Polárna žiara v SR: Dôsledok slnečnej aktivity alebo oslabenie magnetosféry?

V roku 2023 sa na našom území trikrát naskytlo úchvatné predstavenie – silná polárna žiara. Vo februári, apríli a novembri sa nočná obloha rozžiarila pestrými farbami. Okrem týchto troch pozorovaní bolo zaznamenaných aj niekoľko slabších polárnych žiar, zachytiteľných predovšetkým fotografickou technikou. Čím to, že tento u nás vzácny jav bol v roku 2023 tak častý?

Ako vzniká polárna žiara?

Zo Slnka k Zemi neustále prilieta prúd nabitých častíc – prevažne elektrónov, protónov a jadier hélia. Tomuto prúdu hovoríme slnečný vietor. Keď sa častice slnečného vetra zrážajú s molekulami vzduchu, vyrážajú elektróny z obalov týchto atómov na vyššie dráhy, a keď sa tieto elektróny spontánne vracajú späť na svoje pôvodné dráhy, vyžarujú svetlo veľmi presne určenej farby. Toto svetlo potom pozorujeme ako polárnu žiaru.

Ako je to s farbou polárnej žiary? Tá je určená molekulami, s ktorými sa častica slnečného vetra zráža. K zrážkam väčšinou dochádza vo výškach 100 km až 300 km. Tam je naša atmosféra zložená prevažne z atomového kyslíku O. Obvyklá molekula O2 sa tu nevyskytuje, pretože je slnečným žiarením rozkladaná práve na jednotlivé atómy O. Tiež v tejto výške nedochádza k miešaniu plynov v atmosfére prúdením a plyny sú tu teda viac-menej navrstvené podľa svojej hustoty. Atómový kyslík vyžaruje svetlo v špecifických farbách, ktoré môžete vidieť na obrázku 1.

Obr. 1: Farby vyžarované atómovým kyslíkom (Windows to the Universe team, Auroral Colors and Spectra, Boulder, CO: © 2010 National Earth Science Teachers Association, https://www.windows2universe.org/earth/Magnetosphere/tour/tour_earth_magnetosphere_09.html)

Aké farby môžeme pozorovať?

Obr. 2: Farby polárnej žiary vznikajúce v rôznych výškach

Najčastejšou farbou polárnej žiary je preto zelená. Červená farba, ktorú atómový kyslík tiež môže vyžarovať, nie je pri zrážkach v týchto výškach vyžarovaná, pretože energia uložená vo vyrazenom elektróne sa skôr spotrebuje na zrážky s inými atómami kyslíku, než sa stihne vyžiariť ako svetlo. V týchto výškach je hustota atmosféry ešte pomerne vysoká a stav kyslíku s elektrónom na vyššej dráhe odpovedajúci červenej farbe žiarenia je veľmi nestabilný – priemerná doba do vyžiarenia svetla je 110 sekúnd [3]. Preto červeno atómový kyslík žiari až od 300 km vyššie, kde je už atmosféra dosť riedka. Červené vyžarovanie je všeobecne slabšie, preto je možné červenú žiaru nad zelenou pozorovať iba keď častice slnečného vetra prenikajú do našej atmosféry vo veľkom množstve.

Polárne žiary pozorované začiatkom novembra mali ale aj ružové odtiene (viď obrázok 3 a obrázok 4).

Obr. 3: Polárna žiara nad Brnenskou priehradou, 5. november 2023, Vojtěch Otruba (https://www.astro.cz/clanky/multimedia/fotogalerie-polarni-zare-5-listopadu-2023.html)

Obr. 4: Polárna žiara v Českom Těšíně, 23. apríla 2023, Jakub Mazúr (https://www.astro.cz/clanky/multimedia/fotogalerie-necekane-jasna-polarni-zare-23-4-2023.html)

Tie vznikajú, keď do hry vstupuje ďalší plyn – konkrétne molekuly N2. Ako môžete vidieť na obrázku 5, tie vyžarujú modrú, červenú a žltú farbu.

