Zorze polarne nad Polską i sąsiadami. Podsumowanie burzy magnetycznej G3 (12-13.09.2014)

Po długim oczekiwaniu Ziemia doświadczyła kolejnej istotnej burzy magnetycznej, będącej efektem silnego rozbłysku połączonego z koronalnym wyrzutem masy uwolnionym w stronę Ziemi. To wzmożenie aktywności geomagnetycznej nie przebiegało jednak do końca tak, jak życzyliby sobie tego obserwatorzy z umiarkowanych szerokości geograficznych, chociaż zorze polarne nad Polską wystąpiły. Co poszło nie tak, czego zabrakło, i jak przebiegała zmiana warunków pogody kosmicznej podczas tej burzy? Po kilku dniach drapania się po głowie i dokonania serii porównań na zjawiskach z przeszłości, przyszła pora na obiecane prześledzenie tamtych emocjonujących chwil dokładniej i krok po kroku. Aby wszystko trzymało się kupy, najpierw proponuję cofnięcie się do początku tej historii. Dawno, dawno temu, w odległej galaktyce... Albo nie aż tak, bo wpis byłby za długi. Cofnijmy się w takim razie do tego 10 września.

Dnia tego pamiętnego, o godz. 19:45 CEST obszar aktywny 2158 wytworzył silny i długotrwały rozbłysk najwyższej energii, którego maksimum zapisało się w klasie X1.6 - to w tej chwili trzecie najsilniejsze zjawisko 2014 roku. W następstwie rozbłysku zaistniał koronalny wyrzut masy (CME) typu full-halo, czyli taki, który z perspektywy Ziemi na zdjęciach z koronografów sondy SOHO rozprzestrzenia się w najbardziej rozległy sposób "otaczając" przysłoniętą tarczę słoneczną podczas oddalania się od Słońca. Wyrzut uwolniony z prędkością około 1400 km/sek. uderzył w Ziemię już po mniej niż dwóch dobach - około godz. 16:45 CEST 12 września. Jako zjawisko uwolnione w takim energetycznym rozbłysku, CME było kandydatem do wywołania wzmożonej aktywności geomagnetycznej, z 99% prawdopodobieństwem wywołania burzy magnetycznej kategorii G3 i doprowadzenia zórz polarnych nad przynajmniej część terytorium Polski.

Uderzenie zarejestrowane przez naziemne magnetometry oraz nieco wcześniej przez sondę ACE dokonującą pomiarów właściwości wiatru słonecznego w ziemskim otoczeniu było zauważalnie silniejsze od poprzedniego uderzenia słabszego CME z rozbłysku klasy M4.5, jakie nastąpiło tego samego dnia kilkanaście godzin wcześniej. O ile to pierwsze słabsze CME wywołało wzrost prędkości wiatru z 340 do około 450 km/sek., to drugiemu uderzeniu wyrzutu z rozbłysku X1.6 towarzyszył już wzrost prędkości rzędu 300 km/sek. - z około 400 do 700 km/sek. (porównanie z ACE) Należy w tym momencie zaznaczyć dużą poprawność w wyliczeniu czasu uderzeń poszczególnych CME - model WSA-Enlil bez trudu zmieścił się w granicach błędu i rzeczywiście to Europa była najbardziej uprzywilejowana jeśli chodzi o godziny, w czasie maksymalnej fazy burzy.

