Zorze polarne w Polsce?
Romantyczne i fascynujące
Gdyby stworzyć ranking najefektowniejszych zjawisk, które można obserwować na niebie, z całą pewnością wysoko w tej klasyfikacji znalazłyby się zorze polarne.
Autor: Michał Raińczuk
Data Publikacji: 9 sierpnia 2021
Mieszkańcy obszarów podbiegunowych stają się często świadkami oszałamiających widowisk, w których znaczna część nieba mieni się różnymi kolorami. Świecące struktury zmieniają się w oczach, tworząc malownicze łuki, kurtyny, draperie, słupy, kolumny, itp. Przy odrobinie fantazji można dopatrywać się w nich zarysów postaci i kształtów, z którymi mamy do czynienia w otaczającym nas świecie.
Nic więc dziwnego, że zorze polarne są nieodłącznym elementem wierzeń i zwyczajów Eskimosów, Indian, Lapończyków i innych ludów żyjących na dużych szerokościach geograficznych. Dla przykładu, Innuici z Alaski wierzą, że „cienie” podczas ekspozycji zorzy to krewni i przyjaciele, którzy odeszli do nieba i maszerują lub tańczą, aby przypomnieć żyjącym o swojej obecności.
Jeśli spojrzeć na zjawisko zorzy „szkiełkiem i okiem mędrca”, to powstaje obraz może mniej romantyczny, ale równie fascynujący. Od połowy XIX wieku znany był już związek pomiędzy występowaniem zórz a zaburzeniami ziemskiego pola magnetycznego. Zidentyfikowany został również sprawca – okazało się nim Słońce, a ściślej mówiąc, pewne fragmenty jego powierzchni, bo zauważono związek pomiędzy intensywnością występowania zórz a okresem rotacji naszej gwiazdy.
Trzeba było kolejnych stu lat, aby ten obraz uściślić. Detektory cząstek umieszczone na pokładach sond kosmicznych uświadomiły nam, że otoczenie kosmiczne Ziemi zanurzone jest w strumieniu cząstek, głównie protonów i elektronów, który nieustannie wypływa z zewnętrznej warstwy atmosfery Słońca zwanej koroną. Wspomniany strumień cząstek nazwano wiatrem słonecznym, bo robi on to samo z warkoczami komet, co zwykły wiatr z chorągwiami na masztach. Ważną cechą wiatru słonecznego jest jego zmienność i fakt, iż niesie on z sobą pole magnetyczne. W krótkim czasie koncentracja protonów docierających w okolice Ziemi może wzrosnąć od kilku do kilkudziesięciu sztuk w jednym centymetrze sześciennym, a ich prędkość od 300 do 900 km/s. W zależności od rejestrowanych wartości mówimy o wolnej i szybkiej składowej wiatru słonecznego. Bez ciągłego monitorowania parametrów wiatru słonecznego trudno sobie dzisiaj wyobrazić zadowalającą prognozę pogody kosmicznej.
Obserwacje satelitarne Słońca wyjaśniły przyczynę zmienności wiatru słonecznego. Korona słoneczna jest tworem bardzo zróżnicowanym; często obserwujemy koegzystujące w niej obszary o bardzo niskiej i bardzo wysokiej jasności. Te pierwsze, zwane dziurami koronalnymi, w których linie pola magnetycznego otwierają się na przestrzeń międzyplanetarną, są źródłem szybkiej składowej wiatru słonecznego. W obszarach aktywnych, wyróżniających się jasnością w koronie, zamknięte linie pola magnetycznego utrudniają wydostawanie się cząstek. Dlatego odpowiadają one za wolną składową wiatru słonecznego.
Niekiedy jednak obszary aktywne dramatycznie zmieniają własności wiatru słonecznego. Dzieje się tak wtedy, gdy fragment korony opuszcza Słońce w wyniku rekonfiguracji pola magnetycznego. Pierwsze obserwacje zjawisk, określanych współcześnie jako wielkoskalowe wyrzuty koronalne (ang. Coronal Mass Ejections), wprawiły w zdumienie heliofizyków swoimi rozmiarami i energią. Jak wody rzeki po przerwaniu tamy, ujawniają swą niszczycielską siłę, tak CME wystrzelone ze Słońca w naszym kierunku, może sprawić dużo zamieszania w bezpośrednim otoczeniu kosmicznym naszej planety.
