Fyzik Pavol Bobík: Kozmické žiarenie mohlo ovplyvniť aj dejiny civilizácií

Počasie neovplyvňujú len pozemské faktory, ale aj dianie vo vesmíre.  

Absolvent UPJŠ (1997) v odbore Jadrová a subjadrová fyzika, v rovnakom odbore v roku 2001 na UPJŠ obhájil PhD. V rokoch 2001–2003 absolvoval postdoktorandský pobyt na INFN Milano v Taliansku. Druhý postdoktorandský pobyt absolvoval v rokoch 2004–2005 na Lunar & Planetary Laboratory Arizonskej Univerzity.

Od roku 2011 do roku 2024 viedol Oddelenie kozmickej fyziky na Ústave Experimentálnej Fyziky SAV, od roku 2017 do roku 2021 bol predsedom Vedeckej rady ÚEF SAV a od roku 2022 je členom Správnej rady ÚEF SAV. Venuje sa fyzike kozmického žiarenia, najmä časticiam kozmického žiarenia v Heliosfére a magnetosfére Zeme a téme vesmírneho počasia.

Je téma vplyvu kozmického žiarenia a počasia, resp. vzniku oblakov nová?

Problém vplyvu kozmického žiarenia na tvorbu oblačnosti odoláva riešeniu už roky. Začalo to v 90. rokoch, keď Henrik Svensmark zverejnil článok, kde analyzovali merania z viacerých satelitov. Ukázal, že výskyt nízkej oblačnosti a intenzita kozmického žiarenia spolu korelujú. Intenzita kozmického žiarenia sa mení počas slnečného cyklu. V jeho minime je najväčšia a v jeho maxime je najmenšia. Svensmark zistil, že odchýlka niekoľkých percent v pokryve nízkou oblačnosti silne koreluje s intenzitou kozmického žiarenia. Zrodila sa kozmoklimatológia, spustila sa okolo toho veľká debata.

O čo presne išlo?

Vzájomné spojenie, konkrétny mechanizmus ako funguje prepojenie kozmického žiarenia a tvorby oblačnosti zostal naďalej nejasný. Jednak lokálne dáta z kozmického žiarenia majú určitú presnosť. A tiež atmosférická chémia, a dynamika atmosféry vytvárajú s kozmickým žiarením veľmi komplexný systém, v ktorom sa ťažko vidia priame súvislosti.

V CERNe sa zrodil Cloud experiment, kde postavili veľký detektor (26 m3), kde sa pokúšali simulovať atmosféru a fyziku vzájomného kozmického žiarenia a aerosólov. Pokúšali sa prísť na to, aké sú tam mechanizmy. Ukázalo sa, že ionizácia spôsobená kozmickým žiarením môže za určitých podmienok podporovať tvorbu aerosólových častíc, z ktorých sa časť môže stať kondenzačnými jadrami oblakov. Napriek tomu bola situácia stále nejasná.

My sme túto oblasť videli ako tému na pomedzí klimatológie, meteorológie a našej oblasti fyziky kozmického žiarenia. V určitý moment sme si povedali, že sa na to skúsime pozrieť. Zhodou okolností sme pracovali v iných experimentoch aj na meteorologických témach, a tak to do seba začalo zapadať.

Ako vznikla myšlienka pustiť sa do takého projektu?

Pred tromi rokmi u nás na ústave mala prezentáciu americká grantová agentúra ONR, ktorá hľadala myšlienky, ktoré by iné grantové agentúry zrejme nepodporili. Tak sme si povedali, že skúsime napísať projekt o kozmickom žiarení a oblačnosti.

Čítajte viac VIDEO: Najväčšia a najvýkonnejšia. Musk pred vstupom SpaceX na burzu úspešne poslal do vesmíru loď Starship

Dospeli ste už k nejakým výsledkom?

Už 30 rokov vyvíjame softvér, ktorý vypočíta správanie sa kozmických častíc v magnetosfére Zeme. Model sme nazvali COR a povie vám, kde je koľko kozmického žiarenia v magnetosfére. To čo robíme je, že sa pozrieme na jednu časticu kozmického žiarenia a sledujeme jej dráhu. Postupne počítame ďalšie energie a možné smery príchodu takejto častice. Ide o tisíce energií, stovky smerov a miest a nakoniec spočítame situáciu na celej Zemi.

