UZAY FIRTINALARI

Geçtiğimiz iki yıl içinde güneş patlamaları ve güneş fırtınalarından bahseden pek çok bilim haberi gördük. Son olarak geçtiğimiz ayın ortasında, Güneş’te gözlenen olağanüstü şiddette bir patlama manşetlere taşındı. Bu yeni patlamanın uzaya fışkırttığı madde Dünya’yı ıskaladı; ama daha pek çok patlama sırada bekliyor. Bu yazıda uzay fırtınalarının ne olduğunu ve nasıl oluştuğunu inceleyeceğiz.

Güneş ile Dünya arasındaki uzay mükemmel bir boşluk değildir. Bu bölge derin uzaya kıyasla çok daha fazla madde — santimetreküpte yaklaşık 5 atom kadar! — barındırır. (Bu bize göre mükemmel bir boşluk sayılabilir, çünkü soluduğumuz havanın bir santimetreküpünde 25 kentilyon (10¹⁸) molekül bulunur.) Ayrıca uzayın bu bölgesi Güneş’ten kaynaklanan elektrik ve manyetik alanlarla doldurulmuştur. Bu alanlar çok zayıftırlar, ama çok geniş bir bölgeye yayıldıkları için elle tutulur etkiler yaratabilirler.

Bir Güneş fırtınası, daha teknik adıyla jeomanyetik fırtına, Güneş ile Dünya arasındaki uzayda bulunan madde ve alanlar arasında karmaşık bir etkileşim zincirinin sonucudur. Bu zincirin ilk halkası da güneş lekeleridir.

Güneş lekeleri ve güneş döngüsü

Güneş’e asla çıplak gözle bakmamanız gerektiğini biliyorsunuz elbette. Hele bir dürbünle bakmak, çabucak kör olmak için mükemmel bir yöntemdir. Ama dürbününüzü bir ayakla sabitleyip görüntünün beyaz bir kağıda düşmesini sağlarsanız, Güneş dairesinin içinde bazı siyah benekler görürsünüz. Bunlar “güneş lekeleri”dir, ve bililinen en eski kayıtlar MÖ 364 yılında Çinli astronom Gan De’nin yazdığı bir yıldız kataloğuna uzanır. Batı’da ilk çağ ve orta çağda birkaç kez çeşitli kaynaklarda güneş lekelerinden bahsedilse de, bunların Merkür’ün veya Venüs’ün geçişleri olduğu zannedilmişti. Modern bilim çağında Galileo’nun dürbünüyle yaptığı gözlemlerle 1612’de bu lekelerin Güneş’in üzerinde olduğunu ispatlamasının ardından düzenli olarak gözlenerek kaydedildiler. Güneş lekeleri şöyle görünür:

Güneş lekeleri geçici olgulardır. Belli bir güneş lekesinin ömrü birkaç gün veya birkaç haftadır (ama aylar boyunca devam edenler de görülmüştür). Dahası, lekeli ve lekesiz yıllar vardır: Bazı yıllarda lekeler çok sık ve yoğun olarak ortaya çıkarken, başka yıllarda Güneş’in yüzeyi bir bebek teni gibi pürüzsüz kalır. Yüzyıllardır devam eden güneş lekesi gözlemleri sonucunda, leke sayılarının zamanla şöyle değiştiklerini görüyoruz:

Verilere baktığımızda güneş lekelerinde gayet düzenli bir artış ve azalış olduğunu görüyoruz. Ortalama onbir yıllık periyodu olan bu döngüye güneş döngüsü adı veriliyor.

Güneş gözlemlerinden bağımsız olarak, Dünya’nın manyetik alanı da yüzyıllardır dikkatli bir şekilde ölçülüyordu. 19. yüzyıl içinde bu ölçümler gösterdi ki, Dünya’nın manyetik alanında sürekli olarak ufak tefek dalgalanmalar olmakta. Bu dalgalanmalar genellikle küçük ölçekli olsa da, ara sıra daha şiddetli oynamalar olduğu da farkedildi. Üstelik bu şiddetli oynamalarda bir düzen de vardı; manyetik alan aniden arttıktan sonra hızla normalin altına iniyor, sonra yavaş yavaş eski haline dönüyordu. Ne zaman geleceği kestirilemeyen, bir gün içinde olup biten bu olaylara  manyetik fırtına adı verildi.

