Umiarkowana burza magnetyczna kategorii G2 (13/14.03.2022): dużo zórz i jeszcze więcej zmarnowanego potencjału CME. Opracowanie wydarzenia

Po trzech niepowodzeniach w ubiegłym roku ze stanem gotowości zorzowej i jednym alarmem podczas pochmurnej aury nadeszła wreszcie okazja, gdy podwyższona szansa na wystąpienie rozległych zórz polarnych pokryła się w czasie z dobrą, wyżową pogodą nad Polską, na dodatek w jednym z miesięcy najczęściej przynoszących wzrosty aktywności geomagnetycznej. W noc z 13 na 14 marca wielu obserwatorów naszego kraju mogło wreszcie po kilku latach Słonecznego Minimum przypomnieć sobie na nowo zorzowe emocje i odczuć na własnej skórze skutki coraz śmielej dającego o sobie znać 25. cyklu aktywności słonecznej. Pora na pierwsze w ramach nowego cyklu opracowanie burzy magnetycznej ozdobione polskimi zorzami polarnymi, a jednocześnie burzy, która niewątpliwie stanie się dobitnym przykładem jak pomimo wielu pięknych efektów obserwacji z Polski - może się marnować duży potencjał koronalnego wyrzutu masy, który w Ziemię uderzył.

Historia podsumowywanego dziś wydarzenia rozpoczęła się 10 marca, z chwilą zaistnienia w grupie plam 2962 słabego rozbłysku klasy C3.1 w zakresie emisji rentgenowskiej. Zjawisko mimo, że nie należało do intensywnych, cechowało się rzadko widocznym niezwykle wydłużonym czasem trwania - zakończyło się dopiero po niemal 12 godzinach. Normalnie tak niewielkiej energii rozbłyski nie są w sferze zainteresowań miłośników tematu i obserwatorów spragnionych wystąpienia zórz polarnych rozleglejszych, niż nad samymi biegunami, jednak z uwagi na czas trwania zjawiska było wysoce prawdopodobne, że dojdzie do koronalnego wyrzutu masy (CME) - a ponieważ jesteśmy w przededniu równonocy wiosennej, kiedy za sprawą niepoznanego "efektu równonocy" nawet niewielkie porcje wiatru słonecznego powodują często ponadprzeciętne wzrosty aktywności geomagnetycznej, zjawisko było jak najbardziej warte uwagi.

Rzeczywiście, kilka godzin po zaistnieniu rozbłysku zdjęcia z koronografów na pokładzie sondy SOHO zaczęły ukazywać imponujący pod względem gęstości koronalny wyrzut masy o bardzo wyraźnej strukturze full-halo - z perspektywy Ziemi ukazującej rozpraszającą się chmurę uwolnionej materii na pełnych 360 stopniach wokół tarczy słonecznej. W takich sytuacjach jest gwarantowane, że CME uderzy w Ziemię i obojętnie jakby nie patrzeć, nie ma szansy minąć naszej planety. Prędkość uwolnienia CME nie była jednak powalająca - ledwie 650 km/sek. Taka prędkość pozwalała szacować prawdopodobny czas dotarcia do Ziemi na noc z 13 na 14 marca - uderzenie CME model WSA-Enlil sugerował na godz. 23:00 UTC 13 marca (północ CET 14 marca) jak zwykle z marginesem błędu +/- 7 godzin. Okno czasowe prognozy, w którym można oczekiwać uderzenia wyrzutu otwierało się więc w niedzielę 13 marca 17:00 CET i trwało do poniedziałkowego poranka do godz. 07:00 CET.

Praktyka okazała się bardziej sprzyjająca od i tak optymistycznej prognozy. Koronalny wyrzut masy uderzył w Ziemię znacznie przed czasem, docierając do nas jeszcze przed niedzielnym południem - detektory sondy DSCOVR znajdującej się w punkcie Lagrange'a L1 na linii Słońce-Ziemia zarejestrowały skok parametrów wiatru słonecznego 13 marca już około 11:00 CET, ponad 6 godzin przed otwarciem okna prognozy i ponad 13 godzin przed najbardziej prawdopodobnym momentem uderzenia CME wyliczanym przez model. Zazwyczaj dzieje się tak, że szybsze od prognozowanego dotarcie CME do Ziemi skutkuje poważniejszym uderzeniem i silniejszymi wzrostami aktywności geomagnetycznej - wynika wówczas bowiem, że CME poruszało się w przestrzeni znacznie szybciej od tego, co można by oczekiwać po kilku pierwszych obrazach z koronografów, a uderzenie z większą prędkością siłą rzeczy daje zawsze większe szanse na istotne wzburzenie pogody kosmicznej.

