Zorza: Słońce rozświetli nawet noc polarną

Neony wysoko w atmosferze

Zorze polarne to piękne świetlne widowiska rozgrywające się w atmosferze ziemskiej. Falujące kotary światła przemawiają do wyobraźni i mnóstwo z nas marzy o zobaczeniu ich choć raz w życiu. Czym jest to wyjątkowe zjawisko i dlaczego upodobało sobie rejony polarne zamiast tropikalnych plaż? Czy można je zobaczyć nad Bałtykiem?

Jakie są kolory zorzy, dlaczego przygasa i rozbłyskuje? Z definicji zorza jest światłem emitowanym przez plazmę wzbudzoną przepływem prądu. Ludzie znają ten efekt i wykorzystują go od ponad stu lat w lampach neonowych! Ale co to właściwie oznacza i jak to sobie wyobrazić, jeśli związek z fizyką zakończyło się w szkole średniej (i nie było to przyjacielskie rozstanie)?

Podmuchy Słońca

Historia zorzy rozpoczyna się na Słońcu. Słońce jest kulą plazmy- zjonizowanego gazu- gęstą i gorącą. Posiada pole magnetyczne, podobnie jak Ziemia, lecz bardziej skomplikowane i dynamiczne. Aktywność Słońca ulega zmianie, co 11 lat osiągając maksimum, by później osłabnąć. W okresie maksymalnej aktywności następuje przebiegunowanie Słońca, podczas którego północny i południowy biegun magnetyczny zamieniają się miejscami. Powierzchniowa warstwa Słońca, fotosfera, emituje światło, któremu zawdzięczamy powstanie życia na ziemi. Ale nie tylko światło jest emitowane ze Słońca: z jego korony wystrzeliwane są w przestrzeń kawałki plazmy tworzące wiatr słoneczny. Wybuchy te noszą nazwę koronalnych wyrzutów masy (ang. Coronal Mass Ejection, CME). Wiatr słoneczny podczas eksplozji składa się w większości z elektronów, protonów oraz towarzyszącego im wmrożonego pola magnetycznego, którego linie zachowują ten sam układ przestrzenny, który został im nadany na powierzchni Słońca. Pokonując przestrzeń kosmiczną wiatr słoneczny napotyka na swojej drodze rozmaite obiekty - jednym z nich może być Ziemia. Dotarcie do niej ze Słońca zajmuje światłu nieco ponad 8 minut, wiatr słoneczny może potrzebować nawet czterech dni.

Wirujące cząstki

Ziemia ma swoje własne pole magnetyczne, biorące swoje źródło z zewnętrznego jądra Ziemi: płynnej masy żelaza i niklu. Układa się w przestrzeni wokół globu tworząc magnetosferę, która osłania powierzchnię Ziemi wraz z atmosferą. Dzięki niej większość wiatru słonecznego skierowanego w stronę Ziemi opływa naszą planetę i leci dalej w przestrzeń kosmiczną. Czasem jednak, kiedy wiatr słoneczny niesie ze sobą pole wmrożone o liniach pola skierowanych przeciwnie do ziemskiego pola magnetycznego (mówimy wówczas o układzie antyrównoległym) pole wmrożone łączy się z ziemskim polem magnetycznym w procesie rekoneksji [1]. Wówczas cząsteczki niesione przez wiatr słoneczny wpadają do magnetosfery. Ponieważ jednak są to elektrony i protony – cząsteczki posiadające ładunek elektryczny - nie mogą się poruszać w dowolnym kierunku, a ich ruchami w polu magnetycznym rządzą ściśle określone reguły. Po pierwsze, mogą się poruszać tylko w kierunkach wskazanych przez linie pola magnetycznego, nie przecinając ich. Po drugie, nie poruszają się po linii prostej, lecz spiralnie. Dlatego gdy następuje rekoneksja, cząsteczki niesione przez wiatr słoneczny nie spadają wprost na powierzchnię Ziemi, lecz spływają, wirując wzdłuż linii pola magnetycznego, opływając Ziemię i gromadząc się po przeciwnej, „nocnej” stronie magnetosfery. Pod naporem wiatru słonecznego magnetosfera Ziemi deformuje się, spłaszczając od strony Słońca i rozciągając z drugiej w ogon magnetyczny. Wnikające podczas rekoneksji elektrony ze Słońca spływają do ogona magnetycznego. Jednak tak rozciągnięty kształt nie jest stabilny i ziemskie pole magnetyczne przeciwdziała tej deformacji, kurcząc się i częściowo powracając do bardziej symetrycznego kształtu. W konsekwencji elektrony z ogona magnetycznego zostają przyspieszone i raz jeszcze lecą przez przestrzeń w kierunku Ziemi, kierując się tam, dokąd prowadzą je linie pola magnetycznego - ku biegunom.

