Zorza polarna to piękne i niezwykłe zjawisko. I jak to często bywa – jego wyjaśnienie jest zarazem proste i skomplikowane…
Jeśli chcesz zrozumieć niezwykłe i fascynujące zjawisko zorzy polarnej – ten artykuł jest dokładnie dla ciebie. Jednak jeśli chcesz „po prostu” pojechać na Islandię i zorzę zobaczyć, wszystko czego potrzebujesz opisaliśmy w oddzielnym artykule: Jak zobaczyć zorzę na Islandii.
W islandzkich wierzeniach ludowych zorza miała ułatwiać poród, ale ciężarne kobiety nie powinny na nią patrzeć, żeby dziecko nie urodziło się zezowate…
Najkrócej mówiąc zorza polarna to świecenie atmosfery na skutek zderzania się z nią niezwykle szybkich elektronów „wystrzelonych” ze Słońca w czasie tzw. koronalnych wyrzutów masy (ang. Coronal Mass Ejections – CMEs). Ten wiatr słoneczny przylatuje na Ziemię na całej jej długości i szerokości, ale pole magnetyczne „spycha” go w stronę kręgów polarnych. Dopiero tam, w pobliżu koła podbiegunowego, słoneczne cząsteczki wnikają w naszą atmosferę, zderzają się z jej atomami i powodują ich świecenie. Żródłem wiatru słonecznego mogą być także tzw. dziury koronalne (czy powszechniej: plamy na Słońcu), mają one jednak mniejsze znaczenie.
Sam mechanizm powstawania światła zorzy jest niemal identyczny do tego jak świecą świetlówki, neony czy popularne samochodowe ksenony. Cząsteczki gazu otrzymują dawkę energi i chcąc się jej pozbyć emitują fotony, czyli światło. W zorzy polarnej świeci przede wszystkim tlen i azot.
Skoro zorza powstaje dzięki temu, że w atmosferę Ziemi uderzają elektrony, to jak to się dzieje, że nie uderzają one w Ziemię cały czas tak samo i czemu zorzy nie można zaobserwować w Warszawie, Atenach czy Kuala Lumpur?
Zorza polarna nie zawsze jest tak samo silna i nie wszędzie na Ziemi jest tak samo widoczna, ze względu na dwa czynniki: zmienność wiatru słonecznego i pole magnetyczne Ziemi. Zajmijmy się najpierw tym pierwszym.
Nasza gwiazda – Słońce – to ogromna kula helu, w której cały czas trwa reakcja fuzji termojądrowej. Dzięki temu na Ziemię dociera światło i ciepło, ale dzięki tej samej reakcji wysyłane w naszą stronę są także „luźne” elektrony (oraz inne cząsteczki).
Słońce w zasadzie cały czas wysyła we wszystkich kierunkach w miarę równomierną ilość tych cząsteczek, ale fuzja termojądrowa to reakcja z natury nieregularna. Spontanicznie zdarzają się w niej szczyty i 'dołki’, które w dodatku nie występują na całej powierzchni (czy objętości) Słońca równocześnie, a raczej „przytrafiają się” okazyjnie w różnych miejscach naszej gwiazdy.
Jednym z efektów tej nieregularności są wybuchy na powierzchni Słońca, zwieńczone wyrzutami ogromnej ilości materii słonecznej w przestrzeń kosmiczną. Jeśli miejsce i kierunek takiego wybuchu „trafiają” akurat swoją trajektorią w Ziemię, obserwujemy to jako znacznie zwiększoną 'gęstość’ i prędkość wiatru słonecznego.
Na marginesie: wybuchy na Słońcu są obserwowane bardzo uważnie, bo wiatr słoneczny ma poważny wpływ na pracę satelitów Ziemi, w tym m.in. na telewizję satelitarną czy systemy typu GPS.
Cząsteczki wiatru słonecznego starają się przemierzać kosmos w linii prostej, bez względu na to, w którą stronę lecą, ani na to czy napotkają na swojej drodze jakąś planetę czy księżyc.
Jednak elektrony w tym wietrze są naładowane elektrycznie, a Ziemia jest z kolei otoczona własnym polem magnetycznym. A naładowane elektrycznie cząsteczki w polu magnetycznym przestają poruszać się po linii prostej. Zaczynają poruszać się wzdłuż linii tego pola magnetycznego.
