Co je to plazmoid

Téměř nehmotné přízraky řítící se Sluneční soustavou rychlostí stovek kilometrů za sekundu. Oběť náraz nepocítí, ale následná radiace rozežere jakoukoli vyšší strukturu.

Ve čtyřiadvacátém dílu sci-fi povídky Na dohled Cruithne je na palubě kosmické lodi vyhlášen falešný radiační poplach. Na svědomí ho má domnělý plazmoid.

Plazmoidy skutečně existují a jsou reálnou hrozbou kosmonautiky, a to nejen té pilotované. Čas od času své síly změří i s naší Zemí. Za svůj život vděčíme především naší atmosféře a geomagnetismu, který je schopen plazmatický oblak vychýlit ze své dráhy. Abychom správně pochopili, co se za pojmem skrývá, musíme si nejprve vysvětlit, co je vlastně plazma.

Ze školních lavic víme, že se hmota skládá z atomů. Vyberme si tu nejméně hustou fázi - plyn. Jednotlivé atomy volně poletují, občas se srazí a opět pokračují po své dráze. Když plyn zahřejeme, pohyb atomů se zrychlí. Čím vyšší teploty dosáhneme, tím vyšší jsou vzájemné rychlosti. I jejich srážky jsou stále prudší, až se obáváme, zda atomy takové rány vydrží. A pak to přijde, atomy to opravdu nevydrží.

Nejsou to takové rány, aby rozbily přímo atomové jádro a spustily jadernou reakci. K tomu nám ještě hodně energie chybí, ale je jí už dost na to, aby z atomových obalů byly postupně vyráženy elektrony. Nejprve jen ty okrajové, které tam nedrží moc pevně. Začíná vznikat plazma. Takový stav najdeme třeba v plameni svíčky. Teplota tu není moc velká, ani plazma nebude dokonalé. Se zvyšováním teploty budeme ničit stále hlubší a hlubší orbitaly, až tu budou létat pouze obnažená atomová jádra a volné elektrony. Nastane plná ionizace. Takovou plazmu nalezneme například na Slunci.

Sluneční povrch je rozpálený na 5500°C. Ve vesmíru není atom, který by při tak velké teplotě udržel elektrony u sebe. Záporné elektrony se stále přitahují ke kladně nabitým jádrům, ale jejich vzájemné rychlosti jsou příliš velké na to, aby se zachytily a opět vytvořily elektricky neutrální atom. V takové situaci končí každá chemie. Jestliže tu budeme ještě mluvit o vodíku, heliu nebo jiných prvcích, bude to jen z jisté setrvačnosti. Takový vodík nebude vodíkem, dýchání kyslíku bez elektronů by nás neosvěžilo, žádné chemické reakce v plně ionizovaném plazmatu nejsou možné. Jádra prvků bez elektronových obalů ztrácí jakékoli chemické vlastnosti. Chemie celého vesmíru, veškerá pestrost přírody, kterou kolem sebe pozorujeme, stojí a padá s chováním elektronů v jejich orbitech.

Povšimněme si jedné důležité vlastnosti plazmatu. Ačkoli jednotlivé částečky nesou každá elektrický náboj, celek zůstává neutrální. Při ionizaci se žádný elektron ani proton neztratily, jejich počet je stále stejný a náboje se důsledně kompenzují. Zároveň by však bylo nepřesné říkat, že je plazma neutrální. Pod tím pojmem si představujeme, že i libovolná, rozumně velká část, by byla neutrální. V plazmatu však panují divoké poměry, není nic výjimečného, že se vytvoří místa s vyšší koncentrací jednoho náboje. Takovému stavu říkáme kvazineutralita.

Kvazineutralita plazmatu je velice důležitá z hlediska soudržnosti. Oblak částic nabitý jedním nábojem by neměl šanci udržet se pohromadě, odpudivé elektrické síly by ho okažitě rozprášily. Elektrické síly jsou právě to, co odlišuje plazma od obyčejného plynu. Neustále se pohybující nabité částice nejen vytvářejí komplikované elektrické a magnetické pole, ale zároveň jsou jejich pohyby tímto polem ovlivňovány. Mluvíme o kolektivním chování.

Fyzika takového prostředí je diametrálně odlišná od naší každodenní zkušenosti. Odlišně se zde chová i obyčejný zvuk. Díky elektrickým a magnetickým polím se nešíří po kulových vlnoplochách a dokonce ani jednotnou rychlostí. Každou ránu bychom zde slyšeli třikrát. Nejprve ránu nesenou tzv. rychlou magnetoakustickou vlnou, pak by přilétla Alfvenova vlna a nakonec pomalá magnetická vlna.

