Aurora boreală

Eduard Faloş-2011-

Acţiunea câmpului electromagnetic asupra sistemelor complexe

- Proiect -

Cuprins1. Mecanism

1.1 Aurora polară terestră 1.2 Aurora artificială 1.3 Aurora extra-terestră

2. Istoricul cercetărilor 3. Fenomenul în cultura populară

3.1 Sunetele aurorei

Aurora polară este un fenomen optic ce constă într-o strălucire intensă observată pe cerul nocturn în regiunile din proximitatea zonelor polare, ca rezultat al impactului particulelor de vânt solar în câmpul magnetic terestru. Când apare în emisfera nordică, fenomenul e cunoscut sub numele de aurora boreală, termen folosit iniţial de Galileo Galilei, cu referire la zeiţa romană a zorilor, Aurora, şi la titanul care reprezenta vânturile, Boreas. Apare în mod normal în intervalele septembrie-octombrie şi martie-aprilie. În emisfera sudică, fenomenul poartă numele de auroră australă, după James Cook.

Fenomenul nu este exclusiv terestru, fiind observat şi pe alte planete din sistemul solar, precum Jupiter, Saturn, Marte şi Venus. Totodată, fenomenul este de origine naturală, deşi poate fi reprodus artificial prin explozii nucleare sau în laborator.

1. Mecanism

Aurora apare în mod obişnuit atât ca o strălucire difuză cât şi ca o cortină extinsă în spaţiu orizontal. Câteodată se formează arcuri care îşi pot schimba forma permanent. Fiecare cortină este compusă dintr-o serie de raze paralele şi aliniate pe direcţia liniilor de câmp magnetic, sugerând faptul că fenomenul de pe planeta noastră este aliniat cu câmpul magnetic terestru. De asemenea, variabilitatea unor anumiţi factori poate determina formarea de linii aurore de tonalităţi şi culori diferite.

1.1 Aurora polară terestră Aurora polară terestră e provocată de ciocnirea unor particule încărcate electric din magnetosferă cu atomi din straturile superioare ale atmosferei terestre, aflate la altitudini de peste 80 km. Aceste particule electrice au o energie de 1 până la 15 keV iar coliziunea lor cu atomii de gaz din atmosferă determină energizarea acestora din urmă. Prin fiecare coliziune o parte din energia particulei este transmisă atomului atins, într-un proces de ionizare, disociere şi excitare a particulelor. În timpul ionizării, electronii se desprind de atom, care încarcă energie şi determină un efect de ionizare de tip domino în alţi atomi. Excitaţia rezultă în emisie, ducând atomul în stări instabile, dat fiind că aceştia emit lumină în frecvenţe specifice când se stabilizează. Dacă procesul de stabilizare a oxigenului durează până la o secundă, azotul se stabilizează şi emite lumină instantaneu. Acest proces, esenţial în formarea ionosferei terestre, este comparabil cu cel ce stă la baza ecranului de televizor: electronii ating suprafaţa de fosfor, alterând nivelul de energie al moleculelor, fapt ce provoaca emisia de lumină.

În general, efectul luminos este dominat de emisia atomilor de oxigen din straturile superioare ale atmosferei (aproximativ 200 de kilometri altitudine), care produce tonalitatea verde. Când se produc furtuni puternice, straturile inferioare ale atmosferei sunt atinse de vântul solar (la aproximativ 100 de kilometri altitudine), fapt ce duce la emisia în roşu a atomilor de azot (predominantă) şi oxigen. Atomii de oxigen emit tonalităţi de culori variate, deşi, de cele mai multe ori, se întâlnesc roşul sau verdele.Fenomenul poate apărea şi ca o luminescenţă ultravioletă, violetă sau albastră, datorată atomilor de azot, prima dintre acestea putând fi foarte bine observată din spaţiu (dar nu de pe Pământ, pentru că atmosfera absoarbe razele UV). Satelitul NASA Polar a observat efectul în raze X, imaginile ilustrând precipitaţii de electroni de energie ridicată.Interacţiunea între moleculele de oxigen şi azot, ambele generatoare de tonalităţi ale culorii verde, creează efectul de „linie verde aurorală”. În acelaşi fel, interacţiunea dintre aceşti atomi poate produce efectul de „linie roşie aurorală”, deşi mai rar şi prezent în altitudini mai ridicate.

