Polarni sij

Za druge pomene glej Polarni sij (razločitev).

Aurora borealis

Aurora australis

Aurora borealis, vidna z Mednarodne vesoljske postaje

Polárni síj ali avróra je sijaj vidne svetlobe v zgornjih delih ozračja, viden ponoči. Ta čudoviti naravni pojav je aurora borealis ali severni sij verjetno poimenoval francoski filozof Pierre Gassendi leta 1621 po rimski boginji jutranje zarje Avrori. Že prej sta ga opisala Aristotel in Plinij. Polarni sij je opisan v različnih mitih skandinavskih narodov in Eskimov, kjer ima nadnaraven pomen. Na južni polobli je opazen enak pojav, britanski raziskovalec James Cook ga je opazoval na južnem Indijskem oceanu in ga leta 1773 imenoval Aurora australis.

Polarni sij je najpogosteje viden v dveh ovalnih pasovih okoli zemeljskih magnetnih polov, na približni »magnetni širini« 70 stopinj. Pojavlja se na višini okrog 100 km (termosfera). Na območjih pod ovalnim pasom je možno videti polarni sij skoraj vsako jasno noč. Na srednjih širinah je polarni sij zelo redko viden, največkrat kot šibko žarjenje na obzorju v smeri proti polu. Ob redkih priložnostih, po zelo močnih izbruhih na Soncu, se oval polarnega sija spusti proti jugu (ali severu na južni polobli) in takrat je viden višje na nebu tudi na srednjih zemljepisnih širinah.

Nastanek

Polarni sij nastane, ko električno nabiti delci magnetosfere, v glavnem so to elektroni, lahko tudi protoni (Sončev veter) in nekateri težki ioni (kisik in dušik), pridejo v stik z Zemljino atmosfero in tam reagirajo ter posledično zasvetijo. Trk delca sproži pri molekulah/atomih vzbujeno stanje, ki je primerno spremenjeni konfiguraciji elektronov. Po kratkem času se stanje zopet povrne na osnovno energijsko raven in pri tem se sprošča svetlobna energija, ki je splošno označena kot fluorescenca. Do teh pojavov privedejo tudi poskusi z jedrskim orožjem v višjih slojih atmosfere (400 km), kot na primer ameriški poskus Starfish-Prime 9. 7. 1962 Polarni sij se pojavlja zlasti v polarnih območjih, saj potujejo delci v Sončevem vetru po magnetnih silnicah zemeljskega magnetnega polja, ki imajo začetek in konec v magnetnih polih Zemlje. Sončev veter je električno nabita plazma, ki potuje s povprečno hitrostjo med 500 in 833 km/s (do 3.000.000 km/h) in z gostoto, ki je v bližini Zemlje približno enaka 5 × 106 delcev na m3. Na polih, kjer je smer magnetnega polja navpična glede na površino Zemlje, lahko nabiti delci vstopijo v Zemljino atmosfero. Plazma potrebuje pri večji hitrosti 2 dneva, pri manjši pa 4 dni, da prepotuje razdaljo med Soncem in Zemljo, ki znaša okoli 150 milijonov kilometrov. Polarni sij se pojavlja tako na severnih širinah (severni sij ali aurora borealis) kot tudi na južni polobli (južni sij ali aurora australis). Te pojave lahko opazimo tudi na drugih planetih našega sončnega sistema. Pogoj za to je, da ima planet lastno magnetno polje in atmosfero. Oblike polarnega sija so različne: od svetlečih lokov, pasov in vencev do svetlečih madežev, ki so podobni osvetljenim oblakom. Najbolj razgibani so nagubani pasovi, ki spominjajo na ogromne svetleče zavese, ki se gibljejo po nebu.

Pogostost

Pogostost pojavov polarnega sija v srednjih širinah (Srednja Evropa) je odvisna od aktivnosti sonca. Sonce gre skozi različne cikle delovanja (cikel Sončevih peg), ki potrebuje od začetka (Sončev oz. solarni minimum) preko sredine (Sončev oz. solarni maksimum) do konca (ponovni minimum) povprečno enajst let. Skupaj s tem ciklom niha tudi število polarnih sijev. Posebej pogosto se pojavljajo polarni siji med najmočnejšo aktivnostjo Sonca (nazadnje leta 2011/2012), saj so takrat izbruhi na Soncu še posebej močni. Pri teh izbruhih se sprosti ogromna količina delcev, ki so osnovnega pomena za polarni sij v Srednji Evropi. V zgodnjih in poznih fazah Sončevega cikla,ko je aktivnost blizu minimuma, je teh izbruhov veliko manj in zaradi tega je tudi verjetnost, da bo prišlo do polarnega sija, občutno manjša. Vseeno pa lahko opazujemo tudi v naraščajočem ali padajočem delu solarnega cikla močne dogodke. Tako je bilo moč videti polarni sij jeseni leta 2003 v Grčiji in na Kanarskih otokih. V sredini cikla, torej med Sončevim maksimumom, lahko v Nemčiji vidimo nekje med 10 in 20 teh svetlobnih pojavov letno. Na splošno se pojavljajo v severnem delu neba, samo pri zelo močnih Sončevih vetrovih se pojavijo na južni strani. Ker smo vezani na opazovanje Sonca z Zemlje in to vizualno, lahko kratkoročno napovemo polarni sij, saj je svetloba veliko hitrejša od delcev v plazmi. Napoved pa uspe bolje, če uporabimo prosto dostopne podatke raziskovanja Sonca in Sončevih vetrov, ki sta jih pripravila NASA in ESA. Ker potrebuje Sončev veter od Sonca do Zemlje od 2 do 4 dni, lahko torej računamo na polarni sij pod pogojem, da je bil izbruh močan. Statistična izpeljava, da se polarni sij pojavlja predvsem v jeseni in zgodnji zimi, od konca oktobra do sredine decembra, ter v pozni zimi in spomladi, od konca februarja do začetka aprila, ni absolutno zagotovilo za to, da bo takrat tudi res največ teh pojavov. Res je, da sta v tem času magnetni polji Sonca in Zemlje v primernem položaju drug na drugega, a je ta učinek zaradi majhnega nagiba Zemlje v primerjavi z učinkom ekliptike bolj ali manj zanemarljiv. Verjetneje je, da zaradi vremena/vremenskih razmer v najhladnejših zimskih nočeh le redki opazujejo nebo. Isto velja za poletje, saj je na severnem polu polarni dan in je praktično nemogoče opaziti severni sij. Na splošno lahko trdimo, da se pogostost polarnega sija manjša z razdaljo od severnega ali južnega pola. Tako lahko na primer v Nemčiji ali Sloveniji vidimo polarni sij samo med solarnim maksimumom in le zelo redko v drugih delih cikla. S pomočjo modernih digitalnih fotoaparatov nam je pa lahko vseeno dokumentiramo posamezne dogodke v drugih fazah Sončevega cikla tudi v Sloveniji. Intenzivnost polarnih sijev je začela naraščati leta 2007 in bo dosegla višek leta 2012. V ameriški vesoljski agenciji NASA menijo, da bodo v tem letu najmočnejši polarni siji v zadnjih 50 letih.

Barve

Polarni siji imajo lahko različne barve. Šibki polarni siji so pogosto bele barve, bolj poudarjeni so rumenozelene in rdeče barve. Te barve nastanejo zato, ker atomi v zgornjih predelih atmosfere (v glavnem atomarni kisik) fluorescirajo, ko jih zadenejo hitri nabiti delci. Ti izvirajo iz Sonca, magnetno polje Zemlje pa jih usmerja na območja polarnega sija. Zelena svetloba nastane pri reakciji z atomi kisika, ki preidejo v vzbujeno energijsko stanje na višini 100 km, rdeča svetloba pa nastane pri isti reakciji le na višini 200 km. Vzbujeni dušikovi atomi izžarevajo modro do vijolično svetlobo. Da dušikovi atomi preidejo v vzbujeno stanje, je potrebna zelo velika količina energije, tako da je te barve moč videti samo pri močnih Sončevih vetrovih. Ker delci v Sončevem vetru izven polarnega območja le redko predrejo globoko v atmosfero, je polarni sij v zmerno toplem pasu torej tudi v Evropi večinoma rdeče barve.

