Jak vzniká polární záře?

středa 30. prosinec 2009 02:21

Polární záře se projevuje rozsáhlými barevnými pruhy, zvolna vlajícími nad obzorem ve vysokých zeměpisných šířkách. Jižní záře se označuje jako „aurora australis“, severní záře jako „aurora borealis“, ale v zásadě jde o tentýž jev. U nás je lze pozorovat jen vzácně, k čemuž přispívá osvětlení noční oblohy rozptýleným světlem pouličních lamp, tzv. světelný smog. Ale nedávné maximum sluneční aktivity je umožnilo pozorovat i u nás (srovn. pozorování Petra Pazoura z října roku 2003 a listopadu 2005).

Vznik polární záře by se dal popsat následovně: Na Slunci vznikají vlivem nepravidelností v magnetickém poli sluneční skvrny, které stoupají k povrchu a u povrchu Slunce praskají jako bubliny v kapalině. Při jejich zániku část sluneční plasmy vyšplíchne do prostoru a vznikne sluneční erupce, čili protuberance. Vzniklý mrak částic slunečního větru je tvořen kladně nabitými protony (jádry atomu vodíku) a alfa částicemi (jádry atomu helia), která letí vesmírem rychlostí řádově 0,1% rychlosti světla (až 500 km/sec) a během několika dní dorazí k Zemi. Pokud se na své cestě setká s magnetickým polem Země, tak jej část zachytí a stáčí po spirálách směrem k magnetickým pólům Země. Tam sluneční vítr interaguje s atmosférou, odtrhává elektrony z molekuly kyslíku a dusíku za vzniku kladně nabitých atomů, čili iontů. Odtržené elektrony se díky přitažlivé síle protonů v jádře atomu vracejí zpět, prudce přitom brzdí a tím vyzařují elektromagentické vlny světla, které vidíme jako polární záři.

Kliknutím na obrázek přehrajte animaci v lepším rozlišení

Ačkoliv je dusík nejvýznamnější složkou atomosféry, jeho ionizace se projevuje jen nevýraznou fialovomodrou barvou, kterou můžeme vidět v jiskrách a blesku. Příčinou je, že atomy dusíku jsou velmi stabilní (je to inertní plyn) a většina energie se vyzařuje v okem neviditelné, krátkovlnné oblasti. Zelená barva je v polárních zářích nejčastější a je způsobena spektrální čárou atomárního kyslíku o vlnové délce 557,7 nm. Světlo této vlnové délky vzniká přeskokem valenčního elektronu kyslíku z druhé na první energetickou hladinu. Lidské oko má maximum své citlivosti na 555 nm, tedy téměř přesně ve zmíněné spektrální čáře. V reálu je však polární záře mnohem méně barevnější i sytější, než ji můžete vidět na ukázkách, protože lidské oko neni ve tmě tak citlivé, jako fotoaparát či kamera s dlouhou expozicí. Přepíná se na noční, tzv. skotopické vidění, při kterém se uplatňují tyčinkové buňky v sítnici, které jsou méně citlivé na barvy, Proto se polární záře v našich zeměpisných šířkách obyčejně projevují jen jako nezřetelný šedavý závoj nízko nad obzorem, který snadno zaniká ve světelném smogu.

A pročpak polární záře nezasahuje až k zemskému povrchu? Příčinou je, že ionizované atomy mají různý tvar. Ty protáhlé připomínají malé anténky, a vyzařují svou energii snadněji. Střední doba, po kterou zůstává atom kyslíku v excitovaném stavu na první energetické hladině je asi 0,7 sefkundy. To je příčinou toho, že zelená záře vzniká teprve ve výšce asi 90–150 km nad zemským povrchem. Dole je již atmosféra příliš hustá a ionizované atomy nesvítí, protože s vysokou pravděpodobností ztrácejí energii srážkou s jiným atomem dříve, než by ji stačily vyzářit. 