Planeta noastră este atinsă permanent de vânturi solare, fluxuri rarefiate de plasmă caldă (gaz de electroni liberi şi cationi) emise de Soare în toate direcţiile, ca rezultat al temperaturii înalte a coroanei solare. Pe durata furtunilor magnetice, fluxurile pot fi mai puternice, asemenea câmpului magnetic interplanetar apărut între două corpuri celeste, determinând conturbarea ionosferei în răspuns la furtuni. Asemenea tulburări afectează calitatea comunicaţiilor radio sau a sistemelor de navigare, putând afecta astronauţii din aceste regiuni, celulele solare ale sateliţilor artificiali, indicaţia busolelor şi acţiunea radarelor. Acţiunea ionosferei este complexă şi dificil de modelat, îngreunând prezicerea fenomenelor de acest tip. Magnetosfera terestră este o regiune din spaţiu dominată de câmp magnetic. Ea se constituie ca un obstacol în drumul vântului solar, cauzând dispersarea sa pe sensul de întoarcere. Lăţimea sa este de aproximativ 190 000 Km, iar în timpul nopţilor o coadă magnetică se extinde pe distanţe chiar şi mai mari.Aurorele sunt încadrate în general în regiuni cu format oval, apropiate polurilor magnetice. Când activitatea efectului este calmă, regiunea dispune de o dimensiune medie de 3 mii de kilometri, putând varia până la 4 sau 5 mii de kilometri când vânturile solare se intensifică.

Sursa de energie a aurorelor este dată de vânturile solare care circulă pe Terra. Atât magnetosfera, cât şi vânturile solare pod conduce electricitate. Este cunoscut faptul că dacă două conductoare electrice legate într-un circuit electric sunt introduse într-un câmp magnetic, iar unul dintre ele se deplasează în jurul celuilalt, în circuit este generat un curent electric. Generatoarele electrice şi dinamurile utilizează acest principiu, însă conductoarele tradiţionale pot fi înlocuite de plasme sau chiar alte fluide. În acest context, vântul solare şi magnetosfera sunt fluide conductoare de electricitate cu mişcare relativă, fiind astfel capabile să genereze curent electric, care produce efect luminos.Cum polurile magnetice şi geografice ale planetei noastre nu sunt aliniate, în acelaşi fel regiunile aurorale nu sunt aliniate cu polul geografic. Cele mai bune puncte de observaţie a aurorelor se găsesc în Canada pentru aurorele boreale şi pe insula Tazmania sau în sudul Noii Zeelande pentru aurorele australe.

1.2 Auroră artificială

Aurorele se pot forma prin explozii nucleare în straturile superioare ale atmosferei. Acest fenomen a fost demonstrat prin aurora artificială creată în urma testului nuclear american Starfish Prime la 9 iulie 1962. Atunci, cerul din regiunea Oceanului Pacific a fost iluminat de o auroră pentru mai mult de şapte minute. Acest efect a fost anticipat de omul de ştiinţă Nicholas Christofilos, care lucrase la alte proiecte referitoare la exploziile nucleare. Potrivit veteranului american Cecil R. Coale, anumite hoteluri din Hawaii au organizat petreceri ale bombei curcubeu pe acoperişurile lor pentru a acompania proiectul Starfish Prime, contrazicând rapoartele oficiale care indicau aurora artificială ca improbabilă. Fenomenul a fost filmat pe Insula Samoa, situată la o distanţă de 3 200 Km de insula Johnston, locaţia exploziei.

Simulări ale efectului în laborator au început să fie produse la finalul secolului XIX de către omul de ştiinţă norvegian Kristian Birkeland, care a demonstrat, utilizând o cameră de vid într-o sferă, că electronii erau atraşi de regiunile polare ale sferei. Recent, cercetătorii au reuşit să creeze un efect auroral de culoare verde, cu vizibilitate redusă pe Terra, emiţând raze radio pe cerul nocturn. La fel ca în cazul fenomenului natural, particulele atingeau ionosfera, stimulând electronii din plasmă. La ciocnirea electronilor cu atmosfera terestră erau emise razele de lumină. Acest experiment a adus noi informaţii despre efectele ionosferei în comunicaţiile prin radio.

Aurora artificială observată cu o camera fotosensibilă

1.3 Aurora extra-terestră

Atât Jupiter cât şi Saturn posedă câmpuri magnetice mult mai puternice decât cele terestre şi dispun ambele de centuri de radiaţii. Efectul de auroră polară a fost observat pe ambele planete, mai clar, cu telescopul Hubble.Aceste efecte de auroră par să fie provocate de vânturile solare. Pe de altă parte, lunile planetei Jupiter, în special Io, sunt la rândul lor surse importante producătoare de aurore. Aurorele sunt formate de curenţii electrici din câmpul magnetic, generaţi de mecanismul de dinam relativ la mişcările de rotaţie a planetei şi de translaţie a lunii sale. În particular, Io are vulcani activi şi o ionosferă, iar curenţii săi generează emisii de unde radio, fenomen studiat din 1955.

Ca şi cele terestre, aurorele de pe Saturn creează regiuni ovale totale sau parţiale în jurul polului magnetic. Pe de altă parte, aurorele produse pe această planetă durează de obicei zile, spre deosebire de cele terestre care durează abia câteva minute. Evidenţele arată că emisiile de lumină din cadrul fenomenelor de auroră produse pe Saturn sunt datorate participării emisiilor de atomi de hidrogen.

O auroră a fost detectată recent pe Marte de către sonda spaţiala Mars Express în timpul misiunii sale în 2004, ale cărei rezultate au fost publicate anul următor. Marte deţine un câmp magnetic mai slab decât cel terestru, iar până la acel moment se credea că lipsa unui câmp magnetic puternic ar face imposibilă apariţia unui asemenea efect. S-a constatat că sistemul de aurore de pe Marte este similar celui de pe Terra, fiind comparat cu furtunile de slabă şi medie intensitate petrecute pe Pământ. Cum planeta se plasează întotdeauna cu latura sa diurnă spre planeta noastră, observarea efectelor de auroră e posibilă doar prin intermediul misiunilor spaţiale care să învestigheze partea nocturnă a planetei roşii.

Venus, care nu posedă un câmp magnetic, prezintă de asemenea fenomenul de auroră, prin care particulele atmosferice sunt ionizate în mod direct de către vânturile solare, fenomen prezent de asemenea pe Pământ.

2. Istoricul cercetărilor

- aurorele boreale sunt studiate la nivel ştiinţific încă din secolul XVII

- în 1621, astronomul francez Pierre Gassendi a descris fenomenul observat în sudul Franţei

- în acelaşi an, astronomul italian Galileo Galilei a început investigarea fenomenului ca parte dintr-un studiu referitor la mişcările astrelor cereşti. Faptul că raza acoperită de studiul său era continentul european s-a concretizat în observarea fenomenului în nordul continentului, de unde numele de auroră boreală.

- în secolul XVIII navigatorul englez James Cook a constatat prezenţa fenomenului observat de Galileo în Oceanul Indian, botezându-l aurora australă. De atunci a devenit clar că efectul nu era exclusiv emisferei nordice terestre, motiv pentru care a apărut denumirea de auroră polară.

- în aceeaşi epocă, astronomul britanic Edmond Halley a emis ipoteza potrivit căreia câmpul magnetic terestru ar fi legat de fenomenul de formare a aurorelor boreale.

- în 1741, Hiorter şi Anders Celsius au fost primii care au înregistrat evidenţe ale controlului magnetic când se observau aurorele.

