Tako smo odkrili Sončev veter

Nazaj

Poglej/poslušaj na

Sončev veter je ioniziran plin, ki nenehno odteka z naše zvezde v medplanetarni prostor. Vsa nebesna telesa v Osončju so obdana s tem plinom, ki v smeri stran od Sonca potuje s hitrostmi med 300 in 800 km/s. Ustavi ga šele snov v medzvezdnem prostoru, zaradi česar Sončev veter dolbe nekakšno votlino okoli Sonca, ki ji pravimo heliosfera. Izven heliosfere se začne medzvezdni prostor v katerega sta do sedaj vstopili le dve človeški plovili – satelita Voyager 1 in 2. Sončev veter je tudi medij, s katerim Sonce komunicira z Zemljo in lahko povzroči motnje v njenem magnetnem polju, ki spadajo med pojave, ki jih imenujemo z generičnim imenom vesoljsko vreme. Odkritje Sončevega vetra je bil izredno zanimiv proces, saj je temeljil na opazovanjih treh naravnih pojavov – Zemljinega magnetnega polja, polarnih sijev ter Sončeve aktivnosti. Povezavo med temi tremi pojavi so ugotovili astronomi ter geofiziki v 19. ter prvi polovici 20. stoletja. Pa se najprej vrnimo nekoliko v preteklost.

Pot do odkritja Sončevega vetra je bila dolga. Prvi pojav, za katerega danes vemo, da je z njim povezan, so polarni siji. O njihovem izvoru je špekuliral že Aristotel (384-322 pr. n. št.), ki je mislil, da gre za goreče plamene na nebu. René Descartes (1596-1650) je predlagal da so polarni siji Sončeva ali Lunina svetloba, ki se odbija z ledenih kristalov v ozračju. Pierre Gassendi (1592–1655) pa je že vedel, da je isti polarni sij možno opazovati iz različnih, med seboj zelo oddaljenih krajev na Zemlji, kar pomeni, da ti pojavi nastajajo zelo visoko v Zemljini atmosferi. Do podobnega zaključka je veliko pozneje prišel francoski astronom Jean-Jacques d’Ortour de Mairan (1678–1771), ki je izmeril višino polarnih sijev leta 1726. Henry Cavendish (1731–1810) je leta 1790 to višino ocenil na med 80 in 120 km, bolj natančne meritve pa je pozneje izvedel norveški znanstvenik Carl Størmer (1874–1957), ki je pri svojem delu uporabil fotografijo. Odkritja so se nato kar vrstila. Kapitan James Cook (1728-1779) je leta 1773 prvi poročal o polarnih sijih na južni polobli. Kapitan John Franklin (1786-1847) pa je odkril, da se število polarnih sijev zmanjša v neposredni bližini Zemljinih magnetnih polov, kar pomeni, da so ti pojavi večinoma dogajajo le na določenih geografskih širinah. Pozneje se je izkazalo, da je pojavnost polarnih sijev omejena na tako imenovana aurorna ovala, ki obkrožita severni oz. južni magnetni pol in se nahajata visoko v atmosferi.

Naslednji pojav je Zemljino magnetno polje, oziroma geomagnetno polje. Prvi so se tega pojava pri navigaciji posluževali Kitajci, o čemer je poročal kitajski enciklopedist Shen Kua (1031–1095). Prvi Evropejec, ki je pisal o kompasu je bil Alexander Neckham of St. Albans (1157–1217) leta 1187. Leta 1576 je Robert Norman odkril, da ima geomagnetno polje vertikalno, torej navpično komponento. Pozneje je William Gilbert (1544? – 1603) že delal poskuse z modelom Zemlje, ki ga je poimenoval Terella, pri čemer je dokazal, da se Zemlja obnaša kot ogromen magnet. Leta 1722 je George Graham (1674?–1751) naredil prvi zelo občutljiv kompas, in ugotovil, da geomagnetno polje ni nespremenljivo, temveč da njegova magnituda in smer nihata na različnih časovnih skalah.

Prvi, ki je namignil, da bi lahko obstajala povezava med polarnimi siji ter geomagnetnim poljem, je bil angleški astronom Edmund Halley (1656-1742), ki je 16. marca 1716 opazoval polarni sij nad Londonom in ugotovil, da so žarki tega sija konvergirali v smeri proti Zemlji, podobno kot to počnejo silnice geomagnetnega polja. To je leta 1770 potrdil švedski znanstvenik Johann Wilke.