Praktycznie od początku uderzenie okazało się obiecujące. Po dotarciu wyrzutu do Ziemi zmiana warunków wiatru słonecznego początkowo wywołała wzrost aktywności geomagnetycznej do poziomu Kp=4 (jeszcze poniżej stanu burzy, ale powyżej stanu "spokoju"), by już po godz. 13:00 CET rozwinęła się przewidywana w prognozie umiarkowana burza magnetyczna kategorii G2 wiążąca się z 50% prawdopodobieństwem widoczności zorzy polarnej z obszaru Polski. Niestety taka godzina skutkowała niemożnością polowania na zorze polarne z Europy Środkowej i jedyne co pozostawało obserwatorom w tym regionie to trzymanie kciuków za dotrwanie burzy magnetycznej do godzin wieczornych. Aura nad Polską sprzyjała, znajdywaliśmy się w strefie rozległego i prawie stacjonarnego od wielu dni układu wysokiego ciśnienia, który wprawdzie nie zapewnił nam komfortu termicznego sprowadzając mnóstwo zimnego powietrza, ale dzięki niskiej wilgotności praktycznie zupełnie oczyścił niebo z zachmurzenia i stan taki podtrzymywany był już na wiele dni przed zaistnieniem burzy. Jak już dziś wiemy, burza bez trudu dotrwała do godzin wieczornych, a ogłoszona dwa dni wcześniej gotowość zorzowa nie miała powodów do bycia odwoływaną.

Gdy nad Polską zapadał zmrok byliśmy po 3-godzinnym okresie pewnego osłabienia warunków, burza zmniejszyła aktywność do najniższej kategorii G1 i przez pewien czas istniało ryzyko, że kompletnie zaniknie. Główna składowa wiatru decydująca o rozwoju lub blokowaniu aktywności geomagnetycznej - skierowanie pola magnetycznego wiatru słonecznego [Bz] - przeszła wyraźnie na dodatnie wartości (północne) rzędu +11 do +13nT, co uniemożliwiało rozwijanie się burzy, jednak systematycznie wzbierający potencjał wiatru - całkowite natężenie pola magnetycznego [Bt] zaczęło rosnąć do niespotykanych od wielu lat wartości rzędu 20nT. To był już bardzo wyraźny potencjał, do pewnego momentu niewykorzystywany przez wspomniane północne skierowanie Bz, jednak przed godz. 23:00 CET zaczęła się rysować korzystna zmiana - skierowanie pola stało się południowe o coraz wyraźniejszym odchyleniu, które około północy doszło do aż -23nT, przy całkowitym natężeniu Bt zwiększonym do 25nT, a więc niemalże cały dostępny wówczas potencjał zaczął być wykorzystywany po myśli obserwatorów.

Burza momentalnie powróciła do pierwotnej aktywności w umiarkowanej kategorii G2, którą utrzymała już do końca, przez następnych 9 godzin bez przerwy. Czas, w którym wiatr z tego CME korzystnie współpracował z ziemskim polem magnetycznym dając solidnego "kopniaka" aktywności geomagnetycznej pokrył się idealnie z nocnymi godzinami dla całej Europy Środkowej i choć początkowo raportów o widoczności zorzy polarnej nie było, to jasne było, że tak silne ujemne odchylenie południowego skierowania pola magnetycznego wiatru słonecznego po prostu musi poskutkować wybuchem aktywności zórz polarnych nad umiarkowanymi szerokościami geograficznymi.

