Letalske zamude in grožnja potnikom: vpliv vesoljskega vremena

Zgodba iz vesolja

Nazaj

9. oktobra 2024 je letalo znamke Boeing 777-300ER družbe Cathay Pacific Airways poletelo iz New Yorka v Hong Kong. Pričakovano trajanje leta z oznako CX831 je bilo petnajst ur in pol, toda tokrat je potnike ter posadko čakalo presenečenje. Po 13 urah in 49 minutah je pilot letala dobil navodilo naj preusmeri plovilo z načrtovane poti in potniki so bili obveščeni, da bodo izvedli nepričakovani vmesni postanek na letališču v Osaki na Japonskem. Po oskrbi z gorivom je letalo nadaljevalo svojo pot in je na Kitajsko prispelo s skoraj dvourno zamudo. Zgodba se je ponovila le dva dni pozneje, ko so letalo preusmerili 14 ur in 22 minut po vzletu.

Vzrok za odločitev o preusmeritvi je prišel iz vesolja – krivec je bilo Sonce oziroma dogajanje na njem. V obdobju med 3. in 8. oktobrom se je namreč na naši zvezdi odvilo več zaporednih dogodkov: 3. oktobra je velik izbruh povzročil Sončev blišč razreda X9, enega najmočnejših v trenutnem Sončevem ciklu 25. Hkrati je bil s Sonca izstreljen tudi manjši koronarni izbruh snovi (coronal mass ejection, CME), ki je tri dni pozneje dosegel Zemljo in povzročil zmerno geomagnetno nevihto, ki jo je NOAA razvrstila kot G2. 8. oktobra je prišlo do še enega Sončevega blišča, ki je bil sicer šibkejši, vendar ga je spremljal veliko hitrejši izbruh, ki nas je dosegel 10. oktobra in povzročil hudo geomagnetno nevihto razreda G4.
Geomagnetne nevihte spadajo med pojave, ki jih znanstveniki imenujejo vesoljsko vreme. Izraz se nanaša na spremenljive razmere v Osončju in heliosferi, zlasti v bližini Zemlje. Pojavi, povezani z vesoljskim vremenom, lahko povzročijo veličastne dogodke, kot so svetle noči okrašene s polarnimi siji, lahko pa imajo tudi negativen vpliv na naše tehnološke sisteme. Družba Cathay Pacific Airways se je s preusmeritvijo leta hotela izogniti možnim težavam, ki bi jih lahko povzročili geomagnetni nevihti.

Zgoraj: Pot leta CX831 dne 9. oktobra 2024. Spodaj: Običajna trasa taistega leta.

Trasa leta CX831 vodi v bližino severnega pola, zaradi česar ta let spada med tako imenovane čezpolar­ne lete. Ravno polarna območja pa so tista, ki jih vesoljsko vreme najbolj prizadane. Letalske družbe se dobro zavedajo možnih tveganj povezanih z geomagnetnimi nevihtami, zato zelo pozorno spremljajo vsa opozorila vesoljskih agencij, ki nenehno spremljajo dogajanje na Soncu in v Zemljini okolici. Preusmeritev leta CX831 na Japonsko je pomenila umik iz polarnih območij proti varnejšim zemljepisnim širinam. To pa ni bilo zastonj – daljša razdalja in čas potovanja sta imela kot posledico večjo porabo goriva in posledično višje stroške. Preusmeritev leta CX831 družbe Cathay Pacific Airways pa še zdaleč ni osamljen primer.

V preteklosti je vesoljsko vreme že večkrat prisililo letalske družbe v spremembe načrtovanih poti. Januarja 2012 je morala družba Delta Airlines preusmeriti osem, United Airlines pa en let med ameriškimi in azijskimi mesti. Vzrok je bila ponovno zmerna geomagnetna nevihta. Do velikih zamud letov v ZDA je prišlo tudi novembra 2003 med ekstremno geomagnetno nevihto imenovano »Noč čarovnic«. Podobne zamude predstavljajo potencialno velik problem za letalske družbe. Posebno poročilo NOAA navaja, da vsaka preusmeritev čezpolarnih letov zaradi vesoljskega vremena letalske družbe v povprečju stane več kot 100.000 ameriških dolarjev. To pa ni zanemarljivo, saj tipičen 10-urni let v ZDA letalskim družbam prinese okoli 40.000 dolarjev zaslužka, medtem ko je čisti dobiček na potnika leta 2019 znašal le nekaj več kot 6 ameriških dolarjev.

Vesoljski vremenski pojavi

Da bi razumeli učinke, ki jih ima vesoljsko vreme na naše okolje, se moramo seznaniti z različnimi vrstami teh pojavov. Čeprav nekateri izvirajo iz daljnega vesolja, imajo tisti, ki najbolj vplivajo na letalsko industrijo, svoj izvor na Soncu.

Najbolj eksplzivni dogodki se začnejo z izstrelitvijo ogromnih oblakov plazme in magnetnega polja iz Sončeve korone, ki jih imenujemo koronarni izbruhi snovi. Če jih zaznamo v medplanetarnem prostoru, jim pravimo medplanetarni izbruhi snovi (Interplanetary Coronal Mass Ejection, ICME). Te ogromne strukture lahko začnejo svoje potovanje proti robu Osončja s hitrostmi do 3000 kilometrov na sekundo, nato pa se jim z oddaljenostjo od Sonca hitrost postopoma znižuje. Če dosežejo Zemljo, lahko ICMEji sprožijo geomagnetne nevihte. Gre za močna in hitra nihanja smeri in jakosti Zemljinega magnetnega polja. Najbolj intenzivne med njimi lahko inducirajo električne tokove v tleh, prekinejo oskrbo z električno energijo, ogrozijo satelite itd.

CMEje pogosto spremljajo Sončevi blišči, ko del Sonca zasveti veliko močneje od okolice. Najmočnejši med njimi so razvrščeni v razred X in sevajo ogromne količine energije v obliki rentgenskih žarkov (X-ray) in ekstremne ultravijolične (EUV) svetlobe. Te emisije močno povišajo stopnjo  ionizacije v osvetljeni ionosferi, zlasti v plasti D, ki se nahaja na višini med 50 in 90 km, kar vodi do okrepljene absorpcije visokofrekvenčnih radijskih valov (HF, frekvence med 3 in 30 megaherci, MHz) in posledično do radijskih izpadov. HF valovi so pomembni, saj jih uporabljajo tako radioamaterji kot letala za komuniciranje s prejemniki »onkraj obzorja«.

Posnetek Sonca v ekstremni ultraviolični svetlobi. Vir: NASA.

Poleg tega lahko Sončevi blišči intenzivno sevajo tudi radijskem delu spektra. Če pride do močnega povišanja emisij v tako imenovanem pasu L (1–2 gigahercov, GHz), lahko ti izbruhi motijo signale globalnih satelitskih navigacijskih sistemov (GNSS), kar vodi do njihove degradacije ali celo prekinitve.

Med Sončevimi blišči ter med potovanjem ICME-jev se sprostijo velike količine visokoenergijskih Sončevih delcev, kar se v angleščini imenuje “Solar Particle Event”, SPE. Gre večinoma za protone in elektrone, katerih energije znašajo od nekaj deset tisoč do več milijard ektronvoltov. Ti delci imajo več učinkov: dodatno ionizirajo plast D v ionosferi, poškodujejo lahko elektronske komponente na satelitih in predstavljajo nevarnost za astronavte v orbiti. Njihov vpliv na človeško telo je podoben radioaktivnemu sevanju. Ker ti delci vstopajo v Zemljino ozračje blizu zemljepisnih tečajev, so lahko potniki in posadke na čezpolarnih letih med geomagnetnimi nevihtami izpostavljeni visokim dozam sevanja.

Nevarno sevanje med poleti

Dejansko so potniki in člani posadke nevidnemu sevanju izpostavljeni med vsakim poletom, to pa lahko predstavlja tveganje, ki pa še ni povsem razumljeno. Največja izpostavljenost nastopi pri dolgih letih, ki se odvijajo na velikih višinah, še posebej nad polarnimi območji. 

Tudi med obdobji mirnega vesoljskega vremena potniki na daljših čezpolarnih letih prejmejo odmerke sevanja, primerljive s tistimi pri rentgenskem slikanju prsnega koša. Med SPEji se intenzivnost sevanja bistveno poviša in nekatere znanstvene raziskave celo nakazujejo, da naj bi ti dogodki bili povezani z višjim tveganjem za spontani splav pri stevardesah.

Že v devetdesetih letih je Mednarodna komisija za radiološko zaščito (ICRP) poročala, da  letalske posadke na komercialnih letih prejmejo bistveno višje odmerke sevanja v primerjavi z ostalimi poklici, kjer so delavci izpostavljeni radioaktivnemu sevanju. To je bil povod za direktivo o obveznem spremljanju teh odmerkov na letalskih letih v Evropski Uniji. Na žalost večina ostalih držav, med drugim tudi ZDA, temu zgledu ni sledila, zaradi česar tam letalske posadke ostajajo edina poklicna skupina, ki je dolgotrajno izpostavljena nemerjenim ravnem sevanja. To je velika težava, saj vemo, da med ekstremnimi dogodki povezanimi z vesoljskim vremenom lahko potniki in posadke med enim samim letom prejmejo odmerke, ki presegajo predpisano celoletno vrednost.

Izmerjene doze med izbranimi leti. Vir: NOAA.

Enota, ki jo uporabljamo za merjenje količine sevanja se imenuje Sievert (Sv). Tipična doza sevanja, ki smo ji ljudje izpostavljeni med enim letom je med 1 in 10 tisočinkami Sieverta (mili sivert ali mSv). Letna meja za osebe, ki so poklicno izpostavljene sevanju, znaša 20 mSv.

Priporočila za člane letalskih posadk oblikujejo organizacije, kot sta ICRP in Ameriški nacionalni svet za zaščito pred sevanjem in meritve (NCRP). Ta priporočila je EU sprejela leta 1996  in jih leta 2000 uvedla z pravno zavezujočo direktivo 96/29/EURATOM. Ameriška Zvezna uprava za letalstvo (FAA) priporoča kombinacijo smernic ICRP in NCRP: za člane posadke je petletna povprečna zgornja meja 20 mSv na leto, pri čemer v posameznem letu ne sme preseči 50 mSv. Za noseče članice posadke velja dodatna omejitev: odmerek ne sme preseči 0,5 mSv v posameznem mesecu in lahko skupno znaša največ 1 mSv za preostanek nosečnosti (od trenutka, ko se delodajalca o tem obvesti).

Običajni odmerki pri posamezni letih z daljšim trajanjem znašajo nekaj deset milijonink Sieverta (mikroSievert, μSv), medtem ko so člani posadk na čezpolarnih letih skozi vso leto izpostavljeni dodatnim do 6 mSv sevanja. Lahko pa že razmeroma zmerni dogodki SEP vodijo do višjih prejetih odmerkov.

Vesoljsko vreme je nase opozorilo 20. januarja 2005, ko se je zgodil eden najintenzivnejših SPEjev doslej. Takrat je sevanje v bližini severnega pola na višini 12 km za kratek čas doseglo skoraj 2 mSv na uro. Na zemljepisnih širinah nad 60° so se vrednosti vrteke okrog 0,1 mSv na uro, povišane vrednosti pa so vztrajale kar 12 ur. Zanimivo je, da na geografskih širinah manjših od 40° med celotnim dogodkom ni bilo zaznati povišanih nivojev sevanja.

Vesoljsko vreme in komunikacije

Zamisel o čezpolar­nih letih se je prvič porodila leta 1997. Ti poleti skrajšajo čas potovanja na nekaterih progah in s tem letalskim družbam prihranijo denar. Sledilo je dveletno obdobje med katerim je bilo opravljenih nekaj poskusnih letov, nato pa se je njihova priljubljenost strmo povzpela: leta 2007 je bilo opravljenih 6930 čezpolarnih letov, do leta 2018 pa se je njihovo število povečalo na približno 20.000.

Eden od izzivov čezpolarnih letov je komunikacija. Za komuniciranje z matičnimi letalskimi družbami piloti uporabljajo tako imenovane zelo visoke frekvence (very high frequency VHF, 30–300 megahercov, MHz). Konkretno, za komunikacijo z dispečerji letalskih družb je v uporabi Aircraft Communications Addressing and Reporting System (ACARS), ki deluje pri frekvenci 131,550 MHz. Sistem za izmenjavo podatkov z zračnim nadzorom se imenuje Controller Pilot Data Link Communication (CPDLC), ki uporablja frekvence med 118,000 MHz in 136,975 MHz. Toda doseg teh radijskih valov je omejen na približno 160 km. Na določenih trasas je oddaljenost letal do najbližjih letališč je neprimerno večja, zato so potrebne druge metode, kot sta uporaba visokofrekvenčnih radijskih valov (HF, 3–30 MHz) in satelitska komunikacija (SATCOM). Tradicionalno SATCOM poteka preko geostacionarnih satelitov, katerih signal pa zemljepisnih širin, večjih od 82°, ne doseže. Letala na čezpolarnih letih lahko torej izberejo HF radijske valove  ali novejše satelitske sisteme, kot sta Iridium ali SpaceX Starlink.

