Nebezpečné Slunce aneb Bouřlivé vyhlídky pozemšťanů
Sluneční vítr dokáže v polárních oblastech planety Země roztančit magická světla. Ale pokud se vinou silnější sluneční aktivity změní v orkán, může přetechnizovanému světu připravit vážné problémy. Tak jako v následujících měsících.
Tisíce obyvatel New Yorku se v noci 28. srpna 1859 shromáždily na ulicích i střechách budov a pozorovaly oblohu „prostoupenou světelnými závoji tak velkolepými, jaké nebyly k vidění již po řadu let“. Nad bavorským Bamberkem, referoval tamní „Týdeník pro záležitosti astronomie, meteorologie a geografie“, se „celý prostor od severozápadu po severovýchod rozzářil mořem paprsků od tmavé modři po světlou žluť“. Ředitel bruselské observatoře hlásil, že vinou silné polární záře byl „podmořský kabel spojující Ostende s Doverem po celé ráno potažen fluidem“, takže „došlo prakticky k vyřazení telegrafního provozu mezi Bruselem a Londýnem“.
O několik dní později nebesa pozemšťanům přichystala další velkolepou podívanou. Táborníci se v „Rocky Mountains News“ zapřísahali, že 2. září krátce po půlnoci se dostavila jasná polární záře, umožňující i četbu novin. Zmateným obyvatelům kubánské metropole Havany se večerní obloha jevila „pokryta krvavými skvrnami a celá zachvácena požárem“.
Působivé světelné hrátky nebyly než viditelnými projevy dvou slunečních bouří, které v rychlém sledu přilétly k Zemi. Vůbec nejsilnějších, jaké figurují v historických análech. Tehdejší vědci si uvědomovali souvislost s činností našeho Slunce: Ve čtvrtek 1. září dopoledne amatérský anglický astronom Richard Carrington zaregistroval dva oslnivě jasné světelné záblesky v seskupení skvrn na Slunci, jejichž zkoumání se právě věnoval. O 17 hodin později se nebe nad rozlehlými oblastmi zeměkoule ocitlo v plamenech.
Jakým způsobem dává Slunce Zemi pocítit své „nálady“, jak přesně vypadá solárně terestrický vztah překlenující vzdálenost více než 150 miliónů kilometrů, to zůstalo úkolem pro následující generace badatelů.
Co už dnes víme: Bizarní světelné závoje má na svědomí tok částic vysílaných do prostoru Sluncem. Dané toky se vzájemně liší. Hvězda, jež naší planetě darovala život, mění svoji aktivitu přibližně v jedenáctiletém cyklu.
Rytmus se prozrazuje přibýváním a opětovným ubýváním skvrn na Slunci. V daném rytmu zároveň stoupá pravděpodobnost silných slunečních erupcí – tedy i šance, že opět budeme moci i v malých zeměpisných šířkách obdivovat magickou polární záři.
Žhavý míč jménem Slunce poslední dobou opět spěje k jednomu z vyvrcholení své aktivity – poté, co se neobvykle dlouho choval nezvykle klidně. Podle předpovědí NASA by Slunce v prvních měsících roku 2014 mělo vystupňovat svoji aktivitu v rámci daného cyklu. Proto neklid ve vědecké obci. Odborníci si totiž dobře uvědomují, nakolik zničující následky by v současné době mohly mít erupce, jaké v roce 1859 pozoroval astronom Carrington.
V jeho době se aplikace technických poznatků ještě nevymanila z plenek. Lidstvo dosud neznalo dynamo, ulice byly v lepším případě osvětleny plynovými lampami, mezi Evropou a Amerikou ležel jediný telegrafní kabel. Zkrátka zásadní rozdíl proti současnosti, kdy jsme na elektrorozvodných sítích, bezdrátovém spojení a satelitech, na telefonu, internetu a navigačních systémech závislí jak pacient na krevní konzervě. Silná sluneční bouře, tedy orkán částic ženoucí se vesmírem, by mohl silně otřást magnetickým štítem Země a vyřadit z provozu některé důležité složky naší technické infrastruktury.
Předpovědět takový „nečas“ a zabránit alespoň nejhoršímu patří k aktuálně prioritním úkolům vědců věnujících se sluneční aktivitě. „Tep i teplotu“ centrálního bodu naší sluneční soustavy nepřetržitě měří několik satelitů.
