Šance na další polární záře: jak nebeské divadlo vzniká a proč nemusí být vždy zelené

Praha 30. července 2024 Sdílet na Facebooku Sdílet na Twitteru Sdílet na LinkedIn Tisknout Kopírovat url adresu Zkrácená adresa Kopírovat do schránky Zavřít

Už několikrát jsme letos mohli pozorovat polární záři v Česku. Jak výjimečné to je? 
Pozorování polárních září v zeměpisných šířkách, které odpovídají České republice, je relativně výjimečné. To, co nastalo v noci z 10. na 11. května letošního roku, byla velmi výjimečná událost, protože k takové mohutnosti dochází zhruba jednou za 20 let. Polární záře je z Čech pozorovatelná opakovaně v průběhu slunečního cyklu, který trvá asi 11 let. Hodně se to zlepšuje zejména v poslední době v důsledku dostupnosti moderních technologií. Schválně jsem díval do pozorovatelské databáze a jenom v květnu u nás polární záře byla pozorovatelná již šestkrát, nicméně jen jednou z toho pouhým okem. V ostatních případech byla pozorovatelná takzvaně fotograficky, s pomocí digitálních fotoaparátů, to bylo letos celkově desetkrát a loni celkem třináctkrát.

Aktivita Slunce je tedy důvodem toho, že se polární záře dá vidět i jižněji, než je Česko? 
Je to tak. Výskyt významných epizod polárních září jednoznačně souvisí s výraznými výkyvy v aktivitě našeho Slunce, která podléhá cyklu aktivity. Ten trvá, jak už jsem říkal, zhruba 11 let. Během jedenáctého cyklu aktivita postupně narůstá a pak zase klesá. V současné době se nacházíme někde v oblasti maxima cyklu sluneční činnosti, takže v současných letech je možné pozorovat polární záře častěji. A pokud tyto události jsou opravdu výrazné, což byl případ té květnové, tak je možné, že se polární záře, jejich pozorovatelnost přesune i mnohem dále na jih. V tomto případě to bylo dokonce v zeměpisných šířkách, které odpovídaly Floridě nebo Karibiku.

Jde čistě o sluneční aktivitu, nebo tam hrají roli i další faktory? 
Zásadním vlivem, který hraje roli, je naše Slunce. Některé polární záře jsou pozorovatelné v podstatě neustále. To se potom bavíme o polárních zářích, které se vyskytují v severských oblastech a jejichž zdrojem je takzvaný sluneční vítr, který od Slunce vane neustále. Ale polární záře, které jsou pozorovatelné z jižnějších oblastí, například od nás, jednoznačně souvisejí s takzvanými erupcemi, ke kterým dochází na Slunci. 

Když už jste zmínil severské země, všimla jsem si, že tam polární záře bývá zbarvená do zelena, zatímco u nás na fotografiích byla růžová až červená. Jak je to možné?
Barva polárních září je dána procesy, ke kterým dochází v zemské atmosféře. Měli bychom si říct, jak polární záře vzniká. U částic, které přicházejí od Slunce, dojde k jakémusi navýšení jejich energie v rámci magnetického pole země. Tyto částice, nejčastěji to jsou elektrony, se potom dostávají do vyšších vrstev zemské atmosféry, kde v uvozovkách nabíjejí atomy a molekuly zemské atmosféry čili vzduchu, předají jim určitou část energie, která se potom dostává do základního stavu a přinutí atomy a molekuly zářit. Pak pozorujeme část ve viditelném záření, které můžeme pozorovat. Doba, která uplyne, než se atom, v tomto případě kyslíku, nabije a zase vyzáří, je poměrně krátká, je to méně než sekunda. U polárních září jsou nejběžnější dvě barvy. Jedna je zelená, má asi 550 nanometrů a objevuje se typicky ve výškách kolem 100 až 200 kilometrů nad povrchem země. Co se týká červené, tak tam je potřeba mnohem řidší atmosféra, protože doba mezi nabitím a vyzářením trvá asi dvě minuty. Kdybychom byli v hustších vrstvách atmosféry, tak naprosto typicky dojde ke srážce s jiným atomem a k vyzáření by nedošlo. Červené polární záře opět způsobují atomy kyslíku, které se vyskytují ve vyšších výškách 200, možná až 400 kilometrů. A protože v České republice se nacházíme blíže k rovníku, tak když se budeme dívat na sever, jako první nad obzorem uvidíme ty vyšší výšky, kde budou převažovat červené barvy. 

