P

odpatrzeç wiatr s∏oneczny w momen-
cie, gdy wÊlizguje si´ do naszej ma-
gnetosfery, zdo∏a∏y cztery europejskie

sondy kosmiczne o wdzi´cznych nazwach
Rumba, Salsa, Samba i Tango. Sà to pokaê-
nych rozmiarów satelity Ziemi, które krà˝à
wokó∏ naszej planety po silnie wyd∏u˝onych
orbitach, zbli˝ajàc si´ do niej na 20 000 km
i oddalajàc si´ na 120 000 km. Ka˝dy jest
cylindrem o Êrednicy 2.9 m, wysokoÊci 1.3 m
i wadze startowej 1200 kg, w którym znajdu-
je si´ 11 instrumentów przeznaczonych do
badaƒ czàstek na∏adowanych oraz pól elek-
trycznych i magnetycznych. G∏ównym zada-
niem tego kwartetu, nazwanego Cluster, jest
obserwowanie zjawisk zachodzàcych na gra-
nicy ziemskiej magnetosfery (obszaru, w któ-
rym pole magnetyczne Ziemi jest wystarcza-
jàco silne, by wywieraç decydujàcy wp∏yw
na ruchy na∏adowanych czàstek).

S∏oƒce zachowuje si´ niekiedy w sposób

niezwykle gwa∏towny, wyrzucajàc w prze-
strzeƒ mi´dzyplanetarnà chmury na∏adowa-
nych czàstek, które zderzajà si´ z magneto-
sferà i wywo∏ujà w niej powa˝ne perturbacje
okreÊlane jako burze geomagnetyczne. Ta-
kie burze zak∏ócajà lub uniemo˝liwiajà ∏àcz-
noÊç radiowà; znane sà równie˝ przypadki
wywo∏ywanych przez nie zak∏óceƒ w pracy
sieci energetycznych, a nawet rozleg∏ych
uszkodzeƒ linii przesy∏owych. Wzmo˝one
promieniowanie korpuskularne przyÊpiesza
niszczenie aparatury znajdujàcej si´ na po-
k∏adach sztucznych satelitów i zagra˝a zdro-
wiu pracujàcych na orbicie astronautów. Ba-
dania, których celem jest poznanie procesów
prowadzàcych do powstawania burz geo-
magnetycznych i zdobycie umiej´tnoÊci ich
prognozowania, nie sà dziÊ ju˝ sztukà dla
sztuki – stajà si´ koniecznoÊcià, takà samà

FIZYKA K

OSMICZNA

Dziurawa tarcza Ziemi

NA TROPIE TAJEMNICY WIATRU S¸ONECZNEGO. MICHA¸ RÓ˚YCZKA

12

ÂWIAT NAUKI PAèDZIERNIK 2004

pano

rama

ESA

mulacja elektryczna mog∏aby nieselektywnie
pobudzaç dzia∏anie sàsiadujàcych komórek.

Aktywna powierzchnia chipa zaprojekto-

wanego przez zespó∏ Fishmana jest mniejsza
od gumki znajdujàcej si´ na koƒcu o∏ówka i
uwalnia mikroskopijne, dok∏adnie odmierzo-
ne porcje p∏ynu. Jego dzia∏aniem zamiast me-
chanizmu pompujàcego kieruje s∏abe pole
elektryczne, które powoduje wyrzut p∏ynu ze
zbiorniczków przez cienkie kanaliki, koƒczà-
ce si´ dziurkami na aktywnej powierzchni
chipa. „T´ samà technik´ zastosowano w dru-
karkach atramentowych do wypychania ko-
lorowych barwników – wyjaÊnia Fishman. –
ZaadaptowaliÊmy jà do skali odpowiadajàcej
odleg∏oÊciom mi´dzy komórkami nerwowy-
mi”. Naukowcy wykazali, ˝e neuroprzekaêni-
ki uwalniane przez chip mogà aktywowaç
szlaki sygna∏owe w komórkach nerwowych
i naÊladowaç to, co dzieje si´ podczas nor-
malnej komunikacji mi´dzy nimi.

