home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1993 / TIME Almanac 1993.iso / time / 070389 / 07038900.035 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-09-23  |  14.9 KB  |  295 lines

  1.                 K/                                                                SCIENCE, Page  46COVER STORYFury on The Sun
  2.  
  3.  
  4. Once worshiped as a god, earth's star is revealing the secrets
  5. of its awesome power
  6.  
  7. By  LEON JAROFF
  8.  
  9.  
  10.     Strolling outside Arizona's Kitt Peak National Observatory
  11. during a work break, staff observer Paul Avellar at first
  12. thought the angry red glow in the night sky was caused by
  13. forest fires. Then, seeing a greenish fringe and vertical
  14. streamers stretching like ribbons above the horizon, he realized
  15. what was happening. He raced to a telephone and called his wife
  16. and friends, awakening them and insisting they share the view.
  17. "A chance like this doesn't come along very often," says
  18. Avellar. "To see the northern lights is very humbling and
  19. awe-inspiring. You realize the sun is just going about its
  20. business and making our nighttime sky glow without any trouble
  21. at all. It makes you wonder what would happen if the sun ever
  22. really got mad."
  23.  
  24.     Some 93 million miles away, the sun was, at the very least,
  25. agitated. In early March, an area of sunspots large enough to
  26. contain 70 earth-size planets had come into view around the
  27. eastern rim* of the glowing orb. Created by intense magnetic
  28. fields and cooler than the surrounding gases, the sunspots were
  29. visible as dark blemishes on the fiery surface. Just as
  30. astronomers were turning their attention to the mottled region, a
  31. bright spot suddenly appeared in its midst. It spread like a
  32. prairie wildfire, glowing white hot on the sun's yellow face
  33. and quickly expanding to cover hundreds of thousands of square
  34. miles. The monster blotch was an unusually large solar flare, a
  35. stupendous explosion that belched radiation and billions of tons
  36. of matter far into space.
  37.  
  38.  
  39.     The great flare, and its coterie of sunspots, was an
  40. unmistakable signal. It heralded the imminent arrival of the
  41. solar maximum: the period every eleven years or so when the sun
  42. reaches its peak levels of activity and pointedly reminds earth
  43. dwellers of its awesome power. At maximum, the sun bombards the
  44. planet with radiation and particles, causing unusually
  45. brilliant auroras, communications blackouts and power failures.
  46. But it also gives scientists a fresh opportunity to solve some
  47. of the mysteries surrounding the star that provides the earth
  48. with energy, drives the weather and sustains life itself.
  49.  
  50.     During a maximum, marked by a jump in the number of sunspots
  51. and flares, giant loops of incandescent gases, called
  52. prominences, proliferate, shooting tens of thousands of miles
  53. above the solar surface, sometimes hanging suspended for
  54. months. The solar corona, the halo around the sun visible during
  55. total eclipses, becomes fuller and brighter; great blobs of the
  56. corona, containing billions of tons of hot gas, occasionally
  57. burst free, shooting into space at speeds as high as 2 million
  58. m.p.h. And the earth's upper atmosphere, pummeled by solar
  59. particles, is laced by electrical currents of as much as a
  60. million amperes. These in turn create powerful magnetic fields
  61. that raise havoc below.
  62.  
  63.     Because the previous maximum occurred in late 1979,
  64. astronomers had targeted 1991 as the year when solar frenzy
  65. would again peak. But the sun is notably capricious. While the
  66. intervals between maximums average eleven years, some have been
  67. as short as seven, others as long as 17. Ever since the sun
  68. began revving up three years ago toward the next maximum, its
  69. activity has mounted with unprecedented speed.
  70.  
  71.     "It is the fastest riser on record," says Ron Moore, an
  72. astronomer at NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville,
  73. Ala. So fast, in fact, that astronomers are betting on 1990 or
  74. perhaps even later this year, instead of 1991, as the beginning
  75. of the maximum. And what a maximum it could be. Despite the
  76. ferocity of the March flares, Moore warns, "this cycle is still
  77. in its early phase. It's got quite a way to go." Solar buffs are
  78. speculating it might approach the violence reached by the
  79. 1957-58 maximum, which touched off five disruptive geomagnetic
  80. superstorms and vivid auroral displays. Says astronomer Donald
  81. Neidig at the National Solar Observatory outpost on Sacramento
  82. Peak, near Sunspot, N. Mex.: "We can't rule out a record
  83. breaker."
  84.  
  85.     In anticipation of the fireworks, astronomers scheduled a
  86. two-week, worldwide solar-observation period during the second
  87. half of June. The project was timed to benefit from the
  88. observations of the Solar Maximum Mission satellite (nicknamed
  89. Solar Max) before it plunges to its death. Lofted into earth
  90. orbit in 1980 to monitor the sun's activity, the satellite is
  91. gradually descending and will probably re-enter the earth's
  92. atmosphere in November and be incinerated. Solar Max's readings
  93. of the sun's activity were coordinated with observations made
  94. all over the world by ground-based telescopes and instruments
  95. mounted on high-flying rockets. A hundred solar centers around
  96. the globe were linked by an electronic-mail network designed to
  97. provide the latest data on the sun's behavior.
  98.  
  99.     A major goal of the project was to catch a flare in the act,
  100. mapping all the solar high jinks associated with it from
  101. beginning to end. The sun's timing could not have been better.
  102. During the first week of observations, it set off several large
  103. flares and ejected billions of tons of matter in a prominence
  104. that extended more than 200,000 miles into space.
  105.  
  106.     The intense solar observations should provide clues to many
  107. of the still unanswered or only partly resolved questions about
  108. the sun: Does the solar cycle affect terrestrial weather? What
  109. internal mechanisms control the cycle? Is the sun growing
  110. cooler? Hotter? Is there a basic flaw in the current theory
  111. about the fusion process that powers the solar furnace?
  112.  
  113.     While the recent flares did not measure up to the March
  114. conflagration, astronomers were jubilant. "We have been
  115. exceptionally lucky," says Alan Kiplinger, a solar physicist at
  116. the University of Colorado. "It's unusual to have the sun
  117. cooperate."
  118.  
  119.  
  120.     Fortunately for earth dwellers, the March flare occurred on
  121. the easternmost edge of the sun and thus aimed its full force
  122. away from the earth. But on March 10, when the sun's stately
  123. rotation brought the turbulent group of sunspots to a position
  124. more directly facing the earth, a second, only slightly less
  125. powerful flare erupted in the region. Eight minutes later,
  126. traveling at the speed of light, a blast of X ray and
  127. ultraviolet radiation seared the earth's upper atmosphere.
  128. Within an hour, high-energy protons began to arrive, followed in
  129. three days by a massive bombardment of lower-energy protons and
  130. electrons.
  131.  
  132.     Among the first to feel the effects of the flare's fury was
  133. the orbiting Solar Max. As the radiation saturated Solar Max's
  134. instruments, a NASA spokesman reported, "the satellite was
  135. stunned for a minute and then recovered." Heated by the
  136. incoming blast of radiation, the upper fringe of the atmosphere
  137. expanded farther into space. Low-orbiting satellites,
  138. encountering that fringe and running into increasing drag,
  139. slowed and dropped into still lower orbits. A secret Defense
  140. Department satellite began a premature and fatal tumble, and the
  141. tracking system that keeps exact tabs on some 19,000 objects in
  142. earth orbit briefly lost track of 11,000 of them. Solar Max
  143. descended by as much as half a mile in a single day, almost
  144. certainly hastening its demise.
  145.  
