Silna burza magnetyczna kategorii G3 (05/06.11.2023): Europa tonąca w zorzach po Włochy, Grecję i Turcję - opracowanie wydarzenia

Za nami najsilniejsza burza magnetyczna od czasu tej z 23-24 kwietnia, która jak dotychczas utrzymuje pozycję lidera spośród burz 25. cyklu aktywności słonecznej. O mały włos zmiana lidera mogła jednak nastąpić właśnie przy okazji podsumowywanej dziś burzy z pierwszej listopadowej niedzieli, ponieważ odnotowaliśmy w jej trakcie wyższe natężenie pola magnetycznego wiatru słonecznego niż podczas ciężkiej burzy magnetycznej kategorii G4 z kwietnia tego roku. Nawet przodująca w tym cyklu burza sprzed siedmiu miesięcy nie osiągnęła takich wartości głównych parametrów wiatru decydujących o potencjale uderzającego w Ziemię CME do wpływu na warunki pogody kosmicznej.

Tym razem jednak zabrakło nam szczęścia do pełnego korzystania z tego potencjału, który w ogólnym rozrachunku spożytkowany został co najwyżej w około połowie. Burza z pierwszego listopadowego weekendu mogła okazać się zdecydowanie silniejszym wydarzeniem, dlatego pomimo, że po raz piąty w tym roku osiągnięto silną kategorię G3 warto dziś przeanalizować co nie do końca zagrało jak należy.

Zorzowe emocje w pierwszy listopadowy weekend były oczekiwane, ale z pewnością nie na aż taką skalę. O tym, że w aktywności geomagnetycznej może nas czekać rozwojowa sytuacja widzieliśmy za sprawą przede wszystkim dwóch zjawisk: słabej erupcji filamentu z 2 listopada i znacznie wyraźniejszej erupcji filamentu 3 listopada, której towarzyszył koronalny wyrzut masy typu partial-halo o rozpiętości ponad 180 stopni. Jednocześnie było jasne, że główna część CME minie nas od północnego zachodu, ale składowa wymierzona w Ziemię także była wysoce prawdopodobna - choć na zdjęciach koronograficznych prezentowała się niezbyt okazale w stosunku do głównej części wyrzutu. Jakby tego było mało, okres spodziewanych uderzeń CME pokrywał się z czasem oczekiwanego dotarcia do Ziemi strumienia wiatru słonecznego z dziury koronalnej. W efekcie nałożenia się tylu czynników SWPC wystosowała prognozę umiarkowanej burzy magnetycznej kategorii G2, a na blogu zaczął obowiązywać kolejny po ponad miesięcznej przerwie stan gotowości zorzowej. Model ISWA agencji NASA sugerował uderzenie CME 05.11 około godz. 12:00 UTC, agencja SWPC modelowała czas dotarcia wyrzutu 11 godzin później.

Koronalny wyrzut masy (CME) typu partial-halo po erupcji filamentu z poranka 3 listopada. Rozpiętość kątowa wyrzutu osiągnęła 190 stopni - stworzyło to sytuację, w której można uzyskać uderzenie boczne jak i blisko rozminąć się z takim CME. W tym przypadku uderzenie nastąpiło - i jak się później okazało, przyniosło większy skutek, niż ze zdjęć koronograficznych można by oczekiwać. Credit: SOHO

Z niedzielą 5 listopada już od rana zaczął się rozwój sytuacji. Tuż po godz. 08:00 UTC nastąpił pierwszy i jak się później okazało - nie jedyny - imapkt CME w Ziemię. Natężenie pola magnetycznego (Bt) wiatru słonecznego wzrosło skokowo z dotychczasowych 14 do początkowo 24, a niebawem aż 33nT, przy skoku prędkości wiatru z 300-320 do ponad 430 km/sek. i gęstości z 1-5 do około 30 protonów/cm³. Był to solidny cios dla magnetosfery, w dużej mierze wykorzystujący wzrost potencjału  - skierowanie pola (Bz) bowiem zeszło na południowe do -25nT. Początkowo - tylko krótkotrwale. Po kilkudziesięciu minutach nastąpiło przejście skierowania na północne, na dodatek z wyraźnie malejącym natężeniem całkowitym do około 20nT, co rodziło obawy, że po wyraźnym impakcie sytuacja zacznie się normować zanim na dobre się rozwinie.

Gdy wydawało się, że wyraźny zastrzyk dla wzburzenia warunków będzie już dalej marnowany, nadeszło drugie uderzenie. Przed godz. 12:00 UTC sondy DSCOVR i ACE odnotowały drugi w zaledwie 4-godzinnym odstępie od pierwszego imapkt - tym razem jeszcze bardziej obiecujący. Prędkość wiatru, która zdążyła osłabnąć do około 370 km/sek. znów skokowo wzrosła do ponad 510 km/sek., gęstość która zdążyła opaść do około 18 protonów/cm³ nasiliła się dwukrotnie, a później nawet trzykrotnie - do ponad 40 protonów/cm³ około 12:00 UTC i ponad 60 protonów/cm³ około 15:00 UTC, przynosząc jedne z najwyższych wartości od początku roku. Przede wszystkim jednak wyraźnie wzrosło natężenie całkowite pola magnetycznego wiatru słonecznego (Bt) z około 20 do nieco ponad 44nT, co stanowiło najwyższą wartość tego parametru od 18 lat.

Nigdy w 24. cyklu słonecznym nie trafił się nam wyrzut koronalny o takim potencjale do wzburzenia pogody kosmicznej. Nawet najsilniejsza jak dotąd burza magnetyczna kategorii G4 bieżącego cyklu wypadła pod tym względem słabiej o około 11nT. Porównywalnie silna pod względem nasilenia tego parametru (41nT) burza wystąpiła dzień po przesileniu letnim 2015 roku i przyniosła nam stan burzy "ciężkiej" kategorii G4 występującej tuż po najkrótszej nocy w roku nad północną półkulą. Ale żeby znaleźć ostatni silniejszy w całkowitym natężeniu pola magnetycznego przypadek musielibyśmy się cofnąć aż do burzy kategorii G5 z 24 sierpnia 2005 roku - to do niej teraz zbliżyliśmy się najbardziej, choć różnica w natężeniu nadal była znacząca (o 15nT niższa).

Co jednak zdumiewające, przez ponad półtorej godziny od tego drugiego impaktu kierunek pola magnetycznego cały czas pozostawał silnie północny, wręcz do maksimum +44nT, zanim nastąpiła korzystna odmiana. Gdyby przez te półtorej godziny wartość skierowania parametru Bz była analogiczna, ale w kierunku południowym, prawdopodobnie natychmiastowo uruchomiona zostałaby ciężka - i to z zapasem - burza magnetyczna kategorii G4, być może podchodząca pod solidne 4+. Niestety zablokowanie rozwoju sytuacji przez tak radykalnie nasilone północne skierowanie pola magnetycznego w newralgicznych chwilach tuż po impakcie sprawiło, że kluczowy etap przepływu CME przez Ziemię w ogromnym stopniu został niewykorzystany. Poprawa sytuacji zaczęła się rysować około 13:30 UTC, gdy kierunek składowej Bz odbił ku południu i przybrał takie skierowanie w sposób długotrwały, przynosząc dzięki temu umiarkowaną burzę magnetyczną kategorii G2. Niestety - nasilenie ujemnego Bz nie było tak solidne, jak godzinę wcześniej przy północnym skierowaniu i dochodziło jedynie do około -20nT. To ledwie połowa potencjału wynikająca z drugiego impaktu, a wraz z dalszymi godzinami także natężenie całkowite (Bt) uległo obniżeniu do około 25nT, nim pierwotne mogło zostać w pełni spożytkowane.

W godzinach popołudniowych wartości południowego Bz zaczęły odbijać ku zeru, ale zanim to nastąpiło około 20:00 UTC, zastrzyk dla aktywności geomagnetycznej zaserwowany kilkugodzinnym południowym kierunkiem pola magnetycznego około -20nT poskutkował zaistnieniem silnej burzy magnetycznej kategorii G3. Było to piąte osiągnięcie takiego progu w 2023 roku, po silnej burzy z 27 lutego, po burzach kategorii G4 z 23 marca i 23 kwietnia (te dwie akurat po osiągnięciu progu G3 na nim nie poprzestały) i po silnej burzy G3 z 5 sierpnia, która przypadła na godziny dzienne.

Dzięki osiągnięciu przez burzę silnej kategorii G3 Polska znalazła się w strefie gwarantującej widoczność zorzy polarnej, jednak w przeciwieństwie do sytuacji podczas ostatniej burzy G4 w kwietniu, gdy nasz kraj był bardzo podzielony pod względem pogodowym, tak teraz niemal całkowicie pokrywały go chmury, a nieliczne obszary z rozpogodzeniami dotknęły głównie południowe regiony. Stąd też niemal wyłączność w relacjach z jednego-dwóch województw, a zupełny brak w przeważającej ilości regionów. Ja tym razem przynależę niestety do tej drugiej grupy, zatem rozdziału poświęconego własnej obserwacji w tym opracowaniu nie będzie. Udało się jednak niektórym czytelnikom, których efekty z przyjemnością przedstawiam poniżej w tradycyjnej galerii. Za nadesłane prace w imieniu swoim i innych odbiorców, którzy tym razem zorzy nie widzieli, jak zwykle gorąco dziękuję.

Autor: Jagoda Budzińska. Busko-Zdrój, świętokrzyskie

 

Sebastian Musiał. Czeladź, Zagłębie Dąbrowskie, śląskie

 

Autor: Katarzyna Jarzynka. Klementowice, lubelskie

 

Autor: Jarek Jarosław. Okolice Lublina, lubelskie

 

Autor: Jarek Jarosław. Okolice Lublina, lubelskie

Podobnie jak w kwietniu dzięki uprzejmości i korespondencji od pana dr Sylwestra Kołomańskiego z Instytutu Astronomicznego Uniwersytetu Wrocławskiego mamy możliwość wglądu w aktywność zorzy polarnej minuta po minucie w rzucie kamery na całe niebo. Tym razem najlepsze warunki pogodowe miała stacja na Suhorze w Gorcach, która działa w ramach projektu ALPS (All-Sky Light Pollution Survey) koordynowanego przez Instytut Astronomiczny Uniwersytetu Wrocławskiego i złożonego z sieci stacji monitorujących zanieczyszczenie światłem, rozmieszczonych w różnych miejscach Polski.

Zorza polarna z 5 listopada 2023 r. zarejestrowana przez kamerę sieci ALPS w obserwatorium astronomiczne na Suhorze (Beskidy Zachodnie) w woj. małopolskim. Centrum kadru stanowi zenit. Credit: http://alps.astro.uni.wroc.pl/

Jak widać z nagrania, ledwo w nieco ponad godzinę po zachodzie Słońca nad Gorcami zorza polarna już wyraźnie odsłoniła swoje struktury przy częściowo rozjaśnionym niebie i zdołała się zarejestrować pomimo dużej ilości zachmurzenia napływającego wraz z bardziej zaawansowanym zmierzchem. Prawdziwie wybuchową aktywnością dającą niesamowitą jasność zorza ukazała po godz. 18:00 CET, kiedy nie tylko stała się niezwykle intensywna, ale znów zaczęła piąć się wyżej podobnie jak w kwietniu, choć na mniejszą skalę, dochodząc momentami powyżej 50 stopni nad horyzont.

Po godz. 19:15 CET z kolei kamera zarejestrowała wyraźnie zjawisko SAR  (Stable Auroral Red Arc), co w luźnym przełożeniu oznacza po prostu łuk stabilnej czerwieni zorzowej. Łuki SAR towarzyszą zwykle tylko silniejszym burzom magnetycznym, ale mają nieco inną genezę, niż typowa zorza. Najprawdopodobniej powodowane są silnym nagrzewaniem przez prądy przepływające w wewnętrznej magnetosferze Ziemi, a ich występowanie zachodzi znacznie wyżej, niż "standardowej" zorzy polarnej. Są skutkiem "wycieku" do górnych warstw atmosfery energii cieplnej powodowanej przepływem prądu pierścieniowego pochodzącego z ziemskich pasów radiacyjnych, przenoszącego wokół Ziemi dosłownie miliony amperów.

