Polárna žiara
Marcel Škreka - 2015-10-15

Polárna žiara (aurora) je svetelný úkaz vo vysokej atmosfére Zeme a iných planét s atmosférou a magnetosférou. Vzniká interakciou častíc slnečného vetra s atómami atmosféry konkrétnej planéty.


aurora borealis bb2.jpg


Polárna žiara nad B.Bystricou 17.3.2015. Foto: Marek Harman


Najčastejšie sa vyskytuje okolo severného a južného magnetického pólu v útvare nazývanom aurorálny ovál, ktorý niekedy zasahuje aj do nižších geografických šírok, vzácne až do tropických oblastí (tzv. tropická žiara). Výnimočne boli polárne žiary pozorované vo výškach nad 1000 km, zatiaľ čo spodná hranica sa pohybuje okolo 100 km, zriedka zostúpi až do 60 km, čo je spodná hranica ionosféry.

Príčinou vzniku polárnej žiary je neustály prúd častíc slnečného vetra a slnečné erupcie, ktoré na prekonanie vzdialenosti Slnko - Zem potrebujú približne len 2 až 4 dni.

Slnečný vietor je tok nabitých častíc prúdiacich zo Slnka všetkými smermi. Pozostáva prevažne z elektrónov, protónov a jadier hélia (alfa častíc), ktorých hustota je v priemere len niekoľko častíc v centimetri kubickom a rýchlosť 300 až 800 km/s.

Slnečné erupcie sa do medziplanetárneho priestoru šíria ako medziplanetárne búrky – prúdy vysokoenergetických častíc. V porovnaní so slnečným vetrom sú polárne žiary vyvolané erupciami oveľa intenzívnejšie a rozsiahlejšie. Erupcie zo Slnka odnášajú oveľa viac iónov a elektrónov, silnejšie magnetické polia a šíria sa väčšími rýchlosťami.

Rýchlosť a hustota slnečného vetra, ako aj početnosť a mohutnosť erupcií závisia od fázy cyklu slnečnej aktivity a od nich zase závisia vlastnosti a trvanie polárnej žiary.

Polárne žiary sa objavujú častejšie počas mesiacov okolo rovnodenností. Tento proces nie je zatiaľ úplne pochopený, no počet geomagnetických búrok môže kolísať v závislosti od ročných období. Môže to závisieť od vzájomného sklonu zemskej a slnečnej magnetickej osi, ktorý sa počas roka periodicky mení.

Zem je neustále vnorená v slnečnom vetre, ktorého intenzita magnetického poľa je 2 až 5 nT (magnetické pole Zeme má intenzitu 30 000 až 50 000 nT). Tvar magnetosféry je ovplyvňovaný slnečným vetrom. K ich vzájomnému stretu dochádza vo vzdialenosti 70 000 km od Zeme, kde vzniká rázová vlna. Šírka magnetosféry na úrovni Zeme je 190 000 km, na nočnej strane siaha jej chvost ďalej ako 1 300 000 km. Množstvo častíc prúdiacich do magnetosféry sa zvyšuje s hustotou a rýchlosťou slnečného vetra. Častice prúdia hlavne z  chvosta magnetosféry k Zemi, okolo Zeme a od Zeme späť do medziplanetárneho priestoru cez magnetopauzu na dennej strane planéty. Časť z nich získava dodatočnú energiu pohybom pozdĺž siločiar magnetického poľa dolu do oblastí magnetických pólov. V aurorálnych ováloch častice interagujú s atómami atmosféry, ktoré potom žiaria podobne ako elektróny v neónových lampách - vzniká polárna žiara.

Typický aurorálny ovál sa nachádza 10° až 20° od magnetických pólov a jeho šírka je 3° až 6°. Počas geomagnetických búrok sa ovál zväčšuje – do nižších zemepisných šírok. Vzhľadom na magnetické póly je posunutý 3° až 5° smerom k nočnej strane planéty, takže najbližšie k rovníku je vtedy, keď sa magnetický pól nachádza medzi pozorovateľom a Slnkom. Tomuto času, keď je polárna žiara viditeľná najlepšie, hovoríme magnetická polnoc.

Prvým náznakom príchodu polárnej žiary je slabé svetielkovanie pri obzore. Po chvíli sa zapáli svietiaci oblúk, ktorý niekedy preklenie celú oblohu. Pri pohľade z kozmického priestoru sa javí ako koberec alebo záclona vlajúca vo vetre. Horný okraj je červený, spodný fialový až modrý, uprostred je zelená. Polárne žiary sa vyskytujú súčasne pri severnom aj južnom póle. Fotografie z lietadiel dokazujú, že aj tvary a priebeh sú symetrické. Tvary polárnych žiar, ich zmeny a pohyby sú rozmanité. Najvýraznejšie a najjasnejšie sú útvary podobné zvlneným záclonám. Niekedy sa celistvé “záclony“ rozpadajú na rýchlo sa meniace lúče, ktoré môžu zaplniť aj celú oblohu. Občas sú také jasné, že sa pri nich dajú čítať noviny.

Difúzna – rozptýlená polárna žiara sa prejavuje väčšinou beztvarým žiarením na hranici viditeľnosti. Obvykle pozostáva z fľakov, ktorých jas sa mení v pomerne pravidelných pulzáciách. Perióda pulzácií je niekoľko sekúnd, takže nemusí byť hneď zjavná. Občas sa pozoruje aj rýchle blikanie s frekvenciou pod 1 sekundu. Difúznu polárnu žiaru odlišuje od mesačného svetla to, že ňou nie je ovplyvnený jas hviezd. Pestrosť tvarov polárnej žiary spôsobuje zložitá interakcia zemskej magnetosféry s nabitými časticami zo Slnka a s magnetickým poľom, ktoré so sebou prinášajú.