Povedali sme si, že má zmysel dať to dokopy s meteorologickými modelmi. Obrázok situácie je nejasný, a nás zaujímalo, či sa dá nájsť miesto a čas, kedy by bol jasnejší. Uvažovali sme, že by to mohlo byť vtedy, keď by sme sledovali určitú oblasť, kde je efekt kozmického žiarenia na tvorbu oblačnosti najväčší. Cieľom je určiť, kde a kedy spôsobí kozmické žiarenie najväčšiu zmenu v ionizácii, a následne produkcii aerosólov. Nájsť si miesto a čas, kedy je ten vplyv najjasnejší a vtedy sa tam pozrieť.

A podarilo sa vám to?

My vieme spočítať, koľko kozmického žiarenia prišlo na vybrané miesto. Najviac sa jeho intenzita, v krátkych časových škálach, mení počas geomagnetických búrok. To sú momenty počas ktorých na Zemi hľadáme miesta, kde sa intenzita dopadajúceho kozmického žiarenia zmenila najviac. Ide o veľa výpočtov, treba to dobre spočítať. Počítame to pre obdobie rokov 2011 až 2019 v našom modeli COR. Ten je verejný a prístupní aj ďalším používateľom, širšej vedeckej komunite.

Čítajte viac VIDEO: Najväčšia a najvýkonnejšia. Musk pred vstupom SpaceX na burzu úspešne poslal do vesmíru loď Starship

Prečo práve rozpätie rokov 2011 – 2019?

Lebo existuje experiment, ktorý sa volá AMS-02. Mimochodom, zaujímavosťou spätou s týmto experimentom je, že ide zrejme o najdrahší experiment v histórii vedy, ktorý takmer nevyprodukoval žiadne výsledky. Je to najväčší detektor častíc, ktorý máme vo vesmíre, stál 2 miliardy dolárov, a takmer neletel. Je obrovský, a mohol ho na zemskú orbitu vyniesť len raketoplán. Bol pripravený na štart, no v roku 2003, pri návrate na Zem, raketoplán Columbia havaroval.

Havária mala za následok prepracovávanie celého amerického vesmírneho programu. Prišiel projekt Constelation a plán letov raketoplánov sa zmenil, po obnovení letov sa už so štartom s AMS-02 nepočítalo. A to bol moment, keď veľmi drahý experiment AMS-02, ktorý mal potenciál posunúť hranice základného výskumu, stratil možnosť dostať sa na orbitu. ISS je skvelá vec, ale kým tam neprišiel AMS-02 experiment, tak bol výskum na ISS zameraný na prítomnosť ľudstva vo vesmíre.

Nakoniec sa tam ale dostal…

Vyzeralo to tak, že AMS-02 do vesmíru nepôjde. Nakoniec sa autorom experimentu podarilo presvedčiť Kongres, aby zaplatil dodatočných približne 500 miliónov dolárov za ďalší let raketoplánu. Dostali sme tak v roku 2011 do vesmíru detektor, ktorý je rádovo omnoho drahší a väčší, ako ktorýkoľvek iný detektor častíc pred ním. Keď začal merať v roku 2011, a zmeral denné spektrá kozmického žiarenia, tak sú k dispozícii jeho presné merania pre obdobie rokov 2011 až 2019. Tie potrebujeme skombinovať s našími výpočtami priepustnosti magnetosféry. A vďaka tomu vieme presne prepočítať to čo potrebujeme.

Následne zoberieme presné meteorologické údaje. A tam, kde je zmena intenzít kozmického žiarenia najväčšia, tam sa budeme pozerať. A na tom pracujeme. Zatiaľ sa dá vo vedeckých článkoch dočítať o tom, že situácia je nejasná. Potrebujeme preto nájsť taký uhol pohľadu, z ktorého vec dobre vidno. A práve o to sa pokúšame, nájsť miesto, kde je efekt najsilnejší. Kde bude najväčšia zmena v tvorbe oblačnosti. Niekde je to možno desatina percenta, inde percento. Tam to bude najľahšie viditeľné.

Čítajte viac Leto 2026 môže odštartovať veľký klimatický zlom. El Niño udrie v plnej sile: Varovanie aj pre Slovensko

Takže čím viac je častíc, tým je väčšia šanca na vznik oblakov?

Áno, to si myslíme. Kozmické žiarenie bolo objavené v roku 1912, je prúd častíc prichádzajúci z vesmíru. Presnejšie ide v približne 90 percentách o protóny, ale aj o iné častice. A ako sa na to prišlo? Fyzik Victor Hess lietal s vodíkovým balónom do výšok dosahujúcich päť kilometrov. Zistil, že ionizácia s výškou stúpa. To znamená, že zdroj ionizácie je mimo atmosféry. Navyše vykonal aj jeden let počas zatmenia slnka a hodnoty meranej ionizácie sa veľmi nezmenili. Ukázal tak, že jej zdrojom nie je Slnko. Išlo o objav kozmického žiarenia, za čo dostal Nobelovu cenu.