Yine 19. yüzyılda, manyetik fırtınaların ve kutup ışıklarının, Güneş döngüsü ile yakından ilişkili olduğuna işaret eden gözlemler birikmeye başladı. Güneş lekelerinin arttığı dönemde manyetik fırtınalar sıklaşıyor, kutup ışıkları çoğalıyordu. Ancak o dönemde hassas ölçüm cihazlarının bulunmayışı yüzünden bu olaylar arasındaki bağlantıya dair tatmin edici bir teori ve mekanizma ileri sürülemedi.

Güneş lekelerini yıllarca büyük bir özenle takip eden İngiliz amatör astronom Richard Christopher Carrington (1826-1875), 1 Eylül 1859 günü olağanüstü bir olaya şahit oldu. Güneşi gözlemekteyken, lekelerin birinin bulunduğu yerde şiddetli bir ışığın çaktığını gördü. Bundan iki gün sonra magnetograflar o döneme kadar görülmemiş şiddette bir manyetik fırtına kaydettiler. Kutup ışıkları Hawaii ve Küba’ya kadar uzandı. Bu olaylar Carrington’a ve diğer bilimcilere manyetik fırtınaların Güneş ile bağlantılı olduğunu düşündürdü.

Buna rağmen, 1882’de devrin en önde gelen fizikçisi Lord Kelvin (1824-1907), kesin bir dille manyetik fırtınalar ve güneş lekeleri arasında hiç bir ilişki bulunmadığını, periyotların birbirine denk düşmesinin tesadüften ibaret olduğunu beyan etti. Bu, Kelvin’in jeologlarla ilk ters düşüşü değildi; daha önce Dünya’nın yaşını hesaplamış ve Dünya’nın evrime imkân vermeyecek kadar genç olması gerektiğine kanaat getirmişti. Yeni yüzyılın keşifleri, Kelvin’in her iki konuda da yanıldığını ortaya koyacaktı. (Dünya’nın yaşını tespit eden bilimci Clair Cameron Patterson’un ilginç hayatını da bu ay dergimizde okuyabilirsiniz.)

Manyetik tuzaklar

Güneş neden lekelidir? Bir güneş lekesi, Güneş’in fotosfer adı verilen dış kısmında, çevresine göre daha az sıcak olan bir bölgedir. Işık şiddeti sıcaklıkla arttığından, sıcaklığı nispeten düşük olan bölgeler fotoğraflarda koyu renkli olarak görülürler.

Peki güneş lekeleri neden çevrelerindeki maddeye göre daha az sıcak? Bu önemli soruyu cevaplamanın anahtarı 1908’de Amerikalı astronom George Ellery Hale (1868-1938) tarafından keşfedildi.

Hale, MIT’deki öğrenciliği sırasında spektrohelyoskop adı verilen bir cihaz icat etmişti; bu cihaz Güneş ışığının tayfını analiz etmekte kullanılıyordu. Güneş ışığı, Güneş’teki atomların bireysel imzası olan tayf çizgilerini taşır. Çizgilere bakarak Güneş’te bulunan elementler anlaşılabilir, ve daha pek çok bilgiye ulaşılabilir. Sonraki yıllardaki gözlemleri sırasında Hale, güneş lekelerinden gelen ışığın spektrumunun leke bulunmayan bölgelerdekinden farklı olduğunu gördü. Lekelerden gelen ışık, diğer ışığa kıyasla daha fazla tayf çizgisi barındırıyordu.

Gözlenen tayf çizgileri elementlerin bilinen çizgilerine uymuyordu. Hale, gördüğü olgunun Zeeman etkisi olduğunu anlamakta gecikmedi (ne de olsa daha birkaç yıl önce, 1902’de, Nobel fizik ödülü bu keşfe verilmişti).

