Lśniące zielone, czerwone i fioletowe zasłony zorzy polarnej i południowej mogą być najbardziej znanym zjawiskiem rozświetlającym nocne niebo, ale najbardziej tajemnicze są fioletowe i białe smugi zwane Stevem oraz ich częsty towarzysz, świecący zielony „płot”. Claire Gasque, absolwentka fizyki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley twierdzi, że „Steve” i „płot” tylko udają zorzę polarną.
Po raz pierwszy rozpoznany w 2018 r. jako odrębny od zorzy polarnej, Steve – żartobliwe nawiązanie do imienia, które w filmie dla dzieci z 2006 r. nadano przerażającemu żywopłotowi – i powiązany z nim płot uznano za spowodowane tymi samymi procesami fizycznymi. Jednak naukowcy wciąż zastanawiali się, w jaki sposób te emisje powstają.
Nowe wyjaśnienie dla Steve’a
Claire Gasque, absolwentka fizyki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, zaproponowała fizyczne wyjaśnienie tych zjawisk, które jest całkowicie odmienne od procesów odpowiedzialnych za dobrze znane zorze polarne. Claire połączyła siły z badaczami z Laboratorium Nauk Kosmicznych (SSL), aby zaproponować NASA wystrzelenie rakiety w rejon zorzy polarnej, aby sprawdzić, czy ma rację.
Zorze polarne i świecące zjawiska, takie jak Steve i płot, pojawiają się częściej, gdy Słońce wchodzi w aktywny okres swojego 11-letniego cyklu, a listopad był dobrym miesiącem na obserwacje Steve'a na północnych szerokościach geograficznych. Ponieważ wszystkie te przejściowe zjawiska świetlne są wywoływane przez burze słoneczne i koronalne wyrzuty masy ze Słońca, zbliżające się maksimum słoneczne to idealny czas na badanie rzadkich zjawisk, takich jak Steve i płot
Zrozumienie zjawiska płotu
Gasque obliczyła, że w obszarze górnej atmosfery, położonym dalej na południe niż ten, w którym tworzą się zorze polarne, pola elektryczne równoległe do ziemskiego pola magnetycznego mogą wytworzyć widmo kolorów płotu. Jeśli to prawda, ten niezwykły proces ma wpływ na sposób, w jaki fizycy rozumieją przepływ energii między ziemską magnetosferą, która otacza Ziemię i chroni ją przed wiatrem słonecznym, a jonosferą na skraju kosmosu.
Naprawdę interesującą rzeczą w artykule Claire jest to, że od kilku lat wiemy, że widmo Steve'a mówi nam, że zachodzi w nim bardzo egzotyczna fizyka. Po prostu nie wiedzieliśmy, co to było – mówi Brian Harding, współautor artykułu. Artykuł Claire pokazał, że równoległe pola elektryczne są w stanie wyjaśnić to egzotyczne widmo.
Artykuł był pobocznym projektem rozprawy doktorskiej Gasque, która koncentruje się na związku między wydarzeniami takimi jak wulkany na powierzchni Ziemi a zjawiskami w jonosferze 100 kilometrów lub więcej nad naszymi głowami.
Zorza polarna w Ny-Ålesund na Svalbardzie, 6 grudnia 2018 r. Źródło: NASA Scientific Visualization Studio
Fizyka Steve'a i płotu
Zorze polarne powstają, gdy wiatr słoneczny wzbudza cząsteczki w ziemskiej magnetosferze, często na wysokościach przekraczających 1000 kilometrów nad powierzchnią. Te naładowane energią cząstki wirują wokół linii pola magnetycznego Ziemi w kierunku biegunów, gdzie zderzają się i wzbudzają cząsteczki tlenu i azotu w górnych warstwach atmosfery. Kiedy te cząsteczki się deekscytują, tlen emituje określone częstotliwości zielonego i czerwonego światła, podczas gdy azot generuje odrobinę czerwonej, ale przede wszystkim niebieskiej linii emisyjnej. Powstałe w ten sposób kolorowe, połyskujące zasłony mogą rozciągać się na tysiące kilometrów na północnych i południowych szerokościach geograficznych.
Steve jednak nie wyświetla pojedynczych linii emisyjnych, ale szeroki zakres częstotliwości skupiony wokół fioletu lub fioletu. W przeciwieństwie do zórz polarnych ani Steve, ani płot nie emitują niebieskiego światła, które powstaje, gdy najbardziej energetyczne cząstki uderzają i jonizują azot. Steve i płot występują również na niższych szerokościach geograficznych niż zorza polarna, potencjalnie nawet tak daleko na południe, jak równik.
Niektórzy badacze sugerowali, że Steve jest spowodowany przepływem jonów w górnych warstwach atmosfery, określanym jako podauroralny dryf jonów (SAID), chociaż nie ma dobrze przyjętego fizycznego wyjaśnienia, w jaki sposób SAID może generować kolorowe emisje.
Zainteresowanie Gasque zostało wzbudzone sugestiami, że emisje płotu mogą być generowane przez pola elektryczne znajdujące się na małych wysokościach, równoległe do pola magnetycznego Ziemi, co uważa się za niemożliwą sytuację, ponieważ każde pole elektryczne zgodne z polem magnetycznym powinno szybko ulec zwarciu i zaniknąć.
