Polárna žiara je jedným z najviac fotogenických úkazov prírody, ktorý v poslednom období čoraz častejšie pozorujeme aj v našich zemepisných šírkach.
Polárna žiara. Zdroj: iStock.com/Bruno Valenzano
Zatiaľ čo fotografie často ukazujú sýte odtiene zelenej, červenej či fialovej, málokto tuší, čo presne tieto farby spôsobuje. Za nebeským divadlom sa ukrýva fascinujúca súhra kvantovej mechaniky, zloženia atmosféry a presne načasovaných zrážok častíc.
Keď slnečný vietor zasiahne magnetické pole Zeme, obloha sa môže rozžiariť farbami, ktoré ľudstvo fascinujú tisícročia. V posledných mesiacoch, keď sa Slnko blíži k maximu svojho cyklu, mali možnosť tento úkaz pozorovať aj obyvatelia Slovenska. Mnohí si všimli, že zatiaľ čo na fotografiách zo Škandinávie dominuje zelená, v našich končinách často vidíme skôr červenkastú žiaru nízko nad obzorom.
Tento rozdiel nie je náhodný. Je priamym dôsledkom chemického zloženia našej atmosféry v rôznych výškach, ale aj toho, že zo Slovenska sledujeme polárnu žiaru z inej perspektívy – z väčšej diaľky a viac zboku – než pozorovatelia za polárnym kruhom. Celý tento proces sa však začína oveľa skôr, než sa obloha rozsvieti, a to priamo na Slnku.
Geomagnetické búrky: motor polárnej žiary
Spúšťačom nebeského divadla sú udalosti, ktoré odborníci nazývajú geomagnetické búrky. Geomagnetická búrka je porucha v magnetosfére Zeme spôsobená slnečným vetrom. Tento vietor predstavuje prúd nabitých častíc, najmä protónov a elektrónov, zo slnečnej koróny.
Príčinou týchto búrok sú rôzne javy na Slnku, predovšetkým slnečné fláre, čo sú výbuchy vysokoenergetického žiarenia, a koronálne hmotné vyvrhnutia, ktoré predstavujú masívne výrony plazmy a magnetického poľa. Keď tento materiál dorazí k našej planéte, dochádza k náhlym a intenzívnym zmenám v geomagnetickom poli.
Podľa NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) sú geomagnetické búrky klasifikované podľa intenzity na stupnici od G1 (menšie) po G5 (extrémne). Práve pri tých silnejších (G3 až G5) dochádza k ionizácii atmosférických plynov, čo pozorujeme ako polárnu žiaru, no pre technológie to môže znamenať rušenie rádiových signálov či problémy v energetických sieťach.
Magnetické pole Zeme a slnečný vietor. Zdroj: iStock.com/DavidSzabo
Keď elektróny skáču po rebríku
Samotný vznik svetla si môžeme predstaviť ako hru s energiou na atómovej úrovni. Keď častice slnečného vetra vniknú do atmosféry, prudko sa zrážajú s atómami kyslíka a dusíka.
Pri tejto zrážke odovzdá slnečný elektrón atómu plynu časť svojej energie. Atóm sa tým dostane do takzvaného excitovaného stavu. Možno si to predstaviť tak, že v obale atómu akoby elektróny dostali „kopanec”, ktorý ich vystrelí na vyššiu energetickú hladinu, čiže ďalej od jadra. Na tejto vyššej priečke rebríka sa však atóm necíti stabilne. Elektrón sa prirodzene snaží vrátiť späť na svoje pôvodné miesto. Keď zoskočí z vyššej priečky naspäť dole, musí sa zbaviť prebytočnej energie, čo urobí vyžiarením fotónu, teda čiastočky svetla. Farba tohto svetla závisí od toho, aký veľký bol skok.
Zelená: kráľovná severských nocí
Najčastejšou farbou polárnej žiary je príznačná jasná zelená. Táto farba vzniká interakciou slnečných častíc s atómami kyslíka vo výškach približne 100 až 300 kilometrov nad zemským povrchom.
Tu však vstupuje do hry zvláštnosť kvantovej fyziky. Keď je atóm kyslíka excitovaný do stavu, ktorý produkuje zelené svetlo, trvá mu relatívne dlho – približne celú sekundu –, kým sa uvoľní a vyžiari fotón. Odborne sa tento jav nazýva zakázaný prechod (z anglického forbidden transition). Uvedený názov môže byť mätúci. V skutočnosti totiž tento prechod nie je nemožný, je len veľmi málo pravdepodobný, a preto trvá dlhšie, kým k nemu dôjde. Atóm akoby váhal, kým energiu uvoľní.