Zeerman etkisi, bir manyetik alan içinde atomların her bir tayf çizgisinin ikiye ayrılmasıdır. Bu çizgilerden birisi normaldekinden yukarıda (yüksek frekanslı), diğer ise aşağıdadır. Dahası, manyetik alan ne kadar şiddetliyse bu çizgilerin orijinal çizgiden uzaklığı o kadar fazladır. Böylece, ışığın tayfına bakarak, hangi elementler bulunduğunu da biliyorsak, ortamdaki manyetik alan şiddetini hesaplamak mümkündür. Hale, Zeeman etkisini kullanarak güneş lekelerinin manyetik yapılar olduğunu keşfetmişti.

Bugün de modern uydular Hale’in yöntemini kullanıyorlar. Sözgelişi, en yeni Güneş gözlem uydularından biri olan Solar Dynamics Observatory tarafından çekilen fotoğraflar güneş lekelerinin manyetik özelliklerini açıkça gösteriyor. Örnek olarak altta aynı anda çekilmiş iki Güneş görüntüsü görtüyorsunuz. Soldaki resim görünür ışıkla çekilmiş ve güneş lekelerinin yerini gösteriyor. Sağdaki resimde Güneş’in koronasında manyetik alan çizgilerinin dışarı çıktığı yerler beyaz, içeri girdiği yerler ise siyahla gösterilmiş. Görüldüğü gibi, güneş lekeleri farklı manyetik kutuplara sahip çiftler olarak ortaya çıkıyor. Manyetik alan çizgileri beyaz kısımlardan dışarı çıkıyor, sonra geriye kıvrılıp siyah bölgelerden içeri giriyor.

Manyetik yapıyı daha iyi görmek için, yukarıdakilerle aynı anda çekilmiş başka bir fotoğrafa bakalım. Buradaki görüntü, gözle görülemeyen “aşırı morötesi” (EUV) 171 Angstrom dalga boyunda alınmıştır. Karşılaştırma için magnetogramı da yanına koyalım.

Bu iki resme yanyana baktığımızda güneş lekelerinin manyetik özelliği kolayca ortaya çıkıyor. Koronada görülen yapıların, demir tozu dökülmüş bir kağıda yaklaştırılan bir mıknatısın yarattığı şekillere benzemesi tesadüf değil. Bir lekeden çıkıp başka bir lekeye giren manyetik alanın içinde hapsolmuş yüklü parçacıkların yaydığı ışık, alan çizgilerinin biçimini görmemizi sağlıyor.

Korona ilmeklerinin dinamik yapısını SDO’dan kaydedilmiş bir videoda görebilirsiniz:

Güneş o kadar sıcaktır ki, atomların çekirdekleri ile elektronları arasındaki bağları koparır. Güneş’teki madde, pozitif ve negatif elektrik yüklü parçacıklar yığını olan plazma halindedir. Güneş’in manyetik alanı ve plazma halindeki madde birarada iken, gündelik hayatımızda pek aşina olmadığımız karmaşık fiziksel etkiler ortaya çıkarırlar. Bu etkilerin en önemlilerinden biri, plazmanın manyetik alan “tüpleri” içinde hapsolmasıdır. Manyetik alan elastik bir ağ gibi plazmayı sarar, plazma da manyetik alan çizgilerine yapışır; biri nereye giderse öbürü de oraya gider.

Güneş lekelerinin içinin daha “serin” olmasının sırrı da buradadır. Manyetik alan çizgilerinin oluşturduğu “tüp”, içindeki plazmayı dışarıdan izole eden bir duvar gibi davranır. Güneşte oluşan bir manyetik tüpün iç kısmındaki plazma yoğunluğu dışına göre düşük olur. Bu yoğunluk farkından kaynaklanan kaldırma kuvvetiyle Güneş’in dışına doğru yükselir ve kısmen dışarı çıkar. Tüplerin Güneş’in fotosferinin dışına çıktığı yerler leke olarak gözlenir.

Dev patlamalar

Carrington’un 1859’da şahit olduğu parlama, olağanüstü şiddette de olsa, tek seferlik bir olay değildi. Güneş lekelerinin bulunduğu yerlerde sık sık küçüklü büyüklü parlamalar (“flare”) gözlenir. Sözgelişi, haberlere konu olan 10 Eylül 2014 parlaması SDO kameralarına şöyle takıldı:

Parlamalarla beraber çoğu zaman büyük madde fışkırmaları da görülür. Olağanüstü büyüklükte plazma bulutları koronadan kopup uzaya yayılırlar. Aşağıdaki video, 8 Temmuz 2014’de kaydedilen bir parlama ve fışkırmayı gösteriyor.

