Zorza polarna to jedno z najpiękniejszych zjawisk na niebie, ale wywołuje ją ten sam proces, który może zagrozić liniom energetycznym na ziemi. Badacze przeanalizowali tzw. podburzę magnetosferyczną i wykazali, że jej skutki docierają do powierzchni Ziemi w ciągu kilku minut.

Od wyrzutu masy koronalnej do podburzy

Ziemia stale znajduje się w wietrze słonecznym, czyli strumieniu naładowanych cząstek płynącym od Słońca. Czasem Słońce wyrzuca znacznie większy obłok cząstek i pól magnetycznych, nazywany koronalnym wyrzutem masy. Nie powoduje on jednak natychmiastowej awarii sieci, tylko uruchamia łańcuch zjawisk w przestrzeni kosmicznej.

Jeśli pole magnetyczne takiego obłoku jest odpowiednio zorientowane, łączy się z polem Ziemi od strony zwróconej ku Słońcu. Wiatr słoneczny przeciąga te linie pola na nocną stronę planety i rozciąga je w długi ogon magnetyczny. Gromadzi się w nim energia, aż linie pola ponownie się łączą, a nagromadzona energia uwalnia się gwałtownie. To właśnie podburza, do której dochodzi około 45–65 tysięcy kilometrów od Ziemi.

Wtedy cząstki pędzą wzdłuż linii pola ku planecie. Zderzając się z atomami tlenu i azotu na wysokości około 90–150 km, wywołują zorzę. Jednocześnie napędzają silne prądy elektryczne w górnej atmosferze. Ich szybkie zmiany gwałtownie zmieniają pole magnetyczne przy powierzchni, a to indukuje prądy w gruncie i liniach przesyłowych. Może to uszkadzać transformatory i powodować wyłączanie wyłączników.

Co pokazały obserwacje

Zespół zbadał dwa zdarzenia zorzowe, łącząc dane z satelitów NASA (THEMIS) i NOAA (GOES) z odczytami gęstej sieci magnetometrów w arktycznej Kanadzie. Kolejność była wyraźna: gdy rozciągnięte linie pola na nocnej stronie nagle się połączyły, sondy zarejestrowały skok pola i wyrzut cząstek w stronę Ziemi. Około siedem minut później pole magnetyczne przy gruncie zaczęło szybko się zmieniać.

Zaburzenia nie pojawiały się wszędzie naraz. Zaczynały się na niższych szerokościach geograficznych, a w ciągu kolejnych 20–30 minut przesuwały się w stronę bieguna. Stacje oddalone od siebie o dziesiątki lub setki mil potrafiły zanotować zupełnie różne reakcje: silne wahania w jednym miejscu i słabe w innym. Zależało to od natężenia prądów w górnej atmosferze, jej przewodności oraz przewodności podłoża, a ta wynika z lokalnej geologii i wilgotności gruntu.

Wniosek jest praktyczny: efektowna zorza nad głową nie musi oznaczać, że w tym miejscu występują najsilniejsze zaburzenia i prądy indukowane.

Gdy zorza oznacza problem dla sieci

Historia zna wyraźne przykłady. W marcu 1989 roku zorze widziano aż w Teksasie, a gwałtowne zmiany pola magnetycznego przyczyniły się do upadku systemu Hydro-Québec. Ponad 6 milionów ludzi straciło prąd na około dziewięć godzin. W czasie „halloweenowych” burz w październiku 2003 roku zorze rozświetlały niebo nad Europą, a prądy indukowane geomagnetycznie przyczyniły się do awarii zasilania około 50 tysięcy osób w szwedzkim Malmö. W maju 2024 roku, podczas najsilniejszej burzy geomagnetycznej od ponad dwóch dekad, prądy te obciążyły sieć w południowej Szwecji, co zmusiło do odłączenia jednego z połączeń przesyłowych.

Co to oznacza w Europie

Szwedzkie przykłady pokazują, że ryzyko dotyczy także Europy, nie tylko Kanady czy Skandynawii. Polska leży na średnich szerokościach geograficznych, więc silne zorze widzimy rzadko, a skutki dla sieci są zwykle mniejsze niż na dalekiej północy. Nie znaczy to jednak, że temat jest nam obcy: polskie sieci są częścią połączonego systemu europejskiego, a w czasie najsilniejszych burz zorze bywały widoczne także nad naszym krajem. Autorzy badania nie oceniali ryzyka dla konkretnych państw, więc nie należy z niego wyciągać prostych wniosków o zagrożeniu w Polsce.

Prognozy pogody kosmicznej pozwalają ostrzegać operatorów sieci na kilka godzin przed nadejściem aktywności słonecznej. Sama podburza rozwija się jednak dopiero po oddziaływaniu wiatru słonecznego z magnetosferą, a jej skutki następują w skali minut. Zorza i ryzyko dla sieci to więc dwie strony tego samego zjawiska.

Źródło: Phys.org – „How space weather powers auroras in the sky and threatens power grids on the ground”