George Graham je leta 1722 opazoval nihanja kompasove igle, za katere je pozneje ugotovil, da so povezana s pojavi polarnih sijev, o katerih sta poročala Andres Celsius (1701-1744), širši javnosti bolj poznan po temperaturni lestvici, ter njegov študent ter svak Olaf Hiorter leta 1747. Celsius in Graham sta ugotovila, da so dnevi z geomagnetno aktivnostjo (ime, s katerim so poimenovali magnetne fluktuacije) v Londonu tudi dnevi, ko so se podobne fluktuacije dogajale tudi v Uppsali. To pomeni, da je bila geomagnetna aktivnost hkrati prisotna na zelo oddaljenih območjih na Zemlji.

Tako pridemo še do zadnjega pojava – Sončeve aktivnosti, katere najdlje uporabljan indikator so Sončeve pege, ki se pojavljajo na njegovem površju. Le-te je odkril Galileo Galilei (1564-1642), ki jih je kot prvi opazoval s teleskopom. Galileo je ugotovil, da se položaj Sočnevih peg vsak dan nekoliko spremeni, kar je pravilno pripisal rotaciji naše zvezde. Prva bolj sistematična opazovanja Sončevih peg so izvajali na Observatoriju v Zürichu v Švici. S temi podatki je pozneje Samuel Heinrich Schwabe (1789–1875) leta 1844 odkril 11-letni cikel Sončeve aktivnosti. Kaj pravzaprav Sončeve pege so, pa je še vedno bila skrivnost.

Sredi 19. stoletja sta Edward Sabine (1788-1883) in Rudolf Wolf (1816-1893) neodvisno objavila rezultate svojih študij, ki so nedvoumno dokazali korelacijo med Sončevimi pegami ter geomagnetno aktivnostjo. Sabine je bil vojaški oficir, ki je bil zadolžen za britanske observatorije po celem svetu, le-ti pa so redno spremljali geomagnetno polje, saj je bilo le-to ključnega pomena za navigacijo. Wolf je po drugi strani bil direktor Züriškega observatorija, zaradi česar je imel dostop do najdaljše serije podatkov o pojavnosti Sončevih peg. Seveda se je takoj pojavilo vprašanje, kako so Sončeve pege ter geomagnetno polje sploh povezani.

Prvi, ki je posumil, da obstaja povezava med dogajanjem na Soncu in pojavi na Zemlji, je bil britanski astronom Richard Carrington (1826-1875). Carrington je med drugim sistematsko opazoval Sončeve pege na Soncu, ko je 1. septembra leta 1859 opazil, da je območje na Soncu v bližini skupine peg zažarelo mnogo močneje od ostalega Sončevega površja. Manj kot štiriindvajset ur pozneje se je na Zemlji zgodila najintenzivnejša geomagnetna nevihta, ko so polarne sije lahko opazovali tudi na Havajih in na Kubi, v Severni Ameriki pa so bile noči tako svetle, da se je dalo brati knjige brez pomoči umetne svetlobe. Carrington je v svojem poročilu Kraljevemu društvu predlagal možnost, da sta oba pojava povezana, vendar ni prepričal takratne znanstvene srenje. Leta 1859 je namreč še vedno prevladovalo pepričanje, da v prostoru med planeti vlada popoln vakum, zatorej ni bil poznan mehanizem, ki bi pojave na Soncu lahko ponesel do Zemlje.

Poleg tega je leta 1836 je Lord Kelvin (1824-1907), zelo vpliven fizik v 19. stoletju, izrazil zelo močno mnenje o tem, da povezava med geomagnetno aktivnostjo ter Sončevimi pegami nikakor ne more obstajati, saj so njegovi izračuni pokazali, da je praktično nemogoče, da bi Sončevo magnetno polje vplivalo na zemeljskega glede na ogromno razdaljo, ki loči obe telesi.