Fışkıran bu madde Dünya’ya rastgeldiğinde, taşıdığı madde ve enerji Dünya’nın manyetik alanında fırtınaları harekete geçirir. Fışkırma ne kadar şiddetliyse, Dünya’da yarattığı etkiler de o kadar dramatik olacaktır.

Parlamalar ve fışkırmaların oluşumu, güneş lekelerinin manyetik özellikleriyle yakından ilgilidir. İçindeki plazmayla beraber yükselen ilmek yapısı, çok fazla zorlandığında “kopabilir”. Ancak bu kopma daha özel bir süreçtir: Manyetik alan çizgileri birbirlerine çok yaklaştığında belli bir noktada kopup tekrar bağlanırlar. Ancak bu sadece plazma ve manyetik alan beraber bulunduğunda mevcut olan bir etkidir; boşlukta mümkün olmaz. Tekrar bağlanma (“reconnection”) etkisi, Güneş’den dışarı doğru uzanan plazma bulutlarının koronadan ayrılmasına ve uzaya yayılmasına yol açar. Bu mekanizma yakın zamana kadar teorik olarak kabul görüyordu, ancak SDO’nun kameraları bu olayı yakalayıp kayda geçirmeyi başardı.

Manyetik alan çizgilerinin güneş lekelerine bağlı kalan parçaları, kopan bir lastiğin geri dönüp elinize çarpması gibi, kendisine bağlı plazmayı sıkıştırır, ısıtır ve “parlama” olarak gözlediğimiz kuvvetli ışık oluşur. Manyetik alanın diğer parçası, sıcak plazmayı da beraberinde sürükleyerek uzaya doğru büyük bir hızla uçar. Bu fışkırma her ne kadar dev bir alev topu gibi korkunç görünse de o kadar seyreltiktir ki, muhtemelen içinden geçseniz hiç bir şey hissetmezsiniz.

Çarpışma!

Güneş’ten kopan plazmanın içinde kendi manyetik alanını taşıdığını görmüştük. Manyetik alan ve plazma, birbirlerine uyumlu olarak hareket ederler ve özel durumlar dışında birbirlerinden ayrılmazlar. Kendi manyetik alanına yapışık olan plazma bulutu, Dünya’nın manyetik alanının hüküm sürdüğü bölgeye giremez, yaklaşık 65,000 km mesafede durdurulur ve bu engelin etrafından dolaşmaya zorlanır.

Plazmaların kendi manyetik alanına yapışma ve yabancı manyetik alanlara girmeme özelliği, evrendeki pek çok olguda kilit rol oynar. Birincisi, bu özellik sayesinde, Dünya mıknatısı bizi Güneş patlamalarından korur. Ayrıca, pek çok gök cisminin (gezegenler, Güneş, yıldızlar, hatta galaksiler) civarında sadece kendi manyetik alanları hüküm sürer. Bu birleşimin oluşturduğu karmaşık yapılar plazma astrofiziği tarafından incelenir. Dünya çevresi ve Güneş sisteminin incelenmesine ise genellikle basitçe uzay fiziği denir.

Dünya’nın manyetik alanının hakim olduğu uzay bölgesine manyetosfer  adı verilir. Manyetosferin belli sınırları vardır, çünkü Güneşin sakin olduğu zamanlarda bile düzenli olarak yaydığı güneş rüzgarı adı verilen bir plazma akımı bu manyetik alanı sıkıştırır.

Manyetosfer durgun bir yer değildir. Dünya’nın manyetik alanında hapsolmuş elektronlar, protonlar ve diğer iyonlar uzayda çeşitli akım sistemleri oluştururlar. Bu akım sistemleri birbirlerine çeşitli yollardan bağlıdırlar ve birindeki değişim sadece birkaç saat içinde başka yerlerde değişikliklere yol açar.

