Plamy na Słońcu - Świat nauki i techniki

„Na koniec dostrzeżono i na Słońcu plamy niezwyczajne, mające kształt ręki jabłko trzymającej, serca przebitego i krzyża. Umysły trwożyły się coraz bardziej …” Henryk Sienkiewicz – „Potop”.

Słońce w wielu cywilizacjach uważano za ideał, boski atrybut. Wielkim zdziwieniem na początku XVII wieku było ogłoszenie przez Galileusza i Scheinera, że na oślepiającej tarczy Słońca pojawiają się ciemne punkty wyraźnie przesuwające się z dnia na dzień.

Od tego czasu obserwacjami Słońca przez specjalnie zaciemnione szkła lub przez specjalne instrumenty zajmuje się wielu astronomów i amatorów. Każda plama pojawiająca się na tarczy słonecznej jest katalogowana i opisywana jest jej zmienność i czas trwania.

Dla wszystkich obserwowanych zjawisk ludzie starają się poznać przyczyny i skutki. Gdy nie widać bezpośrednich, korzystnych efektów, pojawiają się katastroficzne domysły. Tak też, pojawianie się plam na Słońcu, jak każde niewytłumaczalne zjawisko, miało być zwiastunem klęsk i nieszczęść.
Obecnie, po prawie 400 latach obserwacji, wiadomo wiele o występowaniu tego zjawiska i skutkach, które możemy odczuwać na Ziemi, lecz ciągle nie jest do końca wytłumaczona jego fizyka.

Wiadomo, skąd bierze się energia cieplna gwiazd i naszego Słońca, bez której to energii życie nie mogłoby istnieć w obecnej formie i rozmiarach. Fizycy poznali teoretycznie i doświadczalnie wydzielanie się energii promienistej i cieplnej w procesie łączenia się jąder wodoru w cięższe pierwiastki. Wiadomo, że gdy ściśnięty siłami grawitacyjnymi (przyciągania) gaz zagęszcza się i rozgrzewa się do temperatury rzędu kilkunastu milionów stopni, sporadycznie zaczynają się w nim procesy jądrowe.

Nie jest to tak gwałtowna reakcja jak w skonstruowanej przez ludzi bombie wodorowej. Wydzielanie się energii jest raczej powolne. Tona materii słonecznej wydziela tak niewiele energii, że ledwie wystarczyłoby to do zasilania kieszonkowej latarki. Jednak objętość Słońca jest tak wielka, że wydzielane ciepło jest uwięzione przez miliony lat i temperatura gazu jest podtrzymywana.

Procesy w gwiazdach są utrzymywane w miarę stabilnie. Działa tu prawo zwane stabilizującym, ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Gdy temperatura wnętrza się podnosi, gwiazda się nieco „rozdyma” i procesy jądrowe się spowalniają. Po jakimś czasie gwiazda się nieco ochłodzi, nieco ściśnie i wydzielanie się ciepła znowu wzrośnie. Gdy to stabilizujące działanie nieco się opóźnia na skutek bezwładności procesu, następują oscylacje (falowanie).
Astronomowie zaobserwowali wiele gwiazd tak pulsujących, że ich jasność zmienia się wyraźnie co kilka dni, miesięcy lub lat. Nasze Słońce jest uważane za gwiazdę bardzo stabilną, chociaż zjawiska występowania plam na jego powierzchni nieco ten stabilny obraz zakłócają.

Plama na Słońcu wydaje się ciemna, chociaż w rzeczywistości temperatura jej jest nawet wyższa od temperatury włókna żarówki halogenowej (ponad 3500 stopni Celsjusza). Wrażenie ciemnej plamy jest spowodowane tym, że dookoła występuje temperatura około 5500 stopni i jasność świecenia jest wielokrotnie wyższa. Można to porównać z obserwacją cienia na białej ścianie, który w słoneczny dzień wydaje się ciemny, gdy w rzeczywistości cień ten jest nawet jaśniejszy niż ta sama ściana postrzegana w pochmurny dzień jako jasna.