Zjawisko to odkryto już w 1956 roku, ale ponieważ badacze nie wiedzieli czym łuki SAR są, kierując się tym co oko widzi nadali im nieświadomie nazwę stabilnych łuków zorzy polarnej, błędną zarówno co do charakteru jak i natury zjawiska. Jedne z najczerwieńszych struktur na niebie, praktycznie monochromatyczne, świecące w długości fali 6300 Angstremów łuki SAR są ze swej formy podobne do zorzy, ale powstają ze wzbudzania atomów tlenu przez gorące elektrony mające swe źródło w prądzie pierścieniowym, nie w wietrze słonecznym - powiązane są z nim tylko pośrednio i występują powyżej 400 km, na poziomach znacznie wyższych, niż typowe wysokości występowania zorzy.

Dokładna natura zjawiska nie jest jeszcze poznana, a zdania naukowców co mechanizmów powstawania SAR nie są jednomyślne. Z dotychczasowych obserwacji jednak wynika, że aktywność geomagnetyczna musi się rozwinąć do naprawdę wysokich poziomów, by zorzom polarnym zaczęły towarzyszyć także łuki stabilnej czerwieni zorzowej SAR - w burzach magnetycznych niskiej kategorii G1/G2, a nawet niektórym burzom kategorii G3 struktur tych, poza nielicznymi przypadkami, zwykle się nie obserwuje.

Ponowny wybuch aktywności zorzy polarnej nadszedł po godz. 20:00 CET (jak widać z jej nasilenia nad horyzontem szczęśliwie nieco pozostającym poza dominującym zachmurzeniem) oraz po godz. 23:00 CET. Przez cały ten okres łuk SAR subtelnie był rejestrowalny wyżej na niebie i został zarejestrowany również z wielu krajów Europy Środkowej oraz Stanów Zjednoczonych w drugiej połowie nocy.

W trakcie osiągania maksymalnej aktywności burzy, prędkości wiatru napływającego na Ziemię oscylowały w pobliżu 470-480 km/sek., tylko krótkotrwale osiągając okolice 500 km/sek. To dość przeciętne wartości, ale znacznie okazalej tym razem prezentowały się warunki gęstości. Okresami przez ponad kilkadziesiąt minut przekraczała ona 50 protonów/cm³, w maksimum osiągając 63p/cm³, co stanowiło jedne z najwyższych wartości w tym roku. Przełożyło się to na jedne z najjaśniejszych zórz polarnych w tym cyklu, które zasięg widoczności rozciągnęły na praktycznie większość Europy. Obserwacje wykonali amatorzy zamieszkujący takie kraje jak Austria, Słowenia, Szwajcaria, Chorwacja, Węgry, południe Francji i jej Lazurowe Wybrzeże - a nawet Włochy, Grecja i Turcja (!).

  

Credits: po lewej: Anton Špenko (Kamnik, Słowenia). Po środku: Federico Bellini (Varese, Włochy). Po prawej: Frantisek Baxa (Bratysława, Słowacja)

  

Credits: po lewej: Landy Gyebnár Mónika (Veszprém, Węgry). Po środku: Markus Adank (Graubünden, Szwajcaria). Po prawej: Othmar Seidner (Wiedeń, Austria)

  

Credits: po lewej: Valentin Antuna (Lazurowe Wybrzeże, Francja). Po środku: Viktor Veres (Budapeszt, Węgry). Po prawej: Wolfram Rus (Bawaria, Niemcy).

Zapis danych wiatru słonecznego z sondy DSCOVR z dnia 05.11.2023 r. Pierwsze uderzenie CME widoczne około godz. 09:00 UTC objawiające się wyraźnym skokiem Bt, Bz, gęstości i prędkości [1A,1B,1C,1D], jednak zmiany te po zaledwie 2 godzinach zaczynają zanikać - natężenie pola magnetycznego słabnie [2], skierowanie pola staje się północne blokując rozwój aktywności geomagnetycznej [3], prędkość zaczyna być wytracana [4]. Jednak krótko przed 12:00 UTC następuje drugi imapkt koronalnego wyrzutu masy, znacznie wyraźniejszy, podnoszący całkowite natężenie pola magnetycznego do 44nT stanowiącego najwyższą wartość tego głównego parametru od ponad 8 lat [5A], kolejny wzrost gęstości do ponad 40p/cm³ [5B] i prędkości do ponad 500 km/sek. [5C]. To było uderzenie mogące zapewnić natychmiastowy potężny rozwój burzy wręcz do wagi ciężkiej kategorii G4, gdyby nie fakt, że uderzeniu towarzyszyło nasilenie już i tak północnego kierunku Bz do maksymalnych wartości wynikających z Bt, co w tym momencie było całkowitym zablokowaniem tak wyraźnego potencjału do wzburzenia pogody kosmicznej [5D]. Zmiana na korzyść obserwatorów nadeszła około półtorej godziny później, gdy skierowanie pola magnetycznego stało się południowe [6A], chociaż czerpało ono tylko połowicznie dostępny wówczas potencjał. Parametr ten jednak dzięki swojemu ustabilizowaniu na poziomie około -20nT [6B] uruchomił silną burzę magnetyczną kategorii G3, jaka zachodziła nieprzerwanie przez 6 następnych godzin. Burza obniżyła aktywność o dwie kategorie dopiero po godz. 21:00 UTC, co było związane z przejściem skierowania pola magnetycznego na północne [7A], a ponieważ zmiana ta nie była chwilowa, to w konsekwencji burza na około 3 godziny zanikła [7B] przynosząc jedynie stan niestabilności w ziemskim polu magnetycznym. Powrót parametru Bz na południowy w drugiej połowie nocy 05/06.11 uruchomił po pewnym czasie na nowo umiarkowaną burzę magnetyczną [8], która po kolejnych trzech godzinach zmniejszyła się do słabej G1, a następnie zanikła. Podczas maksymalnej aktywności przyniosła jedne z najwyższych wartości gęstości w tym roku, przekraczające 60 protonów/cm³ [9A] i długotrwale utrzymującą się wysoką gęstość powyżej 40 protonów/cm³ przez większą część trwania burzy [9B]. Pod względem natężenia całkowitego pola magnetycznego była więc to burza o zauważalnie większym potencjale do wpływu na aktywność geomagnetyczną, niż jakakolwiek inna burza w ostatnich ośmiu latach, ale zarazem była to burza, która ten największy od lat potencjał albo całkowicie blokowała w najważniejszym momencie - podczas uderzenia CME i półtorej godziny po nim, a przez resztę okresu przynosząc zaledwie umiarkowane wartości parametrów pola magnetycznego [10]. Credit: DSCOVR/SWPC

Podsumowując, burza magnetyczna trwała 21 godzin, ale z uwagi na 3-godzinny epizod przerwy (Kp=4) rozciągnęła się na całą dobę. Na 7 burzowych epizodów liczonych w 3-godzinnych jednostkach czasu przypadły dwa epizody z silną burzą kategorii G3, trzy epizody z umiarkowaną G2 i dwa epizody ze słabą G1. Maksymalna aktywność geomagnetyczna wystąpiła między 3. a 6. godziną od drugiego uderzenia CME, nieznacznie niższa choć nadal w ramach kategorii G3 między 6. a 9. godziną po impakcie. Warunki burzowe utrzymywały się sporadycznie także w następną noc, ale były już z pogranicza ledwie słabej burzy a stanu niestabilności magnetycznej (Kp=4) w chwilach gdy powracaliśmy do codziennych warunków wiatru słonecznego. Burza okazała się też zdarzeniem o największym potencjale do wzburzania aktywności geomagnetycznej (Bt=44nT) od 18 lat. Tym kluczowym parametrem zdetronizowała ona wszystkie wydarzenia pogody kosmicznej obecnego jak i całego 24. cyklu słonecznego zbliżając się w największym stopniu - do przedostatniego jak dotąd przypadku maksymalnego indeksu Kp=9 osiągniętego 24 sierpnia 2005 roku - na "dystans" 15nT.

Czy można zakładać, że był tu potencjał do pierwszej burzy najwyższej aktywności w skali od czasu schyłkowej fazy 23. cyklu słonecznego? Abstrahując od sytuacji wyjątkowych jakie już miewały miejsce, droga ku temu była wciąż daleka. Po pierwsze wciąż zauważalnie słabsze natężenie całkowite (15nT to wciąż nie jest byle co - tyle dzieli nas na co dzień od stanów spokoju i większości umiarkowanych burz kategorii G2), a do tego znacznie słabsze południowe odchylenie Bz o ponad 100%. To tak naprawdę nadal przepaść wobec większości ekstremalnych burz. Dodatkowo znacznie słabsze, właściwie o ponad 100% słabsze prędkości wiatru, ergo - najpewniej taka prędkość wiatru nie przełożyłaby się na wiele więcej, nawet, gdyby natężenie pola magnetycznego okazało się o kilkanaście nT wyższe, przy tak połowicznie czerpiącym z tego potencjału ledwie umiarkowanie południowym Bz, który w okresie mogącym przynieść największy szok dla magnetosfery - tuż po impakcie - ponad półtorej godziny blokował ten najwyższy od 18 lat potencjał praktycznie całkowicie.

Indeks zaburzeń ziemskiego pola magnetycznego w okresie 5-6 listopada 2023 r. Burza magnetyczna kategorii G3 zaistniała dopiero po sześciu godzinach od drugiego impaktu CME, ale utrzymywała swoją aktywność następne sześć godzin. Poprzedziły ją dwa epizody z burzą umiarkowaną, która zaistniała ponownie nad ranem, po okresie krótkotrwałego wyciszenia spowodowanego pogorszeniem warunków wiatru słonecznego, głównie kierunku pola magnetycznego. Osiągnięcie progu silnej burzy magnetycznej kategorii G3 nastąpiło po raz piąty w tym roku, z czego po raz trzeci stanowiło maksymalny osiągnięty poziom aktywności geomagnetycznej (podobnie jak 27 lutego i 5 sierpnia) - dwukrotnie został on jeszcze przebity podczas burz G4 w marcu i kwietniu. Credit: SWPC

Można natomiast z prawdopodobieństwem graniczącym z pewnością stwierdzić, że o włos umknęła nam szansa na trzecią w tym roku (i cyklu zarazem) ciężką burzę magnetyczną kategorii G4, która mogła śmiało przebić tą z kwietnia. Do jej zaistnienia zarejestrowane parametry natężenia pola magnetycznego i prędkości z powodzeniem by wystarczyły, gdyby tylko południowe odchylenie kierunku Bz czerpało nawet nie pełnię, ale po prostu nieco więcej z tego dużego potencjału, ot choćby rzędu -25, -30nT jak przy okazji burz kategorii G4 z marca czy kwietnia, zamiast utrzymywać się przez większość czasu w przedziale zaledwie -15 do -20nT.

Pomimo zatem, że wielu Polaków i mieszkańców innych państw Europy po jej południowe obszary mogło czuć uzasadnioną radość z tego zorzowego spektaklu, nie można podsumować tej burzy bez zaznaczenia, że była ona zarazem marnującą największy potencjał spośród wszystkich burz minionych kilkunastu lat. Zyskać natężenie pola magnetycznego wiatru słonecznego przekraczające z zapasem 40nT, na największą skalę zbliżające się do wartości rejestrowanych jeszcze w 23. cyklu słonecznym, lecz z południową składową Bz czerpiącą zaledwie połowę tej wartości, to dla obserwatorów fart i pech jednocześnie. Patrząc na zasięg zorzy polarnej niewątpliwie działo się dużo, ale mogło jeszcze o wiele więcej.

Autorski komentarz do bieżącej aktywności słonecznej - podstrona Solar Update
Warunki aktywności słonecznej i geomagnetycznej na żywo z objaśnieniami nt. interpretacji danych - podstrona Pogoda kosmiczna

  f    t    yt   Bądź na bieżąco z tekstami, zapowiedziami, alarmami zorzowymi i wiele więcej - dołącz do stałych czytelników bloga na Facebooku, obserwuj blog na Twitterze, subskrybuj materiały na kanale YouTube lub zapisz się do Newslettera.