Březen 2011

Záhadné Slunce

Martin Uhlíř

Naše mateřská hvězda byla po miliony let spolehlivým dodavatelem energie, dárkyní života. Pro technickou civilizaci, která na Zemi vznikla v posledních desetiletích, však Slunce představuje hrozbu, jejíž existenci si zpravidla vůbec neuvědomujeme. Je tedy zneklidňující, že se v poslední době Slunce chová podivným způsobem.

Prvního září 1859 zaměřil britský astronom Richard Carrington svůj dalekohled na Slunce a obraz z objektivu promítl na bílou plochu. Spatřil tak povrch hvězdy a na něm neobvykle velký shluk tmavých skvrn. Sluneční skvrny, tehdy již dobře známý jev, jej neudivily, překvapující byly jejich rozměry. A také to, co uviděl vzápětí: dva jasné výšlehy bílého světla v okolí skvrn, které se postupně zjasňovaly a nabývaly ledvinovitého tvaru, až zhruba po několika minutách zeslábly a zmizely. Následujícího dne před rozbřeskem se na pozemské obloze roztančily pásy rudé, zelené a fialové barvy. Polární záře byla vidět i na Kubě, Jamajce nebo Havaji, tedy výjimečně blízko rovníku. Zlatokopové ve Skalnatých horách vstávali a chystali se do práce, neboť se domnívali, že již začíná svítat. Ale nezůstalo jen u strhujícího přírodního divadla: od sloupů telegrafního vedení odletovaly jiskry a šokovaným operátorům začal v některých případech hořet v rukou papír, na který se tiskly depeše. A co bylo snad ještě podivnější: telegraf fungoval, dokonce i když jej odpojili od zdrojů elektrického proudu. I pak umožňoval posílání zpráv. Obrovská sluneční erupce, k jaké podle odhadů dochází tak jednou za 500 let, tehdy nezpůsobila větší škody. Rozkolísala sice telegraf, a vyvolala tak jistý chaos v dálkové komunikaci, tehdejší civilizace však nebyla ještě závislá na složitých elektrických sítích a komplikovaných přístrojích. Telefon dosud neexistoval, do startu elektrifikace scházely ještě zhruba dvě dekády.

Kdyby se něco podobného odehrálo dnes, mohlo by to způsobit katastrofu stěží představitelných rozměrů a obrovské finanční škody. Zneklidňující jsou v této souvislosti dvě věci. Tou první je skutečnost, že astrofyzici zatím nedokáží příchod sluneční bouře uspokojivě předpovědět. Druhým důvodem ke znepokojení je to, že se Slunce v poslední době chová dost podivným způsobem.

Kdybychom dokázali cestovat do Slunce, střetli bychom se s výjimečně vysokou teplotou už ve vzdálenosti několika slunečních poloměrů od povrchu hvězdy. Teplota v takzvané sluneční koróně přesahuje milion stupňů Celsia. Mohli bychom tu spatřit vrcholky slunečních protuberancí, obrovských smyček ionizovaného plynu (plazmy), vyzdviženého a spoutaného siločárami magnetického pole. Zpravidla se tyto majestátní oblouky pnou nad slunečním povrchem zhruba den, ty mimořádně stabilní však vydrží v neměnné podobě celé měsíce. Při další cestě k povrchu by teplota kupodivu začala klesat. Nejprve zvolna, ve vzdálenosti zhruba deseti tisíc kilometrů však prudce. Jako bychom se od Slunce naopak vzdalovali. Pokles by se zastavil ve výšce asi 400 kilometrů nad povrchem, kde bychom narazili na takzvanou fotosféru, nejspodnější vrstvu sluneční atmosféry. Z ní pochází zhruba 99 procent veškerého slunečního záření. Teploměr by na její hranici ukázal asi 4200 stupňů Celsia. Při dalším sestupu ke Slunci by začal konečně stoupat – až na necelých 6000 stupňů Celsia na povrchu. Pokud bychom se ovšem nestrefili do míst, kde se právě vyskytuje sluneční skvrna.