Kromě zelené se v polární záři občas objevuje i červená barva. I za tuto sytě červenou záři je převážně odpovědný atomární kyslík, přesněji jeho spektrální čára 630 nm. Světlo této vlnové délky vzniká přeskokem valenčního elektronu kyslíku z první hladiny do základního stavu poblíž centra atomu. Ionizovaný atom se v tomto případě už velmi blíží ideální kouli a střední doba, po kterou zůstává atom kyslíku v excitovaném stavu, je zde hodně dlouhá, asi 110 sekund. Za tak dlouhou dobu se atom kyslíku s vysokou pravděpodobností nesrazí s dalšími atomy jen tehdy, jestliže je plyn extrémně řídký - tedy ve vysoké nadmořské výšce. Červená záře se proto vyskytuje ještě výše než záře zelená, a to ve výškách 150–400 km nad zemským povrchem. A protože je lidské oko i fotoaparát na červené světlo mnohem méně citlivé, než na zelené, daří se červenou polární záři zaznamenat jen v opravdu příznivých podmínkách.

Snímky polární záře nad Kanadou (aurora borealis) a Antarktidou (aurora australis) z vesmíru na obrázcích níže znázorňují, do jaké výšky (až 1000 km) zasahuje neviditelná ionosféra, vnější část zemské atmosféry. Ionty jsou atomy, který byly nárazy částic slunečního větru zbaveny části svých elektronovejch obalů. Mají tudíž kladný náboj a navzájem se odstrkují a vzdorují tak stlačení zemskou gravitaci. Jsou proto rozmístěny v mnohem řidším stavu (plasmě), než molekuly vzduchu v nejvyšších vrstvách atmosféry. Díky obsahu nabitých iontů je ionosféra poměrně dobře vodivá pro rádiový vlny a odráží je při dopadu zevnitř jako obrovské zakřivené zrcadlo. Díky tomu můžou dlouhovlnné elektromagnetické vlny obíhat kolem povrchu Země a být potom zachyceny rádiovými přijímači z velké vzdálenosti, třebas na opačné straně zeměkoule. Toho využívají radioamatéři na celém světě, kteří mají přidělena pásma dlouhých rádiových vln pro svá vysílání. Během dne se ionosféra zvedá, protože ji nabíjejí částice slunečního větru, který se v ní zachycují. Večer se zase ionosféra vybíjí a postupně klesá. Proto se při ranním a večerním poslechu AV rádia přijímací podmínky periodicky mění díky interferencím, což se projevuje známým přerývaným signálu vzdálených stanic na dlouhých a středně krátkých vlnách (jako bylo kdysi rádio Svobodná Evropa). Pokud takové vysílání zachytíte, můžete si být jisti, že ve skutečnosti přijímáte odraz rádiových vln od ionosféry.

 Polární záře nad Kanadou. Prstencovitý útvar je impaktní kráter Manicouagan v Quebecu

Při pohledu na polární záři směrem k jižnímu pólu je zřetelně vidět, že je prstencovitě rozložena kolem polárního kruhu v místech, kde magnetické siločáry vnikají pod povrch Země a ochranný štít geomagnetického pole je v těchto místech nejslabší. Podobný prstenec polárních září se vyskytuje i na jiných planetách (např. Saturnu či Uranu) - zde však mají jinou barvu vzhledem k odlišnému složení atmosféry. Pokud dojde k výměně magnetického pólu Země, o které jsem psal v jednom z minulých příspěvků, stala by se polární záře běžným jevem i v rovníkových oblastech.

Snímek Anarktidy z vesmíru ilustruje prstencovitý tvar polární záře

Šum, který si můžete kliknutím na odkaz přehrát představuje nebeskou "hudbu sfér", čili šum, který vydávají plasmové vlny šířící se podél magnetického pole Země. Po svém vzniku vlnění reaguje s pohybujícími se elektrony, narušuje jejich spirální dráhy a způsobuje jejich urychlení na relativistické rychlosti ve vnějším van Allenově radiačním pásu, který obsahující zářící nabité částice (elektrony, protony a ionty O+, He+ s energií 1 keV do 100 MeV) zachycené magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 4 poloměrů od Země. Tyto relativistické elektrony mohou poškodit panely slunečních baterií a elektronická zařízení družic a jsou nebezpečné i pro lidskou posádku na oběžné dráze. Proto se jim také říká „zabijácké“ elektrony. 

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

Související články


KarlajnHmm...Jde to10:0630.9.2014 10:06:07
Domíkcool - bomba !!!17:132.2.2011 17:13:42
PetrDost hruza01:407.6.2010 1:40:10
AnnaVynikající.17:2230.12.2009 17:22:42

Počet příspěvků: 4, poslední 30.9.2014 10:06:07 Zobrazuji posledních 4 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik