NASA připravuje unikátní výpravu, která by měla významně zlepšit náš pohled na centrální hvězdu naší Sluneční soustavy. Vůbec poprvé v historii tak budou mít vědci k dispozici trojrozměrný obraz Slunce. Od projektu STEREO si vědci slibují množství informací, které jim umožní zpřesnit předpovědi kosmického počasí.
Nejsilnější erupce za posledních 16 let
Byl leden 2005 a na Slunci je pozorována obří sluneční skvrna NOAA720. Dosud se stala zdrojem čtyř erupcí. A letošního 20. ledna explodovala znovu. Erupci zaznamenala jako první observatoř SOHO, zavěšená jeden a půl milionu kilometrů od Země v tzv. Lagrangově bodu L1. V klasifikaci slunečních erupcí dostává ta poslední nejvyšší možné zařazení, třídu X.
Miliardy tun elektricky nabitého plynu jsou vyvrženy do okolního vesmíru – vědci tuto událost označují jako koronální výtrysk hmoty (Coronal Mass Ejection, zkráceně CME). Protony urychlené téměř na rychlost světla dosáhnou oběžné dráhy Země jen několik minut poté, co světelné záření. Začíná několikadenní protonová bouře, nejsilnější za posledních 16 let.
Do zemské atmosféry „buší“ protony s energiemi přes 100 miliónů elektronvoltů. Takové částice už mohou poškodit i buňky a tkáně lidského těla. Nečiní jim problém projít 11 cm silnou vrstvou vody. Na Zemi jsme naštěstí chráněni hustou atmosférou a magnetickým polem. Rovněž posádka kosmické stanice ISS není v ohrožení, protože její vnější plášť jí skýtá dostatečnou ochranu. Pokud by ale v době erupce pracovali ve volném kosmickém prostoru nebo třeba na povrchu Měsíce astronauti, neměli by příliš mnoho času se schovat. A v takovém případě jim hrozí akutní nemoc z ozáření.
Kolaps energetických sítí
Ovšem ani pozemšťani nemusejí být následků slunečních erupcí zcela ušetřeni. Pro příklad nemusíme rovněž chodit příliš daleko do historie. Jiná silná sluneční bouře udeřila v březnu 1989. Následkem byly stovky poruch na energetických sítích v Severní Americe a ve Švédsku. V americkém New Jersey byl poškozen transformátor v přepočtu za 250 milionů korun.
Nejhůře ovšem tehdy dopadla kanadská energetická společnost Hydro-Quebec. Řetězová reakce totiž způsobila, že během 1,5 minuty zkolabovala celá energetická síť a zhruba 6 miliónů obyvatel Quebecu, Montrealu a okolí bylo bez proudu. Trvalo ještě devět hodin než byla obnovena dodávka pro většinu oblasti.
Bouře rovněž ovlivnila provoz družic na oběžné dráze. Postiženy byly komunikační i meteorologické družice, nad některými z nich dokonce jejich operátoři dočasně ztratili kontrolu. Lidé přišli o mobilní a televizní spojení, vědci o snímky potřebné pro předpověď počasí.
Potřebujeme včasné varování!
V současné době pracuje ve vesmíru hned několik družic, které studují Slunce i jeho projevy. Sledování kosmického počasí i jeho předpovědi zaznamenávají v posledních letech významné pokroky. Sluneční fyzikové se snaží včas předpovědět hrozící bouři a dostatečně dopředu varovat provozovatele energetických a komunikačních sítí i operátory družic.
Význam předpovědí ještě více vzroste pokud se lidé vrátí zpět na Měsíc či se dokonce vydají k dalším planetám. Případ z ledna 2005 ukazuje, že před kosmickými „meteorology“ je ještě dlouhá cesta. To ostatně připouští i Michael Kaiser (NASA Goddard Space Flight Center), který je jedním z vědců podílejících se na projektu STEREO, když říká: „S předpovědí kosmického počasí jsme tam, kde byli pozemští meteorologové v 50. letech minulého století.“
Významným pomocníkem by se nyní měla stát dvojice družic, které jsou připravovány ke startu na polovinu letošního roku. Projekt STEREO (Solar TErrestrial RElation Observatory) vůbec poprvé v historii přinese vědcům třírozměrný pohled na naši mateřskou hvězdu. A to je výrazný kvalitativní posun. Vždyť z dosavadních „jenom“ dvojrozměrných dat není občas ani možné určit, kterým směrem se oblak materiálu vyvrženého ze Slunce šíří!