Zgodovina

Prva poročila o polarnih sijih so stara več kot 2000 let. Različne kulture v severu Amerike, Evrope in Azije so v svetlobnih pojavih videle dejavnost bogov ter duhov. Predstavljali so si, da plešejo ali pa se bojujejo, nekateri pa so jih jemali kot sporočila človeštvu. V srednjem veku je bil polarni sij podobno kot komet znanilec prihajajoče nesreče (npr. vojne, kuge, lakote). Ta pogled je podkrepila tudi barva svetlobe, saj je bila (krvavo) rdeča. Vikingi so v polarnem siju videli znamenje, da se je nekje na svetu končala velika bitka. V njihovih legendah so po vsaki bitki po nebu jezdile valkire in izbirale junake, ki so od takrat naprej lahko jedli pri Odinovi mizi. Medtem ko so jezdile po nebu, se je lunina svetloba odbijala od njihovih lesketajočih oklepov in tako je nastal polarni sij. V 18. stoletju so ljudje prvič poskusili znanstveno razložiti nastanek polarnega sija. Raziskovalci so najprej mislili, da gre za odboj sončne svetlobe od oblakov ali od ledenih kristalov. Šele nekaj časa kasneje je angleški astronom in matematik Edmond Halley – verjetno kot prvi – odkril povezavo med Zemljinim magnetim poljem in polarnim sijem, a vseeno mu ni uspelo razložiti svetlobe. To je uspelo švedskemu astronomu in fiziku Andersu Jonasu Ångströmu leta 1867, ko je lahko pokazal, da gre pri polarnem siju za plin, ki sam sveti. Teorijo o vzroku nastajanja svetlobe je postavil norveški fizik Kristian Birkeland leta 1896; sklepal je, da elektroni, ki pridejo od sonca, spodbudijo plin k oddajanju svetlobe. Ker takrat še niso vedeli za obstoj Sončevih vetrov (ti so bili dokazani so bili šele leta 1959 s sondo Lunik 1), je veliko ljudi dvomilo v to teorijo. Točen potek nastanka polarnega sija še danes ni povsem razjasnjen. Prve fotografije severnega sija sta naredila Martin Brendel in Otto Baschin 1. 2. 1892.

Vpliv na tehnične naprave in inštalacije

Energijsko bogati in električno nabiti delci Sončevega vetra, ki so odgovorni za nastanek polarnega sija, ustvarjajo elektromagnetna polja, ki imajo lahko škodljive vplive na elektronske naprave. Še posebej so v nevarnosti sateliti in tudi letala. Da se zagotovi varen polet, se preusmeri letala bliže k ekvatorju ali pa letijo na nižji višini. V času povečanega delovanja Sonca, morajo letala leteti po poti bližji ekvatorju in na nižji višini, saj je tam vpliv Sončevega vetra manjši. Poleg tega pa lahko pride do nihanja napetosti v električnem omrežju zaradi pojava indukcije. Močan Sončev veter je bil kriv za izpad elektrike v Kanadi leta 1989. Radijski valovi se med polarnim sijem na ioniziranih predelih atmosfere odbijajo. Ta učinek izkoriščajo radijski amaterji, da povečajo domet svojega signala. Ker pa odbiti signal moti radijski promet in ima veliko šumov, se uporablja način komunikacije z morsejevo telegrafijo (CW, A1A).

Literatura

• Kristian Schlegel: Vom Regenbogen zum Polarlicht - Leuchterscheinungen in der Atmosphäre. Spektrum Akad. Verl., Heidelberg 2001, ISBN 3-8274-1174-2.
• Syun-Ichi Akasofu: Exploring the Secrets of the Aurora. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-0-387-45094-0.
• Duncan A. Bryant: Electron acceleration in the aurora and beyond. Institute of Physics Publ., Bristol 1999, ISBN 0-7503-0533-9.
• Jure Atanackov in Javor Kac: Polarni sij nad Slovenijo : 20.novembra 2003, Spika, 2004, str. 34-36, ISSN 1318-0541