Eduscience

Eduscience

Co to są zorze polarne, jak powstają, jaki związek mają z polem magnetycznym Ziemi? Co do tego wszystkiego mają pająki i parasole? Zastanówmy się nad tym właśnie teraz, kiedy zorze polarne rozświecają niebo nad Polską Stacją Polarną na Spitsbergenie, a pracujący w Stacji naukowcy badają zmiany ziemskiego pola magnetycznego.

Zorza polarna jako cudowny pokaz światła na polarnym niebie jest wypadkową wielu skomplikowanych procesów zachodzących w niewyobrażalnej wręcz skali.

Nie byłaby możliwa do realizacji przez naturę, gdyby nie szczęśliwy splot okoliczności, którym jest współistnienie wiatru słonecznego, stanowiącego masę dodatnich jonów i elektronów wyrzucanych w sposób ciągły przez Słońce, oraz pięknej właściwość naszej planety – jej pola magnetycznego tworzącego wokół niej magnetosferę.

By przybliżyć właściwości ziemskiej magnetosfery, warto najpierw powiedzieć kilka słów o magnesie, Ziemia bowiem jest magnesem przeogromnych rozmiarów. Dla uproszczenia można przyjąć, że magnes składa się z dwóch biegunów. Gdyby w otoczeniu takiego magnesu rozsypać wiadro malutkich kompasów, ich igły układałyby się zgodnie z liniami pola magnetycznego, których układ przedstawiają załączone niżej grafiki.

Widać, że linie pola magnetycznego łączą najczęściej dwa bieguny oraz pokazują w jakim kierunku działają siły pola magnetycznego w danym miejscu. Oczywiście w realnym świecie tych linii jest nieskończenie wiele, a każdy punkt przestrzeni będzie miał „swój” kierunek sił pola magnetycznego. Nawiasem mówiąc, ziemska magnetosfera przypomina gigantycznego pająka…

Ziemia jest magnesem, wielkim i mocnym. Nie jest to jednak przekleństwo dla człowieka, a raczej wielkie szczęście. Stało się tak, nie przypadkiem, że dwa bieguny magnetyczne N i S odpowiadają z grubsza pozycji biegunów geograficznych, odpowiednio południowego i północnego. Każdy odpowiedzialny podróżnik po górach, lasach i pustyniach ma ze sobą kompas. Zatem wyciągając kompas, zobaczy on jak skierowane są linie pola magnetycznego w miejscu gdzie stoi. To bardzo ważna informacja, bo jak powiedzieliśmy wcześniej, położenie biegunów magnetycznych odpowiada mniej więcej położeniu biegunów geograficznych, a zatem podróżnik dowie się, gdzie jest północ i jak ustawić mapę.

Można by to uznać za ciekawą i przydatną, acz nie nieodzowną właściwość Ziemi, gdyby nie to, że pole magnetyczne ma znacznie ważniejsze zadanie, albowiem pozwala nam żyć. Niczym parasol chroni przed niezliczoną liczbą naładowanych cząstek, którymi każdej sekundy zarzuca nas Słońce. Gdyby pola magnetycznego nie było, a tzw. wiatr słoneczny docierałby do Ziemi, nie byłoby szans na życie na naszej planecie, podobnie jak nie przeżylibyśmy, będąc poddanym stałemu naświetlaniu przez promieniowanie Roentgena.

Wiatr słoneczny to w głównej mierze protony i elektrony. Są to cząstki obdarzone elementarnym ładunkiem elektrycznym. Oddziałują one zatem z polem magnetycznym Ziemi.

W czasie wzmożonej aktywności słonecznej część ze znajdujących się w magnetosferze elektronów i protonów zostaje z niej „wypchana” i przyspieszona do bardzo dużych prędkości. Następnie te wyrzucone z magnetosfery cząstki spływają wzdłuż linii pola magnetycznego w kierunku biegunów (ponieważ tam linie pola magnetycznego upakowane są najgęściej i pole jest najsilniejsze). Uderzając w górne warstwy atmosfery, cząstki te przekazują atomom najczęściej tlenu i azotu (bo atomów tych pierwiastków jest w atmosferze najwięcej, odpowiednio 21% i 78%) porcję energii, wprowadzając je w stan wzbudzony.Te, dążąc – w myśl zasady minimum energii – do powrotu w stan podstawowy, oddają energię w postaci fotonów i emitują falę elekromagnetyczną w postaci światła widzialnego. Właśnie to światło jest obserwowaną przez człowieka zorzą polarną, najintensywniejszą wokół biegunów.

Pokazane na fotografiach zorze różnią się kolorami i kształtami. O ile struktura przestrzenna zórz jest w dalszym ciągu obiektem badań naukowców, o tyle możemy już dużo powiedzieć o tym, co determinuje kolory aurora borealis. Wcześniej powiedzieliśmy, że elektrony uderzają głównie w atomy azotu i tlenu, bo statystycznie jest ich w atmosferze najwięcej (ok. 99%). Atom każdego pierwiastka ma swoje konkretne linie emisyjne, czyli mówiąc prościej kolory, w których świeci po dostarczeniu mu energii. Kolory zależą od ilości otrzymanej energii i jest ich ograniczona liczba. Na przykład tlen świeci najczęściej na zielono lub czerwono, azot zaś w kolorach purpury i różu, co widzimy na grafikach 5, 6 i 8. Pierwiastki, których w atmosferze jest znacznie mniej, np. argon lub wodór też mają swoje linie emisyjne, ale nie zmieniają znacząco koloru zorzy, gdyż jest ich po prostu zbyt mało.


Tekst: Tymoteusz Salamon

Galeria zdjęć