Dopływ cząstek wiatru słonecznego w kierunku powierzchni Ziemi reguluje magnetosfera. Przypomina ona z grubsza dipol z dwoma biegunami magnetycznymi zlokalizowanymi w pobliżu biegunów geograficznych (oś dipola jest nachylona pod kątem 12⁰ względem osi rotacji). Ze względu na ciągłe oddziaływanie z wiatrem słonecznym dipol ten jest bardzo asymetryczny – w kierunku Słońca sięga odległości równej kilkunastu promieni ziemskich, a w kierunku przeciwnym rozpościera się poza orbitę Księżyca.
Po przedostaniu się do magnetosfery cząstki wiatru słonecznego przemieszczają się wzdłuż linii pola magnetycznego, co powoduje, że mogą docierać do gęstszych warstw atmosfery jedynie w okolicach biegunów magnetycznych. W wyniku zderzeń z cząstkami atmosfery przekazują im część swojej energii, co skutkuje świeceniem w obszarze zwanym owalem zorzowym. Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, więc występują dwa takie owale. Ten dualizm znajduje odzwierciedlenie nawet w nazewnictwie. Międzynarodowa nazwa zorzy obserwowanej na półkuli północnej to aurora borealis, a na półkuli południowej – aurora australis.
Skąd się biorą różne kolory obserwowanych zórz? Na wysokości kilkuset kilometrów nad powierzchnią Ziemi, gdzie powstaje większość zórz, dominują cząstki azotu i atomy tlenu. Wzbudzone atomy tlenu emitują promieniowanie o ściśle zdefiniowanych długościach fal: 5577 Å, 6300 Å i 6304 Å. Ta pierwsza przypada w zielonym zakresie widma, a dwie pozostałe – w czerwonym. Warunki panujące w ziemskiej atmosferze i mechanizmy emisji promieniowania powodują, że kolor zielony powstaje niżej, a czerwony wyżej. Cząstki azotu nieco ten obraz komplikują, emitując promieniowanie w seriach charakterystycznych długości fal przypadających w niebieskim i w czerwonym zakresie światła widzialnego. Inne kolory powstają na skutek znanego efektu mieszania barw, np. połączenie barwy czerwonej i niebieskiej daje kolor żółty.
Jak reaguje magnetosfera na słabsze, bądź silniejsze, porywy wiatru słonecznego? Możemy to bardzo dokładnie ocenić, mierząc fluktuacje ziemskiego pola magnetycznego za pomocą magnetometrów zainstalowanych na powierzchni Ziemi. Uśredniony pomiar trzynastu referencyjnych przyrządów rozmieszczonych na obrzeżach owali zorzowych posłużył do zdefiniowania tzw. indeksu planetarnego, Kp. Parametr ten odmierzany jest w dziewięciostopniowej skali, w której kolejna liczba oznacza wyższy stopień zaburzenia magnetosfery. Kiedy Kp osiąga wartość 5, mówimy o wystąpieniu burzy geomagnetycznej. Zgodnie z intuicją – silniejszy napływ wiatru słonecznego skutkuje wyraźniejszym zaburzeniem magnetosfery, a większa koncentracja cząstek wiatru słonecznego lub znaczniejsza ich prędkość, intensyfikują zjawisko zorzy; jak również powodują, że obszar ich występowania przesuwa się na większą odległość względem biegunów magnetycznych.
Jeśli zależy nam na niezwłocznym uczestnictwie w misterium tańczących kolorów i fascynujących kształtów widocznych na niebie, musimy wybrać się w podróż bliżej biegunów magnetycznych Ziemi. Dla niektórych miejscowości na Islandii, bądź w północnej Skandynawii, tzw. turystyka zorzowa stanowi bardzo ważną pozycję w budżecie. Co prawda nie mamy 100 proc. pewności, że zorza pojawi się każdej nocy, ale nawet bardzo niskie wartości indeksu planetarnego, na poziomie 1 lub 2, wystarczą, by w przypadku dobrej pogody przeżyć niezapomniane chwile.