Przekszta∏cenie chipa synaptycznego w

protez´ siatkówki zajmie z pewnoÊcià jeszcze
kilka lat. Zdaniem Marka Petermana, wspó∏-
pracujàcego z Fishmanem, „konieczne sà
dwa zasadnicze udoskonalenia: zwi´kszenie
liczby kanalików stymulacyjnych przy jed-

noczesnym utrzymaniu pe∏nej kontroli nad
ka˝dym z osobna oraz zastosowanie mate-
ria∏u, który nie wywo∏a reakcji organizmu”.
Obecny chip zawiera jedynie cztery wyjÊcia,
podczas gdy chip sztucznej siatkówki, aby
móg∏ prawid∏owo naÊladowaç powstajàcy
na niej wzór bodêców, powinien mieç ich
tysiàce. Projektanci chipa muszà tak˝e
uwzgl´dniç mo˝liwoÊç zatkania kanalików
po implantacji przez komórki lub zabliênia-
jàcà si´ tkank´. Dodatkowy problem stwa-
rza wielkoÊç chipa: obecny ma co prawda
w∏aÊciwe rozmiary aktywnej powierzchni,
ale powinien byç znacznie cieƒszy, najwy˝ej
gruboÊci dwu w∏osów, co w przybli˝eniu od-
powiada gruboÊci siatkówki.

Mark Humayun, okulista z University of

Southern California, który zaprojektowa∏
jednà z pierwszych elektronicznych protez
siatkówki, wskazuje kilka wad mogàcych
mieç wp∏yw na praktyczne zastosowanie chi-
pa synaptycznego. Trudne mo˝e okazaç si´
umieszczenie go w odleg∏oÊci szczeliny sy-
naptycznej od docelowych komórek w po-
ruszajàcej si´ ga∏ce ocznej. Dodaje jednak, ˝e
„mo˝e to byç nast´pny etap tworzenia pro-
tezy siatkówki, bardzo ekscytujàcy”.

n

KWARTET

Cluster

na orbicie wokó∏ziemskiej.

jak badania procesów
meteorologicznych.

BezpoÊrednià przyczy-

nà burzy geomagnetycz-
nej jest wtargni´cie ob-
∏oku szybkich czàstek
wiatru s∏onecznego do
magnetosfery. Ten pozor-
nie bardzo prosty proces
przez d∏ugi czas by∏ êró-
d∏em powa˝nych problemów teoretycznych.
Czàstki wiatru s∏onecznego zachowujà si´
jak mikroskopijne koraliki nanizane na cien-
kie, elastyczne i bardzo rozciàgliwe druty,
które w tym obrazie odpowiadajà liniom pola
magnetycznego S∏oƒca. Taki drut mo˝e ∏à-
czyç po∏udniowy biegun magnetyczny S∏oƒ-
ca z pó∏nocnym, mo˝e te˝ wybiegaç
z jednego z biegunów do nieskoƒ-
czonoÊci, ale nie mo˝e urywaç si´ w
przestrzeni mi´dzyplanetarnej. Kon-
tynuujàc t´ analogi´ mo˝na sobie wy-
obra˝aç magnetosfer´ Ziemi jako
szczelny kokon utkany z linii pola ma-
gnetycznego naszej planety.

Czàstki wiatru nie mogà „przesiadaç

si´” na linie pola Ziemi. W jaki wi´c
sposób przenikajà w g∏àb magnetosfe-
ry? W po∏owie XX wieku wysuni´to hi-
potez´, ˝e umo˝liwia im to zjawisko re-
koneksji, które polega na gwa∏towniej
zmianie konfiguracji pola. Aby zapo-
czàtkowaç rekoneksj´, trzeba w nie-
wielkiej obj´toÊci st∏oczyç linie pola
o przeciwnym zwrocie. W punktach
maksymalnego zbli˝enia mogà si´ one
wtedy na chwil´ „stopiç” i natych-
miast ponownie „zespawaç”, ale ju˝ w
innym porzàdku. Gdy do rekoneksji do-
chodzi na granicy magnetosfery, linia
pola s∏onecznego mo˝e znaleêç prze-
d∏u˝enie w linii pola Ziemi, która do-
ciera do jednego z biegunów magnetycznych
naszej planety [ilustracje na górze]. W takim
przypadku w magnetycznym kokonie Ziemi
pojawia si´ dziura i wiatr s∏oneczny mo˝e ju˝
swobodnie wlewaç si´ do jego wn´trza.