Keď častica slnečného vetra narazí do atómu, spôsobí zmenu v jeho elektrónovej konfigurácii. Ak elektrón prejde na vyššiu energetickú hladinu, hovoríme, že je excitovaný. Po krátkom čase sa elektrón vráti na pôvodnú hladinu a je vylúčené (emitované) svetlo (fotón), hovoríme o fluorescencii. Pokiaľ je energia častice vyššia a elektrón je od atómu odtrhnutý, dochádza k jeho ionizácii. Pri následnom pohltení elektrónu atómom sa opäť uvoľní fotón, hovoríme o rekombinácii.

Najvyššie v atmosfére vzniká červené svetlo polárnej žiary. Vtedy je excitovaný atomárny kyslík, ktorý emituje fotóny na vlnovej dĺžke 630 nm. Nízka koncentrácia atómov a nízka citlivosť očí na túto vlnovú dĺžku spôsobuje, že je viditeľná len počas zvýšenej slnečnej aktivity.
V nižších vrstvách atmosféry sú častejšie emisie na vlnovej dĺžke zeleného svetla (557,7 nm). Za to, že takúto polárnu žiaru pozorujeme najčastejšie, môže zvýšená koncentrácia atomárneho kyslíka a vysoká citlivosť oka na túto farbu. Úlohu tu zohrávajú aj excitované molekuly dusíka, ktoré prenášajú energiu prostredníctvom zrážok atómom kyslíka, ktoré potom vyžarujú vo vlnových dĺžkach zodpovedajúcich zelenému svetlu. Prudký pokles koncentrácie atomárneho kyslíka pod cca 100 km je zodpovedný za ostrú spodnú hranicu “zelených záclon“ polárnej žiary.
Ionizovaný molekulárny dusík vyžaruje na mnohých vlnových dĺžkach v červenej ako aj modrej oblasti spektra, najviac však v modrej na vlnovej dĺžke 428 nm. Modré a fialové farby sa typicky vyskytujú na spodnom okraji “záclon“ pri výrazne vysokej slnečnej aktivite. Modré svetlo vzniká vtedy, keď ionizovaný atóm dusíka znovu získa elektrón a červené, keď sa vracia z excitovaného do základného stavu.
Červené spolu so zeleným a modrým svetlom môže vytvárať ružovú alebo žltú farbu.

Správanie sa kyslíka pri návrate do základného stavu je trochu nezvyčajné, lebo môže trvať až ¾ sekundy, kým vyžiari zelený fotón a až 2 minúty, kým vyžiari červený. Vyžarovaniu zabraňujú zrážky s inými atómami, ktoré absorbujú potrebnú excitačnú energiu. Pretože v najvyšších častiach atmosféry je nízka hustota vzduchu a vysoký podiel kyslíka, zrážky sa vyskytujú len ojedinele, čo dáva atómom kyslíka dostatok času na emitovanie červeného svetla. Čím ideme nižšie, zrážky sú častejšie, t.j. nie je dosť času na vyžiarenie červeného svetla a v ešte nižších hustejších častiach atmosféry potom ani zeleného. Toto je dôvod, prečo sa farba polárnej žiary mení s výškou od červenej cez zelenú až po modrú.

Polárna žiara navyše vyžaruje aj na rádiových vlnách na frekvencii 150 kHz, ktorá bola objavená v roku 1972 a je pozorovateľná len z vesmíru. Detegované bolo aj rentgenové, infračervené, alebo UV žiarenie aurory.

Elektrická energia, ktorú typická polárna žiara (trvajúca 3 h na rozlohe 1 mil. km2) vydá do atmosféry, je približné 100 mil. kWh. To je pre porovnanie týždenná spotreba energie štvrťmiliónového mesta.

Polárna žiara sa vyskytuje aj na iných planétach. Najzreteľnejšia je na Jupiteri a Saturne, ktorých intenzita magnetického poľa je v porovnaní so Zemou niekoľkonásobne väčšia. V prípade Jupitera je to asi 14 násobne viac, a ak by bolo možné očami vidieť jeho magnetosféru, zaberala by na oblohe rovnakú plochu ako Mesiac. Významným zdrojom polárnej žiary na Jupiteri je jeho mesiac Io. Jej zdrojom sú elektrické prúdy tvorené mechanizmom dynama pri vzájomnom pohybe rotujúcej planéty a obiehajúceho mesiaca. Polárne žiary boli pozorované aj na povrchu tohto mesiaca, ale aj na ďalších jeho mesiacoch Europe a Ganimede. Pri Jupiteri ako aj Saturne boli pozorované rozsiahle polárne žiary hlavne v UV oblasti spektra. Podobne boli polárne žiary pozorované aj pri Uráne a Neptúne.

Pretože Venuša nemá v jej jadre generované magnetické pole, polárne žiary sa tu pozorujú ako jasné rozptýlené oblasti rôzneho tvaru a intenzity, niekedy rozložené nad celou planétou. Vznikajú zrážkami elektrónov slnečného vetra s molekulami atmosféry Venuše.

Polárne žiary boli pozorované aj nad povrchom Marsu. Vyskytujú sa len lokálne v niekoľkých oblastiach s najsilnejším magnetickým poľom. Zdrojom svetla polárnej žiary boli opäť elektróny slnečného vetra, ktoré pri pohybe po magnetických siločiarach excitovali vrchnú atmosféru Marsu.