Korzystając ze wspólnego modelu fizycznego jonosfery, Gasque wykazała, że umiarkowane równoległe pole elektryczne – około 100 miliwoltów na metr – na wysokości około 110 km może przyspieszyć elektrony do energii, która wzbudzi tlen i azot oraz wygeneruje widmo światła obserwowane z płotu. Niezwykłe warunki panujące w tym obszarze, takie jak mniejsza gęstość naładowanej plazmy i duża liczba neutralnych atomów tlenu i azotu, mogą potencjalnie działać jako izolacja zapobiegająca zwarciom pola elektrycznego.
Jeśli spojrzysz na spektrum płotu, jest on znacznie bardziej zielony, niż można by się spodziewać. I nie ma w nim błękitu, który pojawia się w wyniku jonizacji azotu – mówi Gasque. To nam mówi, że istnieje tylko określony zakres energii elektronów, który może wytworzyć te kolory i nie mogą one przedostać się z kosmosu do atmosfery, ponieważ cząstki te mają za dużo energii. Zamiast tego, światło z płotu jest tworzone przez cząstki, które muszą być zasilane energią znajdującą się w lokalnej przestrzeni przez równoległe pole elektryczne, co stanowi zupełnie inny mechanizm niż mechanizm któregokolwiek z zorzy polarnej, którą badaliśmy lub znaliśmy wcześniej.
Gasque i Harding podejrzewają, że sam Steve może powstać w wyniku powiązanych procesów. Ich obliczenia przewidują również rodzaj emisji ultrafioletu, jaką wytworzy ten proces, co można sprawdzić, aby zweryfikować nową hipotezę dotyczącą płotu.
Chociaż obliczenia Gasque nie modelują procesu włączania i wyłączania, który sprawia, że zjawisko to wygląda jak płot, prawdopodobnie wynika to z falowych zmian w polu elektrycznym. Ponadto, chociaż cząstki przyspieszane przez pole elektryczne prawdopodobnie nie pochodzą ze Słońca, zaburzenia w atmosferze spowodowane przez burze słoneczne prawdopodobnie wyzwalają Steve'a i płotek, podobnie jak ma to miejsce w przypadku zorzy polarnej.
Czym jest zorza i w jaki sposób powstaje? Źródło: NASA
Wzmocnione zorze polarne świecą jak płot
Harding powiedział, że następnym krokiem będzie wystrzelenie rakiety z Alaski, która przeleci przez te zjawiska i zmierzy siłę i kierunek pól elektrycznych i magnetycznych. Naukowcy z Laboratorium Nauk Kosmicznych (SSL) specjalizują się w projektowaniu i budowaniu instrumentów, które wykonują takie pomiary. Wiele z tych instrumentów znajduje się na statkach kosmicznych krążących obecnie wokół Ziemi i Słońca.
Pierwszym celem ma być tak zwana wzmocniona zorza polarna, czyli zwykła zorza polarna z osadzonymi w niej emisjami przypominającymi płot.
Wzmocniona zorza polarna to w zasadzie jasna warstwa osadzona w normalnej zorzy polarnej. Kolory są podobne do płotu, ponieważ nie ma w nich tak dużo błękitu, a jest więcej zieleni z tlenu i czerwieni z azotu. Hipoteza jest taka, że powstają one również przez równoległe pola elektryczne, ale są one znacznie częstsze niż płot – mówi Gasque.
Plan zakłada nie tylko przelot rakiety przez tę ulepszoną warstwę, aby po raz pierwszy faktycznie zmierzyć równoległe pola elektryczne, ale także wysłanie drugiej rakiety, aby zmierzyć cząstki na większych wysokościach. Naukowcy mają nadzieję, że rakieta przeleci bezpośrednio przez Steve'a i płot.
Harding, Gasque i współpracownicy zaproponowali NASA jesienią tego roku właśnie taką kampanię rakietową i spodziewają się informacji zwrotnej na temat jej wyboru w pierwszej połowie 2024 r. Gasque i Harding uważają ten eksperyment za ważny krok w zrozumieniu chemii i fizyki górnych warstw atmosfery, jonosfery i magnetosfery Ziemi.
Można śmiało powiedzieć, że w przyszłości będzie wiele badań nad tym, w jaki sposób te pola elektryczne się tam dostały, z jakimi falami są lub nie są powiązane i co to oznacza dla większego transferu energii między atmosferą ziemską a przestrzenią kosmiczną – mówi Harding. Naprawdę nie wiemy. Artykuł Claire jest pierwszym krokiem w łańcuchu tego zrozumienia.
Odniesienie:
- Publikacja „Nie jest łatwo być zielonym: modelowanie kinetyczne widma emisji obserwowanego w płocie STEVE’a”: „It's Not Easy Being Green: Kinetic Modeling of the Emission Spectrum Observed in STEVE's Picket Fence”, autorzy: L. Claire Gasque i in., Geophysical Research Letters (2023). DOI: 10.1029/2023GL106073
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Normalna zorza polarna (po lewej) składa się ze świecących zasłon w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim. Wzmocniona zorza polarna (po prawej) zawiera cienką, jaśniejszą warstwę, która wykazuje znacznie więcej zieleni, prawdopodobnie spowodowaną tym samym procesem fizycznym, który stworzył Steve'a i płot. Ponieważ wzmocnione zorze są częstsze, badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley planują je zbadać w pierwszej kolejności, aby określić, jakie warunki w górnych warstwach atmosfery powodują te zjawiska. Źródło: Vincent Ledvina, theauroraguy.com