Pochodzàce ze S∏oƒca czàstki, które Êwie-

˝o sforsowa∏y ziemskà zapor´ magnetycznà
i znajdujà si´ w zewn´trznej warstwie ma-
gnetosfery, obserwuje si´ od roku 1987. Ich
liczba silnie fluktuuje w zale˝noÊci od nat´-
˝enia wiatru s∏onecznego i kierunku, jaki w
pobli˝u Ziemi przybiera unoszone przez ten
wiatr pole magnetyczne S∏oƒca. Ku wielkie-
mu zaskoczeniu okaza∏o si´, ˝e jest ich wi´-
cej, gdy pole S∏oƒca ma taki sam zwrot jak
pole Ziemi, co wydawa∏o si´ przeczyç hipo-
tezie rekoneksji. Problem rozwiàzano dopie-
ro dzi´ki obserwacjom wykonanym za po-

mocà satelitów Cluster. Okaza∏o si´, ˝e w
wyd∏u˝onej cz´Êci magnetosfery, która cià-
gnie si´ za naszà planetà niczym warkocz
komety, przy zgodnym ustawieniu pól po-
wstajà olbrzymie wiry o Êrednicy docho-
dzàcej do 40 000 km [ilustracja poni˝ej].
Przyczynà ich pojawiania si´ jest niestabil-

noÊç Kelvina–Helmholtza – ta sama, która
powoduje falowanie powierzchni wody, gdy
wieje wiatr. Wewnàtrz wiru linie obu pól sà
silnie ÊciÊni´te i bez∏adnie powyginane, co
umo˝liwia rekoneksj´ (podobne zjawiska ob-
serwujemy w o wiele wi´kszej skali w „nie-
spokojnych” obszarach atmosfery S∏oƒca).

Kluczowe informacje o wirach uzyska∏

mi´dzynarodowy zespó∏ kierowany przez
Hiroshiego Hasegaw´ z Dartmouth College
w New Hampshire podczas obserwacji prze-
prowadzonych 20 listopada 2001 roku. Ich
wyszukanie w gàszczu danych przesy∏a-
nych na Ziemi´ przez Cluster oraz interpre-
tacja (która wymaga∏a przeprowadzenia
trójwymiarowych symulacji magnetohy-
drodynamicznych) zabra∏y naukowcom pra-
wie trzy lata.

n

pano

rama

PAèDZIERNIK 2004 ÂWIAT NAUKI

13

PRZEBIEG REKONEKSJI

(zjawiska gwa∏townej zmiany
konfiguracji pola) na granicy
magnetosfery Ziemi.
˚ó∏ta kula symbolizuje S∏oƒce,
niebieskie – Ziemi´.

W ciàgu sekundy ze S∏oƒca
wyp∏ywa ponad milion ton
materii z∏o˝onej g∏ównie
ze swobodnych protonów
i elektronów. Jest to tzw. wiatr
s∏oneczny, który „wieje”
w przestrzeni mi´dzyplanetarnej
z pr´dkoÊcià oko∏o 500 km/s.
„Rozdmuchanie” jednak S∏oƒcu
nie zagra˝a – przy niezmienionym
tempie wyp∏ywu znik∏oby dopiero
za 30 bln lat. W pobli˝u Ziemi
g´stoÊç materii s∏onecznej
waha si´ zwykle od kilku
do kilkunastu jonów i elektronów
na 1 cm

3

; z naszego punktu

widzenia wiatr s∏oneczny jest
wi´c prawie doskona∏à pró˝nià.
Jednak podczas maksimum cyklu
aktywnoÊci s∏onecznej cz´sto
dochodzi na S∏oƒcu do wybuchów,
po których nat´˝enie wiatru
s∏onecznego gwa∏townie wzrasta.
Zaobserwowawszy takie zjawisko,
mo˝na przewidzieç, jakiego
rodzaju zak∏ócenia wywo∏a ono
w magnetosferze Ziemi. S∏oƒce
jest nieustannie obserwowane
przez kilka sond kosmicznych,
które zbierajà dane umo˝liwiajàce
prognozowanie stanu magnetosfery
z wyprzedzeniem paru dni.
Aktualna prognoza „kosmicznej
pogody” znajduje si´ na stronie:
http://spaceweather.com/

KOSMICZNA

POGODA

MA¸GORZA

T

A

ÂWIENT

CZAK wg projektu autora (

na gór

ze

); MA¸GORZA

T

A

ÂWIENT

CZAK wg ESA (

na dole

)

NA GRANICY

mi´dzy magnetosferà i wiatrem

s∏onecznym tworzà si´ zawirowania o Êrednicy ponad
40 000 km, w których pole magnetyczne S∏oƒca (grube
bia∏e linie) „miesza si´” z polem magnetycznym Ziemi
(cienkie czarne linie). Dochodzi przy tym do rekoneksji,
po której pojawiajà si´ linie pola ∏àczàce S∏oƒce
bezpoÊrednio z Ziemià. P∏ynàce wzd∏u˝ nich czàstki
wiatru s∏onecznego mogà bez przeszkód wniknàç
do wn´trza magnetosfery (gruba czarna linia).

Przed rekoneksjà

Po rekoneksji