Hvězda se dvěma severními póly
V klidovém stadiu má Slunce - stejně jako Země nebo i jiné planety, jeden severní a jeden jižní pól svého magnetického pole, každý na opačné straně tělesa. To však v případě Slunce neplatí stále - v březnu 2000 začal sluneční jižní magnetický pól z fotosféry pozvolna mizet a na jeho místě se vynořil magnetický pól s opačným znamením. Tehdy mělo Slunce na povrchu dva severní póly.
Přestože to zní jako naprosto nemožná věc, měření ukazují, že je tomu skutečně tak. Dokonce je to zcela běžný efekt slunečního cyklu. Každých jedenáct let, v okolí slunečního maxima, se totiž sluneční globální pole celé rozbije během vnitřní přestavby slunečního magnetického dynama. No a současné události jsou jen běžnou součástí tohoto jevu.
Jižní magnetický pól z fotosféry skutečně zmizel. Během celé přestavby totiž začal migrovat na sever a při své cestě se magnetické trubice s jižní polaritou na chvíli omotaly kolem slunečního rovníku. Už v květnu 2000 se při své cestě jižní pól navrátil na své místo poblíž jižního rotačního pólu. Ale ne na dlouho, v roce 2001 se celé magnetické pole přepólovalo kompletně - severní a jižní pól si prohodily pozice a v nich zůstávají dodnes a vydrží tak dalších jedenáct let, kdy je bude čekat stejná procedura.
Pete Riley a jeho tým ze Science Applications International Corporation (SAIC) v San Diegu použili pro studium komplexních změn magnetického pole superpočítač se jménem Blue Horizon a data z moderních kosmických družic (především ACE a Ulysses). Studie jsou důležité k pochopení návazností slunečního magnetického pole na kosmické počasí - tedy aktuální stav velmi těsného okolí Země.
Rozlehlá oblast prostoru, která je plně pod vlivem magnetického pole centrální hvězdy, se nazývá heliosféra. Všech devět planet obíhá hluboko v jejím vlivu. Dominantní strukturou celé heliosféry ale nejsou planety ani Slunce. Je to takzvaná „proudová vrstva“ (current sheet) - oblast, kde se polarita slunečního magnetického pole mění z plus (severního) na mínus (jižní). Název proudová vrstva není vůbec zavádějící - na této ploše se totiž zcela běžně vyskytují elektrické proudy s hustotou 10-10 A/m2. To je sice 1016x méně, než odpovídá vláknu žárovky, ale musíme vzít v úvahu, že jde o velmi rozměrnou strukturu. Vrstva je tlustá asi 10 000 km a zasahuje od Slunce až za dráhu Pluta.
Normálně obíhá tato struktura slunečního rovník jako rozvlněná sukně točící se baleríny. Jenže během „dvoupólové události“ v březnu 2000 se tvar vrstvy radikálně změnil. Vrstva se mnohem více zvlnila, objevily se nepravidelnosti - získala tvar obrovské ústřice.
No bezva, sluneční fyzikové měli konečně něco na práci, ale co z toho má obyčejný člověk?
Bavme se chvíli o souvislostech. Nebavíme se o ničem jiném, než o nebezpečí kosmických paprsků. Proudová vrstva totiž funguje jako velmi účinná bariéra stínící objekty ve slunečního soustavě před pronikajícími kosmickými částicemi. Nabité částice se nemohou pohybovat napříč polem (zakazuje jim to Lorentzova síla), ale jedině podél křivek magnetické indukce. Je tedy jasné, že tvar proudové vrstvy vlastně určuje, jaký tok nabitých částic se dá v okolí Země očekávat.
Dalším důvodem je kosmické počasí. Během svého oběhu kolem Slunce Země prostupuje zvlněnou proudovou vrstvou. Na jedné straně míří sluneční magnetické pole severně (silokřivky jsou orientovány směrem ke Slunci), na druhé pak jižně (od Slunce). Magnetické pole orientované jižním směrem má tu vlastnost, že se může skládat s magnetickým polem Země a díky opačné orientaci jej zeslabovat. Energetický sluneční vítr má pak větší šanci prostupoval okolí zemský prostor a způsobovat geomagnetické bouře.
Geomagnetické bouře mají mnoho projevů, k těm negativním patří bezesporu poruchy elektroniky a energetických sítí na Zemi a v jejím okolí (na kosmických družicích), k těm pro pozorovatele pozitivním pak polární záře. O obém již bylo i na tomto serveru napsáno dost.
Detailním mapováním průběhu proudové vrstvy by značně ulehčilo předpovědi kosmického počasí a také geomagnetických bouří. To je ale problém, protože proudová vrstva je neviditelná. Jediný způsob, jak předpovědět její tvar, je spočítat ji. Přitom se dá využít každodenních měření slunečních fotosférických magnetických polí, která provádí desítky přístrojů na Zemi i v kosmickém prostoru. Riley a jeho tým vyvinuli program, který řeší složité rovnice magnetohydrodynamiky a jako okrajové podmínky používá právě měření magnetických polí ve sluneční fotosféře. Výpočetní kód je nesmírně náročný, jeho běh na běžných počítačích by byl nepředstavitelně pomalý. Proto se Rileyův tým rozhodl použít superpočítače Blue Horizon (IBM SP3).
Chvilková epizoda, kdy mělo Slunce na svém povrchu dva severní póly, byla použita jako klíčový test pro napsaný software. Výsledný tvar proudové vrstvy se podobal ulitě. Ulitě široké více než miliardu kilometrů.
Výpočet je jedna věc, ale jak ověřit, že se alespoň přibližuje k realitě?
Klíčová data poskytla družice Ulysses americké NASA. Na začátku roku 2000 byl Ulysses kolem 600 milionů kilometrů od Slunce, což je ideální vzdálenost pro testování tvaru proudové vrstvy. Družice prošla proudovou vrstvou dvakrát - v březnu a dubnu 2000. Magnetometry na palubě zaznamenaly změny okolního magnetického pole, které byly v dobré shodě s předpovědí pomocí modelu, jenž vytvořil Riley a jeho tým. Jinými slovy - z měření magnetických polí na povrchu Slunce bylo možné s rozumnou spolehlivostí předpovědět tvar meziplanetárního pole ve vzdáleností 600 milionů kilometrů. Není to zajímavé?
Sami autoři podotýkají, že přestože vývojem kódu strávili deset let, má model četné nedostatky, které se budou samozřejmě snažit nadále odstraňovat. Chtějí do výpočtů zahrnout i další měřitelné charakteristiky, jakými je například teplota, hustota a rychlost slunečního větru. Vzdáleným cílem je dosáhnout rozumně spolehlivých předpovědí geomagnetických bouří až čtyři dny dopředu. Předpověď počasí na následující čtyři dny neoznačí jako spolehlivou ani sami meteorologové.
Testování software nové generace bude vyžadovat přísun dalších dat (nejen) z družice Ulysses. Tato sonda je totiž na unikátní oběžné dráze, která prochází nad oběma rotačními póly Slunce. Tato trajektorie umožňuje získávat nástin třírozměrného pohledu na heliosféru.
Kombinace superpočítače na Zemi a družice mapující sluneční vítr uvnitř heliosféry se ukázala jako šťastná. Nyní se můžeme těšit na další překvapení, které nám Slunce přinese. Bude to opět nějaký ten pól navíc? Nebo něco ještě zvláštnějšího?
Zdroj: Science@NASA