Kljub temu, je kar nekaj znanstvenikov namignilo, da bi nekakšna snov dejansko lahko prepotovala to razdaljo. Leta 1869 je Norman Lockyer (1836-1920) izumil tako imenovani sončni spektrograf, s katerim je opazoval ogromne strukture na Soncu, ki jih imenujemo protuberance. Naslednjega leta je Charles Young (1834–1908) kot prvi te pojave tudi fotografiral. Poleg tega je med Sončevimi mrki opazoval plast Sončeve atmosfere, ki ji danes rečemo korona ter pokazal, da se ta plast razteza daleč stran od Sončevega površja in da bi plin v njej lahko uhajal v medplanetarni prostor. Leta 1878 je Nobelov nagrajenec Henri Becquerel (1852-1908) predlagal, da bi nekaj (bodisi magnetna polja bodisi kaj drugega) lahko izvrglo ogromne količine snovi s Sonca in da bi ta snov lahko občasno tudi dosegla Zemljo. V 80tih letih 19. stoletja je William Crookes (1832-1919) odkril tako imenovano delčno sevanje (cropuscular radiation), kar je povzročilo, da je mnogo znanstvenikov, med njimi irski matematik FitzGerald, angleški znanstvenik Sir Oliver Lodge (1851-1940) ter norveški fizik Kristian Birkeland (1867-1917), v začetku 20. stoletja predlagalo, da bi to sevanje lahko bilo vzrok tako geomagnetni aktivnosti, kot polarnim sijem. Joseph John Thomson (1856–1940) je leta 1897 odkril, da to sevanje sestavljajo elektroni, za kar si je prislužil Nobelovo nagrado. Ko je nato leta 1901 italijanski izumitelj Guglielmo Marconi (1874-1937) poslal čez atlantsko radijsko sporočilo, kar je tudi njemu prineslo Nobelovo nagrado, sta angleški fizik Oliver Heaviside (1850-1925) ter irski fizik Arthur Kennelly (1861–1939) predlagala, da visoko v Zemljini atmosferi obstaja ionizirana plast, ki odbija Marconijeve radijske valove. To se je skladalo s pogledom, da so električni tokovi v zgornji atmosferi povezani s polarnimi siji. Dokončno je obstoj te plasti, danes imenovane ionosfera, dokazal angleški fizik Edward Appleton (1892-1965).

Kmalu po odkritju ionosfere sta geofizika Sydney Chapman (1888-1970) ter Vincenzo Ferraro objavila znanstveni članek, v katerem sta predlagala, da bi tok delcev s Sonca lahko na Zemlji povzročil najmočnejše motnje geomagnetnega polja, imenovane geomagnetne nevihte. Dvajset let pozneje je nemški astronom Ludwig Biermann (1907-1986) opazil, da plinski repi kometov vedno kažejo v smeri stran od Sonca, ne glede na to, kje na svoji orbiti se ti kometi nahajajo. Biermann je predlagal, da je temu vzrok plin, ki nenehno odteka s Sonca v medplanetarni prostor, ki potiska plinski rep kometov v smeri svojega potovanja. V petdestih letih 20. stoletja je Eugene Parker (1927-) naredil matematični model Sončevega vetra, ki se nenehno širi od Sonca navzven. Ko je poslal svoj članek v objavo ugledni znanstveni reviji The Astrophysical Journal, sta oba arbitra, ki sta bila zadolžena za pregled članka, zavrnila njegovo objavo, saj ju Parkerjevi argumenti niso prepričali. K sreči je bil takrat urednik revije Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995), poznejši dobitnik Nobelove nagrade za fiziko, ki je prepoznal resnični potencial Chapmanovega članka in ga tudi objavil. Do dokončne eksperimentalne potrditve obstoja Sončevega vetra je prišlo nekoliko pozneje, takoj na začetku vesoljske dobe. Tako so obstoj tega plina v Zemljini soseščini leta 1959 potrdili podatki sovjetske sonde Luna 1, leta 1962 pa je ameriška misija Mariner tudi izmerila smer njegovega potovanja. S tem je bil obstoj Sončevega vetra tudi nedvoumno dokazan, to odkritje pa je imelo kot posledico hiter razvoj znanstvene discipline, ki ji rečemo vesoljska fizika.

Literatura

1. Mark Moldwin, 2008, An Introduction to Space Weather, Cambridge University Press, www.cambridge.org/9780521861496