Jedním z těch, kdo nespustí žhavou kouli z očí, je Volker Bothmer z univerzity v severoněmeckém Göttingenu. Na astrofyzikově pracovním stole návštěvníka zaujmou displeje tří tabletů a velký monitor, na nichž defiluje Slunce z různých úhlů pohledu: V jednom případě je zobrazeno magnetické pole, vedle hvězda září ultrafialovým světlem a sousední obrazovka předvádí pouze rozptýlené světlo korony. A když se Bothmer vydá mimo pracovnu, může stejné obrázky sledovat na displeji mobilního telefonu.
Vědec pozorující Slunce již od 80. let minulého století zneklidní vždy, když se na povrchu hvězdy objeví velké skvrny – známka vzniku magnetických polí s opačnou polaritou: „V takovém případě může snadno dojít ke zkratu a narušení magnetického pole.“ Projeví se gigantickými explozemi, proti nimž zůstávají i nejdivočejší sopečné erupce na Zemi pouhou prskavkou. Tyto výboje jsou většinou doprovázeny jasnými záblesky ultrafialového a rentgenového záření s vysokým energetickým potenciálem (často se o nich mluví jako o CME, tedy Coronal Mass Ejection). Jakmile magnetická bublina splaskne, vystřelí do vesmíru miliardy tun sluneční hmoty, rozpoutá se sluneční bouře, řítící se k zemi rychlostí více než 3000 kilometrů za sekundu (viz velká grafika).
Žhavé, elektricky nabité částice – tedy plazma – se pak závratnou rychlostí proderou mnohem pomalejším „běžným“ slunečním větrem, plynulým tokem elektronů a protonů, vycházejícím z naší hlavní hvězdy a setrvale vanoucím sluneční soustavou. Před plazmovou bublinou se vytváří jako luk vyklenutá rázová vlna, komprimující sluneční vítr a urychlující jeho částice jako kulky v hlavni pušky.
Trvalý jemný „vánek“ částic obvykle nevnímáme. Tak jako deflektorové štíty, jeden z atributů vesmírných korábů ze science fiction, dokáže magnetické pole Země vesmírné částice odklonit a ochránit tak naši planetu. Nicméně magnetická „skořápka“ se pod tlakem slunečního větru výrazně deformuje. Na straně přivrácené ke Slunci dochází k jejímu stlačování, ve stínu Země naopak vytvoření dlouhého „ocasu“. Pokud solární bríza přejde v bouři, magnetický obal pořádně zmačká. Vpředu pak zasahuje do vesmíru sotva na délku pěti zemských poloměrů, zatím co běžně to bývá asi desetinásobek.
Již při běžném slunečním větru se „chvost“ magnetosféry třepotá jako vlajka v našem pozemském povětří. Po dopadu solárních částic na magnetosféru vzniknou magnetické zkraty. Dají vzniknout elektrickým proudům, takže elektrony překypující energií začnou na noční straně planety téct podél magnetických siločar k pólům. Ve výšce 100 až 300 kilometrů nad povrchem Země se srážejí s molekulami a atomy vzduchu, až je rozzáří. Přitom vzniká jev nazývaný polární září.
Jenže při sluneční bouři se magnetické pole zdeformuje zvláště výrazně a elektrony si za to zamíří navíc i do jižnějších šířek. Polární záře se pak rozsvítí i nad střední Evropou, a někdy dokonce bývá viditelná také na středomořské obloze. Poháněna poryvy sluneční bouře pak vytváří zvláště živou a nádhernou podívanou, pozorovatele vzrušuje a zároveň dráždí.
Jak často dochází k výronům koronální hmoty, závisí na slunečním cyklu: Pokud se Slunce nachází ve fázi nízké aktivity, napočítají vědci v průměru jeden CME týdně. Na vrcholu cyklu se jich může objevit až tucet denně – přičemž většina z nich je patrná i na Zemi.
Co se na nás v následujících měsících řítí, přesto podle Bothmera nelze přesně předpovědět. K silným bouřím, vysvětluje, často dochází až v sestupné části křivky slunečního cyklu.