Obserwacje zórz na szerokościach geograficznych takich jak w Polsce mają swoją specyfikę. Dopiero pojawienie się burzy geomagnetycznej przybliża owal zorzowy w naszym kierunku na tyle, że możemy pokusić się o zaobserwowanie tego zjawiska. Na zorze mamy szanse spoglądać niemal wyłącznie „z boku”, a nie „od spodu”. Oznacza to, że obszar występowania zórz na niebie ogranicza się do jego północnej części, nie wyżej niż 20⁰ – 30⁰ nad horyzontem. Przy takim kierunku patrzenia będziemy mieli zwykle do czynienia ze stratyfikacją kolorów: zieleń – niżej, czerwień – wyżej. Poświata będzie raczej subtelna, dlatego trzeba ograniczyć do minimum inne źródła światła.
Wszystkie te restrykcje sprawiają, że z zazdrością przywołuje się wzmianki o zorzach, w świetle których można było czytać gazetę, a działo się to na całkiem umiarkowanych szerokościach geograficznych. Musimy jednak pamiętać, że takie ekscesy możliwe są jedynie w przypadku wystąpienia ekstremalnych burz geomagnetycznych (Kp =9), które zdarzają się niezwykle rzadko (raz na kilkanaście lat). Trzeba wyrazić zadowolenie z tego faktu, bo pojawienie się tak silnej burzy zwiastuje liczne kłopoty – możliwość awarii sieci energetycznych, zakłócenia w łączności, awarie satelitów itp.
Michał Tomczak, Instytut Astronomiczny
Wykład prof. Michała Tomczaka o zorzach, który odbył się 15 grudnia na Wydziale Fizyki i Astronomii, cieszył się tak dużym zainteresowaniem, że po raz pierwszy w wieloletniej historii „Sobotnich wykładów z fizyki” organizatorzy cyklu otwartych spotkań z nauką nie byli pewni, czy sala pomieści wszystkich chętnych. Konieczne było wprowadzenie rezerwacji i ustalenie kolejności (pierwszeństwo miały grupy przyjeżdżające spoza Wrocławia).
JAK ZŁOWIĆ ZORZĘ W POLSCE
• Wyszukaj zawczasu miejsce, z którego będziesz prowadził obserwacje. Powinno być ono zlokalizowane z dala od rozświetlonych miast. Widnokrąg w kierunku północnym ma być odkryty i wolny od świateł.
• Obserwuj prognozę indeksu planetarnego. Wartość Kp=5 daje szansę zaobserwowania zorzy na Pomorzu, a wartość Kp=6 – w całej Polsce. Niestety, prognozy są ciągle dalekie od doskonałości, więc jakikolwiek wyjazd na obserwacje powinien być poprzedzony analizą bieżących wskazań detektorów wiatru słonecznego. Prędkość wiatru powyżej 600 km/s, przy równoczesnej wartości składowej międzyplanetarnego pola magnetycznego Bz poniżej -10 nT, bardzo uprawdopodobnia szansę zobaczenia zorzy. Nie zapomnij oczywiście o sprawdzeniu, jaka pogoda jest za oknem!
Istnieje szereg dodatkowych uwarunkowań, które należy brać pod uwagę w dalszej kolejności: Księżyc w fazie powyżej 0.35 (więcej niż 4-5 dni po nowiu i więcej niż 4-5 dni przed nowiem) praktycznie uniemożliwia obserwację zorzy dla Kp=5; łatwiej zobaczyć zorzę w ciągu kilku pierwszych godzin nocy, aniżeli w ciągu kilku ostatnich; w okolicach równonocy wiosennej i jesiennej obserwuje się podwyższoną obfitość występowania burz geomagnetycznych; najlepsze warunki pogodowe przypadają w miesiącach od kwietnia do września.