Obr. 5: Farby vyžarované molekulárnym dusíkom, (Windows to the Universe team, Auroral Colors and Spectra, Boulder, CO: © 2010 National Earth Science Teachers Association, https://www.windows2universe.org/earth/Magnetosphere/tour/tour_earth_magnetosphere_09.html)

Farby z dusíku sa objavujú v polárnej žiare, pokiaľ sa častice slnečného vetra dostali veľmi hlboko do atmosféry – do výšky okolo 100 km.

Takže pokiaľ si to zhrnieme, pozorované polárne žiary svedčia o tom, že sa v roku 2023 častice slnečného vetra opakovane dostali i nad našim územím hlboko do atmosféry až k hranici 100 km. Je to problém?

Čím bol rok 2023 výnimočný?

Pretože sú častice slnečného vetra elektricky nabité, sú odkláňané zemským magnetickým poľom a za normálnych okolností vstupujú do atmosféry v oblastí pólov. Preto polárnu žiaru pozorujeme hlavne v týchto oblastiach. To, že častice slnečného vetra prenikajú takto hlboko do atmosféry v strednej Európe, je krajne neobvyklé, a ukazuje to na to, že z nejakého dôvodu neboli odklonené magnetickým poľom Zeme. K tomu môže dôjsť, pokiaľ erupcia na Slnku je nejakým spôsobom extrémna. Na obrázku 6 môžeme vidieť počty slnečných škvŕn.

Obr. 6: Počty slnečných škvŕn, WDC-SILSO, Royal Observatory of Belgium, Brussels

Vidíme, že súčasná slnečná aktivita zodpovedá bežnej slnečnej aktivite v blízkosti maxima 11-ročného slnečného cyklu. Špeciálne do novembra 2023 neprebehli žiadne erupcie najsilnejšej triedy X [4]. Teda pomerne obvyklé erupcie triedy M stačili na to, aby častice slnečného vetra neboli odklonené zemským magnetickým poľom a prenikli hlboko do atmosféry aj v strednej Európe. Môže to teda ukazovať na výrazné oslabenie zemského magnetického poľa. Na postupné slabnutie zemského magnetického poľa ostatne ukazujú aj merania družíc Swarm [5].

V čom je pre nás oslabovanie magnetického poľa nebezpečné? Jednak predstavuje okamžité riziko pre elektroniku a elektrické rozvodné siete, pretože slnečný vietor aj zo slabšej slnečnej erupcie môže skratovať elektroniku na družiciach, prípadne vybudiť prúdy, ktoré vyradia diaľkové vedenia vysokého napätia, ako sa to stalo v roku 1989 v Quebecu [6]. Z dlhodobejšieho hľadiska je potom silné magnetické pole kritické pre zachovanie života na Zemi. Bez jeho ochrany totiž slnečný vietor odfúkava plyny z vrchných vrstiev atmosféry a Zem by po dlhšej dobe prišla o atmosféru úplne, podobne ako Mars. Aj pri krátkodobom oslabení magnetického poľa slnečný vietor odfúkava kyslík a vodík z vrchných vrstiev atmosféry. Tým je tiež odvanutá ozónová vrstva a zvyšuje sa množstvo ultrafialového žiarenia dopadajúceho na zemský povrch [7].

Intenzívne polárne žiary na našom území teda nie sú len zaujímavým predstavením, ale tiež, aj keď nepriamo, ukazujú na stratu kyslíka z našej atmosféry a ďalšie problémy, ktoré pre nás ako ľudstvo oslabené magnetické pole znamená.

[1] https://annex.exploratorium.edu/learning_studio/auroras/difcolors.html

[2] https://www.space.com/aurora-colors-explained

[3] W. STOFFREGEN & H. DERBLOM: Life-Time of the Atomic Oxygen 6300 A. Line in the Auroral Spectrum, Nature (1960)

[4] https://www.spaceweatherlive.com/en/solar-activity/solar-cycle.html

[5] https://phys.org/news/2020-05-swarm-probes-weakening-earth-magnetic.html

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/March_1989_geomagnetic_storm

[7] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018RG000629