé 400 kV transformátory ve Velké Británii.

Bastille Day Event

–   erupce třídy X5 14. 7. 2000,

–   protonová erupce na středu disku, tedy dobře sledovaná,

–   naprosto zahltila EIT@SOHO a udělala měření nepoužitelnými,

–   doprovázena geomagnetickou bouří 15.-17.7.

–   dozvuky koronální ejekce hmoty detekovány přístroji na Voyager 1 a Voyager 2.

23. 7. 2011 Erupce na odvrácené straně Slunce

–   mohutná CME (síla neznámá), zasáhla satelit STEREO A

    –       ve skutečnosti dvě CME s odstupem 15 minut, oblast “vyčištěna” jinou CME před čtyřmi dny,

    –       2900 km/s (!),

–   odhadnuta geoefektivita – DST ~ -1200 nT,

–   odhadnuty škody: 2 biliony dolarů (20x Katrina).