Zjawisko zorzy polarnej

fatcat.ftj.agh.edu.pl/~banas/

Zorza polarna jest przepięknym widowiskiem przyrodniczym wywoływanym specyficznymi warunkami świetlnymi. Energia świetlna ulega pulsacji zmieniając kolory i natężenie. Kształtem przypomina firanki, draperie, korony, wstęgi i świetliste smugi. Czasami może również przyjmować postać długiej, pofalowanej wstęgi lub kurtyny albo rozmytej, bezkształtnej, ale pięknie świecącej masy. Obraz ten jest dynamiczny więc cały czas ulega zmianie. Najczęściej tworzy ona jednak promienie, łuki lub płomienie i odznacza się zadziwiającym, nieziemskim blaskiem. Nie jest to jednak poświata jakiegoś płomienia, ale energia świetlna wytworzona wskutek wyładowań elektrycznych. Obecnie mechanizm powstawania zorzy jest już dobrze i szczegółowo wyjaśniony, jednakże przez kilkaset lat pozostawał on prawdziwą naukową zagadką.

Zorza polarna zawsze tworzy się na określonych szerokościach geograficznych w górnych partiach atmosfery. Jest to jedna z cech odróżniających ją od tęczy, która pojawia się w różnych miejscach i jest to uzależnione od pozycji obserwatora. Zjawisko zorzy polarnej tworzy się zarówno na półkuli północnej jak i na południowej, w dwóch pasach ciągnących się wokół obydwu biegunów, nazywanych strefami zorzowymi (20-250 od bieguna magnetycznego). Najczęściej ciągną się one z zachodu w kierunku wschodnim. Ciekawą rzeczą jest fakt, że odznaczają się one kierunkiem prostopadłym do kierunku północnego wskazywanego przez kompas. Każe to wysuwać wnioski, że mają one związek z polem magnetycznym naszej planety. Niebo w pobliżu Arktyki, zwłaszcza na północy Kanady, Norwegii i na wyspie Spitzbergen, jest znakomitym tłem dla niezwykłych widowisk świetlnych. Jest ono czystsze i posiada ciemniejsza barwę od nieba europejskiego, które rozświetlają i zanieczyszczają duże aglomeracje miejskie i przemysłowe. Zorze polarne na półkuli północnej najlepiej można zaobserwować w lutym, gdyż wówczas w północnej strefie polarnej przez dłuższy czas i nieprzerwanie zalegają wyże baryczne. W tym czasie zjawisko to tworzy się prawie w każdą noc, jeśli tylko niebo jest czyste. Czasami jednak światło Księżyca sprawia, że nie są one za bardzo widoczne. Światło rzucane przez zorzę polarną jest tak silne, że można przy nim czytać, a pamiętajmy, że jest to przecież środek nocy. Jeśli widzimy ją prawie nad głową, to przyglądając się jej dolnej krawędzi odnosimy wrażenie, że jest ona bardzo cienka i że znajduje się niezwykle wysoko. Zorze tworzą się na różnych wysokościach. Najwyższe z nich powstają nawet na 650-800 km natomiast najniższy pułap ich występowania to 30-50 km. Zorze występujące najwyżej tworzą się w tych partiach atmosfery, które oświetlają promienie słoneczne, jeśli nawet są one dla nas niewidoczne, bo Słońce zeszło już pod widnokrąg. Krzywizna Ziemi sprawia, że zorze tworzące się tuż nad widnokręgiem sprawiają wrażenie niskich. Jest to jednak mylne złudzenie, gdyż w rzeczywistości powstają one na znacznych wysokościach, ale również w znacznym oddaleniu sięgającym setek kilometrów.

Zorze powstają według pewnego scenariusza i choć czasami może to przypominać przypadkowe pojawianie się niezwykłych i lekko zabarwionych kształtów, to w rzeczywistości posiadają one uporządkowaną i ściśle określoną kolejność. Ten przepiękny spektakl zorzy, który należy wiązać z burzami magnetycznymi, ma pięć charakterystycznych etapów. Zorza pojawia się najczęściej wtedy, kiedy tuż po zachodzie Słońca na północnym krańcu nieba pojawia zielony łuk światła, noszący nazwę "cichego łuku". Ma on postać pionowych warstw oraz świetlnych kurtyn, których grubość może sięgać kilkuset metrów. Ich kierunek jest zgodny z liniami wyznaczającymi jednakową szerokość geomagnetyczną. Ich długość może sięgać setki a nawet tysiące kilometrów. Łuki te utrzymują się na niebie około godziny i zanikają wraz z zanikaniem zaburzeń magnetycznych. Czasami zdarza się jednak, że łuki te nie ulęgają zanikowi, a ich intensywność zaczyna stopniowo wzrastać. Jest to tak zwane stadium wzmożonej aktywności. Wówczas dolna krawędź łuku przyjmuje bardziej ostre kształty i szybko staję się jaśniejsza. Przybiera ona jednocześnie kolor błękitny i przemieszcza się w kierunku południowym. Jednocześnie łuk staje się równoległymi promieniami lub wiązkami promieni, które rozciągają się do góry w stronę zenitu. Najczęściej przemieszczają się one w kierunku zachodnim, równolegle do linii łuku. Kiedy zorza sieje się jeszcze bardziej intensywna oznacza to, że przechodzi do trzeciego stadium. Nazywane jest ono koroną zorzy polarnej i jest to najpiękniejszy i najbardziej widowiskowy, choć krótkotrwały etap jej tworzenia się. Pojawia się ona wtedy prawie nad obserwatorem i przyjmuje postać okrągłych, przypominających koronę kształtów, które tworzą promienie i pasma zbiegające się w jednym punkcie. Korony te czasami się łączą i tworzą na niebie łuki lub obrazy przypominające świetlne flagi. Zdarza się, że ulegają one gwałtownej pulsacji wysyłając jednocześnie tysiące promieni świetlnych będących imitacją deszczowych strug lub spadających strzał. Następnie korona znika a zorza staje niezwykle aktywna, co na obszarze Wysp Szetlandzkich, położonych w kierunku północnym od wybrzeży Szkocji, nazywa się "Mewy Dancers", co można przetłumaczyć jako "Weseli tancerze". Te stadium budują wstęgi lub pasy świetlne, które w formie pulsacji raz się pojawiają a raz zanikają. Czasami mają miejsce jeszcze rozbłyski przyjmujące płomienie, które przez wielu uważane jest za najciekawsze zjawisko zorzy.