Precizněji lze předvídat efekty podobného orkánu v hvězdném prostoru. Platí, že magnetická pole nedmyslitelně spjatá se sluneční bouří indukují elektrické proudy. A ty pak ovlivňují elektrorozvodné sítě: „Čím rozsáhlejší síť a čím větší elektrické napětí, tím větší riziko rozsáhlého výpadku – blackoutu,“ shrnuje vědec z univerzity v Göttingenu.
Hrubou představu o tom, co by se mohlo stát, máme díky zkušenosti se sluneční bouří z 13. března 1989. Tehdy se během 90 sekund zhroutila elektrorozvodná sít v kanadské provincii Quebec, šest miliónů lidí se na devět hodin ocitlo bez proudu, milión obyvatel dokonce ještě déle. Škody způsobené výpadkem dodávek se odhadují na pět miliard eur.
John Kappenman se zabýval analýzou zmíněného i řady dalších blackoutů. Už 30 let pracuje jako elektrotechnik ve firmě Storm Analysis Consultants na specifikaci účinku slunečních bouří a návrzích efektivních protiopatření. Zkušenost jej naučila, že Achillovou patou elektrorozvodných sítí zůstávají transformátory vysokého napětí. Jejich uzemňovacím kabelem může při slunečních bouřích – jak se energetikům podařilo naměřit ve Skandinávii – proudit i více než 100 ampérů a poškodit vinutí. Pokud pak vysadí několik těchto nákladných zařízení zároveň, oprava a plné zprovoznění sítě se citelně protáhnou i prodraží – dodací lhůty těchto zařízení se pohybují kolem jednoho roku.
Kappenman na příkladu USA odhaduje rozsah škod po bouři srovnatelné s rokem 1859, ovšem zasazené do kontextu současného světa s vysokým zapojením složité techniky: Ve tmě by se ocitlo zhruba 130 miliónů lidí na severozápadě a na východním pobřeží Spojených států od Maine až dolů na Floridu. Hrozilo by trvalé poškození více než 350 transformátorů vysokého napětí. Odstranění všech poruch by mohlo trvat déle než deset let. A stát bilióny eur.
Přitom nejde pouze o elektrické osvětlení. V tunelech by uvízly vlaky metra i tramvaje, vysadily semafory, nefungovaly by čerpací stanice, protože spoléhají na elektrická čerpadla. Zkazilo by se zboží v mrazicích boxech nákupních center a po vyčerpání kapacit nouzových akumulátorů mobilních operátorů by se poroučely také telefonní sítě. Na kratší či delší dobu by se ochromila také lékařská péče, nedostatek paliv by vyprázdnil supermarkety, netrvalo by dlouho a obyvatelstvu by se začalo nedostávat čisté vody.
Kromě elektrické sítě by silná sluneční bouře srazila do kolen také komunikační systémy. A při rozvířené ionosféře by se poroučela také letecká doprava. Rádiové spojení mezi pilotem a řídicí věží přece stojí na krátkovlnném pásmu, schopném překonávat zvláště velké vzdálenosti, a to díky odrazům právě od ionosféry. Při sluneční bouři by se žádoucí jev vytratil.
Aerolinkám by nezbylo než přejít na satelitní komunikaci. To ale nejde v případě letů přes severní pól, protože ve vysokých zeměpisných šířkách nelze navázat spojení se žádným ze satelitů. Lety mezi Severní Amerikou a Asií by se tak musely předisponovat jižněji. Nouzová opatření, ztracený čas a palivo by každý let prodražily o desítky tisíc eur.
Deformace ionosféry by navíc vedla k rušení signálů navigačních družic, lhostejno, zda systémů GPS, Galileo, či jiných. Určení polohy bodu na povrchu země by se tak mohlo odchýlit o 50 až 100 metrů od skutečnosti. Sice nic tragického pro nás, kdo hledáme něčí adresu, ale zato vážný problém třeba při těžbě ropy na moři, kde signály GPS rozhodují o přesném umístění plošiny nad vrt. Nemluvě o pilotech, kteří se mohou v hustém provozu na letištích bezpečně přiblížit jen díky přesnému určení polohy.