Po lewej: animacja ze zdjęć koronografu LASCO C3 na pokładzie SOHO ukazująca uwolnienie koronalnego wyrzutu masy (CME) o wyraźnej strukturze full-halo, skierowanym bezpośrednio ku Ziemi. Credit: SOHO. Po środku: szczegółowy rzut na zestawienie warunków wiatru słonecznego z sondy DSCOVR w okresie od uderzenia CME do połowy nocy z 13 na 14 marca, gdy zakończył się okres silnego południowego skierowania pola magnetycznego [Bz] wiatru słonecznego rzędu -23nT wykorzystującego w ten sposób niemalże cały dostępny silny potencjał wynikający z Bt na poziomie 25nT. Nawet krótkotrwałe przejście Bz na północne przed wieczorem 13 marca nie wygasiło od razu burzy, a jedynie osłabiło ją na 3 godziny do słabej kategorii G1, by wraz z ponownym odchyleniem Bz na minus, przywrócić pierwotną aktywność burzy w kategorii G2. Widoczny ponadto wzrost gęstości wiatru, normalnie poniżej 10 protonów/cm³ do momentami powyżej 40 protonów/cm³ przy niezbyt wygórowanej prędkości wiatru rzędu 450 km/sek. Po prawej: zestawienie globalnego indeksu Kp za okres 13-15 marca. Widocznych pięć epizodów ze stanem burzy magnetycznej (po 3 godz. na epizod), w tym 12 godzin z umiarkowaną burzą kategorii G2 w drugiej połowie 13 marca i pierwszą część nocy z 13 na 14 marca. Credit: SWPC

Pierwsze potwierdzenia zórz polarnych widocznych z terenu Polski pojawiły się kilkanaście minut po rozpoczęciu korzystnej zmiany w skierowaniu Bz, jeszcze przed nadejściem północy. Zjawisko zarezerwowane na ogół dla biegunów i wysokich szerokości geograficznych po kilku latach przerwy ponownie zeszło nad umiarkowane szerokości pochłaniając swoim zasięgiem nie tylko całą Polskę - relacje czytelników nadeszły zarówno z północy jak i pasa najbardziej południowych województw, ale dały się też sfotografować nawet naszym południowym sąsiadom z Czech.

Podczas maksymalnego ujemnego skierowania Bz rzędu -23nT, dwa kolejne z kluczowych parametrów wiatru słonecznego były korzystne jedynie pół na pół: prędkość bowiem nie należała do imponujących i wahała się w pobliżu 450 km/sek., za to gęstość dochodziła momentami do 40 protonów/cm³, co z jednej strony skutkowało niewielką dynamiką zorzy jak na możliwości tego zjawiska, ale z drugiej zwiększało jej intensywność, skutkiem czego z innych regionów, m.in. od naszych zachodnich sąsiadów pojawiały się relacje o subtelnie dostrzegalnej zorzy także z regionów podmiejskich, daleko od dobrych warunków obserwacyjnych spod nieba pozbawionego zaświetlenia. Dość przypomnieć, że noc ta wiązała się z obecnością na niebie Księżyca oświetlonego w 80%, który zmierzał do pełni i w trakcie najsilniejszej aktywności geomagnetycznej rozświetlał niebo będąc zawieszonym ponad 50 stopni nad horyzontem. To tylko pokazuje na ile gęsty był wiatr i intensywne dzięki temu zorze zdołał ten wyrzut koronalny wyprodukować, że nawet z naszych szerokości geograficznych zorza polarna - zawsze siłą rzeczy subtelniejsza niż bliżej biegunów - zdołała wygrać ze światłem Srebrnego Globu i jego utrudniającym wpływem na obserwacje.

Po dziewięciu godzinach najsilniejszych zaburzeń w magnetosferze burza magnetyczna wygasła. Łącznie trwała przez 15 godzin bez przerwy, w tym 12 godzin utrzymując się w umiarkowanej kategorii G2. Ten 15-godzinny okres z 13-14 marca okazał się czasem najsilniejszej aktywności geomagnetycznej od czasu ostatnich poważniejszych burz poprzedniego cyklu słonecznego sprzed nadejścia okresu Słonecznego Minimum 2017-2019. I choć burza nie osiągnęła kategorii G3, jak na przykład z 3 na 4 listopada 2021 roku, to właśnie teraz mieliśmy do czynienia z CME o największym od poprzedniego cyklu potencjale do wzburzania pogody kosmicznej. Burza z listopada poprzedniego roku, choć o kategorię aktywniejsza, przyniosła zmianę w całkowitym natężeniu pola magnetycznego [Bt] do niespełna 20nT i południowy Bz rzędu "jedynie" -15nT, o ponad 8nT słabszy, niż w ostatni weekend. Wtedy jednak prędkość wiatru przekraczała 750, momentami dochodząc aż do 800 km/sek., prawie dwukrotnie wyższej, niż podczas ostatniej burzy, co mogło być teraz głównym czynnikiem uniemożliwiającym zaistnienie silniejszej burzy. Poniżej seria materiałów nadesłanych przez czytelników z tej ekscytującej nocy. Dziękuję za przesłane materiały oraz za relacje o widoczności zjawiska w noc, gdy wspólnie się emocjonowaliśmy tym wydarzeniem. Informacje o autorze i lokalizacji, z której została wykonana fotografia dostępne po najechaniu kursorem na miniaturkę zdjęcia.