Následky geomagnetických bouří 

Už jsme zmínili, jak polární záře vzniká. Ještě by mě zajímalo, jaký vliv na Zemi, na naše fungování to má kromě toho, že můžeme vidět toto nebeské divadlo. 
Polární záře jako takové nemají vůbec žádný vliv. Jsou, řekněme, optickým průvodcem elektrických proudů, které se objevují ve vysoké atmosféře. Ty mohou ovlivňovat například radiové spojení. Nicméně je potřeba si uvědomit, že v okamžiku, kdy dochází k polární záři, probíhá takzvaná geomagnetická bouře, která už je spojována s různými možnými dopady na pozemské technologie. 

Květnová geomagnetická bouře údajně způsobila potíže farmářům v Americe s přesnými technologiemi, jako je GPS.
Něco takového jsem se v literatuře také dočetl. Bouře změní vlastnosti zemské atmosféry, přes kterou musí pronikat vlny, které nesou například GPS signál. V okamžiku, kdy jsou tyto vlastnosti nějakým způsobem narušené, může být narušeno i spojení na družici globálního pozičního systému, a tím pádem může být ovlivněna, a typicky bývá ovlivněna, přesnost navigací. Není to jenom toto. Například i v Severní Americe měřili na rozvodných sítích indukované proudy, což je během geomagnetických bouří také docela běžné. Ukázalo se, že v případě květnové události byly amplitudy proudů asi poloviční ve srovnání s jinou událostí, ke které došlo v roce 1989. 

V kanadském Québecu?
Tato událost vedla k takzvanému Qébeckému blackoutu. Dnešní technologie už je na to lépe připravená, ale samo o sobě to, že amplituda byla poloviční, nese určitou informaci o tom, jak významná byla událost z letošního května.

Ještě přidám rok 1859, kdy podle literatury došlo k velmi silné geomagnetické bouři, při které selhaly telegrafní systémy po celé Evropě a Severní Americe. Na sloupech dokonce přeskakovaly výboje. Studie z roku 2012 ukázala, že taková bouře by v dnešní době lidem způsobila velké problémy. Jak pravděpodobné je, že se toto bude opakovat? Co by to znamenalo pro dnešní svět? 
Správně zmiňujete takzvanou Carringtonskou událost, která je stále považována za zdaleka nejsilnější geomagnetickou bouři v moderní době. Geofyzikové používají ke klasifikacím a k měření význačnosti geomagnetických bouří takzvaný Dst index, který nám dává informaci o tom, jak velké výchylky zemského magnetického pole se objevily v důsledku sluneční činnosti. V případě Qébeckého blackoutu byla změna asi o 900 nanotesla, v případě události z letošního května se mluví zhruba o 500 až 600 nanotesla, v případě Carringtonské události z roku 1859 mluvíme o minus 1760 nanotesla, takže to byla výrazně významnější událost. Zejména v souvislosti s rozvojem, s moderními technologiemi, se hodně studií věnuje historickým rekonstrukcím o tom, jak asi reálně vypadala odezva Carringtonské události. Ukazuje se, že změna v zemské magnetosféře byla obrovská. Kdyby k něčemu takovému došlo, tak modely ukazují, že například zemská magnetosférická ochrana by byla téměř odfouknutá na návětrné straně směrem ke Slunci. Kdyby se tam nacházela nějaká kosmická družice, tak je téměř jisté, že by byla velice poškozená, pokud ne zničena. Myslíme si, že pravděpodobnost výskytu události Carringtonského typu je 12 % v každém slunečním cyklu. To je to, o čem mluví studie z roku 2012. Není to tedy úplně otázka toho, jestli to lze vyloučit, nebo ne. Spíš se dá říct, že jednou to přijde, ale doufáme, že jsme se poučili a posunuli se z hlediska technologií trochu dále. 

Dá se na takovou událost připravit? 
Principálně vzato nedá. Nicméně můžeme vylepšovat technologie, které jsou v určitém smyslu klíčové, a to jednoznačně jsou rozvodné sítě. To je něco, co se v Evropě řeší již delší dobu. Klíčové transformátory, které jsou dnes instalovány a obnovovány, už jsou výrazně méně citlivé na indukované proudy než starší zařízení. Můžeme se tedy domnívat, že k ničemu extrémně závažnému by nemuselo dojít, což mimo jiné ukazuje i to, že v květnu nemáme z Evropy vůbec žádné informace o tom, že by se objevily nějaké potíže spojené s rozvodnými sítěmi. Máme informace ze Severní Ameriky, ale tam je to mimo jiné dané tím, že ve Spojených státech se do obrany rozvodných sítí tolik neinvestuje. Evropa je v tom poněkud dále. 

Jak zpětně zkoumáte hodnoty nebo sílu sluneční aktivity? Chápu, že když se zkoumá například cokoliv s půdou, tak se udělá sonda do půdy, kde je všechno krásně vidět. Ale jak to uděláte vy, když jde o atmosféru?
Sluneční aktivitu jako takovou pozorujeme už dlouhou dobu, takže informaci o tom, jestli byla zvýšená nebo snížená, máme z pozorovacího hlediska až 400 let zpětně a můžeme jít i výrazně dále.

Na to máte písemné zdroje?
Písemné zdroje, přímo pozorování, která se neustále analyzují, zjišťuje se, jakým způsobem byla pořízena, jestli není potřeba je překalibrovávat. Tato informace je jednoznačně daná. Pak jsou nepřímé údaje, které souvisejí se vznikem takzvaných kosmogenních prvků. To jsou prvky v zemské atmosféře, přesněji řečeno izotopy, které jsou nějakým způsobem specifické. Jsou typicky radioaktivní, například uhlík C14, který vzniká tím, že se do atmosféry dostane nějaká vysoko nabitá částice a dusík ji přemění na radioaktivní uhlík. Na základě koncentrace těchto takzvaných kosmogenních prvků můžeme usuzovat na úroveň sluneční aktivity v minulosti. Je to kapánek složitější záležitost, ale v zásadě to tak je. Díky tomu máme informace o sluneční aktivitě zhruba na 11 tisíc let nazpátek, takže můžeme usuzovat, že se něco takového může dít. A když se budeme bavit o významných slunečních erupcích, tak ty jsou v uhlíku C14 vidět. Je to horké téma poslední doby, v roce 2012 se toho stalo hodně, jeden z odborných článků poprvé poukázal na to, že v uhlíkových řadách byla vidět velmi výrazná sluneční erupce, ke které došlo někdy v roce 775. Byl z toho krásný článek, který vyšel ve velmi prestižním časopise Nature. Na to navázali další, kteří začali mnohem podrobněji zkoumat tyto radioaktivní řady, a zjistilo se, že těmto událostem, říká se jim Miyake události podle jejich objevitele z roku 2012, dochází zhruba pětkrát za tisíc let. Jsou to události, které jsou i silnější než ta Carringtonská. To nám dává nějakou statistiku, jak moc Slunce může nebo nemůže být aktivní. 

Ještě se vrátím zpátky k dopadům na moderní technologie. S Tatianou Výbošťokovou z Astronomického ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy jste před lety zkoumali vliv geomagnetických bouří na poruchy v rozvodné síti a následné výpadky proudu. Zjistili jste, že i v Česku bylo poruch v síti víc v období zvýšené sluneční aktivity. Může tedy způsobit i nějaké významnější poškození sítí?
Historicky je to známo a opakovaně doloženo při velkých událostech. Například kdybychom se vrátili ke Québecu roku 1989, tak tam došlo k velkoplošnému kolapsu energetické sítě v celé oblasti Hudsonova zálivu, to je zhruba třetina plochy Kanady. Kolaps trval asi 9 hodin a došlo k němu během asi devadesáti sekund. Byla to velice rychlá záležitost, při které mimo jiné došlo k fyzickému poškození mnoha zařízení rozvodné sítě, ať už to byly různé generátory, nejenom v oblasti Hudsonova zálivu, ale známé je i fatální poškození výstupního transformátoru jaderné elektrárny Salem 1 v New Jersey v ústí řeky Delaware. Transformátor byl odepsán, protože se roztavilo jeho jádro. V následujících dvou letech došlo k zásadnímu selhání asi dvanácti transformátorů na území Spojených států amerických. Byla to poměrně význačná záležitost, která se tohoto týkala. To mimo jiné inspirovalo vědce kolem roku 2012, 2013, Karla Schreibera a další, kteří se začali zabývat tím, jestli by bylo možné statisticky sledovat i dopady menších událostí na kvalitu rozvodů elektřiny. Začali statisticky studovat tyto souvislosti a ukázali, že pro severoamerický kontinent jdou zhruba 4 % závad na vrub sluneční aktivity. Nedá se ukázat na konkrétní závady, ale je tam statistický nárůst. To pro nás s Tatianou byla inspirace, kdy jsme si řekli, že na základě těchto výsledků se zdá, že statistika příliš nezávisí na vzdálenosti od rovníku čili relativní nárůst v severských státech USA je stejný jako v těch jižních, proč by se něco takového nedalo studovat i u nás? Potom jsme velice složitě vyjednávali s distributory v Česku, získali jsme od nich data, která jsme potřebovali, a udělali jsme velice podobnou statistickou analýzu. Zajímalo nás, jakým způsobem se změní počet anomálií na rozvodné síti. Mohou to být výpadky elektřiny, výpadky zařízení nebo poruchy, které se objevují se změnou sluneční aktivity. I v našich studiích se ukazuje, že tam je zhruba čtyř až sedmiprocentní nárůst závadovosti a že je jasná souvislost s významnějšími událostmi, kdy závadovost v prvních, řekněme, pěti dnech narůstá o 5 až 10 % nad běžnou úroveň. Nedá se ukázat na to, že konkrétní závada byla způsobena úderem sluneční aktivity, ale představa je taková, že události, které souvisejí se sluneční aktivitou, vyvolávají určitou zvýšenou zátěž v zařízeních, která vede k nějakým, řekněme, drobnějším poškozením, jenž se mohou projevit s časovým odstupem. Tato souvislost tam je.  

Prevencí potíží, které jste zmiňoval, je změnit technologie? 
V současné době jsou v jisté formě známy technologie, které by měly umět minimalizovat dopady geomagnetických indukovaných proudů. Jsou to například různé filtry, protože indukované proudy mají jinou frekvenční charakteristiku než proudy výkonné, takže je možné mít zařízení, které jedny pouští, druhé ne. Existuje dokonce patentované zařízení, kterému se říká GIC imunní transformátor. GIC jsou geomagnetické indukované proudy, takže jde o transformátor, který je imunní vůči dopadům geomagnetických indukovaných proudů. To je něco, co se v současné době v severských zemích, které jsou tím více postižené, instaluje naprosto běžně. Věřím tomu, že postupem času se to rozšíří i do dalších států během nahrazování dosluhujících zařízení novými a že problémy nastávat nebudou. Tolik k rozvodným sítím, ale můžeme mít i další dopady například na komunikace. Tam se neděje nic zásadního, musí se chvilku počkat, až to do jisté míry odezní samo. Co se týče potenciálního ohrožení zařízení na oběžné dráze, jako jsou zmíněné kosmické družice, ať už komunikační, sledovací a podobně, tak tam obrana neexistuje. Jediná myslitelná možnost obrany je mít připravené nové družice k vypuštění, které by je okamžitě nahradily. 

