Polárna žiara

Vznik polárnej žiary

Slnko smerom k našej planéte vyvrhne rozsiahly oblak záporných elektrónov a kladných protónov.

Tieto častice dorazia po niekoľkých desiatkach hodín letu medziplanetárnym priestorom k Zemi, padajú po špirále pozdĺž magnetických siločiar, až sa nakoniec zrazia s atómami a molekulami zemskej atmosféry, ktorá potom začne žiariť na niekoľkých špecifických vlnových dĺžkach. Vo výške od 100 do 1000 km, v prostredí blízkom vákuu, sa potom objaví polárna

žiara.

Slnečné erupcie- dochádza pri nich k náhlemu uvoľneniu energie a k vzniku žiarenia všetkých vlnových dĺžok- trvajú niekoľko sekúnd- sprevádza ich výron nabitých častíc do priestoru- spôsobujú omnoho intenzívnejšie a aktívnejšie polárne žiary, ktoré môžu preniknúť aj do nižších oblastí, preto máme možnosť pozorovať ich niekedy aj z nášho územia

Slnečný vietor- je prúd nabitých častíc, ktorý rýchlosťou okolo 400 km/s uniká z atmosféry Slnka- jeho intenzita ja tým väčšia, čím intenzívnejšie a väčšie sú slnečné erupcie- množstvo častíc, ktoré nesie sa mení v priebehu jedenásťročného cyklu v súvislosti s výskytom škvŕn na povrchu Slnka

Zem je vlastne obrovský dvojpólový magnet, ktorý rovnako ako bežný magnet, má severný a južný magnetický pól a svoje magnetické pole.

Magnetosféra - magnetické pole v okolí Zeme, alebo v okolí akéhokoľvek vesmírneho objektu

- jej existencia okolo Zeme je zapríčinená tekutým železo - niklovým jadrom, ktoré

rotuje rýchlejšie ako zemská kôra - vonkajšia ostrá hranica magnetosféry sa

nazýva magnetopauza - vnútornú hranicu tvorí ionosféra

Magnetosféra Zeme

Geomagnetické búrky

- pravidelný sprievodca polárnych žiar- hlavný prejav „kozmického počasia“- dochádza k nim, keď sa zvýšená energia zo slnečného vetra a mezdiplanetárneho magnetického poľa dostane do magnetosféry- najväčšie sú spojené s výronmi slnečnej koronárnej hmoty- v ich priebehu sú aurorálne ovály veľmi porušené a expandujú smerom k rovníku- najčastejšie sú v dobe maxima jedenásťročného cyklu slnečnej aktivity, keď je na Slnku veľké množstvo slnečných škvŕn

Delenie polárnych žiar

Polárna žiara - Aurora Polaris:

- severná polárna žiara- Aurora Borealis (Aurora je v rímskej mytológii bohyňa úsvitu a Borealis znamená severný)

- južná polárna žiara - Aurora Australis (Australis je latinské výraz pre slovo južný)

Polárne žiary delíme podľa troch základných kritérií:

1.Z hľadiska pozorovaného tvaruTúto klasifikáciu zaviedli Valance a Jones, ktorí rozdelili polárne žiary do 9 základných skupín.

2. Z hľadiska intenzity Túto klasifikáciu zaviedli Seaton a Hunten. Jednotkou intenzity je 1 R (rayleigh). Výsledkom je koeficient IBC, ktorý podľa pozorovanej intenzity nadobúda hodnoty od I do IV.

3. Z hľadiska Kp indexu Kp index je úmerný zmenám geomagnetického poľa voči pokojovému stavu, z neho je odvodený index aktivity NOAA. Oba indexy určujú spodnú hranicu geomagnetickej šírky, na ktorej sa dá polárna žiara pozorovať.

Valance-Jonesova klasifikácia

Tvar Anglický názov Popis

HA Homogeneous Arc Homogénny oblúk. Útvar bez štruktúry vo výške, smere a intenzite.

HB Homogeneous Band Homogénny pás. Ako HA, premenlivý v pozdĺžnom smere.

RA Rays Arc Lúčový oblúk. Ako HA, intenzita má zvislú lúčovú štruktúru.

RB Rays Band Lúčový pás. Ako RA, intenzita má zvislú lúčovú štruktúru.

DS Diffuse Surface Difúzny povrch. Nepravidelná rovnomerne svietiaca oblasť.

PS Pulsating Surface Pulzujúci povrch. Ako DS, ale intenzita sa mení rádovo v sekundách.

PA Pulsating Arc Pulzujúci oblúk. Ako HA, ale intenzita sa mení rádovo v sekundách.

C Corona Koróna. Sústava lúčov pozdĺž magnetického poľa.

F Flaming Plápolanie. Útvary premenlivej intenzity pohybujúce sa k zenitu.