Takie zorze, a jednak... duży niewypał

Chociaż wydarzenie z 13/14 marca przyniosło najliczniejsze i najintensywniejsze zorze polarne nad Polską od wielu lat, o całym CME możemy mówić jak o dużym niewypale. Aby dobrze zrozumieć co mam na myśli, proponuję jeszcze raz wziąć na tapetę zapis warunków wiatru słonecznego by przyjrzeć się dokładniej zmianie w skierowaniu pola magnetycznego [Bz] na zbiorze danych z DSCOVR, która nastąpiła w połowie nocy z 13 na 14 marca.

Zestawienie warunków wiatru słonecznego z sondy DSCOVR. Po lewej wykres całościowy ukazujący cały okres oddziaływania CME na Ziemię od momentu uderzenia 13 marca przed 12:00 UTC do wieczoru 15 marca. Po utrzymującym się bardzo wyraźnym natężeniu pola magnetycznego wiatru słonecznego [Bt] od uderzenia do połowy 14 marca widoczne bardzo powolne opadanie tego parametru, który na przyzwoitym poziomie pozostawał jeszcze do połowy 15 marca. Po prawej wykres szczegółowy obejmujący okres od czasu niekorzystnej zmiany skierowania Bz w połowie nocy z 13 na 14 marca, ukazujący jak większość z tego około 50-godzinnego okresu wpływu CME to stabilnie północne skierowanie pola magnetycznego [Bz] uniemożliwiające rozwój sytuacji i blokowanie dostępnego potencjału (wynikającego z Bt). Tak naprawdę aż do połowy 15 marca natężenie całkowite [Bt] pozostawało jeszcze na tyle wyraźne, by w razie połączenia z ujemnym Bz możliwe było trwanie co najmniej słabej burzy magnetycznej. Takie przypadki uderzeń CME, gdy długotrwale utrzymuje się tak silny Bt przy jednoczesnym marnowaniu potencjału i północnym skierowaniu Bz to prawdziwa rzadkość. Credits: DSOVR/SWPC

Otóż widzimy, gdy po okresie bardzo silnego ujemnego Bz, kiedy zorze polarne zostały zauważone nawet z Czech, ten główny parametr decydujący o rozwijaniu lub blokowaniu aktywności geomagnetycznej przeszedł na niekorzystne skierowanie północne, rzędu +15, później nawet +20nT, przy nieustannie silnym ogólnym natężeniu [Bt] a więc przy nieustannie silnym potencjale do wzburzania warunków, który utrzymywał się na poziomie bliskim 23-25nT jeszcze do połowy 14 marca, wyraźnie ponad dobę od uderzenia CME, a powyżej wciąż przyzwoitych 10nT pozostawał do połowy 15 marca, ponad 50 godzin od uderzenia CME.

Patrząc zatem całościowo na warunki wiatru słonecznego za te dni, można stwierdzić, że burza magnetyczna kategorii G2 - pomimo że przyniosła liczne i efektowne zorze polarne nad Polską i Europą Środkową, okazała się i tak jedynie mizernym efektem i krótkim epizodem jak na cały potencjał, który to CME posiadało i który utrzymywał się przez ponad dwie doby bez przerwy. Jednym zdaniem - w bardziej optymistycznym rozwoju sytuacji mogliśmy mieć do czynienia z burzą magnetyczną kategorii G1-G2 trwającą nieprzerwanie nawet przez około 50 godzin, zamiast jedynie 15. Dopiero po godz. 12:00 UTC dnia 15 marca natężenie pola magnetycznego [Bt] opadło do 10nT (wciąż wystarczających do zaistnienia słabej burzy G1 w razie skorelowania tego z południowym Bz), a do standardowego poziomu obserwowanego na co dzień w chwilach spokojnej sytuacji ~5nT powróciło dopiero w połowie 17 marca. Suma summarum z tego koronalnego wyrzutu masy udało się wykorzystać pod względem czasowym - i to optymistycznie licząc - co najwyżej około 30% potencjału, jaki to CME stworzyło bardzo silnym wzrostem natężenia pola magnetycznego i małą dynamiką zmian skierowania pola magnetycznego, które po przejściu na północne po 15 godzinach burzy, już niestety takim pozostało.