Głęboko wewnątrz Ziemi znajduje się żelazne jądro. W ogromnym uproszczeniu: kula płynnego żelaza. I to żelazne jądro tworzy pole magnetyczne, które wygląda trochę tak, jakby ktoś w oś obrotu planety wetknął ogromny magnes. Linie ziemskiego pola magnetycznego wychodzą nad powierzchnię planety w okolicy biegunów (ale nie na samych biegunach, a raczej w pobliżu kół podbiegunowych) i „łączą się” z liniami z drugiego bieguna wysoko nad równikiem.
W ten sposób nad równikiem i średnimi szerokościami geograficznymi tworzy się rodzaj magnetycznej poduszki czy zapory. Ta zapora spycha wszystkie naładowane elektrycznie cząstki w stronę biegunów. W okolicy koła podbiegunowego, tam gdzie pole magnetyczne „wychodzi” na powierzchnię Ziemi, powstają strefy, gdzie te zepchnięte, naładowane cząstki mogą – a nawet muszą – wniknąć w atmosferę.
Źródła elektronów w zorzy polarnej [źródło: NOAA]
Typowy obszar występowania zorzy polarnej na półkuli północnej. [źródło: UAF]
Na półkuli północnej owal zorzy przebiega przez zimną, daleką północ, ale jednak są to miejsca, w które można dojechać i do których dotarła cywilizacja. To Alaska, Kanada, północna Szwecja, Finlandia, Norwegia i Rosja, południe Grenlandii oraz praktycznie cała Islandia. Na półkuli południowej zorza polarna ukazuje się nad Oceanem Arktycznym i Antarktydą, więc ludziom bardzo trudno ją tam zobaczyć.
Indeks Kp jest wskaźnikiem używanym powszechnie do określania nasilenia globalnych zaburzeń magnetycznych w przestrzeni bliskiej Ziemi. Innymi słowy: do mierzenia siły burz magnetycznych w atmosferze.
Wskaźnik Kp został wprowadzony przez Juliusa Bartelsa w 1938 r. To także ten niemiecki naukowiec, urodzony w 1899 r. w Magdeburgu, zaproponował nazwę i oznaczenie indeksu. Nazwa Kp pochodzi od „planetarische Kennziffer”, co oznacza po prostu „indeks planetarny”.
Wartość Kp jest wyznaczana jako średnia ważona wskaźników K wyznaczonych w 13 (dawniej 11) naziemnych obserwatoriach pola magnetycznego. Każde z tych obserwatoriów mierzy „własny” zakres zmian pola magnetycznego, które są spowodowane przez zjawiska inne niż zmienność dobowa i długoterminowe składowe zmienności czasowej burzy. Następnie wartość ta jest odnoszona do typowej, średniej wartości dla danej lokalizacji. W ten sposób wyznaczany jest indeks K dla pojedynczego obserwatorium, a następnie przez uśrednienie wartości zaobserwowanych we wszystkich obserwatoriach, obliczany jest Kp, czyli K planetarny.
Na Islandii wartości poniżej 4 dają szanse na zobaczenie dość małej i słabej zorzy. Kp między 4 a 6 to już typowy, dobry „sztorm słoneczny” i szansa na aurorę pełnej wielkości i urody. Natomiast wartości Kp powyżej 6 pozwalają polować na największe i spektakularnie piękne światła polarne. Większe Kp przekłada się także na większą średnicę owalu zorzy – widać ją wtedy dalej od bieguna.
W praktyce zorzę na Islandii zdarza się zobaczyć nawet gdy indeks Kp wynosi zero, jednak im jest on wyższy, tym większe mamy na to szanse. Można powiedzieć, że przy wartości Kp < 4 musimy mieć sporo szczęścia, żeby zobaczyć zorzę. Natomiast przy Kp > 6 musimy mieć strasznego pecha, by jej NIE zobaczyć…
Kolor zorzy zależy przede wszystkim od tego, który pierwiastek świeci (tlen czy azot) i na jakiej wysokości nad powierzchnią Ziemi.
Światło zorzy najczęściej tworzy tlen, świecący na wysokości 120 do 300 km. Daje wtedy popularne światło zielone. Jeśli widzimy światło czerwone (to rzadkość), to znaczy że widzimy tlen świecący na wysokości ponad 300 km. Światło niebieskie, czy fioletowe, emituje z kolei azot (między 120 a 200 km).
Azot emituje swoje światlo szybciej niż tlen. Po prostu mniej czasu mija od momentu kiedy cząsteczka przyjęła energię ze zderzenia z elektronem, do momentu kiedy oddaje tę energię przez emisję fotonów. Dlatego gdy widzimy zorzę fioletowo-zieloną (czyli świeci zarówno azot, jak i tlen), to zwykle mamy wrażenie, że fiolet prowadzi, poprzedza zieleń, która niejako płynie za nim. Po prostu azot zaczął tam świecić nieco wcześniej niż tlen.