Za Sluncem kolem Měsíce
Aby bylo dosaženo trojrozměrného pohledu, bude každá z obou družic pozorovat Slunce z jiné pozice v blízkosti Země. Podobně je tomu i u člověka, který sleduje předměty každým okem z trochu jiné perspektivy. Získaná data budou družice posílat do pozemského centra, kde z nich vědci složí prostorový obraz naší mateřské hvězdy.
Obě družice vynese na oběžnou dráhu raketa Delta 2, přičemž STEREO A bude umístněna v horní části nákladového prostoru, její kolegyně STEREO B naopak v části spodní.
Raketa je vypustí na velmi protáhlou dráhu s nejvzdálenějším bodem ležícím kousek za oběžnou drahou Měsíce. Zhruba dva měsíce po startu se obě družice setkají s Měsícem, načež jedna z nich namíří na určenou pozici za dráhou Země. O další měsíc později pak bude druhá sonda, opět za gravitační asistence naší oběžnice, vyslána na plánovanou polohu před drahou Země.
Tento novátorský přístup umožní využít ke startu dvou družic, určených pro odlišné dráhy, jedinou nosnou raketu, čímž se sníží výdaje na jejich vynesení do vesmíru.
Vpředu i vzadu
Družice dostaly svá prozatímní označení podle polohy, ze které budou Slunce sledovat. STEREO A jako „Ahead“ (anglicky vpředu) bude obíhat kolem Slunce blíž než Země ale zároveň 22º před naší planetou. Jeden oběh po této dráze potrvá sondě 347 dnů. STEREO B, kde B značí „Behind“ (vzadu), se bude naopak o 22º za Zemí zpožďovat. Její oběžná dráha bude ležet dále od Slunce a družice jej oběhne jednou za 387 dnů.
Jejich polohy ovšem nebudou stabilní a družice se budou postupně od Země víc a víc vzdalovat. Během primární doby trvání výpravy, která je plánována na dva roky, by toto pozvolné vzdalování nemělo ovlivnit vědecké výsledky. „Nakonec se dostanou do pozic na opačných stranách Slunce,“ vysvětluje Michael Kaiser. Podle něho se tak stane dlouho po skončení hlavní části projektu. Trvání výpravy přitom odhaduje na pět až šest let, podle finančních prostředků, které budou k dispozici.
(Téměř) stejné družice
„Z technologického hlediska je STEREO poněkud zvláštním projektem“, říká systémový inženýr družic Andrew Driesman (John Hopkins University Applied Physics Laboratory). „Pokusili jsme se postavit dvě družice za cenu jedné.“ Náklady na projekt činily celkem 520 milionů dolarů (za to bychom pořídili sedm až osm vojenských letadel). Ze strany NASA to bylo zhruba 460 miliónů dolarů, dalšími 60 milióny přispěly spolupracující instituce z Evropy. Tato částka zahrnuje veškerý vývoj a testování, náklady na start, pokrývá dva roky provozu družic a tři roky zpracování získaných dat.
Obě družice jsou shodné konstrukce, nesou i stejné přístroje. Zcela totožnými „dvojčaty“ ale nejsou. Rozdíly mezi nimi jsou dány odlišnými drahami, po kterých budou Slunce obíhat.
Protože dráha STEREO A je blíže ke Slunci, centrální hvězda bude mít z jejího pohledu větší úhlové rozměry než při pohledu z paluby družice STEREO B. Z tohoto důvodu je například nutné, aby zakrývací disk slunečního koronografu (přístroje ke sledování koróny, zářící atmosféry Slunce) družice A je větší než v případě družice B.
Menší vzdálenost od Slunce sondy STEREO A vyžaduje rovněž dodatečnou tepelnou ochranu. Každá z družic zákonitě „uvidí“ v jiném směru i naši Zemi, což si vyžádalo jiné umístnění hlavní rádiové antény a následně i vědeckých přístrojů, které jsou jinak identické.
A konečně družice B má zesílený hlavní rám, protože během startu bude „áčko“ uloženo na ní. Mechanismus, kterým budou obě družice při startu spojeny, zůstane po jejich oddělení rovněž součástí „béčka“.
Béčko je těžší
Každou z družic si je možno představit jako menší ledničku, 1,14 m vysokou, 1,22 m širokou a 2,03m hlubokou. Po rozvinutí solárních panelů ale vzroste šířka obou družic na 6,47 m. Solární panely mají „uspokojit“ energetickou potřebu obou družic, která činí 475 W.