Gdyby silnie ujemny Bz rzędu -23 do -25nT niczym z wieczoru 13 marca utrzymany został tak długo, jak długo Bt pozostawało równie silne do połowy 15 marca, wszystkie zielone słupki globalnego indeksu Kp za te 3 dni w pierwszej części tekstu byłyby czerwone dając nam nieprzerwany stan długotrwałej burzy magnetycznej, a gdyby do tego doszła lepsza prędkość wiatru od zaobserwowanych 450 km/sek., mogłaby spokojnie z tego zrodzić się kilkudziesięciogodzinna, trzecia w tym cyklu silna burza magnetyczna kategorii G3, od której byliśmy o włos. Tyle było do wzięcia. Od 2017 roku nie zaobserwowaliśmy tak silnego i długotrwałego wzmożenia siły pola magnetycznego wiatru słonecznego, tym razem jednak przy jednoczesnym blokowaniu takiego potencjału przez ponad 70% czasu oddziaływania CME. Poprzednim razem silniejsze Bt (34nT) z jednak korzystnym ujemnym Bz (-32nT) mieliśmy już dość dawno, bo w noc z 7 na 8 września 2017 roku.

Gotowość zorzowa okazała się słuszna i trafna, i choć nie jedna twarz wśród polskich fotografów mogła się szczerze uradować w noc z 13 na 14 marca widząc najsilniejsze jak dotąd w 25. cyklu aktywności słonecznej zorze polarne, to całościowo mogło z tego wyniknąć znacznie więcej - znacznie, bo nawet o ponad 200% czasu dłużej, niż trwała ta korzystna "współpraca" pola magnetycznego wiatru słonecznego z polem magnetycznym Ziemi. Z jednej strony możemy więc o tym wydarzeniu mówić w dobrych słowach, w końcu zorza polarna uwieczniona z Podkarpacia czy z Czech to nie już nie lada gratka, ale z drugiej strony tak silny Bt, a po dobie słabszy lecz wciąż przyzwoity, przekraczany przez 50 godzin i przez prawie 3/4 czasu niewykorzystany z powodu północnego Bz, to ogromne zmarnowanie potencjału do długotrwałej burzy magnetycznej i szansy na nawet dwie z rzędu noce z zorzami polarnymi nad Polską i środkową Europą.

Pamiętając zatem o tym wydarzeniu i uwzględniając piękne efekty osiągnięte przez fotografów z naszego kraju nie traćmy z pamięci świadomości, że to wszystko okazało się tak naprawdę namiastką i przystawką do pełnego dania, które było do wzięcia. Innymi słowy, Słońce postawiło nam na stole pięknie upieczonego soczystego dzika, ale obserwatorom dane było skosztować co najwyżej... jedno kopytko. Za nami wydarzenie, które będzie bez wątpienia jednym z ciekawszych przypadków w ramach całego 25. cyklu aktywności słonecznej: z jednej strony pokazujące jak daleko na południe potrafią zejść zorze polarne przy jedynie umiarkowanej burzy magnetycznej kategorii G2, z drugiej pokazujące jak przez ponad 70% czasu oddziaływania CME wszystko z dużego potencjału wiatru słonecznego jest marnowane - a te 70% w tym wypadku to aż półtorej doby.

Bieżący komentarz do aktywności słonecznej - podstrona Solar Update

Warunki aktywności słonecznej i zórz polarnych na żywo wraz z objaśnieniami nt. interpretacji danych - podstrona Pogoda kosmiczna

  f    t   Bądź na bieżąco z tekstami, zjawiskami astronomicznymi, alarmami zorzowymi i wszystkim co ważne dla amatora astronomii - dołącz do stałych czytelników bloga na Facebooku, obserwuj blog na Twitterze bądź zapisz się do subskrybentów kwartalnego Newslettera.