IBC

Intenzita (R) Ekvivalentný zdroj

I 103 Mliečna dráha

II 104 Cirry osvetlené Mesiacom

III 105 Kumuly osvetlené Mesiacom

IV 106 Mesiac v splne

Seaton-Huntenova klasifikácia

Kp index

Spodná hranicageomagnetickej

šírky

Index NOAA

Spodná hranicageomagnetickej

šírky

0 66,5 1 67,5

1 64,5 2 66,5

2 62,4 3 65,6

3 60,4 4 63,9

4 58,3 5 62,5

5 56,3 6 60,7

6 54,2 7 58,6

7 52,2 8 56,7

8 50,1 9 54,6

9 48,1 10 51,0

- - 10+ 48,5

- - 10++ 45,0

Polárne žiary môžeme ešte rozdeliť do dvoch skupín:

1. diskrétne polárne žiary - patria k najintenzívnejším typom, v ktorých má hlavný význam urýchľovanie nabitých častíc pozdĺž magnetických siločiar - objavujú sa v priebehu noci, častejšie však pred polnocou a odrážajú dynamiku magnetosférického chvosta- objavujú sa v tej časti aurorálneho oválu, ktorý je bližšie k pólom, v oblasti spojenej magnetickými siločiarami s hraničnou plazmovou vrstvou v chvoste magnetosféry

2. difúzne polárne žiary- objavujú sa v častiach aurorálneho oválu bližších k rovníku, magneticky spojených s centrálnou plazmovou vrstvou a s oblasťou kruhového prúdu, kde sú energetické častice unášané okolo Zeme (elektróny smerom na východ, protóny smerom na západ)- najsilnejšie sú vytvárané prevažne elektrónmi

Výskyt polárnych žiar- oblasť výskytu polárnych žiar sa nazýva aurorálny ovál – je to pás obklopujúci magnetické póly, vyskytuje sa približne na 70° s.š. a j.š. a môže byť široký 5°- polárne žiary sa vyskytujú pri oboch póloch súčasne a ich tvar aj priebeh je symetrický- závisí od cyklu slnečnej aktivity, keď je najsilnejšia, silnie aj slnečný vietor a polárna žiara sa môže objaviť aj v krajinách ďaleko od pólov, výnimočne zasahuje až do tropických oblastí (tzv. tropická žiara)- v Európe začína byť polárna žiara pozorovateľná za 60. rovnobežkou a spoľahlivo za polárnym kruhom. Môžeme ju teda vidieť v Nórsku, Švédsku, Fínsku a na Islande- frekvencia výskytu polárnych žiar súvisí s cyklom slnečných škvŕn, s rotáciou Slnka (27 dní), s ročnými obdobiami a geomagnetickou aktivitou- najpravdepodobnejší výskyt polárnych žiar je v období medzi mesiacmi september - október a február - marec, v tejto dobe boli pozorované až 3/5 z celoročných pozorovaní- spodná hranica polárnych žiar je okolo 100 km, len zriedka zostúpi až do 60 km, výnimočne boli pozorované vo výškach nad 1000 km

Aurorálny ovál

Výskyt polárnej žiary na planétach slnečnej sústavy

Polárne žiary neboli zachytené len na Zemi, ale aj na planétach ako Mars, Jupiter, Saturn, Urán a Neptún.

Polárna žiara na Jupiteri

Stálosť polárnej žiary Jupiteru súvisí s vytrvalou aktivitou sopiek mesiaca Io. Časť z vyvrhnutých plynov z nich uniká do kozmického priestoru, kde dochádza k ionizácii atómov kyslíka a síry. Magnetické pole Jupitera tieto nabité častice zachytáva, sú ďalej urýchľované a prenikajú do nižšej atmosféry v polárnych oblastiach. Tento mechanizmus zaisťuje takmer vždy aktívnu polárna žiaru na Jupiteri. Mohutnosť a energia polárnej žiary Jupiteru vysoko prevyšuje všetko, čo poznáme v súvislosti s pozemskou polárnou žiarou.

Polárna žiara na Saturne

Polárna žiara na Saturne sa líši od polárnych žiar na iných planétach. Vzniká tak, že sa s magnetosférou planéty stretávajú častice atmosferického plynu. Výsledkom tohto stretnutia je uvoľnenie energie vo forme žiarenia v ultrafialovej časti spektra. Na Saturne sa vďaka žiareniu ožiari celá nočná obloha a aj búrky získajú na intenzite, spôsobuje to tlak slnečného vetra. Polárna žiara sa na Saturne každým dňom mení, žiarenie zosilnie, keď sa prstenec nabitý energiou pri oboch póloch tejto planéty zmenší v priemere.