S plnými palivovými nádržemi je startovací hmotnost STEREO A 620 kg, STEREO B je kvůli zesílené konstrukci o trochu těžší. Hlavní přenosová anténa každé sondy je schopna odesílat na Zemi data rychlostí 720 kilobitů za sekundu. Data lze rovněž skladovat v paměti palubního počítače, jenž má kapacitu 1 gigabytu.
Přístroje na palubě
Každá družice nese celkem 16 vědeckých přístrojů, které jsou seskupeny do čtyř „balíků“ podle svého určení. Řada z nich je podobná koronografům a kamerám, které nese družice SOHO, jež naši hvězdu pozoruje už více než deset let. S ohledem na stáří této družice jsou přístroje STEREO samozřejmě modernější a poskytují lepší časové i prostorové rozlišení.
První z přístrojových balíčků se označuje SECCHI (Sun-Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation) a zahrnuje v sobě čtyři přístroje určené k zobrazení Slunce na různých vlnových délkách, od ultrafialového k viditelnému záření. Cílem této sady přístrojů je studium vývoje koronálních výtrysků hmoty od jejich zrodu na povrchu Slunce, přes přenos skrz sluneční korónu do meziplanetárního prostoru až po eventuální dopad na zemskou atmosféru.
SWAVES (STEREO/WAVES) je samostatným přístrojem ke studiu rádiového záření pocházejícího z rázových vln, které vznikají když se částice CME srážejí s pomalejšími částicemi, rovněž se šířícími ze Slunce.
Zbývající dvě sady přístrojů jsou zaměřeny na částice a s nimi spojená magnetická pole, jež budou studovat přímo při jejich průchodu v blízkosti příslušné družice. IMPACT (In-situ Measurements of Particles CME Transient) změří trojrozměrné rozdělení a plazmové charakteristiky slunečních částic a s nimi souvisejících magnetických polí. Tuto sestavu tvoří celkem šest přístrojů. A konečně PLASTIC (PLAsma and SupraThermal Ion Composition) zaznamená charakteristiky protonů, alfa částic a těžkých iontů. Tento přístrojový balíček poskytne klíčové poznatky o hmotnostech a náboji těžkých iontů a bude charakterizovat plazma spojené s CME.
Erupce mohou za polární záři
Kombinovaná pozorování obou družic umožní vědcům monitorovat dráhy koronálních výtrysků hmoty. Právě tyto obrovské oblaky elektricky nabitého materiálu jsou, pokud dorazí k Zemi, zdrojem poruch magnetického pole Země a s nimi spojených nepříjemností.
Na druhou stranu je nutno zmínit i „pozitivní“ projevy těchto erupcí. Při vzájemném působení elektricky nabitého materiálu se zemskou atmosférou vzniká nádherný jev, který je pozorovatelný především v polárních oblastech, ale v případech silných erupcí třeba i z našich zeměpisný šířek. Jedná se samozřejmě o polární záře.
Co přinese projekt?
Projekt STEREO by měl vědcům poskytnout především informace potřebné k pochopení původu i následků CME. Bude rovněž hledat mechanismy, které tyto jevy spouštějí a zjišťovat, jak se šíří sluneční heliosférou. Slunečním fyzikům by měl také napovědět, jak a kde dochází k urychlování energetických slunečních částic. Dalším výsledkem projektu by měl být třírozměrný, časově závislý model magnetické topologie, teploty, hustoty a rychlosti slunečního větru.
Význam projektu obhajuje další člen vědeckého týmu Alex Young (NASA Goddard): „Kosmické počasí silně ovlivňuje naše denní životy. Dnešní společnost je extrémně závislá na technologiích, jež jsou jím ovlivňovány… Potřebujeme se naučit, kdy tyto jevy vznikají a kdy míří právě směrem k nám.“
Projekt STEREO tedy slibuje kvalitativní posun ve výzkumu naší mateřské hvězdy a záplavu zcela nových dat. K jeho startu nejspíš dojde na přelomu jara a léta letošního roku.
Zatímco některé přístroje začnou měřit hned po startu, na první stereoskopické snímky Slunce si budeme muset počkat ještě minimálně další tři měsíce než obě družice dosáhnou požadovaných poloh ve Sluneční soustavě.
Data budou dostupná na: http://www.nasa.gov/STEREO
Slovníček pojmů
Koróna – vnější vrstva atmosféry Slunce. Teplota zde dosahuje miliónů stupňů. Ze Země je nejsnáze pozorovatelná při úplném zatmění Slunce. Na družicích je zatmění imitováno přístroji zvanými koronografy.