Prečo je táto sekunda dôležitá? V hustej atmosfére pri zemi by atóm kyslíka za sekundu stihol naraziť do miliárd iných častíc a energiu by stratil zrážkou (vo forme tepla) skôr, než by stihol zasvietiť. Avšak vo výške nad 100 km je vzduch už dostatočne riedky. Atóm kyslíka tam má okolo seba dosť priestoru, aby prežil bez zrážky celú sekundu a stihol vyžiariť typický zelený fotón.
Červená: farba veľkých výšok
Ak sa pozrieme ešte vyššie, t. j. do vrstiev nad 300 kilometrov, atmosféra je extrémne riedka, takmer ako vákuum. Aj tu dominuje atómový kyslík, no procesy tu prebiehajú inak. Pri excitácii kyslíka v týchto výškach môže vzniknúť sýta červená žiara.
Tento proces je ešte pomalší a „zakázanejší“ ako pri zelenej farbe. Excitovaný atóm kyslíka tu musí čakať až dve minúty, kým vyžiari červené svetlo. To vysvetľuje, prečo sa červená farba objavuje len v najvyšších vrstvách atmosféry. Keby sa tento proces mal udiať nižšie, kde je atmosféra hustejšia a plná iných molekúl plynu, atóm kyslíka by počas dvoch minút čakania zaručene do niečoho narazil. Pri zrážke by svoju energiu odovzdal a červené svetlo by nikdy nevzniklo.
Z toho vyplýva, že červená polárna žiara vzniká vždy, ale viditeľná je len vtedy, keď je geomagnetická búrka dostatočne silná na to, aby excitovala obrovské množstvo kyslíka v extrémnych výškach. Práve červenú farbu často pozorujeme na Slovensku. Keďže sa na polárnu žiaru pozeráme z diaľky smerom na sever, nízku zelenú žiaru nám zakrýva zakrivenie Zeme, ale vidíme vysoké červené „vrcholky“ siahajúce stovky kilometrov vysoko.
Dusík nečaká: modrá a purpurová
Kým kyslík je pomalý a váhavý, dusík – druhý najzastúpenejší plyn – reaguje okamžite. V atmosfére sa nachádza prevažne vo forme molekúl (N₂), ktoré sa správajú inak ako samostatné atómy kyslíka.
- Modrá a fialová: Objavujú sa, keď slnečné častice zasiahnu a ionizujú molekuly dusíka vo veľmi vysokých vrstvách atmosféry. Molekula dusíka vyžiari svetlo takmer okamžite po náraze (rádovo v nanosekundách). Nepotrebuje čakať, preto ho nezastavia ani prípadné zrážky s inými časticami. Modrá je však pre ľudské oko v noci ťažko viditeľná, preto ju často zachytia len fotoaparáty.
- Ružová a karmínová: Tieto farby sú typické pre spodný okraj polárnej žiary vo výškach pod 100 kilometrov. Tu je atmosféra veľmi hustá – molekuly vzduchu sú natlačené jedna na druhú. Aby sa slnečné častice dostali až sem dole, musia mať obrovskú rýchlosť a energiu. Keď tieto vysokoenergetické častice vrazia do molekúl dusíka v hustej vrstve, dusík okamžite zažiari intenzívnou ružovou farbou.
Ružový lem na spodku zeleného závesu je teda znakom toho, že slnečný vietor bol mimoriadne silný a dokázal preraziť hlboko do našej atmosféry.
Prečo vidí fotoaparát viac ako oko?
Mnohí pozorovatelia zostanú zaskočení, keď na oblohe vidia len sivastý závoj, no displej ich fotoaparátu ukazuje sýte farby. Nie je to podvod. Ľudské oko má v tme zníženú schopnosť vnímať farby. Naše tyčinky (bunky citlivé na svetlo) sú farboslepé a čapíky (bunky citlivé na farbu) potrebujú na aktiváciu silný impulz.
Senzor fotoaparátu tento biologický limit nemá. Pri dlhšej expozícii dokáže čip zbierať svetlo niekoľko sekúnd, čím vytvorí dostatok fotónov na vykreslenie farieb, ktoré sú pre naše oko príliš slabé. Pri extrémne silných geomagnetických búrkach (triedy G4 alebo G5) je však polárna žiara taká jasná, že prekoná prah citlivosti ľudského oka a aj bez techniky vidíme celú škálu od zelenej až po červenú.
Zdroje: NASA, SPACE.com, UNSW Sydney, iMeteo.sk
(KAM)