Polárna žiara na Marse

Hoci sa tvrdilo, že nedostatočne silné magnetické pole Marsu nie je schopné vytvoriť polárnu žiaru, bola tu v poslednej dobe zaznamenaná a to najmä v miestach zistených anomálií v kôre planéty.

Farba polárnej žiary

- závisí od vlastností plynu v atmosfére, od veľkosti energie, s akou do častíc vzduchu narazia vesmírne častice a tiež od výšky, v ktorej sa žiara nachádza- môže byť zelená, červená alebo modrá, niekedy je viditeľná iba jedna z nich, inokedy možno sledovať ich spojenie- vzájomnou kombináciou farieb vznikajú ďalšie farby, výnimočne sa pri prekrytí červenej a zelenej oblasti pozoruje žltá polárna žiara

Zelená farba polárnej žiary

- je najčastejšie pozorovaná- nachádza sa vo výške od 90 do 150 km nad zemským povrchom- majú ju na svedomí atómy kyslíka, ktoré sa excitujú na druhú energetickú hladinu, v riedkom prostredí môže častica v tomto stave zotrvať asi 0,7 sekundy, čo je doba dostatočne dlhá na to, aby valenčný elektrón preskočil do prvého energetického stavu, vyžiaril fotón na vlnovej dĺžke 557,7 nm a nestratil medzitým energiu zrážkou s inou časticou, v novom stave je elektrón schopný zostať asi 110 sekúnd, takže ak sa nestretne s iným atómom alebo molekulou, môže vyžiariť ďalší fotón

Červená farba polárnej žiary- druhá najtypickejšia farba polárnej žiary- jej vlnová dĺžka je 630 nm- prevažne je za ňu zodpovedný atomárny kyslík- vzniká preskokom valenčného elektrónu kyslíka z prvej hladiny do základného stavu, priemerná doba, počas ktorej zostáva atóm kyslíka v excitovanom stave, je asi 110 sekúnd, za tento čas sa atóm kyslíka s ničím nezrazí len za predpokladu, že je atmosféra extrémne riedka, ak by sa zrazil s iným atómom skôr, stratil by svoju energiu a nestačil by ju vyžiariť vo forme svetla- vyskytuje sa vo výškach 150 - 400 km nad zemským povrchom- zriedkavejšie sa môže objaviť aj pri svetielkovaní dusíka v nižšej vrstve atmosféry, k čomu dochádza, keď sa dusíkové molekuly vo výške 90 km zrážajú s veľmi energetickými elektrónmi, pri návrate do základného stavu molekuly svietia v štyroch rôznych vlnových dĺžkach v červenej oblasti spektra

Modrá farba polárnej žiary- je najvzácnejšia, len výnimočne pozorovateľná poukazuje na ionizáciu atómov vodíka vo výškach okolo 1000 km

V nadmorských výškach do 70 km je atmosféra taká hustá, že atómy excitované vysokoenergetickými časticami slnečného vetra by s veľkou pravdepodobnosťou stratili energiu zrážkou s okolitými atómami skôr, než by stihli vyžiariť.

Vplyv polárnej žiary

Polárna žiara vydáva do atmosféry až 100 000 MW elektrickej energie, čo môže spôsobiť rušenie rádií, televízie a elektrických sietí, pretože pri rozsiahlych zmenách magnetického poľa sa v rozvodových sústavách, podmorských kábloch, telefónnych a televíznych sieťach indukujú silné elektrické prúdy.

Aj keď je polárna žiara krásnym nebeským divadlo, spŕška slnečného vetra, ktorá ju vyvoláva, je veľmi nebezpečná pre družice aj astronautov pracujúcich na obežnej dráhe.

Skúmanie polárnej žiary17. storočie- začal seriózny výskum polárnych žiar, kedy Pierre Gassendi pozoroval niekoľko žiar a navrhol pre ne názov Aurora Borealis

18. storočie- bolo objavené zemské magnetické pole- v r. 1733 prišla prvá teória, ktorá dávala polárne žiary do súvislosti so Slnkom - J. J. Dortou de Mairan navrhol, že polárne žiary vznikajú interakciou slnečného fluida s atmosférou Zeme- v r. 1741 pozoroval Olof P. Hiorter chvenie kompasovej strelky pri polárnej žiare a poukázal tak na jej magnetickú povahu- v r. 1770 potvrdil kapitán James Cook výskyt polárnych žiar vo vysokých južných šírkach- v r. 1775 zisťuje Pehr Wilhelm Wargentin na základe dlhoročného pozorovania, že sa polárne žiary vyskytujú na mnohých miestach súčasne a ich výskyt pokrýva celý pás obklopujúci severný pól