Belli başlı akım sistemlerinden biri, Dünya’nın manyetik alanının sınırı olan manyetopoz’da bulunur. Elektromanyetizmanın temeli olan Maxwell denklemleri, bir tabakanın iki yanında farklı yönlere bakan bir manyetik alan mevcut ise, bunları ayıran tabakada elektrik akımları bulunması gerektiğini söyler. Elbette bu akımlar iki yandaki manyetik alan şiddetine ve yönüne göre değişir. Dünya’nın manyetik alanı sabittir, ancak güneş rüzgarı, özellikle Güneş’in aktif dönemlerinde, saat saat değişebilir. Rüzgarla gelen plazmanın hızı da değişkendir. Bu değişkenlik, manyetopozun ileri geri oynamasına, ve üzerindeki akımların azalıp artmasına ve yön değiştirmesine neden olur. Bu değişimler Dünya çevresindeki diğer akımlara yansır. Bu akımlar da Dünya’nın sabit manyetik alanına ek olarak küçük manyetik alanlar indüklerler. Yeryüzündeki pusula iğnelerinin sağa sola, yukarı aşağı hafifçe yalpaladığı görülür.

Bunlar gündelik, hafif değişimlerdir; balkonunuzdaki rüzgâr çanının meltemde şıngırdaması gibi. Güneş patlaması sonucu oluşan plazma bulutunun manyetopoza çarpması ise camı çerçeveyi indiren bir borandır neredeyse. Hızla gelen plazmanın darbesi ani bir sıkışmaya yol açar; akımlar kuvvetlenir. Elastik bantlar gibi davranan manyetik alan çizgilerinde plazma dalgaları oluşur ve darbeyi manyetosferin iç kısımlarına aktarırlar.

Alan çizgilerinin kopup tekrar birleşmesi (“reconnection”), burada yine önemli rol oynar. Dünyanın manyetik alanı kuzeye yöneliktir. Güneşten gelen plazmanın taşıdığı alan ise değişkendir. Dünya dışı alan güneye yönelik olduğunda, iki ayrı manyetik alan, plazma etkileşmeleri sayesinde birbirine kaynaşabilir. Bu şekilde Dünya’nın ön yüzündeki manyetik alan bir soğan gibi soyulup geriye doğru açılır, ve parçacıklar manyetosferin arka taraflarına taşınabilirler.

(NASA/Goddard Space Flight Center)

Manyetik çizgilerin “kuyruk” tabir edilen arka tarafta birikmesi, manyetosfer içinde başka bir “reconnection” olayına sebep olur. Bunun sonucunda bir kısım plazma Dünya’ya doğru fırlatılır. Bir kısmı radyasyon kuşaklarını kuvvetlendirir; iyonosfer akımları şiddetlenebilir. Bir kısmı ise manyetik çizgileri takip edip kutuplara yağarlar ve kutup ışıklarını oluştururlar.

Manyetik fırtınalar, ta Güneş’ten kaynaklanan ve karmaşık fiziksel süreçlerle oluşan ilginç doğa olaylarıdır. Ama gündelik hayatımızı etkilemeleri ihtimali var mı? Kırk elli sene öncesine kadar bu soruya hayır cevabı verebilirdik. Ancak artık uygarlığımız büyük ölçüde elektrik ve elektronik teknolojisine dayandığı için yakın uzaydaki şiddetli elektromanyetik değişimler yeryüzünde ciddi sorunlar yaratabilir. Carrington’un 1859’da gözlediği şiddette bir fırtına bugün olsa, iletişim uyduları kapanabilir, elektrik hatları patlayabilir. Bu etkilerin ayrıntılarını başka bir yazıya bırakıyoruz.

Kaynaklar

1. Kivelson, Margaret G.; Russell, Christopher T. Introduction to Space Physics. Cambridge University Press. 1995.
2. Wikipedia, Sunspot. Erişim tarihi 06.10.2014
3. Hale, George E.; Ellerman, Ferdinand; Nicholson, S. B.; Joy, A. H.  The Magnetic Polarity of Sun-Spots. Astrophysical Journal, vol. 49, p.153, 1919.
4. Sun|trek. Erişim tarihi 06.10.2014
5. NASA, Solar Dynamics Observatory. Erişim tarihi 06.10.2014
6. Windows to the Universe. Erişim tarihi 06.10.2014
7. NASA/Goddard Space Flight Center. Bilimsel Görselleştirme Stüdyosu.