- Henry Cavendish a calculat în 1768 altitudinea la care apare fenomenul, însă a fost abia în 1896 când prima auroră a fost reprodusă în laborator de către Kristian Birkeland. Omul de ştiinţă, a cărui experimente în camera de vid cu raze de electroni şi sfere magnetice au demonstrat că electronii se orientau spre regiunile polare, a propus în 1900 ipoteza conform căreia electronii din auroră ar proveni din razele solare. Această presupunere este problemtică datorită lipsei de dovezi în spaţiu, nemaifiind considerată valabilă în cercetarea actuală.

- Birkeland a dedus totodată în 1908 orientarea de la est la vest a curenţilor magnetici.

- Alte evidenţe ale legăturii dintre fenomen şi câmpul magnetic sunt registrele statistice ale aurorelor polare. Elias Loomis (1860) şi, mai târziu, Hermann Fritz (1881) au stabilit că aurora apare de principiu într-o regiune de forma unui inel pe o rază de aproximativ 2500 de kilometri depărtare de polul magnetic terestru. Loomis a descoperit totodată legătura dintre formarea aurorelor şi activitatea solară, observând ocurenţa aurorelor boreale în Canada, într-un interval de 20 până la 40 de ore după o erupţie solară.

Lucrările lui Carl Stormer în domeniul mişcării particulelor încărcate în câmp magnetic au facilitat cunoaşterea mecanismului de formare a aurorelor.

- în deceniul 1950 a fost descoperită emisia de materie a Soarelui, denumită vânt solar, efect care explică, între altele, şi poziţionarea cozii cometei, întotdeauna opusă faţă de Soare.

- această teorie a fost formulată de fizicianul american Newman Parker în 1957, fiind confirmată în anul următor de satelitul Explorer I. Începând de atunci, explorarea spaţială a permis augumentarea cunoştinţelor despre aurorele terestre, şi totodată observarea fenomenului pe alte planete, ca Jupiter şi Saturn.

- James Van Allen a invalidat în 1962 teoria potrivit căreia aurora constituie excesul centurii de radiaţii. El a demonstrat că gradul mare de disipare a energiei aurorei ar seca rapid întreaga centură de radiaţii. Curând după aceea s-a constatat că cea mai mare parte a energiei rezidă în cationi, în timp ce particulele aurorei sunt aproape întotdeauna electroni cu energie relativ scăzută.

- în 1972 s-a descoperit faptul că aurorele şi curenţii magnetici asociaţi lor produc o puternică emisie de radio de 150 kHz, efect ce poate fi observat doar din spaţiu.

3. Fenomenul în cultura populară

3.1 Sunetele aurorei

În decursul istoriei, diverse persoane au scris şi vorbit despre sunete asociate fenomenului de auroră. Exploratorul danez Knud Rasmussen menţiona acest efect în 1932 în descrierea tradiţiilor folclorice ale eschimoşilor din Groenlanda. Aceleaşi sunete sunt menţionate în acelaşi context de antropologul canadian Ernest Hawkes în 1916. Caius Cornelius Tacitus, un istoric din Roma antică, scria în opera sa „Germania” că locuitorii Germaniei susţineau perceperea aceloraşi sunete.Actualmente, diverse persoane continuă să relateze despre aceste sunete, în ciuda faptului că înregistrări ale lor nu au fost publicate niciodată şi ţinând cont că există suspiciuni ştiinţifice serioase la ideea cum că asemenea sunete provocate de aurore au fost auzite. Energia aurorelor şi alţi factori fac improbabilă atingerea solului de către aceste sunete, iar sincronizarea sunetelor cu modificările vizibile ale aurorei intră în conflict cu decalajul de timp necesar propagării sunetului pentru ca acesta să fie auzit. Anumite persoane speculează că fenomenele electrostatice induse de aurore pot explica sunetele.

Bibliografie

- http://ro.wikipedia.org/wiki/

- http://odin.gi.alaska.edu/FAQ/#environment