Atmosfera Ziemi składa się z warstw, z których najwyższa, jonosfera, cechuje się wysoką zawartością jonów O⁺ i N²⁺. Rozpędzone w magnetosferze elektrony wpadając w atmosferę zderzają się z jonami przekazując im energię. Ta energia sprawia, że jony są wzbudzane, a po pewnym czasie wracają do stanu podstawowego, emitując nadmiar energii w postaci światła. To właśnie to światło obserwujemy jako zorzę polarną. W zależności od tego, który wzbudzony jon emituje światło, otrzymujemy barwę czerwoną lub zieloną (O⁺) bądź magenta (N²⁺), czyli zbliżoną do purpury.

Nie tylko zachwyt

Zorza i jej intensywność są nierozerwalnie związane z siłą, z jaką wiatr słoneczny zakłóca ziemskie pole magnetyczne. Do opisu tej wielkości służy indeks K_P przyjmujący wartości między 0 a 9, gdzie 0 oznacza spokój magnetyczny, a 9 burzę magnetyczną. Trzydniowe prognozy indeksu K_P służą łowcom zórz do oceny, kiedy zostać w domu, a kiedy chwytać aparat fotograficzny i jechać na północ [2, 3]. Przy indeksie K_P wyższym od 6 można spoglądać w północne niebo nad Bałtykiem, K_P większe od 7 może oznaczać zorzę widoczną nawet na Mazurach. Danych do prognoz indeksu K_P dostarcza satelita DSCOVR, znajdujący się w punkcie równowagi grawitacyjnej pomiędzy Ziemią a Słońcem. Jednak prognozowanie zórz polarnych nie jest jedynym powodem, dla którego ludzkość prognozuje indeks K_P. Nie jest nawet najważniejszym. Zakłócenia pola magnetycznego Ziemi mają kluczowe znaczenie dla sieci energetycznych, systemu GPS, lotnictwa i tele- oraz radiokomunikacji [4].

1 września 1859 roku koronalny wyrzut masy na Słońcu spowodował awarię systemu telegraficznego, kilku telegrafistów zostało porażonych prądem, a niezwykle jasne zorze polarne były widoczne na całej Ziemi, również na Karaibach, w Meksyku, a także na południu Chin i Japonii [4]. W marcu 1989 roku, pod koniec Zimnej Wojny, burza magnetyczna spowodowała dziewięciogodzinną przerwę w dostawie prądu w kanadyjskiej prowincji Quebec, ponad 200 mniejszych awarii sieci w Stanach Zjednoczonych oraz powszechne niepokoje związane z wybuchem wojny nuklearnej z ZSRR. Zaobserwowano wówczas zorze polarne w niemal całych Stanach Zjednoczonych, włącznie z Teksasem i Florydą [5]. Obecnie burze magnetyczne jesteśmy w stanie wykrywać do 60 minut przed ich dotarciem do Ziemi. Wprowadzone są również różnego rodzaju zabezpieczenia sieci energetycznych.

Wiatr słoneczny nie dociera jednak tylko do Ziemi - zorze są widoczne również na innych planetach Układu Słonecznego. Na Jowiszu i Saturnie ultrafioletowe zorze zostały zaobserwowane w okolicach biegunów magnetycznych [6]. Nieco inaczej wyglądają sprawy na Marsie, którego stygnące jądro nie wykształca tak silnego pola magnetycznego. Tam na całej półkuli zwróconej w stronę Słońca obserwuje się ultrafioletowe zorze protonowe [7]. Temat zórz jest rozległy, ciekawy i pełen niespodzianek również dla badających je naukowców. Wszystkich zainteresowanych i gotowych na przygodę pełną napięcia i zwrotów akcji zachęcam do zgłębienia tematu - na przykład, zaczynając od lektury bibliografii niniejszego tekstu (dostępnej w języku angielskim).

Autorka: Anna Myśliwiec
Konsultacja merytoryczna tekstu: prof. Wojciech Miloch

Zdjęcie zorzy: Polska Stacja Polarna Hornsund

Dodatkowo zachęcamy do obejrzenia nagrania z webinarium o zorzy, prowadzonego przez autorkę artykułu: