Aurora borealis, zwana też po prostu zorzą polarną, czy światłami północy, od zawsze budzi zachwyt. Hipnotyzujące pokazy świetlne tańczące po nocnym niebie zainspirowały niezliczone legendy, mity i opowieści.
Co powoduje powstawanie tego zjawiska?
Zorza polarna to… czysta fizyka. Położenie Ziemi w Układzie Słonecznym jest dość wyjątkowe, gdyż specyfika naszej najbliższej gwiazdy, oraz najbliższej planety (Księżyca) powoduje wiele ciekawych i unikatowych zjawisk, które poniekąd są spektakularnymi estetycznymi zbiegami okoliczności. Mam tu na myśli zaćmienia Słońca. To zjawisko jest widoczne tylko na Ziemi. Wyjątkowość cech dotyczy tu Księżyca. Jego szerokość kątowa (czyli to „ile miejsca” zajmuje na niebie) oraz jego orbita wokół Ziemi (kształt) powodują że podczas zaćmienia przesłania całą lub prawie całą tarczę Słońca. Na żadnej innej planecie nie ma takiego „zbiegu okoliczności”, choć zdarzają się zaćmienia.
Ale wracając do zorzy. Tu znów relacja Słońca z Ziemią jest czynnikiem rozgrywającym te podniebne spektakle. Specyficznym z punktu widzenia powstawania tego zjawiska na Ziemi jest jej „warstwa ochronna” atmosfery – magnetosfera – pole magnetyczne Ziemi. Jego obecność i kształt chronią warunki do życia na Ziemi. Magnetosfera odgradza atmosferę od większości zabójczego dla życia promieniowania pochodzącego z przestrzeni kosmicznej.
Słońce – nasza najbliższa nam gwiazda, została sklasyfikowana jako typ G2 (wg diagramu Hertzsprunga‑Russella, opisującego rodzaje gwiazd), jest największym obiektem w Układzie Słonecznym i zawiera 99,9% masy Układu Słonecznego. Zatem Ziemia i reszta planet i „gruzu” międzyplanetarnego to zaledwie 0,1% masy Słońca.
Jego fotosfera (czyli to co widzimy z Ziemi) ma temperaturę 5000-6000K, co zalicza je do tzw. żółtych karłów, dla których charakterystyczną cechą jest reakcja termojądrowa w jądrze zamieniająca wodór (H) w hel (He). W wyniku tej reakcji poza powstawaniem helu, wydziela się też ogromna ilość energii, w postaci całego spektrum fal widzialnych, radiowych. Stąd widzimy je za dnia w postaci jasnej tarczy, możemy rejestrować za pomocą odbiornika radiowego, ale też odczuwamy w postaci ciepła, czy podczas opalania się.
Powierzchnia Słońca zachowuje się trochę jak wrząca woda, czyli jest nieregularna, co jakiś czas jakieś „bąble” gorętszej materii wydostają się na powierzchnię i i bryzgają w przestrzeń.
Obserwujemy to zazwyczaj w okolicach tzw. plam słonecznych.
Zorze nad Żegociną w 2023roku
Czym są plamy słoneczne?
Z uwagi na „wrzącą” powierzchnię Słońca, plamy to obszary o temperaturze niższej o ok… 1000K od otoczenia. Wiąże się to z tzw. cyklem aktywności słonecznej. Co ok 11 lat aktywność Słońca wzrasta, co możemy zaobserwować w postaci pojawiających się plam.
Takie „bryzgi” możemy obserwować jako protuberancje i tzw. koronalne wyrzuty masy (CME),w konsekwencji których obserwujemy tzw. wiatr słoneczny, towarzyszą im tzw. rozbłyski słoneczne, obserwowane w paśmie fal radiowych i promieni Roentgena.
Jako że rozbłyski i protuberancje są w obserwowane w spektrum fal widzialnych i radiowych, ich obraz (to co widzimy) porusza się z prędkością światła. Czyli to co obserwujemy na Ziemi patrząc na Słońce, to historia, która wydarzyła się ok. 8 minut temu. Koronalne wyrzut masy, jak sama nazwa wskazuje, są wyrzutami cząstek posiadających masę – silnie zjonizowanej materii, która przez przestrzeń porusza się już ze zdecydowanie mniejszą prędkością. Stąd mamy obserwowane opóźnienie pomiędzy zaobserwowaniem zjawiska wyrzutu masy i rozbłysku, a pojawieniem się zorzy. Zorza to efekt oddziaływania wiatru słonecznego na magnetosferę ziemską.
Oba zjawiska są ze sobą ściśle połączone. Wyrzucona ze Słońca wysoce zjonizowana materia przemierzając Układ Słoneczny trafia w końcu na ziemską magnetosferę. A że są to cząstki materii o ogromnych energiach i temperaturze, zaczynają oddziaływać na magnetosferę.