Uderzenie silniejszego CME na początek wywołało wzrost zaburzeń w polu magnetycznym aż o 4 jednostki - z Kp=2 do Kp=6, tym samym rozpoczynając stan burzy magnetycznej kategorii G2. Sprzyjało temu południowe skierowanie międzyplanetarnego pola magnetycznego IMF ku południu - składowa Bz dochodziła wówczas do -10nT, ułatwiając wzrost aktywności. Niestety wcześniejsza burza magnetyczna, która w maksimum osiągnęła kategorię G1 zdążyła dość znacznie wytracić intensywność przed dotarciem drugiego CME - a wielu liczyło na to, że drugi, silniejszy wyrzut rozpocznie podnoszenie aktywności zórz przynajmniej od wyjściowego poziomu Kp5-6, który był sugerowany w efekcie dotarcia pierwszego CME - wówczas indeks Kp bez trudu mógłby osiągnąć wartość 7 czy nawet 8. Tymczasem okazało się, że pierwsze uderzenie ze słabszego rozbłysku klasy M4.5 wywołało jedynie słabą burzę G1, która po niespełna sześciu godzinach zakończyła się (około godz. 06:00 CEST) i zanim drugie CME dotarło, aktywność geomagnetyczna zmalała do poziomu ciszy.

W około godzinę po dotarciu drugiego CME i wywołaniu burzy kategorii G2, zaczęły następować powolne, ale istotne zmiany w magnetosferze. Składowa Bz, ściśle związana z IMF, określająca skierowanie pola magnetycznego wiatru słonecznego, po krótkim czasie z ujemnymi wartościami, zmieniła swoje skierowanie na północne, skutecznie blokując rozwój silniejszej aktywności zórz polarnych. W takich okresach cząstki wyrzutu koronalnego są w większości odbijane od magnetofsery w przestrzeń i nie mogą przenikać do wyższych warstw atmosfery, by pobudzać znajdujące się w niej pierwiastki do jonizacji i rozpoczynania zjawiska zorzy polarnej. Sytuacja mogłaby być korzystniejsza, jeśli sam wyrzut posiadałby też korzystniejsze właściwości - m.in. większą prędkość, uzależnioną od energii rozbłysku, gęstość i skierowanie pola magnetycznego wiatru. Rozbłysk klasy X1.6 był zjawiskiem silnym, ale daleko mu do czołówki zjawisk z obecnego czy poprzednich cykli słonecznych. Wyrzut koronalny uwolniony w następstwie tego rozbłysku mimo, że jeden z szybszych w tym roku, to też na tle innych, który wywoływały silniejsze burze, nie prezentował się szczególnie wyróżniająco - był typowym CME o typowej prędkości przy tej klasie zjawiskach. Wiele mu brakowało, by doprowadzić do znacznego rozwoju zórz przy niekorzystnie układającym się skierowaniu IMF.

Pogłębiająca się taka sytuacja i przybieranie coraz większych dodatnich wartości składowej Bz blokowało rozwój zórz do tego stopnia, że po trzech godzinach od uderzenia CME, burza osłabła do najniższego poziomu. Odchylenie IMF ku północy do wartości powyżej +25nT wyraźnie blokowało nasilenie burzy, co szczególnie było odczuwalne na wysokich szerokoścach geograficznych, gdzie w jednej chwili z zórz widocznych na całym niebie, nastawała całkowita cisza. Ponowne zmiany na korzyść (dane z ACE) zaczęły następować po 21:30, kiedy IMF zaczynało obierać skierowanie południowe przy jednocześnie utrzymujących się na tym samym poziomie warunkach wiatru słonecznego (z niewielkimi wahaniami). W ostatnich godzinach 12 września i początkiem 13 września sytuacja uległa poprawie do tego stopnia, że zaistniała prognozowana burza magnetyczna kategorii G3 (Kp=7) - przy nieustannie ujemnych wartościach Bz około północy, nastąpił wzrost prędkości i gęstości wiatru słonecznego, co poskutkowało zwiększeniem zasięgu występowania zórz nad szerokości umiarkowane. Niestety był to pojedynczy epizod o czasie krótszym niż 3 godziny. Około godz. 01:00 CEST za sprawą rozpoczynającej się ponownej niekorzystnej zmiany w skierowaniu Bz, aktywność geomagnetyczna zaczęła szybko wygasać i po trudnym rozwoju spadła do poziomu ciszy, która już się utrzymała.