Razlog, zakaj je z visokofrekvenčnimi radijskimi valovi mogoče komunicirati na daljše razdalje tiči v tem, da ti valovi ostanejo “ujeti” v prostoru med ionosfero in tlemi, saj se od njiju učinkovito odbijajo. Če pride do povišanja stopnje ionizacije plasti D v ionosferi, na primer zaradi Sončevih bliščev ali SPEjev, se močno okrepi absorpcija HF valov. SPEji najbolj prizadenejo polarna območja, pri čemer so motnje na dnevni, s Soncem obsijani strani, intenzivnejše od tistih na nočni strani, ki se nahaja v temi.  V manjši meri so prizadeta območja vse do do 60–65° zemljepisne širine. Sončevi blišči prav tako povišajo stopnjo ionizacije ionosfere, vendar ti pojavi močneje prizadenejo območja bliže ekvatorju.

Propagacija visokofrekvenčnih (HF) radijskih valov. Vir: Wikipedia.

Eden najbolj ravzpitih primerov se je zgodil 19. oktobra 2003, ko je prišlo do dvourne prekinitve viokofrekvenčnih radijskih komunikacij, zaradi česar so bili presumerjeni trije čezpolar­ni leti iz New Yorka v Hongkong. Vsako od preusmerjenih letak je zaradi tega porabilo dodatnih 12.000 kg goriva, hkrati pa so lahko prenesla 7400 kg manj tovora, kot bi ga sicer. Stroški so narasli tudi zato, ker je bilo potrebno zaradi izpada komunikacij angažirati dodatne zračne kontrolorje za usmerjanje prometa.

Nedavno je raziskava, v kateri so znanstveniki izračunali stroške zapletov na čezpolarnih letih povezanih z vesoljskim vremenom, pokazala, da globalne dnevne izgube lahko znašajo približno 0,88 milijona evrov zaradi odpovedi letov, 0,18–0,56 milijona evrov zaradi sprememb načrtovanih poti in 0,85 milijona evrov zaradi prilagoditve urnikov. Pri tem je treba povedati, da gre za zelo konzervativno oceno, saj so raziskovalci predpostavili obstoj le osemnajstih čezpolarnih letov na dan, ki jih pot zanese na zemljepisne širine večje of 82 stopinj severno.

Druga študija je pokazala, da bi lahko med ekstremnim dogodkom, kot je bila geomagnetna nevihta leta 2003, gospodarski stroški odpovedi letov dosegli med 2,77 milijona evrov in 48,97 milijona evrov.

Zamude letov

Nekatere nedavne raziskave kažejo, da lahko vesoljsko vreme vpliva na zamude letov. Seveda zamude običajno nastanejo zaradi številnih bolj zemeljskih razlogov: preobremenjenosti zračnega prometa, slabega meteorološkega vremena ali varnostnih vprašanj. Zamude imajo celo svojo periodičnost – trendi se razlikuje med jutrom in nočjo v posameznem dnevu, pa tudi med različnimi dnevi v tednu in letnimi časi.

Raziskovalci, ki so analizirali približno 4 milijone letov na Kitajskem v obdobju 2015–2019, so ugotovili, da se v primerjavi z mirnimi obdobji povprečen čas zamud ob prihodu letal med nemirnim vesoljskim vremenom poveča za 81,34 %, stopnja 30-minutnih zamud pa za 21,45 %.

Ista skupina znanstvenikov je v drugi raziskavi preučevala vpliv Sončevih bliščev na zamude letal. Izkazalo se je, da se v povprečju zamude pri odhodih letal pod vplivom Sončevih bliščev povečajo za 20,68 % (7,67 minute) v primerjavi z mirnimi obdobji. Te zamude pa imajo geografsko odvisnost, saj se povečujejo v smeri protu ekvatorju, in sicer vsaka stopinja zemljepisne širine manj pomeni v povprečju 0,35 minute daljšo zamudo.

Polarni vetrovni stržen nad Severno Ameriko. Vir: Wikipedia.

Nekatere raziskave so pokazale, da vesoljsko vreme vpliva tudi na polarne vetrovne stržene. Gre za hitre zračne vetrove, ki pihajo na višinah med 7 in 12 kilometri v smeri od zahoda proti vzhodu. SPEji naj bi povzročili premik polarnih vetrovnih strženov bliže Zemljinim tečajem, to pa vpliva na potovalno hitrost letal na čezpolarnih letih. Tako je med obdobji nemirnega vesoljskega vremena dolžina trajanja 86,67 % letov v smeri proti zahodu narasla, dolžina trajanja 86,67 % letov smeri proti vzhodu pa se je skrajšala in sicer v povprečju za približno 7 minut.