19. storočie- vedci experimentovali s elektrickými javmi v sklenených komorách, z ktorých vyčerpali vzduch a vytvorili tam zhluk niečoho, čo sa správalo ako záporne nabité častice, neskôr boli nazvané elektróny, keď elektróny narazili na prekážku, vyžiarili svetlo, čo viedlo k myšlienke, že podobne vzniká aj polárna žiara- v r. 1895 Kristian Birkeland skonštruoval malú napodobeninu Zeme (terrellu), išlo o kovovú zmagnetizovanú guľu, ktorú vo vákuovej komore ostreľoval elektrónmi a zistil, že sa dostávajú do polárnych oblastí - v r. 1939 Hannes Alfvén navrhol prvý detailný model polárnych žiar a búrok - v r. 1954 navrhujú Seaton a Hunten stupnice IBC- v r. 1974 vzniká Vallance-Jonesova klasifikácia tvarov polárnych žiar

20. storočie - v 90. rokoch boli Hubbleovým kozmickým ďalekohľadom pozorované polárne žiary na Saturne a Jupiteri

Skúmanie polárnej žiary z vesmíru- kým viditeľné svetlo polárnej žiary je lepšie pozorovať zo Zeme, UV a RTG žiarenia je vhodnejšie skúmať z vesmíru, pretože atmosféra má tendenciu ich redukovať- od r. 1968 snímali vojenské družice z radu DMSP územie pod sebou, spojením záznamov zo skúmaných oblastí vznikli snímky, ktoré často obsahovali oblúk polárnej žiary.- v r. 1971 objavila kanadská vedecká družica Isis 2 rozptýlenú polárnu žiaru, táto aurora bola príliš veľká na to, aby mohla byť pozorovaná na Zemi, pravdepodobne bola vytvorená elektrónmi, ktoré unikli z koncov siločiar prepojených s plazmovou vrstvou - prvé podrobné meranie prúdov tečúcich pozdĺž magnetického poľa Zeme uskutočnil v roku 1973 satelit TRIAD, ktorý zistil, že maximum tečúcich prúdov je na 70. rovnobežke - viacero pozorovaní polárnej žiary uskutočnil satelit Dynamics Explorer 1 (1981-1987), ktorý prvýkrát pozoroval celý aurorálny ovál- polárne žiary skúmali aj švédske družice Viking a Freja

- intenzívny výskum polárnych žiar z vesmírneho priestoru v 90. rokoch 20. storočia ukázal, že sa aurory vyskytujú v rovnakom čase na južnej aj severnej pologuli.- v minulom roku vyslala americká vesmírna agentúra NASA do vesmíru raketu s piatimi družicami, cieľom tejto dvojročnej misie THEMIS je objasniť príčiny tzv. geomagnetických subbúrok (geomagneticky narušených období, počas ktorých sa náhle na krátku dobu rozjasní svetlo polárnej žiary). Vedci podľa súčasných poznatkov vedia, že polárna žiara vzniká, keď sa spŕšky elektrónov s vysokou rýchlosťou pohybujú pozdĺž magnetických siločiar a vstupujú do horných vrstiev našej atmosféry. Teraz sa chcú dozvedieť kedy, kde a prečo sa energia solárneho vetra v magnetosfére Zeme náhle uvoľní. Päť zhodných družíc má identifikovať a sledovať zmeny magnetického poľa, urýchlené toky častíc, plazmové vlny a energetické častice, ktoré sprevádzajú uvoľnenie energie, ku ktorému dochádza počas subbúrok

Pokusy o vytvorenie umelej polárnej žiary- koncom 19. storočia sa niektorí vedci snažili podporiť svoje teórie o polárnej žiare konštrukciou rôznych zariadení- v r. 1882-1883 sa fínsky profesor Lemström pokúsil vytvoriť umelú polárnu žiaru, v severnom Fínsku vztýčil na hore Oratunturi rozmerný prístroj na vybíjanie častíc, prístroj pozostával z veľkej medenej špirály a pripojeného dlhého vedenia k platinovému disku zakopanému na úpätí hory, podľa profesora Lemströma bol prístroj v noci obklopený nejasnou žlto-bielou žiarou, ktorá po skúmaní spektroskopom vykazovala podľa neho rovnaké spektrum, aké vykazuje pravá polárna žiara- Tromholt, sa rozhodol vyskúšať všetko ešte raz na Islande, na vrchole hory Esja, nebol však svedkom javu, ktorý opísal Lemström a to aj napriek tomu, že je Island oveľa bližšie k pásu s najväčšou pravdepodobnosťou výskytu polárnych žiar- v r. 1884 vztýčil francúzsky vedec C. X. Vaussenat na Pic du Midi vo výške 3 791 m oveľa rozmernejšie zariadenie, než bolo to Lemströmovo, ale ani tentokrát sa behom 10 mesiacov prevádzky nepodarilo spozorovať svetelné javy tak, ako ich opísal Lemström

Ďakujeme za pozornosť

Veronika Halušková

Petra Chowaniecová 3.A