Častice kozmického žiarenia prichádzajú z Galaxie. Zo slnka prichádzajú solárne častice. Ale toto ionizačné žiarenie je galaktické kozmické žiarenie. Chvíľu to trvalo, kým sa tá myšlienka usadila a kým sa prišlo na to, že zistené veci sedia. Nebolo to také ľahké, priame, lebo ľudia mali rôzne detektory a merali kozmické žiarenie na rôznych miestach.

Čítajte viac Nebeský palác čaká veľký test. Na orbitu letí posádka, ktorá má pripraviť cestu na Mars

Takže je tam súvis?

Vieme tak, že v atmosfére existuje ionizácia z kozmického žiarenia. Ióny z ionizačného žiarenia prispievajú k tvorbe aerosólov a kondenzačných jadier oblakov. Keď je ich viac, tam by mohli spôsobovať procesy končiace tým, že tam bude viac oblakov. Lenže fungovanie atmosféry je zložité. Rolu hrajú aj iné chemikálie.

Mimochodom, posledný výskum, o ktorom sme ešte nevedeli, keď sme písali projekt, v ňom v Cloud experimente zistili, že dôležitú rolu zohráva izoprén. Ide o látku produkovanú biosférou. Ukázalo sa, že má vplyv na efektivitu tvorby nukleačných jadier. Našou snahou je vidieť veci čo najjasnejšie. To znamená veľa výpočtov, aj na novom superpočítači Perun. Spočítame radiačnú situáciu, a nájdeme v nej, kedy a kde sa máme pozrieť. Tam už hľadáme v meteorologických dátach. Pracujeme v dvoch skupinách. Jedna sa zaoberá výpočtami priepustnosti magnetgosféry pre kozmické žiarenie a druhá meteorológiou.

Aký je časový rámec projektu?

Projekt začal pred rokom a potrvá ešte rok. Už sme vo fáze, keď píšeme články o tom, kde a kedy hľadať. Zistili sme, kde a kedy sa radiačná situácia najviac mení. A vyzerá to tak, že najviac v oblastiach ako je pás ponad Atlantik od Írska až po Boston. Pás má približne tvar geomagnetického rovníka.

Čo môže projekt priniesť?

Cieľ projektu nie je klimatický, ale meteorologický. Čo môže priniesť je spresnenie meteorologickej predpovede a opisu situácie v daný moment. Aj dnes sa daný faktor, ionizácia, berie v atmosférických modeloch do úvahy, ale na základe našich výsledkov by meteorológovia mohli brať vplyv ionizácie presnejšie a s hlbším pochopením o čo ide. Takéto spresnenie by mohlo mať význam z hľadiska takzvaného kozmického počasia, v určitých obdobiach. Keď je napríklad geomagnetická búrka, tak vtedy je obdobie, ktoré je pre techniku záťažové. Vtedy by bolo dobré mať presnejšie predpovede, ako ionizácia vplýva na počasie.

Na čo všetko má ešte dosah kozmické žiarenie? Ovplyvňovalo dianie na Zemi aj minulosti?

Ďalšou témou ktorej sa venujeme, je vplyv kozmického žiarenia na atmosférické procesy počas dlhších období. Presne vieme vypočítať hodnoty radiačnej situácie na Zemi približne pre časové obdobie od začiatku 20. storočia. Pre roky od roku 1900 poznáme geomagnetické pole s vysokou presnosťou. Sú však výskumníci, ktorí sa zaoberajú historickým geomagnetickým poľom. Dlhé roky postupne stavajú svoje modely, ktoré sú stále presnejšie. Takže dnes už vieme, aké bolo geomagnetické pole za posledné tisícky rokov.

Vieme potom spočítať koľko prišlo radiácie na povrch atmosféry. Zaujímavé je to, že geomagnetické pole sa počas tisícročí mení. Je možné, že sa blížime k jeho prepólovaniu. Preto sa v výrazne mení množstvo kozmického žiarenia, ktoré prichádza na povrch atmosféry. Za posledné dve tisícročia sú oblasti, kde intenztita kozmického žiarenia narástla o stovky percent, ale na druhej strane sú oblasti, kde poklesla na polovicu. To môže mať aj klimatické dôsledky.

Čítajte viac Prichádzame o noc? Na poplach bijú aj slovenskí vedci: satelity môžu zasiahnuť spánok aj prírodu

Takže je tu presah aj do histórie?