Nadaljna čtiva za najbolj radovedne

1. Cathay Pacific Airways flight from New York JFK to Hong Kong diverted to Japan twice, Airlive.
2. Cathay Pacific flight from New York to Hong Kong diverted due to geomagnetic storm, myNews.
3. Effects  of Space Weather to Polar Flight Routes, Hong Kong Observatory.
4. Solar Storm Causes Flights to be Rerouted, abc News.
5. X17 Solar Flare and Solar Storm of October 28, 2003, The Sun Today.
6. Storms on the Sun – Space Weather Prediction Center, NOAA.
7. How 10-Hour Flight Make Money? Everything You Need to Know, Aviation A2Z.
8. IATA Economics Chart of the Week, IATA, 7 june 2019
9. The Effect of Solar Radio Bursts on GNSS Signals, in Extreme Events in Geospace Origins, Predictability, and Consequences 2018, Pages 541-554
10. Cosmic radiation exposure of aircrew and space crew, International Atomic Energy Agency
11. Meier, M.M.; Copeland, K.; Klöble, K.E.J.; Matthiä, D.; Plettenberg, M.C.; Schennetten, K.; Wirtz, M.; Hellweg, C.E. Radiation in the Atmosphere—A Hazard to Aviation Safety? Atmosphere 2020, 11, 1358. https://doi.org/10.3390/atmos11121358
12. Knipp, D. J. (2017), Essential science for understanding risks from radiation for airline passengers and crews, Space Weather, 15, 549–552, doi:10.1002/2017SW001639.
13. Matthiä, D., B. Heber, G. Reitz, M. Meier, L. Sihver, T. Berger, and K. Herbst (2009), Temporal and spatial evolution of the solar energetic particle event on 20 January 2005 and resulting radiation doses in aviation, J. Geophys. Res., 114, A08104, doi:10.1029/2009JA014125.
14. Kataoka, R., Nakagawa, Y., and Sato, T.: Radiation dose of aircrews during a solar proton event without ground-level enhancement, Ann. Geophys., 33, 75–78, https://doi.org/10.5194/angeo-33-75-2015, 2015. 
15. Sauer, H. H., and D. C. Wilkinson (2008), Global mapping of ionospheric HF/VHF radio wave absorption due to solar energetic protons, Space Weather, 6, S12002, doi:10.1029/2008SW000399.
16. HARP, European Space Agency.
17. Grajewski B, Whelan EA, Lawson CC, Hein MJ, Waters MA, Anderson JL, MacDonald LA, Mertens CJ, Tseng CY, Cassinelli RT 2nd, Luo L. Miscarriage among flight attendants. Epidemiology. 2015 Mar;26(2):192-203. doi: 10.1097/EDE.0000000000000225. PMID: 25563432; PMCID: PMC4510952.
18. Xue, D., Liu, Z., Zhang, D., Wu, C.-L., & Yang, J. (2024). Optimizing polar air traffic: Strategies for mitigating the effects of space weather-induced communication failures poleward of 82°N. Space Weather, 22, e2024SW004136. https://doi.org/10.1029/2024SW004136
19. Xue, D., Wu, L., Xu, T., Wu, C.-L., Wang, Z., & He, Z. (2024). Space weather effects on transportation systems: A review of current understanding and future outlook. Space Weather, 22, e2024SW004055. https://doi.org/10.1029/2024SW004055
20. Xue, D., Yang, J., Liu, Z., & Yu, S. (2023). Examining the economic costs of the 2003 Halloween storm effects on the North Hemisphere aviation using flight data in 2019. Space Weather, 21, e2022SW003381. https://doi.org/10.1029/2022SW003381
21. Mamoru Ishii, Jens Berdermann, Biagio Forte, Mike Hapgood, Mario M. Bisi, Vincenzo Romano (2024), Space weather impact on radio communication and navigation, Advances in Space Research, In Press, https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.01.043
22. J.B.L. Jones, R.D. Bentley, R. Hunter, R.H.A. Iles, G.C. Taylor, D.J. Thomas (2005), Space weather and commercial airlines, Advances in Space Research, Volume 36, Issue 12, 2258-2267, https://doi-org.pbidi.unam.mx:2443/10.1016/j.asr.2004.04.017
23. Wang, Y., Xu, X.H., Wei, F.S. et al. Additional flight delays and magnetospheric–ionospheric disturbances during solar storms. Sci Rep 13, 3246 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30424-2
24. Xu, X.H., Wang, Y., Wei, F.S. et al. Characteristics of flight delays during solar flares. Sci Rep 13, 6101 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33306-9
25. Xu, X., Wang, Y., Wei, F. et al. The disrupted jet stream and its influence on flight time during solar proton events. Sci Rep 15, 22969 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-07137-9

Jet Stream, Wikipedia.