Pro moderní vědu objevili sluneční skvrny v roce 1610 Galileo Galilei a britský učenec Thomas Harriot. Galilei se domníval, že jde o mračna ve sluneční atmosféře. Církev, jíž skvrny na Slunci nezapadaly do aristotelské představy neměnnosti nebes, přišla s jiným vysvětlením: mohly to být stíny dosud neznámých planet. Nasvědčovala tomu skutečnost, že skvrny po sluneční tváři zvolna putují. Dnes víme, že pohyb skvrn je jen zdánlivý, způsobuje jej rotace Slunce. Ve skutečnosti jsou skvrny „oceány“ plynu na povrchu hvězdy, který je o něco chladnější než okolí. Jejich vznik souvisí se skutečností, že Slunce rotuje nerovnoměrně, nikoli jako koule, ale spíš jako válec skládající se z různých částí: zatímco bod na slunečním rovníku se otočí kolem osy rotace jednou za necelých 26 pozemských dní, místu v okolí pólů to trvá zhruba 33 dní. Rychleji rotující rovník strhává siločáry magnetického pole hvězdy, které se kvůli tomu kroutí do smyček – podobně jako když točíme jedním koncem gumového vlákna a druhý pevně držíme v prstech; po čase zjistíme, že se vlákno začne „šmodrchat“, objevují se na něm smyčky. „Zašmodrchané“ smyčky magnetického pole někdy vyhřeznou z povrchu hvězdy a uvězní plyn na povrchu tak, že nemůže pod náporem žhavé látky proudící z hlubin Slunce „odtékat“ do stran a klesat zpět pod povrch. Uvězněný plyn pak chladne, jeho teplota klesá až na „mrazivých“ zhruba 3000 stupňů Celsia. Oproti svému okolí se pak jeví tmavší – vzniká sluneční skvrna. Žhavé plazma z nižších vrstev hvězdy si však cestu k povrchu přece jen najde, probublá „ven“ kolem okrajů skvrny a rozžhaví sluneční atmosféru nad sebou. Tmavé skvrny se proto neprojevují tím, že by Slunce jako celek zářilo méně, jak by napovídal selský rozum; jasnější okolí skvrn způsobí, že září naopak o něco více. Sluneční erupce většinou tryskají z okolí skvrn, jak to pozoroval i Carrington. Zřejmě dochází k tomu, že se „vyhřezlá“ smyčka magnetického pole určitým způsobem přebuduje. Vznikne tím mohutný elektrický proud a uvolní se obrovská energie. Přesný mechanismus vzniku erupcí však není znám. Podstatné je, že se skvrny objevují a mizejí v cyklech, které trvají 11 let: tvář hvězdy se jimi začne pokrývat na konci takzvaného slunečního minima, poté skvrn několik let přibývá, přičemž se zvolna přibližují ke slunečnímu rovníku. Období, kdy jejich nejvíc, nazýváme maximum slunečního cyklu. Nakonec začne skvrn opět ubývat, až úplně vymizejí a cyklus dospěje k dalšímu minimu.

V poslední době se však Slunce chová zvláštně. „Sluneční minimum je tu,“ psal server NASA Science News dne 6. března 2006. „Téměř po celý únor bylo Slunce zcela prázdné. Kdyby na něj Galilei pohlédl v den svých 442. narozenin, zažil by rozčarování – nespatřil by žádné skvrny, žádnou rotaci. Bylo by po objevu,“ pokračoval autor článku, připomínaje tak skutečnost, že se slavný italský astronom narodil 15. února 1564. O několik dní později přišli vědci z NASA s varovnou prognózou: příští sluneční cyklus bude neobvykle silný a může způsobit sluneční bouře, jakých jsme nebyli svědky celé půlstoletí. Vyvrcholit podle této předpovědi měly v roce 2010, v době nového sluneční maxima. Jenže Slunce si s dalším cyklem dalo načas. Nejprve to vypadalo, že se jeho začátek opozdil jen o rok. V roce 2008 se objevilo několik slunečních skvrn a zdálo se, že vše probíhá normálně. Jenže pak Slunce překvapivě znovu utichlo. V roce 2009 jsme zažili plných 260 dní, kdy na Slunci nebyla ani jediná skvrna. Jako by se hvězda uložila ke spánku v době, kdy jí měl začít bouřlivý večírek. „To, čeho jsme nyní svědky, nemá během posledních zhruba 70 let, kdy se konají moderní pozorování Slunce, obdoby,“ komentuje to Lawrence Pinsky, astrofyzik z Houstonské univerzity, který o Slunci v lednu přednášel v Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze. Neměl přitom na mysli jen podivnou sluneční „ospalost“, ale také naprosté selhání prognóz z roku 2006. Dnes se totiž zdá, že příští sluneční cyklus (který se teď zřejmě přece jen zvolna rozbíhá, Slunce je však stále nezvykle klidné) bude naopak neobyčejně slabý. A konečně je tu jev, který vědce mate snad ze všeho nejvíc: podivné chování plynu nehluboko pod povrchem Slunce.