  146.     On the earth, the flare's effects were equally disruptive.
  147. Shortwave transmissions were interrupted, some for as long as 24
  148. hours, and satellite communication and a Coast Guard loran
  149. navigation system were temporarily overwhelmed. Powerful
  150. transient magnetic fields, generated in the upper atmosphere by
  151. the flare, induced electrical currents in transmission lines
  152. and wiring, and mystified homeowners reported automatic garage
  153. doors opening and closing on their own. A surge of
  154. flare-induced current was blamed by Hydro-Quebec officials for
  155. shutting down the power company's system and blacking out parts
  156. of Montreal and the province of Quebec for as long as nine
  157. hours. These startling phenomena were shrugged off by Sacramento
  158. Peak's Neidig. "A really big flare," he says, "can produce
  159. enough energy to supply a major city with electricity for 200
  160. million years."
  161.  
  162.     By far the most dramatic manifestation of the solar flare
  163. was the two-night, spectacular display of the aurora borealis,
  164. or northern lights, that awed Paul Avellar and millions of
  165. others. Arriving high-energy electrons, deflected by the
  166. earth's magnetic field, spilled into the upper atmosphere near
  167. the north and south polar regions, which are unprotected by
  168. magnetic-field lines. Acting much as does the electrical current
  169. in a neon sign, the electrons banged into oxygen atoms, causing
  170. them to emit red and green light.
  171.  
  172.     Ordinarily far less intense and visible only in arctic
  173. climes, the glowing, flickering aurora was seen as far south as
  174. Brownsville, Texas, and Key West, Fla. Alarmed Floridians,
  175. unfamiliar with the lights and fearing that a catastrophe had
  176. occurred somewhere in the north, flooded police switchboards
  177. with calls.
  178.  
  179.     The two great flares of March were not isolated events. Nine
  180. other major outbursts and hundreds of smaller ones were recorded
  181. during the two weeks it took for the sunspot region to rotate
  182. out of view. In the months since, as the sun moves erratically
  183. toward its maximum, several flares have been observed every day.
  184.  
  185.     The sun has long been pre-eminent in human thoughts and
  186. actions. Almost from the beginning, people worshiped the sun as
  187. the beneficent provider of light and life, and as a god, called
  188. Ra by the Egyptians, Helios by the Greeks and Sol by the
  189. Romans. To the Aztecs, the sun god was Huitzilopochtli, whom
  190. they nourished with human sacrifices. Egypt's great pyramids at
  191. Giza were built with their sides aligned with the rising sun at
  192. the vernal equinox, and the temple complex at Karnak was
  193. dedicated to Ra. The ancient circle at Stonehenge, in England,
  194. was apparently constructed so that the sun would rise over one
  195. of the great stones at the time of the summ-er solstice.
  196.  
  197.     From the beginnings of history and literature, human beings
  198. have also invoked the sun. In rejecting peace offers from Darius
  199. before the battle of Gaugamela, Alexander the Great explained,
  200. "Heaven cannot brook two suns, nor earth two masters." And in
  201. 1911, Kaiser Wilhelm II of Germany, speaking of his nation,
  202. declared, "No one can dispute with us the place in the sun that
  203. is our due."
  204.  
  205.     Through the centuries, few natural phenomena have inspired
  206. as much fear and awe as solar eclipses. The ancient Chinese used
  207. firecrackers and gongs to drive away the spirit they thought was
  208. devouring the sun. Mark Twain's Connecticut Yankee, aware that
  209. a most timely total eclipse was going to occur, escaped being
  210. burned at the stake by King Arthur's knights when he predicted
  211. that the sun would disappear. A benign form of sun worship
  212. continues to this day, not only among beachgoers but also by a
  213. group of intrepid American astronomy buffs who have traveled
  214. around the world by plane, ship and jeep, from Java to Siberia
  215. to Africa, to view each of the past dozen total eclipses.
  216.  