Poranna i wieczorna zorza ma często dodatkowy, dość duży komponent fioletowy w swojej górnej części – taki fioletowy pióropusz. Powstaje on tam, gdzie atomy azotu są dodatkowo pobudzane przez światło słoneczne. Ten efekt można oczywiście zobaczyć tylko w czasie zmierzchu i świtu – kiedy odrobina światła słonecznego dociera już (lub jeszcze) do górnych warstw atmosfery, ale kiedy ciągle (lub już) jest wystarczająco ciemno, żeby zorzę w ogóle zobaczyć.
Jeśli natomiast widzimy Aurorę białą, to oznacza to, że siła jej światła jest po prostu zbyt słaba, by nasze oczy były w stanie rozpoznać jej kolor. W bardzo słabym świetle oczy ludzkie nie odróżniają kolorów i widzą tylko na czarno-biało. Współczesne aparaty nie dadzą się w ten sposób „oszukać” i zawsze pokażą nam na zdjęciu prawdziwy kolor zorzy. Kolor takiej bardzo delikatnej zorzy można więc sprawdzić robiąc jej zdjęcie…
„Lekki”, łagodny wiatr słoneczny dociera do Ziemi niemal stale, więc małą, słabą zorzę polarną można na Islandii zobaczyć bardzo często. Natomiast większe burze magnetyczne są trudne do przewidzenia.
Naukowcy tworzą cztery rodzaje prognoz zorzy polarnej. Są one publikowane m.in. przez Amerykańskie Centrum Prognozy Pogody Kosmicznej (Space Weather Prediction Center, działające w ramach National Oceanic and Atmospheric Administration) oraz Uniwersytet Alaski w Fairbanks.
Prognoza wieloletnia opiera się na wnioskowaniu z cyklu aktywności słonecznej – tego jak często na Słońcu występują CME i plamy słoneczne. Cykl ten trwa około 11 lat, a więc pomiędzy jego maksimum a minimum mija pięć do sześciu lat. W okresie około czterech do pięciu lat wokół maksimum burze magnetyczne występują częściej i są bardziej intensywne. Szczyt obecnego cyklu ma przypaść na przełom lat 2024 i 2025. Niestety z tej wieloletniej prognozy nie można wywnioskować kiedy konkretnie (i gdzie) mamy szansę na dużą, silną zorzę polarną.
Największe zorze polarne spowodowane są wybuchami wyrzucającymi miliardy ton plazmy ze Słońca w przestrzeń kosmiczną – to koronalne wyrzuty masy, czyli CME (Coronal Mass Ejection). I wybuchy te często trwają w mniej więcej tej samej części Słońca nawet przez wiele miesięcy. Połączony ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca oraz ruch obrotowy Słońca wokół jego własnej osi powodują, że dane miejsce na powierzchni Słońca „strzela” w Ziemię mniej więcej co 27 dni. Dlatego jeśli raz zanotowaliśmy szczególnie silny wiatr słoneczny, to możemy się spodziewać, że po ok. 27 dniach zanotujemy go znowu. W ten sposób (w uproszczeniu oczywiście) powstaje prognoza 27-dniowa.
Niestety dokładność tej prognozy jest (także) niewielka. Z natury swojej prognoza ta nie uwzględnia nowych CME, historyczne szczyty mogą się w niej przesunąć nawet o kilka dni, a ich intensywność również się zmienia. Pamiętajmy też o wielkości kosmicznej skali – cóż nam po tym, że burza faktycznie trafi w Ziemię po 27 dniach, jeśli przesunie się choćby o 6 godzin i trafi w północną Kanadę, a nie w Islandię…
Zdjęcia korony Słońca wykonane przy użyciu koronografu. [źródło: NOAA]
Owal zorzy polarnej [NOAA]
Pierwszy punkt Lagrange’a znajduje się ok. 1,5 mln km od Ziemi, wprost w stronę Słońca, a więc na drodze wiatru słonecznego. Dane ze znajdujących się tam satelitów pozwalają dość dokładnie przewidywać burze magnetyczne w atmosferze Ziemi na 15 do 45 minut naprzód. Jest to więc prognoza dokładna, ale bardzo, bardzo krótka.
To na podstawie tych danych NOAA tworzy atrakcyjne animacje zasięgu owala zorzy. Ale większość tej animacji to dane za minone 24 godziny. Faktyczna, aktualna prognoza to tylko kilka ostatnich klatek.