Kdybychom pokračovali v naší pomyslné cestě do slunečního nitra, narazili bychom nejprve na takzvanou konvektivní zónu. Sluneční plyn je v ní tak hustý, že jím neprochází záření (proto hovoříme o tom, že jsme již pod povrchem hvězdy), ale zároveň dost řídký na to, aby proudil a transportoval tak energii, uvolňovanou při termonukleárních reakcích v jádru Slunce. Vlastně je to plyn tak řídký, že kdybychom do něj sestoupili, nejspíš bychom si vůbec nevšimli, že jsme v nějakém nebeském tělese – až zhruba do poloviny cesty do středu hvězdy je totiž řidší než vzduch kolem nás. Tento plyn proudí pod povrchem mimo jiné od rovníku k pólům. Když urazí určitou vzdálenost, klesne hlouběji, obrátí se a teče zpět, takže to celé připomíná obrovský pohyblivý pás, třeba pohyblivý chodník na letištích. Existenci tohoto gigantického dopravníku zaznamenali vědci teprve asi před deseti lety. Neuhání nijak závratným tempem, pohybuje se maximálně asi padesátikilometrovou rychlostí. Podstatné je, že na severní polokouli Slunce existovaly dosud dvě větve dopravníku, severní blíže pólu a jižní blíže k rovníku. Nyní severní větev zaniká a jižní se rozšiřuje na její úkor. Zároveň se celá tato „ohnivá řeka“ ponořuje, klesá do hlubin Slunce. S tím zřejmě nějak souvisí i další zvláštní úkaz: několik důležitých veličin, které měly vždy podobný průběh, jako by nyní přestávalo navzájem souviset: Zaneseme-li do grafu údaje o množství slunečního záření, počtu skvrn a energii erupcí, vidíme, že všechny tři křivky mají velmi podobný průběh, společně kolísají v jedenáctiletých cyklech. Během minulého slunečního cyklu se však tato souvislost rozpadla a každá křivka se začala chovat odlišně od ostatních. Co to všechno znamená, nevíme. Možná se neděje nic zásadního. Bude-li následující cyklus slabší, čeká nás méně erupcí, méně slunečních bouří (což ovšem neznamená, že nemůže přijít jedna obrovská). Slunce bude kvůli malému počtu skvrn o něco méně zářit. „Ovlivní to pozemské klima natolik, aby to vyvážilo klimatickou změnu způsobenou člověkem?“ ptal se během své pražské přednášky houstonský astrofyzik Pinsky a sám si odpověděl: „Pravděpodobně nikoli.“

Zároveň je tu ale několik zneklidňujících představ. Jestliže se sluneční dopravník skutečně bude dále nořit do hlubin hvězdy, Slunce nás možná nepříjemně překvapí. „Důvodem, proč nevidíme sluneční skvrny, může být to, že jsou stahovány dolů. Smyčky magnetického pole se nedostávají dost vysoko, aby prorazily na povrch. To ale neznamená, že se nemohou vyskytovat uvnitř Slunce. A jestliže jedna zvláště divoká náhle vyhřezne z velké hloubky – právě to může být mechanismus, který vyvolá carringtonovskou erupci,“ řekl Pinsky Respektu v narážce na dramatickou událost z roku 1859. Kdyby se opakovala, Zemi by nejprve mimo jiné zasáhlo rentgenové záření, které k nám ze Slunce dorazí (tak jako i viditelné světlo) za pouhých osm minut. První sprška záření a nejrychlejších částic ze Slunce by mohla poškodit některé přístroje na družicích a vyřadit z provozu komunikační satelity, GPS i další systémy satelitní navigace. Spolu se zábleskem, jaký pozoroval Carrington, by byla prvním varováním, že se něco děje. Další potíže by následovaly: Při erupcích Slunce vyvrhuje do kosmického prostoru rovněž mrak pomalejších částic, především protonů, který cestuje sluneční soustavou jako duch, a pokud nabere vhodný směr, srazí se s naší planetou za 20 hodin až tři dny. Spolu s ním se vesmírem šíří i poruchy magnetického pole.

Tohle kosmické strašidlo se střetne se zemskou atmosférou a rozkolísá magnetické pole Země. Výsledkem není jen úchvatná polární záře. Jak ví každý žák střední školy, ve vodiči, který je umístěn v proměnlivém magnetickém poli, se indukuje elektrický proud. Kvůli tomu v Carringtonově době jiskřily telegrafní sloupy a hořel papír v aparaturách. Dnes je ovšem síť elektrických vodičů mnohem hustší, zahrnuje například tisíce kilometrů vedení vysokého napětí. Co se s ní může stát, jsme viděli třeba během sluneční magnetické bouře v březnu 1989, kdy se tavily transformátory v New Jersey a v severovýchodní Kanadě zkolabovala během 90 sekund rozvodná síť, takže se bez proudu na devět hodin ocitlo šest milionů lidí. Tato událost byla přitom nesrovnatelně slabší než carringtonovská erupce.

Podle Louise J. Lanzerottiho, bývalého pracovníka Bellových laboratoří a editora časopisu Space Weather, může magnetická bouře způsobit nejen kolaps rozvodných sítí, ale i telefonního spojení založeného na pevných linkách. Rádiové vlny přicházející ze Slunce pak vyřadí z provozu přijímače GPS, radary a mobilní telefony. „Nechtěl bych být v takové situaci na palubě letadla,“ řekl Lanzerotti serveru NASA Science News a připomněl tak, jak závislá je současná letecká doprava na satelitní navigaci, radarech a komunikaci s piloty přenášené pomocí družic. Nejohroženější by byla letadla pohybující se poblíž zemských pólů, kde se sluneční bouře projevují nejintenzivněji. I proto je namístě otázka, jestli se lze na příchod takové bouře připravit.

Naše hvězda občas projevuje zvláštní smysl pro černý humor. Koncem října 2003 zasedal ve Washingtonu jeden z podvýborů Sněmovny reprezentantů. Na programu slyšení bylo právě „kosmické počasí“ – jednalo se také o tom, jak předvídat sluneční magnetické bouře a jak minimalizovat jejich dopad. Slunce se do diskuse vložilo 30. října večer, kdy zákonodárcům připomnělo, co dovede: předvedlo erupci, která mimo jiné vyřadila z provozu americkou družici AEDOS-2, jež stála 640 milionů dolarů. Magnetická bouře, pro niž se vžil název Halloweenská, vzápětí zasáhla Zemi a narušila leteckou dopravu. Řada letů musela být odkloněna kvůli výpadkům komunikace a ochraně posádek i cestujících před proudem nabitých částic. Systém GPS v některých oblastech Severní Ameriky úplně zkolaboval, jinde se stal méně přesným než obvykle.

Halloweenská bouře nakonec vedla k vypracování rozsáhlé studie nazvané Severe Space Weather Events – Understanding Societal and Economic Impacts (Projevy nepříznivého kosmického počasí – porozumění společenským a ekonomickým dopadům), která byla zveřejněna v roce 2008. Konstatuje se v ní, že zatímco některé důsledky sluneční erupce pominou rychle (například signál GPS a rádiové spojení se může obnovit na konci bouře), jiné přetrvají nebezpečně dlouho: opravit spálený mnohatunový transformátor trvá týdny či měsíce.

Země je proti erupcím chráněna svojí magnetosférou. Sluneční bouře by proto vyvolala například kolísání atmosférického tlaku a změny počasí, zdraví člověka na povrchu Země by však přímo neohrozila. Ovšem představa velkoměsta, které zůstane týdny bez elektřiny, je děsivá. Studie nastiňuje, k čemu by došlo: klimatizace, topení a telefonické spojení by vypadly okamžitě. Během několika hodin by ustaly dodávky vody. Zmražené potraviny a některá léčiva by se zkazily během jednoho dne. Postupně by přestala fungovat kanalizace. Zhroutilo by se bankovnictví, veřejná doprava i další životně důležité funkce pro život moderního města. Vznikly by obrovské problémy se zásobováním potravinami a vodou. Ekonomické škody by byly nedozírné: pro sluneční magnetickou bouři srovnatelnou s carringtonovskou by se ve Spojených státech jen během prvního roku vyšplhaly na dva biliony dolarů, což je zhruba dvacetinásobek toho, co způsobil hurikán Katrina. Důsledky obrovského výpadku proudu by společnost nesla čtyři až deset let. Lze předpokládat, že podobně by se bouře projevila i v Evropě. Vyplývá z toho, že Slunce představuje jednu z největších hrozeb vůbec, možnou příčinu katastrofy srovnatelné snad jen s jadernou válkou či dopadem obrovského asteroidu.

Naštěstí lidstvo nemusí trpně čekat, až katastrofa přijde. Poslední kapitola zmíněné studie ukazuje, jak se připravit: zdokonalit systém GPS tak, aby byl odolnější (například úpravou frekvencí, na nichž mohou družice vysílat). Upravit elektrické sítě, především vybavit transformátory zařízeními, která by je ochránila (výzkum toho, jak to co nejefektivněji udělat, však ještě není u konce). V ideálním případě také připravit záložní flotilu komunikačních družic, které by byly neustále připraveny k vypuštění. Hlavně by se však měla zlepšit naše schopnost příchod bouře předpovědět. Pokud by se například operátorům rozvodných sítí dostalo včasného varování, mohli by vypnout proud na ohrožených místech a ochránit klíčovou elektroniku stíněním. Strávit bez elektřiny několik hodin je určitě lepší než být bez ní několik týdnů. Dlouhodobé předpovědi komplikuje skutečnost, že věda nedovede předvídat ani výskyt sluneční skvrny, natož následnou erupci. „Erupce je něco jako blesk v bouři, v mnohých případech začíná náhodnou poruchou, která pak spustí celou lavinu eruptivních procesů,“ říká Marian Karlický, vědec, který se v Astronomickém ústavu AV ČR zabývá fyzikou Slunce. Sledováním magnetického pole Slunce lze vytipovat místa, kde k erupci může dojít, ale nic víc.

U magnetické bouře je to však jiné. Od sluneční erupce do příchodu mraku nabitých částic uběhne řada hodin, během nichž nás přístroje mohou varovat. Každý omyl ovšem může způsobit obrovské finanční ztráty – jak v případě, že by varování nepřišlo, tak v situaci, kdy by se mrak nakonec Zemi vyhnul nebo byl slabší, než se čekalo. Slunce proto již dnes sleduje flotila kosmických družic, k níž patří například satelity NASA pojmenované SOHO, STEREO, Wind a další. Zmíněná studie nicméně konstatuje, že zatím je schopnost astrofyziků vydávat spolehlivé předpovědi naprosto nedostatečná. Zlepšit se to může nejdříve v roce 2014. Pomoci by tomu měly nové přístroje v kosmu, zlepšené matematické modely a propracovanější systém nakládání s daty, díky nimž by se vědci měli naučit spolehlivě předpovídat příchod solární bouře s jedno- až třídenním předstihem.

Další zajímavou věcí je vliv Slunce na klima. Už jsme řekli, že nadcházející sluneční cyklus bude nezvykle slabý, s malým množstvím slunečních skvrn, takže Slunce bude méně zářit. Nemusí se to sice projevit nijak dramaticky, jenže další cyklus má být zase ještě o něco slabší. Předpovědi jsou sice nespolehlivé, ale pokud by se potvrdily, mohlo by to být znamením dlouhodobějších změn. Slunce totiž umí nadlouho v podstatě utichnout, což předvedlo v době relativně nedávné. Podíváme-li se na historické záznamy sluneční aktivity, vidíme, že jedenáctiletý cyklus funguje poměrně spolehlivě zhruba od prvních desetiletí 18. století. Předtím vládlo takzvané Maunderovo minimum, které sahá až téměř k prvním Galileiho pozorováním. Údaje z té doby jsou sice nespolehlivé, systematické sledování Slunce začalo až v roce 1750, nicméně pro to, že na Slunci tehdy vládlo zhruba 70 let téměř naprosté „ticho“, svědčí několik nezávislých důkazů. Především jak západní, tak čínští astronomové nespatřili v letech 1645–1705 téměř žádné sluneční skvrny. Shoda údajů z různých částí světa nemůže být náhodná. Nevyskytovala se ani polární záře. Slavný anglický astronom Edmund Halley ji spatřil poprvé roku 1716, kdy mu bylo již 60 let. A konečně, Maunderovo minimum lze vysledovat i v geologickém záznamu: studium izotopů uhlíku C14 nás totiž informuje o množství slunečního záření, které dopadá na Zemi. A to bylo v inkriminované době skutečně nižší.

Maunderovo minimum zhruba odpovídá velmi chladnému období, které na Zemi vládlo v druhé polovině 17. a začátkem 18. století. Během tehdejších zim moře pokrýval neobvykle silný led. Například začátkem února 1658 přešel švédský král Karel X. Gustav se svojí armádou po ledě z Jutského poloostrova na dánské ostrovy a zcela neočekávaně stanul před Kodaní. O několik let později, během zimy v letech 1683–1684, zamrzl dokonce i sever Jaderského moře včetně Benátského zálivu. Skoro celou Evropu tehdy pokryly obrovské závěje. Půda v jižní Anglii promrzla do metrové hloubky, po ledě na Temži se jezdilo v kočárech. Alpské ledovce v těchto desetiletích postupovaly a likvidovaly při tom horská obydlí, pole i pastviny. Pohřbívaly je pod tunami ledu nebo zaplavovaly přívaly vod z ledovcových jezer, jejichž přirozená hráz se protrhla. Jednu z nejhorších katastrof tehdy způsobilo jezero vytvořené ledovcem Allalin v dnešním jižním Švýcarsku, které v létě 1680 zpustošilo údolí pod sebou. Jak píše americký archeolog a publicista Brian Fagan v knize Malá doba ledová, tamní lidé po neštěstí odpřisáhli, že na 40 let zanechají hostin, veselic, tancovaček a karbanu, aby odvrátili boží hněv. Zda slib dodrželi, kniha neuvádí. Faktem ale je, že ledovce po roce 1680 na několik let ustoupily.

Mohlo by tedy Slunce v příštích desetiletích přece jen ochladit Zemi a vyvážit tak změnu klimatu způsobenou člověkem? Spoléhat na to samozřejmě nelze. A navíc, i kdyby k tomu došlo, mělo by to v konečném součtu velmi vážné důsledky: až by se po desetiletích bezstarostného vypouštění skleníkových plynů do atmosféry Slunce vrátilo k normálu, planeta by se prudce oteplila a nastal by otřes, s nímž by se civilizace těžko vyrovnávala. V každém případě je dobré si uvědomit, že na Zemi vznikla během posledních zhruba 80 let zcela nová situace. Objevila se tu technická civilizace, již ohrožují dříve neexistující rizika. Hvězda, která po miliony let spolehlivě dodává naší planetě energii a je zdrojem veškerého života, pro nás nemusí být zdaleka takovou jistotou, jakou byla pro naše předky.

(Respekt, www.respekt.cz)