V případě elektromagnetických vln, jako je třeba naše světlo, nebo rádiové vlny, je situace ještě složitější. Takový paprsek se tu rozštěpí na řádný a mimořádný. Záleží samozřejmě na frekvenci. Pro některé frekvence je plazma průhledné, pro některé ne, někdy se plazmatem šíří jen řádná vlna, jindy mimořádná a ještě jindy obě.

Jak již bylo řečeno, naše Slunce je velká koule plazmatu. Nabité částice tekoucí ve smyčkách vytváří obrovské elektrické proudy. Celé se to chová jako soustava obřích elektromagnetů. Je tu však jistá komplikace. Slunce není pevné těleso, nerotuje všude stejně. Na rovníku je rychlejší, než na pólech. Magnetické silokřivky jsou tak deformovány, navíjeny a občas se z nich osamostatní menší smyčky, které svým polem brání výstupným proudům nesoucím žhavý materiál z nitra Slunce.

Nad takovou magnetickou pokličkou sluneční povrch vychladne až o 1500°C, místo pak méně září, což ze Země pozorujeme jako tmavé místo, které nazýváme sluneční skvrna. Magnetické pole v okolí sluneční skvrny je velice komplikované, přesto si ho můžeme poměrně jednoduše prohlédnout. Jak již bylo řečeno, plazma podléhá magnetickému poli. Magnetické silokřivky kolem skvrn bez problémů vyzdvihnou masy plazmatu nad sluneční povrch a ten se zformuje ve tvaru silokřivek. Asi tak, jako si můžeme zviditelnit magnetické pole tyčového magnetu pomocí železných pilin.

Tím jev ovšem nekončí. Magnetické pole se neustále mění, silokřivky hledají nejsnazší cestu, jak změny sledovat. Někdy je energeticky výhodné, aby se některé silokřivky spojily a vytvořily jednu mohutnou. Tomuto jevu se říká magnetická rekonekce. Asi jako když pod sklenicí uhne stůl a ta zjistí, že je energeticky výhodnější spadnout na Zem. Při tom, stejně jako při rekonekci, se uvolní energie ve formě tepla. V případě slunečního plazmatu je toho tepla tolik, že se zahřeje na desetitisícové až milionové teploty. Dochází tak k zajímavému jevu. Nad chladnou skvrnou (ale nejen nad ní) pozorujeme plazmatická vlákna rozžhavená natolik, že září v ultrafialovém světle. Dodejme však, že hustota materiálu je zde zanedbatelná. Přes veškerou svou majestátnost jsou plazmatické silokřivky velice řídké objekty, takže energie, kterou nesou, nepředstavují v energetické bilanci Slunce významnou položku.

Každým okamžikem opouští Slunce obrovský tok nabitých částic, především protonů, elektronů a heliových jader. Tomuto jevu se říká sluneční vítr. Rychlý sluneční vítr vane rychlostí 800km/s, pomalý pouhých 400km/s. Občas se stane, že je vymrštěn celý chuchvalec těchto částic. Tento jev dostal pojmenování plazmoid.

Plazmoid má kromě vlastností slunečního větru ještě něco navíc. Díky vyšší koncentraci mohou na sebe nabité částice vzájemně reagovat a vykazovat kolektivní chování. Plazmoid tak může s sebou unášet od Slunce vmrzlé magnetické pole a chová se jako jediné těleso.

Sluneční vítr není životu nebezpečný, pokud ten život sedí spořádaně na Zemi a nechá se chránit naší atmosférou. Rychle letící částice reagují s molekulami vzduchu, až jsou zbrzděny a neutralizovány. Jev je doprovázen výrazným světelným efektem známým pod názvem polární záře. Díky magnetickému poli Země jsou letící částice slunečního větru vychylovány a do atmosféry se dostávají tam, kde do ní magnetické silokřivky vstupují, což je v blízkosti pólů. Tím se vysvětluje, proč právě tam jsou polární záře nejvýraznější.

Když se Země srazí s plazmoidem, je situace dramatičtější. Počáteční rychlost plazmoidu může být až v tisících kilometrech za sekundu, částic je o několik řádů více, pronikají do nižších vrstev atmosféry. Přichází magnetická bouře, elektrické přístroje jsou v ohrožení, a to nejen ty obsahující citlivou elektroniku. Na dlouhých elektrických vedeních se indukují proudy, trafostanice hoří. Teď už jde i o lidské životy.

V Rusku a Finsku byly opakovaně zjištěny poruchy zabezpečovacího zřízení. V několika případech naindukované falešné signály vytvořily na trati neexistující vlak. Ačkoli je taková porucha na "straně bezpečné", vrhají incidenty pochybnosti na robustnost systému.