  217.     Even in ancient times, however, an occasional hardy soul
  218. refused to deify the sun. The Greek philosopher Anaxagoras
  219. brazenly claimed that it was merely a ball of fiery stone, and
  220. was arrested and banished from Athens for his blasphemy. But
  221. his radical concept caught on and was later refined by
  222. Aristotle, who proclaimed the sun an unchanging sphere of pure
  223. fire, devoid of any imperfections.
  224.  
  225.  
  226.     Aristotle's view prevailed through the Middle Ages, was
  227. embraced by Christianity and went largely unquestioned until
  228. Galileo and other early 17th century sky watchers pointed the
  229. newly invented telescope at the sun and saw black spots on its
  230. surface. So much for solar purity. Despite clerical
  231. disapproval, the reality of sunspots was quickly accepted.
  232. Still, more than two centuries passed before Samuel Heinrich
  233. Schwabe, a German apothecary and amateur astronomer, discovered
  234. the strange, cyclic behavior of the solar blemishes.
  235.  
  236.     Schwabe had been searching for the hypothetical planet
  237. Vulcan, supposedly the closest one to the sun, hoping to spot it
  238. in silhouette as it moved across the solar disk. In the process,
  239. he observed and kept meticulous records of sunspots over a
  240. 17-year period. Finally, in 1843, he recognized and announced
  241. the eleven-year cyclic nature of the spots and wrote, "I may
  242. compare myself to Saul, who went to seek his father's ass and
  243. found a Kingdom."
  244.  
  245.     In the years since, by tabulating sunspot records going back
  246. to the early 18th century and using improved telescopes,
  247. satellites, advanced instruments and modern theory, scientists
  248. have become ever more familiar with the bizarre dance of the
  249. sunspots. Each cycle begins when spots show up in both the
  250. northern and southern hemispheres about 35 degrees away from
  251. the solar equator. As the cycle matures and the older sunspots
  252. fade away (some last only a few hours, others for weeks and
  253. even months), new and more numerous spots appear at lower
  254. latitudes. Toward the end of the cycle, diminished in number,
  255. they appear at latitudes some 5 degrees from the equator.
  256.  
  257.     Sunspots tend to travel in pairs or groups of opposite
  258. polarity, like the ends of horseshoe magnets poking through the
  259. solar surface. During one eleven-year cycle, as the blemishes
  260. traverse the face of the sun in an east-west direction, the
  261. leading spots of each group in the northern hemisphere will
  262. generally have positive polarity, the trailing spots negative.
  263. In the southern hemisphere, the leading spots will be negative.
  264. During the next cycle, the hemisphere polarities will reverse.
  265. On average, then, 22 years will pass between solar maximums of
  266. the same sunspot polarity. This suggests to many astronomers
  267. that the fundamental solar cycle is 22 years rather than eleven.
  268.  
  269.     Since the sun in myriad ways governs the very existence of
  270. all terrestrial life, the cyclic changes in the sunspot
  271. population have, ever since Schwabe, inspired speculation about
  272. their effect on solar radiation and, consequently, on the
  273. earth. Though the sun is a rather ordinary star, its vital
  274. statistics are breathtaking by earthly standards. Some 865,000
  275. miles in diameter, it consists largely of hydrogen (72%) and
  276. helium (27%) and is 333,000 times as massive as the earth. Solar
  277. temperatures range from about 27 million degrees F* in the core,
  278. where 600 million tons of hydrogen are fused into helium every
  279. second, to 10,000 degrees F on the photosphere, or surface.
  280.  
  281.  
  282.  
  283. -- J. Madeleine Nash/Sunspot
  284.  
  285. *To astronomers, the eastern edge of the sun is to the left, as
  286. viewed from earth.
  287.  
  288. *If current theory is correct. But only about a third the number
  289. of neutrinos (particles with little or no mass that travel at
  290. the speed of light) that the sun should be producing at this
  291. temperature have been detected, leading some scientists to
  292. speculate that the core temperature is lower. 
  293.  
  294.  
  295.