Jak wspomniałem, fizycy nie do końca wyjaśnili przyczyny powstawania plam na Słońcu. Jest to związane z procesem przemieszczania się podgrzewanej od środka gorącej materii, podobnie jak bulgotanie gęstej zupy w garnku. Materia w temperaturze kilku tysięcy stopni jest w stanie „plazmy”, czyli porozrywanych atomów z rozdzielonymi ładunkami elektrycznymi. W czasie ruchu plazmy powstają siły magnetyczne, te z kolei oddziałują na sąsiednią materię zmieniając kierunek jej ruchu. Jest to dość skomplikowane, lecz efektem jest zahamowanie ruchu w centrum plamy a przyspieszenie na zewnątrz. Na jaśniejszym tle zaczyna się zarysowywać nieco ciemniejsza powierzchnia.

Plama powoli się rozrasta i trwa przez kilka tygodni. Na skutek obrotu Słońca wokół jego osi, trwającego około 4 tygodni, plama często znika za krawędzią, by za dwa tygodnie pojawić się po drugiej stronie. Obserwacje te pozwoliły na wyznaczenie prędkości obrotowej Słońca.

Z wielowiekowych obserwacji występowania plam wyznaczono regularność ich pojawiania się na Słońcu. Stwierdzono, że co około 11 lat następuje na kilkadziesiąt dni całkowite uspokojenie procesu, a potem powolne narastanie liczby plam. Po kilku latach ilość plam zaczyna się zmniejszać i tak w kółko.
Dopiero niedawno precyzyjne instrumenty pomiarowe pozwoliły na pomiar energii wydzielanej przez Słońce w 11-letnim cyklu. Wydawać by się mogło, że ciemne plamy powodują średnie zmniejszenie temperatury i zmniejszenie strumienia energii docierającej do Ziemi. Jest jednak inaczej. Plama jest wprawdzie ciemniejsza, ale wzmożony ruch wokół niej powoduję wydostawanie się gorącej materii na powierzchnię Słońca i w rezultacie średnia temperatura się powiększa. Jest to niewiele, ułamek procenta, ale skutki mogą być odczuwalne na Ziemi.

W okresie regularnych obserwacji plam na Słońcu zauważono dwie kilkudziesięcioletnie nieregularności. Pierwsza z nich nazwana minimum Maurera wystąpiła w drugiej połowie 17 wieku. Przez ponad 50 lat obserwowano na Słońcu tylko sporadycznie kilka plam na rok. Klimat na Ziemi zaczął się oziębiać. Przez zamarznięty Bałtyk można było przejechać saniami. Portrety z tamtych czasów pokazują ludzi ciepło poubieranych i pozapinanych pod szyję. Plony rolne zmalały i pojawił się głód. Szwedzi, których mróz najbardziej doświadczył, szukali cieplejszych miejsc po drugiej stronie Bałtyku. Okres ten został nazwany „małą epoką lodowcową”.

Podobny, choć nieco łagodniejszy, był okres spokojnego Słońca w pierwszej połowie XIX wieku. W okresie tym, nazwanym minimum Daltona, cykl 11-letni zachował się, lecz z dużo mniejszą niż zwykle ilością pojawiających się plam. Słońce znowu jak gdyby przygasło i Europę nawiedzały srogie zimy. Historia zanotowała wtedy zimową klęskę Napoleona w Rosji.

Wyraźnie obniżona temperatura globu trwała od 1790 do 1830 roku. W czerwcu 1816 roku na wschodnim wybrzeżu Ameryki szalały śnieżne burze, pozostawiając w Quebec 30 cm białego puchu. Zniszczona została część zasiewów i cena zbóż podskoczyła dziesięciokrotnie. Rok ten został nazwany „rokiem bez lata”. Ludzie modlili się o ocieplenie, co na szczęście po latach nastąpiło.