Napríklad keď sa pozrieme na obdobie medzi rokmi 0 a 1800 na Yucatáne, tak medzi rokmi 1600 a 1800 sa tam intenzita kozmického žiarenia výrazne zmenila. Na týchto miestach a obdobiach by mohli zmeny intenzity kozmického žiarenia prispievať ku klimatickým zmenám. Niektoré civilizácie záhadne zanikli. Na príčine mohli byť aj zmeny klímy. A je zaujímavé či v tom kozmické žiarenie nezohralo svoju rolu.

Môžu tieto zistenia pomôcť aj historikom?

S históriou súvisí aj druhá zaujímavá vec. A to je dátovanie artefaktov metódou uhlíka C14. Historici túto metódu intenzívne používajú. Za rok sa touto metódou na celom svete urobí približne 100 tisíc datovaní, zistení veku historických artefaktov. Uhlík C14 je na Zemi tvorený výhradne kozmickým žiarením. Po jeho vytvorení pri interakciách kozmického žiarenia s hornou vrstvou atmosféry nastáva proces, ktorým sa dostáva do biosféry, pri ktorom je absorbovaný nejakým živým organizmom. Po jeho zániku tam už uhlík C14 nepribúda, naopak, začne sa rozpadať, s polčasom rozpadu približne 5700 rokov. Jeho pomer voči tiež absorbovanému bežnému úhliku C12 sa začne meniť. Tento meniaci sa pomer uhlíka C14 a C12 nám teda hovorí koľko času ubehlo. Takže sa z neho dá určiť vek vzorky.

Je táto metóda presná, alebo má svoje nedostatky?

Po vzniku tejto datovacej metódy pred 80 rokmi, sa pri niektorých artefaktoch so známym vekom ukázalo, že výsledky datovania uhlíkovou metódou nesedia presne, v datovaní sú odchýlky. Vedci zistili, že musia spraviť pre túto metódu kalibračnú krivku. Fyzikálne to znamená, že v daných obdobiach z ktorých je artefakt bolo viac, alebo menej kozmického žiarenia. Teda aj uhlíka C14. Urobili to tak, že si zobrali známe už datované vzorky a na ich základe urobili kalibračnú krivku. Časom si uvedomili, že artefakty so známym vekom, ktoré mali k dispozícii, musia rozdeliť na vzorky z rôznych oblastí. Každá oblasť potrebuje inú kalibračnú krivku. V roku 2020 bol zverejnený posledný kalibračný model IntCal20, ktorý delí Zem na tri oblasti. Odvtedy mal 5 tisíc citácií, čo je veľa. A podľa nás už prišiel čas, keď optimálne rozdelenie povrchu Zeme pre kalibračné krivky vieme spočítať. Výsledkom bude fyzikálne odporúčanie na zlepšenie metodiky tvorby kalibračných kriviek metódy C14.

Niektoré historické kroniky a záznamy spomínajú v 17. storočí chladnejšie počasie. Dá sa to potvrdiť aj pomocou súčasnej vedy?

Ide aj o to, koľko kozmického žiarenia prišlo na hranicu magnetosféry, čo ovplyvňuje slnečný cyklus. A to počas tisícov rokov. Ukazuje sa, a zaujímavosťou je, že magnetosféra sa zmenila omnoho viac, ako slnečná aktivita. To ako sa menila aktivita Slnka vieme na základ nedávno publikovaných výsledkov ohraničiť medzi minimálnu a maximálnu zmenu počas uplynulých tisícročí. Spočítame to pre obe možnosti. Avšak s výraznou zmenou magnetosféry v rovnakom období sa ukáže, že miera slnečnej činnosti tu hrá menšiu rolu. Hlavný hýbateľ zmeny prístupu kozmického žiarenia a tvorby uhlíka C14 za posledné tisícročia je magnetosféra. Konečne je možné takéto veci spočítať, nielen určiť empiricky meraním.

Ak by som to mal uzavrieť, nám sa spresnenie datovacej metódy C14 zdá zaujímavé, pretože ide o viac než 100 tisíc datovaní ročne a ich presnosť môže byť vylepšená použitím metód fyziky kozmického žiarenia. Základný slnečný cyklus Slnka je 11 rokov, ale existujú aj dlhšie intervaly. Napríklad Maunderovo minimum je obdobie v 17. storočí počas ktorého vymizli tri slnečné cykly, Slnko bolo počas 50 rokov v hlbokom minime svojej aktivity. To spôsobilo ochladenie. Tu v Európe boli chladnejšie zimy. Ide o obdobie rokov 1645 až 1715.