V polovině devatenáctého století vyvrhla mohutná sluneční erupce plazmoid, který přivodil několik zranění obsluhy telegrafu v Severní Americe. Polární záře byly tehdy pozorovatelné až z Kuby. Sešlo se tenkrát několik jevů dohromady. Sama erupce byla o řád energetičtější, než je běžné. Místo obvyklých tří až čtyřech dní byl plazmoid u Země za pouhých osmnáct hodin. To samo by bylo devastující. Svou úlohu však ještě sehrálo vmrzlé magnetické pole. To mělo opačnou polaritu než magnetické pole naší Země, takže byla její ochrana oslabena.

Čím výše se v atmosféře pohybujeme, tím je nebezpečí vyšší. Statistiky uvádějí, že dvě až tři dopravní letadla musí každý měsíc z bezpečnostních důvodů odklonit směr letu, aby se vyhnula ohroženým polárním oblastem. Kosmonauti jsou na tom pochopitelně ještě hůře. Naštěstí jsou však i oni na nízkých drahách ještě magnetickým štítem Země chráněni. Případné mise mimo sféru naší Země jsou zatím poměrně riskantní.

To, že se plazmoid setká s nějakou planetou, ještě neznamená zánik plazmoidu. Např. v r. 2000 byl zaznamenán průlet plazmoidu, který se na své dráze setkal nejen se Zemí, ale i s Jupiterem a Saturnem. Dráha plazmoidu samozřejmě podléhá gravitačnímu zákonu, ale je výrazně ovlivněna magnetickým polem svým a poli planet, kolem kterých prolétá. Záleží tedy i na vnitřních vlastnostech plazmoidu, jakou cestou se vydá.

Částice plazmoidů likvidují své oběti dvojím způsobem. Jednak je třeba si uvědomit, že rychlá nabitá částice je vlastně ionizujcí záření, tedy to, co se běžně nazývá radioaktivitou. Je vlastně historickým štěstím, že posádky projektu Apollo tenkrát letěly v době klidu, jinak by si domů přivezly nemoc z ozáření. Rychle letící korpuskulární částice jsou schopny poškodit živý organismus stejně tak, jako mikroelektroniku. U elektroniky nastupuje ještě další mechanismus. Při vhodné konstelaci předají nabité částice svůj náboj součástkám tam, kde je to nejméně žádoucí. Nastat může pak cokoli, od vytvoření falešného signálu až po vyhoření součástky.

Jsou tedy lety k jiným planetám odsouzeny k nezdaru? Na bázi nepilotované kosmonautiky to tak nevypadá. Jednak při nich nejde o lidský život, jednak se dají vytvořit robustní systémy, které jsou na ionizující záření méně náchylné. V případě lidské posádky zatím příslušnou technologii nemáme.

V představách vizionářů jsou však pilotované lety řešitelné. Návrhy na zabezpečení vypadají snad technicky a finančně náročně, ale ne neproveditelně. První řešení je spíš doporučení. Snížit riziko setkání s plazmoidem na minimum tím, že budeme provozovat lety v období minima sluneční aktivity. Slunce prochází tzv. jedenáctiletým cyklem. Jednou za tuto dobu je jeho aktivita na minimu, v tomto čase by byly lety bezpečnější.

Je to však bezpečnost jen statistická. Nikdo nemůže zaručit, že se v době minima nějaký plazmoid nevydá právě cestou ke kosmické lodi. Když vynecháme fantastické zatím neřešitelné možnosti, jako manévrování před plazmoidem nebo létat rychlostmi, aby nás plazmoid nedostihl, zůstává jen možnost stínění.

Stínění přichází v úvahu dvojí. Poučit se od přírody a vybavit planetolet generátorem silného magnetického pole, nebo se obklopit absorbujícím materiálem. V této souvislosti je třeba uvést na pravou míru představy fantastických románů, kde se perou s obrovskou hmotností olověných pancířů. Olovo se skutečně používá k odstínění radiace. Je to však radiace zcela odlišného typu - gama nebo rentgenové paprsky, tedy elektromagnetické záření.

Proti korpuskulárnímu záření, jako je proud elektronů a hlavně protonů a jader helia není olovo příliš úspěšné. Je to dáno právě velkou hmotností jeho atomových jader. Letící lehké protony jim předají jen málo své hybnosti. Jen se odrazí a letí dál téměř beze ztráty energie. Mnohem lépe stíní materiály s atomy, které jsou protonům hmotnostně blíže. Například obyčejná voda, nebo plasty obsahující hodně vodíku.

A tak jsou planetolety budoucnosti v představách snílků opatřeny generátory magnetického pole a obloženy nádržemi vody. Nezbývá, než si přát, aby se tyto představy dostaly na pomyslná rýsovací prkna skutečných konstruktérů.

Deset nejzajímavějších slunečních erupcí; některé jsou následovány vyvržením plazmoidu