Owal zorzowy w czasie maksymalnej fazy burzy magnetycznej G3.
(OVATION)

Podczas krótkiego epizodu z burzą G3, zasięg zórz polarnych poszerzył się nad szerokości umiarkowane, docierając między innymi nad północne regiony Polski, Niemiec czy Holandii. Relacje o zaobserowowaniu barwnych świateł na niebie nad Polską nie były jednak tak częste jak przy innych burzach tej samej siły. Dlaczego tak się stało?

Zacząć należałoby od faktu, że była to dość, nazwijmy to, "niewyparzona" kategoria G3. Zaburzenia wprawdzie wzrosły do alarmowego dla Polski poziomu Kp=7 co przyniosło zorze poalrne nad nasz kraj, ale nie można tu mówić o identycznej aktywności zórz, jak, dla przykładu, podczas burzy G3 z 17 marca 2013 roku. Nawet na wysokich szerokościach geograficznych, obserwatorzy relacjonowali dość ubogie zorze biorąc pod uwagę siłę burzy (choć momentami zjawisko szalało tam na poważnie). Zasięg burzy mimo tej samej kategorii co w marcu ubiegłego roku, nie był tak imponujący i z pewnością nie objął całej Polski, a co najwyżej pas północnych województw. Poniżej nagranie poklatkowe ze wsi Nowodworce, około 5 km na północny wschód od Białegostoku, podrzucone na fejsbukowy profil bloga przez jedną z czytelniczek. Subtelne zorze uwidoczniły się głównie w różowo-fioletowych barwach, w podobny sposób jak nad innymi krajami położonymi na tych samych szerokościach geograficznych, co północne województwa Polski. Bardzo podobnie zjawisko zarejestrowano z północnych Niemiec i Holandii. Pierwszy od dawien dawna alarm zorzowy dla Polski był zatem jak najbardziej uzasadniony.

Zorza polarna w Nowodworcach (woj. podlaskie) - 12/13.09.2014 r.

Credit: Szczepan Skibicki

Niestety w tę noc wszyscy, niezależnie od lokalizacji, musieli zmierzyć się z obecnością znacznie oświetlonego Księżyca, będącego zaledwie 5 dni po wrześniowej pełni. W Polsce dodatkowym utrudnieniem zwiększającym wpływ Księżyca na obserwacje była obecność ciepłego frontu atmosferycznego, na którym dochodziło do powstania licznych struktur zachmurzenia (część południowa kraju, oraz północna w pierwszej części wieczoru) oraz zamgleń w regionach, nad którymi pojawiały się rozpogodzenia. Prowadziło to do bardzo złej przejrzystości na niebie - połączenie jasnego blasku Księżyca z cienkim zachmurzeniem czy zamgleniami tworyło jasną kurtynę na znacznej powierzchni nieba, która niepozwalała na wypatrzenie zórz nawet, gdy burza osiągała swoje maksimum i ich zasięg wystraczająco dla północnej Polski się powiększył, stąd zjawisko to było często jedynie w zasięgu matryc aparatów.

Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. niedaleko Skanderborg (Dania).
Credit: Tomas Jensen.

Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. nad Knudsoe (znowuż Dania).
Credit: Liselotte Kahns

Zorza polarna w noc z 12.13.09.2014 r. nad Dokkum (Holandia).
Credit: Rayann Elzein

Orientacyjne położenie Dokkum w Holandii, celem porównania zasięgu zórz w czasie burzy G3 z szerokościami geograficznymi północnych województw Polski.
Credit: Google Maps

Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. nad Lingen (Ems) w Niemczech.
Credit: Waldemar Skorupa

Orientacyjne położenie Lingen (Ems) w Niemczech, celem porównania zasięgu zórz w czasie burzy G3 z szerokościami geograficznymi północnych województw Polski.
Credit: Google Maps

I przechodzimy na wysokie szerokości geograficzne. Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. nad Sortland w Norwegii.
Credit: Frank Olsen

Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. nad Tromso w Norwegii.
Credit: Harald Albrigtsen

Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. nad jeziorem Ontario, około 100 km na wschód od Toronto.
Credit: Lynn Hilborn

Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. nad drogą Maple Grove przy Fairfield.Credit: Paul Cyr

Zorza polarna w noc z 12/13.09.2014 r. nad Kvænangsfjellet, w północnej części Norwegii.Credit: Tommy Richardsen

Wielu z Was z pewnością niejednokrotnie przekonywało się na własnej skórze, jak znaczna różnica może zachodzić w jakości nieba w dwóch sytuacjach - gdy tak bliski pełni Księżyc świeci na niebie bezchmurnym, przejrzystym po opadach atmosferycznych, a jak w sytuacji, gdy występuje zamglenie lub niebo pokryte jest cienką warstwą chmur wysokiego piętra, po których blask Srebrnego Globu rozciąga się na znaczny obszar nieboskłonu i skutecznie ogranicza widoczność gwiazd. Nie bez przyczyny mówimy wtedy o "mleku na niebie". W wielu regionach kraju, gdzie w noc z 12 na 13 września zachmurzenie ustępowało, pojawiały się zamglenia lub obecne były resztki cirrusów. W innych, bywało bardziej znośnie, ale i tak nadal z obecnością jasnego Księżyca. Z kolei w wielu południowych województwach, opady i formujące się chmury burzowe na froncie ciepłym zmusiły do pożegnania się z jakimikolwiek próbami obserwacji, co w sytuacji gdy zasięg zórz aż tam się nie powiększył, nie jest dla tych regionów wielką stratą.

Porównanie z burzą magnetyczną z 17 marca 2013 roku

Wspomniałem na początku, że grzebałem w ostatnich dniach w starych zapiskach, żeby dokonać kilku porównań z dawniejszym przypadkiem podobnego wydarzenia z zakresu pogody kosmicznej, stąd dopiero teraz udostępniam Wam ten tekst. Do tego celu nie mogłem użyć innego zdarzenia, jak porównywalnej pod względem siły burzy magnetycznej G3 z 17 marca 2013 roku. Między tymi burzami zachodziła istotna seria podobieństw i różnic, które chciałbym tutaj przytoczyć, bo mogą wydać się dość interesujace.

Burzę z marca 2013 poprzedził znacznie słabszy rozbłysk słoneczny. W zakresie rentgenowskim w jakim określa się siłę rozbłysków, tamto zjawisko osiągnęło klasę M1.2, będąc zauważalnie mniej energetycznym rozbłyskiem od X1.6, który teraz był sprawcą zamieszania. Oba rozbłyski miały charakter długotrwały. Oba charakteryzowały się powolną fazą spadku po maksimum. Obu towarzyszyły koronalne wyrzuty masy typu full-halo. Wreszcie, oba dotarły do Ziemi w mniej niż 48 godzin.

Przed rokiem jednak, CME dotarło do Ziemi w chwili, gdy skierowanie IMF było znacznie północne - skutkiem tego aktywność rozwijała się jeszcze wolniej niż obecnie. Znaczny skok na korzyść nastąpił dopiero na następny wieczór, po kilkunastu godzinach od uderzenia CME, w czym pomogła dłuższa zmiana w skierowaniu IMF na południowe przy jednocześnie utrzymującej się prędkości i gęstości wiatru słonecznego. Zorze polarne przy tej samej kategorii burzy zostały dostrzeżone nie tylko z całej Polski i krajów na sąsiadujących szerokościach geograficznych, ale nawet niżej na południe, w Czechach czy Słowacji. Prędkość wiatru kształtowała się wtedy na poziomie około 800 km/sek., przy gęstości około 20-30 protonów/cm³ i Bz południowym poniżej -15nT. W czasie burzy G3 z 17 marca 2013 roku byliśmy jednak w niemal samym centrum pogodnego mroźnego wyżu, który sprawił, że nad Polską nie można było dopatrzyć się ani jednej chmurki, a Księżyc znajdywał się idealnie w nowiu - zupełne przeciwieństwo ostatniej sytuacji. Ta różnica oczywiście nie ma wpływu na aktywność geomagnetyczną, a co najwyżej na poziom trudności w dostrzegalności ewentualnych zórz.

Porównanie poziomu emisji rentgenowskiej i charakterystyki czasowej rozbłysków klasy M1.2 z 15.03.2013 r. z rozbłyskiem klasy X1.6 z 10.09.2014 r. - w obu przypadkach widoczny długi czas trwania zjawisk oraz powolne wytracanie energii w fazie spadku, po osiągnięciu maksimum.
(SWPC)

Porównanie położenia obszarów aktywnych 1692 i 2158 w trakcie emitowania rozbłysków, z nieco korzystniejszym położeniem dla obszaru 2158, choć i tak w obu przypadkach idealnym miejscu tarczy słonecznej do kierowania zjawisk w stronę Ziemi. Długość fali 131 angstremów.
(SDO)

Porównanie wybranego obrazu obydwu CME z koronografu LASCO C2 z rozbłysku klasy M1.2 z 15.03.2013 r. i rozbłysku klasy X1.6 z 10.09.2014 r. W obu przypadkach wyraźnie dostrzegalna sygnatura full-halo i rozchodzenie się uwolnionej materii "dookoła" przysłoniętej tarczy słonecznej.
(SOHO)

Porównanie wyliczeń modelu WSA-Enlil przed burzą G3 z 17.03.2013 r. i 12/13.09.2014 r. po rozbłyskach klasy M1.2 i X1.6 - widoczne porównywalne warunki, z nieco większą sugerowaną prękością wiatru dla burzy z 12/13.09.2014 r.
(SWPC)

Nie pierwszy i zapewne nie ostatni raz doszło do sytuacji, że po bardziej energetycznym rozbłysku i wyrzucie koronalnym skierowanym bezpośrednio ku Ziemi aktywność geomagnetyczna wzratsa słabiej, niż przy rozbłysku o niższej energii w tych samych okolicznościach. Potwierdza to tylko jak wielką loterią jest pogoda kosmiczna, jak istotne jest międzyplanetarne pole magnetyczne IMF i jak wiele może zależeć od niemierzalnych na dzień dzisiejszy właściwości samego wiatru słonecznego uwolnionego w wyrzucie, których nie byliśmy, nie jesteśmy i pewnie jeszcze długo nie będziemy w stanie dokładnie zbadać zanim CME dotrze do Ziemi.

Tym, którzy mimo trudnego rozwoju burzy dotrwali do świtu dziękuję za wspólne nieprzespanie tamtej emocjonującej nocy i wspólne śledzenie zmian w pogodzie kosmicznej. Gromadziliśmy się tutaj tak licznie, jak jeszcze nigdy w tym roku, za co Wam dziękuję! Przed nami początek półrocza, w którym to noc dominuje nad dniem, dzięki czemu podczas podobnych zdarzeń możemy mieć jeszcze więcej zapasu czasowego na "wstrzelenie się" w maksimum ewentualnych burz podczas panowania coraz dłuższych nocy nad Europą. Pozostaje trzymać kciuki za naszą Dzienną Gwiazdę by w tej drugiej połowie 24. cyklu aktywności słonecznej, która bez wątpienia jest rozpoczęta, dostarczała nam wielu wrażeń i zorzowych emocji, tak rzadko niestety się nadarzających.

Uf... palce mogą odpocząć.

Przypominam, że komentarz do bieżącej aktywności słonecznej można śledzić na podstronie Solar Update.

Warunki aktywności słonecznej i zórz polarnych na żywo wraz z objaśnieniami w zakładce Pogoda kosmiczna.

Bądź na bieżąco ze zjawiskami astronomicznymi i zapleczem amatora astronomii - dołącz do stałych czytelników bloga na Facebooku.