K vážným škodám by došlo také v další branži, která možná není tak na očích: v globálním finančním systému. Protože každý elektronický nákup akcií, každý platební převod musí být opatřen „časovým razítkem“, aby při toku obchodů prováděných elektronicky během několika sekund nenastal zmatek v posloupnosti. Řada bank proto spoléhá na signál přesného času, přenášený navigačními satelity. Vinou sluneční bouře by se na něj už nedalo spoléhat.
Můžeme se proti slunečním atakům účinně vyzbrojit? Jde to, říká John Kappenman. Relativně levný způsob spočívá v ochraně choulostivých transformátorů vestavbou elektrických odporů, eliminujících penetraci geomagnetickými proudy. Úprava jednoho transformátoru přijde na 30 000 až 80 000 eur. Provozovatelé sítí se investicím tohoto druhu vyhýbají, protože podceňují riziko blackoutu.
Kappenman proto se zájmem sleduje trend výstavby čím dál delších vedení o vysokém napětí a zároveň dalším zvyšováním počtu voltů. Oba postupy zvyšují zranitelnost elektrorozvodných sítí v případě slunečních bouří. V mnoha čínských sítích už proudí 1000 kilovoltů, v USA platí za maximum 765 kV a v Evropě 380 kilovoltů. „Energetické společnosti ženou napětí do nebes,“ kritizuje John Kappenman, „aby omezily ztráty na dlouhých vzdálenostech. Přitom nemyslí na současně rostoucí riziko.“ K opatrnosti je navíc nenutí ani žádná státní regulace.
Nebezpečí blackoutu „v současné době nejsme schopni přesně určit“, soudí Volker Bothmer. „Potřebujeme zpracovat detailní studie.“ Lepší povědomí o povaze rizik ale ještě neřeší druhý problém: obtížné předpovídání počasí ve vesmíru. Pokud bychom věděli, kdy přesně sluneční bouře na Zemi udeří a které oblasti budou zvláště silně zasaženy, mohli bychom například dočasně vypnout části rozvodné sítě a zabezpečit umělé družice.
Ale „pokud budeme současný stav poznání srovnávat s prognózami počasí na Zemi, pak jsme na tom s vesmírnou povětrností jak v 50. letech minulého století“, přirovnává Bothmer. Satelity i observatoře nás sice zásobují spoustou údajů o slunečních erupcích, světelných záblescích a rychlosti slunečního větru, ale zatím z toho nejsme schopni vypočítat účinky, nemluvě o přesné lokalizaci v čase a prostoru.
Důvodem je i to, jak oblak plazmatu z koronálního výronu na své cestě k Zemi ztrácí rychlost. Dosud nedokážeme zpomalení spolehlivě spočítat. Teprve když sluneční hmota mine družici NSA jménem ACE, vzdálenou od Země 1,5 miliónu kilometrů, můžeme usuzovat na čas kolize. Jenže k uražení zbývající vzdálenosti stačí silné bouři jen čtvrthodina.
Ďábelsky krátká lhůta na včasné varování obyvatelstva.
Nicméně pod egidou Volkera Bothmera odborníci pracují na Evropskou unií podporovaném výzkumném projektu AFFECTS, zabývajícím se vesmírným počasím. Vyvíjejí varovný systém pro oblast komunikací a satelitní navigace, bez nadsázky strategickou. Další tým, koordinovaný finským meteorologickým ústavem, pracuje za použití čím dál dokonalejších počítačových modelů na predikční službě pro poruchy elektrorozvodných sítí. V červnu 2012 dokázal Bothmerův tým předpovědět náraz bouře s přesností na hodinu. Často však prognóza pořádně pokulhává za realitou: v případě CME z poloviny července 2012 o devět hodin. „S tím se nemůžeme spokojit,“ říká göttingenský specialista.
Zpřesnění předpovědí by potěšilo také mnohé laiky. Kdyby konečně věděli, kdy se vyplatí zůstat bdělý a moci se pokochat pozitivní stránkou polární záře – její světelnou show. Protože navzdory všem rizikům a problémům, jež nám vesmírné počasí připravuje, je z estetického hlediska nanejvýš vítané.
Francouzský fotograf Olivier Grunewald se proslavil krajinářskými snímky. Íránský rodák Babak Tafreshi, žijící v Německu, se specializuje na zobrazení noční oblohy. Klaus Bachmann, redaktor GEO, se na pozorování polární záře nad střední Evropou vysloveně těší.
