Zorze ziemskie powstają w wyniku interakcji wiatrów słonecznych z magnetosferą, tworząc pokazy świetlne w żywych kolorach w oparciu o energię cząstek, a na ich częstotliwość wpływa 11-letni cykl słoneczny.
Od tysięcy lat ludzie są urzeczeni oszałamiającymi pokazami świetlnymi tańczącymi po nocnym niebie. Dziś znamy te światła jako zorze: zorzę polarną na półkuli północnej i zorzę australis na półkuli południowej.
Teraz rozumiemy, że zorze powstają, gdy naładowane cząstki z ziemskiej magnetosfery i wiatru słonecznego zderzają się z cząsteczkami w górnych warstwach atmosfery. Zderzenia te wzbudzają cząstki atmosferyczne, które następnie uwalniają światło, gdy wracają do swojego normalnego, niewzbudnego stanu.
Kolor zorzy zależy od tego, ile energii cząstki atmosferyczne pochłonęły podczas zderzenia. Każdy kolor reprezentuje określoną ilość uwolnionej energii.
Na zorze wpływa aktywność Słońca, która następuje w cyklu 11-letnim. Właśnie osiągnęliśmy maksimum słoneczne dla 25. cyklu słonecznego, co prawdopodobnie doprowadzi do częstszych i intensywniejszych pokazów zorzy polarnej.
Fox Fires, krótki film inspirowany fińską opowieścią ludową o zorzy polarnej.
Połączenia ze Słońcem
Takie pokazy były od dawna dokumentowane przez ludzi na całym świecie Ameryka PółnocnaEuropa, AzjaI Australia.
W XVII wieku zaczęły pojawiać się naukowe wyjaśnienia przyczyn zorzy polarnej. Możliwe wyjaśnienia obejmowały powietrze z atmosfery ziemskiej unoszące się z cienia Ziemi i oświetlane przez słońce (Galileusz w 1619 r) i odbicia światła od kryształków lodu znajdujących się na dużych wysokościach (Rene Descartes i inni).
W 1716 roku angielski astronom Edmund Halley jako pierwszy zasugerował możliwy związek z polem magnetycznym Ziemi. W 1731 roku francuski filozof Jean-Jacques d’Ortous de Mairan zauważył zbieżność pomiędzy liczbą plamy słoneczne i zorza. Zaproponował powiązanie zorzy polarnej z atmosferą Słońca.
To właśnie tutaj powiązano aktywność Słońca z zorzą polarną na Ziemi, co dało początek dziedzinom nauki zwanym obecnie „heliofizyką” i „pogodą kosmiczną”.
Pole magnetyczne Ziemi jako pułapka na cząstki
Najczęstszym źródłem zorza polarna to cząstki podróżujące wewnątrz Ziemi magnetosferaobszar przestrzeni zajmowany przez naturalne pole magnetyczne Ziemi.
Obrazy ziemskiej magnetosfery zazwyczaj pokazują, jak „bąbel” pola magnetycznego chroni Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym i odpycha większość zakłóceń wiatru słonecznego. Jednak tym, czego zwykle nie podkreśla się, jest fakt, że ziemskie pole magnetyczne zawiera własną populację elektrycznie naładowanych cząstek (lub „osocze”).
Modelowe przedstawienie ziemskiego pola magnetycznego oddziałującego z wiatrem słonecznym.
Magnetosfera składa się z naładowanych cząstek, które uciekły z górnych warstw atmosfery Ziemi i naładowanych cząstek, które przedostały się przez wiatr słoneczny. Obydwa typy cząstek są uwięzione w ziemskim polu magnetycznym.
Ruchy cząstek naładowanych elektrycznie sterowane są przez pola elektryczne i magnetyczne. Naładowane cząstki wirują wokół linii pola magnetycznego, więc oglądane w dużych skalach linie pola magnetycznego działają jak „rurociągi” dla naładowanych cząstek w plazmie.
Ziemskie pole magnetyczne jest podobne do standardowego „dipolowego” pola magnetycznego, przy czym linie pola zbiegają się w pobliżu biegunów. To skupienie się linii pola w rzeczywistości zmienia trajektorie cząstek, skutecznie obracając je tak, aby wróciły tą samą drogą, którą przybyły, w procesie zwanym „odbiciem magnetycznym”.
„Odbicie magnetyczne” powoduje, że naładowane cząstki odbijają się tam i z powrotem pomiędzy biegunami.
Magnetosfera Ziemi w burzliwym wietrze słonecznym
W cichych i stabilnych warunkach większość cząstek w magnetosferze pozostaje uwięziona i szczęśliwie odbija się w przestrzeni między południowym i północnym biegunem magnetycznym. Jeśli jednak zakłócenie wiatru słonecznego (takie jak np koronalny wyrzut masy) daje magnetosferze „uderzenie”, zostaje ona zakłócona.
Uwięzione cząstki są przyspieszane, a „rurociągi” pola magnetycznego nagle się zmieniają. Cząsteczki, które szczęśliwie odbijały się między północą a południem, zostały teraz przeniesione na niższe wysokości, gdzie atmosfera ziemska staje się gęstsza.
W rezultacie naładowane cząstki prawdopodobnie zderzą się teraz z cząsteczkami atmosferycznymi, gdy dotrą do obszarów polarnych. Nazywa się to „wytrącaniem cząstek”. Następnie, gdy nastąpi każde zderzenie, energia jest przekazywana cząstkom atmosfery, wzbudzając je. Kiedy się odprężą, emitują światło, które tworzy piękną zorzę, którą widzimy.
Pierwszy z wielu timelapseów z dzisiejszej nocy – na tym filmie widać zorzę polarną pojawiającą się zaraz po zachodzie słońca, co oznacza, że aktywność była silna! Kolory tej „silnej” burzy geomagnetycznej G4 były nierealne. Przysięgam, że tamtej nocy widziałem całą tęczę w zorzy polarnej.… pic.twitter.com/rPA6fFGl9s
— Vincent Ledvina (@Vincent_Ledvina) 27 marca 2023 r
Zasłony, kolory i kamery
Niesamowite pokazy zorzy tańczącej na niebie są wynikiem złożonych interakcji pomiędzy wiatr słoneczny i magnetosfera.
Pojawianie się, znikanie, rozjaśnianie i tworzenie struktur takich jak zasłony, wiry, płoty i fale zorzy polarnej to wizualne reprezentacje niewidzialnej, stale zmieniającej się dynamiki ziemskiej magnetosfery podczas jej interakcji z wiatrem słonecznym.
2023-03-23-24 od 22:00 do 5:00
2 minuty wspaniałej nocy z moich 7 godzin zdjęć. @AlbertaAurora@TweetAurora @spaceyliz @TamithaSkov @siećpogodowa @CalgaryRASC @rasc @StormHour @MurphTWN pic.twitter.com/9C1Zbu09OE— Siv Heang (@hoodoos84) 26 marca 2023 r
Jak pokazują te filmy, zorza polarna pojawia się na różne sposoby zabarwienie.
Najbardziej powszechne są zielenie i czerwienie, które są emitowane przez tlen w górnych warstwach atmosfery. Zorze zielone odpowiadają wysokościom bliskim 100 km, podczas gdy zorze czerwone występują wyżej, powyżej 200 km.
Niebieskie kolory są emitowane przez azot, który może również emitować trochę czerwieni. Dzięki mieszance tych emisji możliwe są również różne odcienie różu, fioletu, a nawet światła białego.
Zorza polarna jest jaśniejsza na zdjęciach, ponieważ czujniki aparatu są czulsze niż ludzkie oko. W szczególności nasze oczy są mniej wrażliwe na kolor w nocy. Jeśli jednak zorza polarna jest wystarczająco jasna, może być niezłym widokiem gołym okiem.
Łapanie zorzy polarnej na półkuli południowej.
Gdzie i kiedy?
Nawet przy spokojnej pogodzie kosmicznej zorza polarna może być bardzo widoczna na dużych szerokościach geograficznych, np Alaska, Kanada, SkandynawiaI Antarktyda. Kiedy mają miejsce zaburzenia pogody kosmicznej, zorze mogą migrować na znacznie niższe szerokości geograficzne, aby stać się widocznymi na całym kontynencie Stany Zjednoczone, Europa Środkowaa nawet południowy I kontynentalnej Australii.
Dzikie świnie parskają wokół mnie, kojoty w oddali, burze na wschodzie, duchy na południu i to na północy. Jedna z moich ulubionych nocy w Oklahomie. 23 marca 2023 r. #okwx pic.twitter.com/uIQ4IcGtmw
— Paul M. Smith (@PaulMSmithphoto) 26 marca 2023 r
Nasilenie zjawiska pogody kosmicznej zazwyczaj wpływa na zakres lokalizacji, w których widoczna jest zorza polarna. Najsilniejsze zdarzenia są najrzadsze.
Jeśli więc interesują Cię polowania na zorze polarne, miej oko na lokalne prognozy pogody kosmicznej (NAS, Australia, Wielka Brytania, Republika Południowej AfrykiI Europa). W mediach społecznościowych jest także wielu ekspertów od pogody kosmicznej, a nawet obywatelskie projekty naukowe dotyczące polowań na zorze polarne (takie jak Aurorazaur), do których możesz się przyczynić!
Rzadka obserwacja zorzy polarnej w środkowej Australii, z Uluru na pierwszym planie.
Wyjdź na zewnątrz i zobacz jedno z prawdziwych naturalnych piękności natury – zorzę polarną, ziemską bramę do nieba.
Napisane przez:
- Brett Carter, profesor nadzwyczajny, Uniwersytet RMIT
- Elizabeth A. MacDonald, fizyk kosmiczny, NASA
Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.