Může mít geomagnetická bouře vliv i na živé organizmy, včetně člověka?
To je také studováno poměrně často. Velmi často se k tomu přistupuje opět statisticky, jinak se to asi udělat nedá. Provádí se nějaké statistické zkoumání a v tomto případě studie vycházejí nepřesvědčivě. Nedá se zcela vyloučit vliv geomagnetických bouří na zdraví živých organizmů, ale rozhodně se nedá říci, že tam takový jev jednoznačně je. V některých případech ano, to se týká živočišných druhů, které se orientují podle magnetického pole. Je běžně známo, že geomagnetické bouře mají nějaký vliv například na poštovní holuby nebo na migrující kytovce a podobně. V případě člověka jsem k tomu poněkud skeptický, protože magnetické pole nevnímáme nebo aspoň nevíme o tom, že bychom na něj měli receptory. Navíc zemské magnetické pole se mění už po velmi dlouhou dobu a my jako živočišný druh jsme tady dost dlouho na to, abychom si na něco takového zvykli. Je potřeba si taky uvědomit, že změny zemského magnetického pole vyvolané sluneční aktivitou jsou srovnatelné s hodnotami změn magnetického pole, které vyvolávají moderní technologie. Silná geomagnetická bouře vyvolává změny magnetického pole, které odpovídají takovým změnám, které pociťujete, když 100 metrů od vás projede souprava metra. Nevšiml jsem si na nástupišti, že by v okamžiku průjezdu metra lidé z tohoto důvodu kolabovali, takže jsem k tomu velice skeptický. 

Až znovu uvidíme polární záři

Jak časté jsou geomagnetické bouře? 
Geomagnetické bouře jednoznačně souvisejí s vlivy sluneční aktivity a dá se říct, že v období zvýšené sluneční aktivity jsou téměř na denním pořádku. Pokud jde o nějaké slabší geomagnetické bouře, tak ty jsou výrazně častější, minimálně u nás nevyvolají polární záře, v severských zemích asi ano, ale nezpůsobí žádné problémy na technologiích. Kdybychom se bavili o velmi výrazných geomagnetických bouřích, obvykle jsou označovány kategorií G4 nebo G5, tak ty už jsou výrazně méně časté. Za jeden sluneční cyklus, což je zhruba 11 let, je bouří třídy G4 několik desítek, což není mnoho, a bouře třídy G5 jsou velice vzácné. Když se podíváme zpětně, tak naposledy byla geomagnetická bouře kategorie G5 11. května a předtím jsme ji měli možnost zaregistrovat v roce 2003. To nám dává nějakou informaci o tom, jak často se tyto významné události vyskytují v našem okolí. 

Budeme mít štěstí v následujících měsících? Vím, že to je těžké předvídat, ale budeme moci v příštích měsících znovu pozorovat polární záři i v Česku? Přijde nějaká silnější geomagnetická bouře?
Upřímně řečeno doufám, že k tomu dojde. Naprosto správně jste poznamenala, že se to nedá předpovědět, ale můžeme vycházet ze zkušenosti a z modelů, které říkají, že pravděpodobnost výskytu silných slunečních erupcí a s nimi spojených geomagnetických bouří je vysoká v období maxima sluneční činnosti a krátce po něm, což je období, ke kterému směřujeme. Současný cyklus sluneční aktivity není úplně zanedbatelný, byť není zdaleka tak mohutný jako například před dvaceti lety, ale je překvapivě mnohem silnější, než ten před deseti lety, takže můžeme doufat a můžeme si myslet, že sluneční aktivita ani zdaleka nevyhasíná, že je dost možné a pravděpodobné, že v následujících měsících se bude vyskytovat větší množství extrémních slunečních bouří a že, když to bude dobře nasměrováno a u nás bude jasno, budeme moct pozorovat polární záře opět i z České republiky.