Związek zorzy polarnej i pola magnetycznego Ziemi nie jest do końca wyjaśniony, choć na pewno jest związany z jej powstawaniem. Zjawiskiem tym interesował się już Arystoteles, który uważał, że zorza powstaje, bo powietrze staje się płynnym ogniem. Dzisiaj już wiemy, że prawdziwą przyczyną powstawania zorzy polarnej są cząsteczki, które emituje Słońce. Posiadają one olbrzymią prędkość, co umożliwia im przenikanie w wyższe partie atmosfery ziemskiej, aż do powłoki zwanej jonosferą. Te szybko poruszające się cząsteczki uderzają w drobiny tlenu i azotu powodując wydzielanie przez nich światła, co nazywane jest luminescencją i jest bezpośrednim powodem powstawania zorzy polarnej. Różne jej kształty są związane z różnymi rodzajami cząsteczek, które je tworzą.

Jasne zorze zajmują całe niebo i posiadają wszystkie stadia ewolucji. Związane są z aktywnymi obszarami na Słońcu i występującymi tam rozbłyskami słonecznymi. Ich natężenie można zatem powiązać z cyklem aktywnych plam pojawiających się na Słońcu. Najczęstsze i najpiękniejsze zjawiska zorzy polarnej można zaobserwować po dwóch lub trzech latach po zakończeniu okresu największej aktywności plam na Słońcu. Zjawisko zórz polarnych nie zostało jeszcze całkowicie wyjaśnione. Nadal zagadką pozostają liczne zmiany zabarwienia i kształtów a także wyszukane struktury tego niezwykłego zjawiska. Również niewyjaśnioną kwestę stanowi zadziwiające zjawisko występowania zorzy polarnej pomiędzy obserwatorem a odległym łańcuchem górskim. Innym niewyjaśnionym zjawiskiem jest występowanie krótkotrwałych pól elektrycznych w wysokich partiach atmosfery indukujących prądy na Ziemi. Zaburzeniu ulega praca dalekopisów i telefonów, które korzystają z długich linii komunikacyjnych. Zakłócają one również sygnały nadawane przez nadajniki stosowane do odkrywania zasobów ropy naftowej oraz innych minerałów. Prądy te są tak silne, że mogą włączyć systemy awaryjne, zatrzymujące dopływ prądu. Taka pseudoawaria miała miejsce w 1968 roku w kanadyjskim mieście Quebek

Praktyczne znaczenie zorzy zauważono w latach 20-tych XX w., kiedy to pierwszy raz użyto odbicia fali radiowej od warstwy jonosfery zwiększając tym zasięg komunikacji radiowej. Część sygnałów radiowych jest niekorzystnie odbijana przez zjawisko zorzy a część po prostu pochłaniana. Dzisiaj jednaka to już ma mniejsze znaczenie, gdyż transmisja sygnałów radiowych odbywa się z wysoko krążących obiektów satelitarnych. Mają one kierunek prostopadły do jonosfery i w mniejszym stopniu są narażone na zaburzenia.

Zorza polarna w kolorze czerwonym

fatcat.ftj.agh.edu.pl/~banas/

Teoria o cząsteczkach, które opuszczają Słońce i płyną w kierunku atmosfery ziemskiej jest logiczna i wiarygodna. Niewyjaśniony jest natomiast powód i sposób docierania ich tylko na pewne określone szerokości geograficzne Tłumaczy to podobno teoretyczny "model równowagowy". Magnetosfera (element pola magnetycznego Ziemi rozciągający się w kosmosie) ma działanie podobne do gigantycznego oscyloskopu, który ze słonecznych cząsteczek formuje promienie przesyłane w kierunku obszarów okołobiegunowych. Magnetosferę, zniekształconą z powodu wiatru słonecznego, tworzą elektrycznie naładowane cząsteczki atomowe - elektrony, protony i jony - zwane również plazmą. Większość cząstek odchyla się od zewnętrznych granic magnetosfery. Dostają się one do jej wnętrza poprzez, występujące po słonecznej stronie, pasy Van Allena, a konkretnie przez ich liczne szczeliny. Fragmenty plazmy zostają uwięzione w powłoce magnetosfery powodując jej odkształcenie a czasami nawet załamanie się jej linii. Następuje wówczas wrzucenie słonecznych protonów i elektronów w jonosferę, która znajduje się ok. 100 km nad ziemską powierzchnią. Kierują się one w górne warstwy atmosfery, powodując powstawanie północnych i południowych zórz polarnych. "Cichy łuk" wskazuje najprawdopodobniej miejsce przenikania słonecznych elektronów do ziemskiej atmosfery zgodnie z kierunkiem działania sił pola magnetycznego Ziemi. Reakcje w jakie wchodzą protony i cząsteczki atmosfery są przyczyną powstania zorzy polarnych. W okresie "dziennym", podczas nocy polarnych, zjawisko zorzy przyjmuje czerwoną barwę.