Systematyczne pomiary energii wysyłanej przez Słońce prowadzone są z satelitów (eliminacja wpływu atmosfery) od 1979 roku. Stwierdzono bezsprzecznie zależność tej energii od częstotliwości występowania plam, czyli od aktywności Słońca. Te różnice energii docierającej na Ziemię są wielokrotnie większe niż cała energia wyzwalana przez ludzi (przemysł, transport itp.).

Słońce było w okresowym szczycie swojej aktywności na początku lat 2000. Potem, zgodnie z przewidywaniami, ilość plam zaczęła się zmniejszać i rok 2008 był kolejnym rokiem „spokojnego Słońca”. Astronomowie spodziewali się zobaczyć pierwsze plamy, rozpoczynające nowy okres aktywności Słońca, we wrześniu 2008. Tymczasem tarcza była czysta i lśniąca jak nigdy. Trwa to do dzisiaj, już ponad 9 miesięcy, i jest jednym z najdłuższych okresów bez plam. Tak w przeszłości poprzedzane były lata „zimna i głodu”. Może kilka ostatnich mroźnych zim zwiastuje coś jeszcze gorszego.

Większość astronomów i amatorów spogląda teraz przez zaciemnione szkła na Słońce, chcąc jak marynarz Kolumba wydać okrzyk „Zi
emia (zbawiona)”. A może nie będzie tak źle, bo podobno ogrzewamy Ziemię wydzielanym dwutlenkiem węgla. Jednak, jeżeli plamy się nie pokażą, to „zieloni” powinni zmienić politykę i zamiast karać za spalanie węgla, ropy i gazu, będą nagradzać elektrownie i przemysł. Jakimiś pieniędzmi przecież muszą kręcić, aby żyć nic nie robiąc.

Naukowcy zawsze zastanawiają się, jak różne naturalne zjawiska wzajemnie są powiązane, jak wpływają na siebie. W statystyce nazywa się to korelacją. Nie zawsze można to zauważyć, gdyż efekty mogą być przesunięte w czasie. Jednak gdy jakieś zjawiska powtarzają się okresowo, można dostrzec „falowanie” innych zjawisk z podobnym odstępem czasu.

Astronomowie zastanawiają się, czy przypadkiem aktywność Słońca nie jest uzależniona od wpływu planety Jowisz. Planeta ta okrąża Słońce regularnie zbliżając się i oddalając co 11 lat o 10%. Może to, podobnie jak nasz Księżyc wywołujący przypływy i odpływy morskie, powodować „pływy” materii słonecznej i pobudzać do większej lub mniejszej aktywności. Z kolei udokumentowane „minima Mauera i Daltona” oraz falowanie aktywności Słońca, obliczone na podstawie badań szczątków roślin, może być powodowane wzajemnym ułożeniem innych dużych planet. Współczesne komputery mogłyby wychwycić te korelacje.

Są pewne zależności, co do których można mieć zastrzeżenia, czy nie są to związki przypadkowe. Zakrawa to bowiem nieco na astrologię. Statystyki pokazują na przykład, że ludzie, których matki urodziły się w okresie spokojnego Słońca, żyją 2–3 lata dłużej. Inna obserwacja dotyczy występowania ogólnoświatowych epidemii grypy pochłaniającej setki tysięcy ofiar. Epidemie te występowały tuż po okresach szczytowej aktywności Słońca. Może miało to wpływ na mutacje wirusa a może na osłabienie odporności ludzi. Obecna „epidemia” grypy wydaje się zupełnie niegroźna, może dlatego, że zaczęła się w okresie „najspokojniejszego Słońca”.

Tak czy inaczej, lepiej żyć w okresach spokojnego Słońca, niż w czasach, gdy Słońce strzela do nas energią i rozpędzonymi cząsteczkami „wiatru słonecznego”. A ochłodzenie głów niektórych polityków, straszących nas piekielnym ociepleniem klimatu, też by się przydało.

(ami)