Sluneční vítr – nepřetržitý proud plynu proudícího ze Slunce, převážně tvořený vodíkem s trochou hélia a stopovým množstvím těžších prvků, který prochází Sluneční soustavou. Je extrémně řídký a obvykle se šíří rychlostmi mezi 200 a 800 km/s.
Koronální výtrysk hmoty (CME) – miliardy tun materiálu vyvrženého ze Slunce, který při srážce se zemským magnetickým polem způsobuje jeho poruchy. Ačkoliv jsou mohutné a intenzivní, jsou rovně velmi řídké. Oběžné dráhy Země obvykle dosáhnou dva až čtyři dny po vyvržení ze Slunce.
Sluneční erupce – jasné exploze ve spodní koróně, které mohou být spojeny s CME.
Sluneční energetické částice – částice (zvláště protony), které se pohybují rychlostmi 30 – 90% rychlosti světla. Představují vážné nebezpečí pro astronauty i družice. Předpokládá se, že jsou způsobeny CME nebo erupcemi.
Extrémní sluneční bouře
„Nejhorší sluneční bouře mohou mít srovnatelný ekonomický dopad jako hurikány 5. stupně či vlny tsunami,“ říká Sten Odenwald (NASA Goddard). Na oběžných drahách je přitom asi 900 činných družic, v celkové hodnotě kolem 200 miliónů dolarů. „Jeden scénář ukazuje, že taková superbouře může způsobit škodu až 70 miliard dolarů, v důsledku ztráty družic, pracovních míst a výdělků.“
K takové události skutečně v nepříliš vzdálené minulosti došlo, naštěstí ještě před počátkem kosmického věku. Bouře z roku 1859 byla mnohem silnější než jakákoliv jiná zaznamená v období letů do vesmíru. Ukázala to analýza geomagnetických dat, ledových vzorků z Grónska a výpovědi očitých svědků. Jim Green (NASA Goddard) uvádí: „Narušila telegrafní spojení na celém světě a způsobila polární záře viditelné v tak nízkých zeměpisných šířkách, ve kterých leží Panama.“
Astronauti z Apollo unikli
Silná bouře, kterou Slunce rozpoutalo v srpnu 1972, byla výjimečná tím, že se uskutečnila mezi dvěma lety lodí Apollo na Měsíc. Zatímco posádka Apollo 16 zde působila v dubnu tohoto roku a v době bouře už byla zpět na Zemi, astronauti z Apollo 17 se teprve na svůj prosincový let připravovali.
Pokud by se v době bouře nacházeli přímo na povrchu Měsíce, hrozila by jim dávka záření 400 rem (pro názornost uveďme, že jeden rem odpovídá dávce, kterou člověk obdrží při rentgenovém vyšetření). Taková dávka by už mohla být smrtelná, ačkoliv rychlý návrat na Zemi, spojený s následnou lékařskou péčí, by teoreticky mohl vést k záchraně životů astronautů.
Situace ovšem by nebyla kritická ani v případě, kdyby k erupci došlo v době letu Apollo k Měsíci. Pokud by se na Slunci nacházela velká skvrna hrozící erupcí, astronauti by jednoduše neopouštěli kosmickou loď. Pod ochranou jejího pláště by získaná dávka poklesla na 35 rem. Ve srovnání se 400 rem by to znamenalo rozdíl stejný jako mezi transplantací kostní dřeně a bolestí hlavy.
Moderní kosmické lodi jsou chráněny ještě více. Odborníci odhadují, že astronauti na ISS obdrželi během bouře vzniklé při erupci 20. ledna 2005 dávku zhruba jediného rem.
Co víme o Slunci?
* Sluneční aktivita se pravidelně mění v jedenáctiletém cyklu odpovídajícím době přepólování magnetických pólů Slunce. V současné době se nacházíme právě v minimu této sinusoidy.
* Stáří Slunce je 4,6 miliardy let.
* Slunce je hvězdou typu G, což je skupina zvaná žlutí trpaslíci. Ve vesmíru jsou hvězdy tohoto typu velmi četné.
* Světlu trvá stovky tisíc let než dosáhne povrchu Slunce. Odtud jej k naší planetě dělí už jenom 8 minut.
* Svými rozměry by pohltilo milión našich Zemí.
* Složení Slunce: 70% vodík, 28% hélium, 2% těžší prvky.
* Různé vrstvy Slunce rotují odlišnými rychlostmi. Rychlost rotace se rovněž mění se sluneční šířkou. Zatímco na rovníku trvá jedna otočka 26 dnů, na pólech je to dnů 36.