Im większa energia cząstek tym głębiej przebijają się przez magnetosferę, dając coraz to różne kolory. Z uwagi na to że grubość magnetosfery nad biegunami (magnetycznymi) jest najmniejsza, bo tam schodzą się wszystkie linie pola magnetycznego, to tam w pierwszej kolejności pojawiają się zorze polarne – polarne, czyli „biegunowe”.
Pojawia się zatem bezpośrednia zależność pomiędzy intensywnością zórz a wielkością wyrzutów i rozbłysków na Słońcu. Im większe rozbłyski i wyrzuty, tym dalej od biegunów można zaobserwować zorze, tym większa wartość tzw. współczynnika planetarnego kp i tym większa siła niszcząca takiego wiatru słonecznego. Naładowane cząstki przenikając do ziemskiej atmosfery indukują prąd elektryczny w każdym przewodniku elektrycznym, zaburzają poprawność odczytów nawigacji satelitarnej i łączności radiowej. Najbardziej narażone na indukcję są tzw. linie długie, czyli w uproszczeniu długie odcinki nie osłoniętych przewodników. W ekstremalnych przypadkach wyniku indukcji w takich liniach gwałtownie wzrasta napięcie, „przeciążając” systemy energetyczne – kończy się to zazwyczaj blackoutem.
https://en.wikipedia.org/wiki/March_1989_geomagnetic_storm
Mimo wielkich wyrzutów na Słońcu, mamy sporo szczęścia, gdyż nie zdarzyło się (póki co) by Ziemia trafiła bezpośrednio w główny nurt wiatru słonecznego. Dotychczas w okolice Ziemi docierały raczej resztki ”z boku” głównego nurtu wiatru. Szacuje się że w przypadku gdyby Ziemia znalazła się na drodze głównego nurtu po wybuchu klasy X15 lub wyższej, mogło by się to skończyć całkowitym blackoutem, lub nawet zagrożeniem dla istnienia życia.
Ale wracając do zorzy…
To co obserwujemy na niebie w postaci pięknych kolorowych kurtyn, słupów i drgających zasłon, to efekt wzbudzania elektronów (przepuszczenia przez gaz prądów elektrycznych o ogromnej wartości natężenia i napięcia) w ziemskiej atmosferze, przez zjonizowaną materię ze Słońca.
Udało się określić ścisłe powiązanie wysokości na której następuje jonizacja, koloru i pierwiastka.
I tak kolory:
- zielone – wzbudzenie atomów tlenu na wysokości ok 500km nad powierzchnią Ziemi
- czerwone – wzbudzenie atomów tlenu na wysokości ok 250km
- niebieski – wzbudzenie atomów azotu na wysokości ok 120km
- purpurowy/fioletowy- wzbudzenie atomów azotu na wysokości poniżej 120km
Zorze nie są statyczne. „Tańczą” i mienią się w wyniku interakcji sił magnetycznych i elektrycznych w ciągle zmieniających się kombinacjach.
To taki „balet”, ale zamiast tancerzy są prądy atmosferyczne płynące z oszałamiającym natężeniem 20 000 000A przy 50 000V. Dla porównania: wyłączniki automatyczne w domu zadziałałyby, gdyby przepływ prądu przekroczył zaledwie 15–30A przy napięciu 230V!
Kilka słów o samym piątkowym zjawisku.
W nocy z piątku na sobotę (10/11 maja 2024r) byliśmy w Żegocinie świadkami efektów burzy geomagnetycznej wywołanej rozbłyskami klasy X, a właściwie serią rozbłysków koronalnymi wyrzutami masy.
Wcześniej zorze można było zaobserwować w Żegocinie w marcu 2023 jednak zdecydowanie mniej spektakularne. Ostatni raz tak intensywne zjawisko można było obserwować w roku 2003 podczas burzy słonecznej nazwanej Halloween Storm.
Wchodzimy obecnie w okres maksimum 11 letniego cyklu słonecznego.
Stopień aktywności magnetycznej Słońca (DST – Disturbance Storm-Time Indices) dla burzy z piątku wyniósł „-412”. Dotychczas mierzone wartości były zazwyczaj z zakresu -50 do -100.
Stąd możemy spodziewać się zjawisk na unikatową skalę.
Zaobserwowane w piątek zorze wiążą się z Kp o wartości 9 i wystąpieniu burzy geomagnetycznej kategorii G5 (czyli ekstremalnie silnej), co jest również zjawiskiem niezwykle rzadkim.
Nie jest to jednak koniec spektaklu. Gdy w nocy obserwowaliśmy zorze, Słońce ponownie wygenerowało bardzo silny rozbłysk klasy X5.89, który przy sprzyjających warunkach może przynieść nam w najbliższych dniach kolejne nie mniej spektakularne zorze.
Tak było w piątek 10 maja 2024r.
Zostaje tylko czekać na to co Słońce nam przyniesie i na nie gorszą od piątkowej pogodę.