Duże burze magnetyczne zdarzają się w atmosferze Ziemi przez cały rok, ale najczęściej w pobliżu równonocy jesiennej i wiosennej – kiedy oś Ziemi ustawiona jest prostopadle do Słońca. Jednak wtedy noc jest na Islandii dość krótka, więc dysponujemy małym „oknem ciemnościowym” do zobaczenia zorzy.
Dlatego lepiej jest polować na zorzę, gdy noc jest nieco dłuższa – w drugiej połowie października (ok. miesiąc po równonocy jesiennej) lub drugiej połowie lutego (ok. miesiąc przed równonocą wiosenną). Prawdziwa, astronomiczna noc trwa wtedy na Islandii od ok. godziny 20 – 21 wieczorem, aż do 6 – 7 rano, a Słońce wschodzi między 8, a 9 rano, a zachodzi między 18, a 19 wieczorem. Mamy więc do dyspozycji nawet ponad 10 godzin prawdziwej, ciemnej nocy. Dodatkowo szansa na zobaczenie porannej zorzy wypada wtedy we w miarę „ludzkich” godzinach 🙂
Jeśli spojrzymy na dane statystyczne odnośnie pogody na Islandii, to zobaczymy, że wprawdzie wyjazd w październiku (statystycznie) powinien być milszy, bardziej łagodny, ale że to w lutym mamy większe szanse na doskonałe warunki do podziwiania zorzy polarnej.
Na wykresie poniżej widzimy dane o średnim poziomie zachmurzenia, sile wiatru, ilości opadów i liczby godzin słonecznych dla poszczególnych miesięcy roku (dane dla Reykjaviku, uśrednione za lata 2000-2022). Jak widać średni stopień zachmurzenia jest na Islandii dość równy przez cały rok. W 9-stopniowej skali (od 0 do 8) waha się on tylko od 5.7 do 6.1, czyli naprawdę jest dość wysoki, ale bardzo stabilny. Suma opadów jest niższa wiosną i latem, ale od września do marca również jest dość stabilna. To co może zwrócić naszą uwagę, to że średnia prędkość wiatru jest wprawdzie najniższa latem, ale jednak w pierwszym kwartale roku jest wyraźnie wyższa, niż w czwartym. To efekt zimowych sztormów.
Natomiast sztormowa pogoda ma tendencję do tworzenia skrajnych warunków – także skrajnego zachmurzenia. Dlatego jeśli przesuniesz kursorem po wykresie, zobaczysz, że średnia dobowa suma godzin słonecznych w lutym wyniosła 2.3, w marcu 3.5, w październiku 3.1, a w listopadzie tylko 1.3. (Na marginesie: godziny słoneczne oczywiście wymagają, żeby słońca nie zasłaniały chmury, dlatego na Islandii nigdy nie ma ich zbyt wiele, mimo że w czerwcu dzień trwa prawie całą dobę.)
Oczywiście polując na zorzę unikamy słonecznych godzin. Jednak skoro liczba godzin słonecznych w lutym jest o ponad 75% większa, niż w listopadzie, to oznacza to, że znacznie częściej w lutym widać słońce, a więc także częściej mamy bezchmurną pogodę. Zauważ, że długość dnia jest w obu tych miesiącach bardzo podobna, tak samo jak średni poziom zachmurzenia (5.8 vs 5.7). Skoro średnie zachmurzenie jest w lutym takie samo, a jednak godzin słonecznych jest więcej, to musi to oznaczać, że zachmurzenie występuje rzadziej, ale jest bardziej intensywne. Jeśli już jest, to jest bardzo mocne, ale częściej zdarzają się także 'okna pogodowe’ – kiedy zachmurzenia nie ma. Tylko w ten sposób możemy osiągnać taki efekt jak widać w danych – że średnie zachmurzenie jest takie samo, ale mamy znacznie więcej (względnie) godzin słonecznych. Odwrotnie jesienią -dane wskazują, że zachmurzenie jest wtedy łagodniejsze, ale też i przerwy w nim są rzadsze.
I to jest druga strona sztormowej pogody – po ciężkim i czasem nawet niebezpiecznym sztormie, często przychodzi okres zimnej, wyżowej, ale pięknej i bezchmurnej pogody. A to właśnie jest ta pogoda, której potrzebujemy do 'upolowania’ zorzy. Zatem można powiedzieć, że „średnie” warunki łatwiej spotkać jesienią, ale warunki doskonałe, łatwiej jednak spotkać zimą…
Do przygotowania artykułu posłużyły nam niezwykle obszerne informacje pochodzące z następujących źródeł:
