Błyszczące zielone, czerwone i fioletowe zasłony zorzy polarnej i południowej – zorze polarne – mogą być najbardziej znanym zjawiskiem rozświetlającym nocne niebo, ale najbardziej tajemnicze są fioletowe i białe smugi zwane Stevem i ich częstym towarzyszem, świecący zielony „ogrodzenie”.
Po raz pierwszy rozpoznany w 2018 roku jako odrębny od zorzy polarnej, Steve – żartobliwe nawiązanie do łagodnego imienia, któremu w filmie dla dzieci z 2006 roku nadano przerażające żywopłot – i powiązany z nim płot, uznano jednak za spowodowane tym samym procesy fizyczne. Jednak naukowcy zastanawiali się, w jaki sposób powstały te świecące emisje.
Claire Gasque, absolwentka fizyki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, zaproponowała fizyczne wyjaśnienie tych zjawisk, które jest całkowicie odmienne od procesów odpowiedzialnych za dobrze znane zorze polarne. Połączyła siły z badaczami z Laboratorium Nauk Kosmicznych (SSL) na kampusie, aby zaproponować NASA wystrzelenie rakiety w serce zorzy polarnej, aby sprawdzić, czy ma rację.
Wibrujące zorze polarne i świecące zjawiska, takie jak Steve i płotek, stają się coraz bardziej powszechne, gdy Słońce wchodzi w aktywny okres swojego 11-letniego cyklu, a listopad był dobrym miesiącem na obserwacje Steve'a na północnych szerokościach geograficznych. Ponieważ wszystkie te przejściowe zjawiska świetlne są wywoływane przez burze słoneczne i koronalne wyrzuty masy ze Słońca, zbliżające się maksimum słoneczne to idealny czas na badanie rzadkich zjawisk, takich jak Steve i płot.
Gasque opisał fizykę za płotem w artykule opublikowanym w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Geophysical Research Letters, a wyniki omówi 14 grudnia podczas zaproszenia na spotkaniu Amerykańskiej Unii Geofizycznej w San Francisco.
Obliczyła, że w obszarze górnej atmosfery, położonym dalej na południe niż ten, w którym tworzą się zorze polarne, pola elektryczne równoległe do ziemskiego pola magnetycznego mogą wytworzyć widmo kolorów płotu. Jeśli to prawda, ten niezwykły proces ma wpływ na sposób, w jaki fizycy rozumieją przepływ energii między ziemską magnetosferą, która otacza Ziemię i chroni ją przed wiatrem słonecznym, a jonosferą na skraju kosmosu.
„W niektórych przypadkach wywróciłoby to do góry nogami nasze modelowanie tego, co wytwarza światło i energię w zorzy polarnej” – powiedział Gasque.
„Naprawdę interesującą rzeczą w artykule Claire jest to, że od kilku lat wiemy, że widmo Steve'a mówi nam, że zachodzi pewna bardzo egzotyczna fizyka. Po prostu nie wiedzieliśmy, co to jest” – powiedział Brian Harding, współautor artykułu i asystent fizyka badawczego SSL. „Artykul Claire pokazał, że równoległe pola elektryczne są w stanie wyjaśnić to egzotyczne widmo”.
Artykuł był pobocznym projektem doktora Gasque. rozprawa doktorska, która koncentruje się na związku między wydarzeniami takimi jak wulkany na powierzchni Ziemi a zjawiskami w jonosferze 100 kilometrów lub więcej nad naszymi głowami.
Jednak gdy usłyszała o Steve’ie – co stało się obecnie akronimem od określenia Strong Thermal Emission Velocity Enhancement – na konferencji w 2022 r., nie mogła się powstrzymać od przyjrzenia się fizyce stojącej za Stevem i płotem.
„To naprawdę fajne” – powiedziała. „To obecnie jedna z największych tajemnic fizyki kosmicznej”.
Fizyka Steve'a i płotu
Zorze polarne powstają, gdy wiatr słoneczny pobudza cząsteczki w magnetosferze Ziemi, często na wysokościach przekraczających 1000 kilometrów nad powierzchnią. Te naładowane energią cząstki wirują wokół linii pola magnetycznego Ziemi w kierunku biegunów, gdzie zderzają się i wzbudzają cząsteczki tlenu i azotu w górnych warstwach atmosfery. Kiedy te cząsteczki się rozluźniają, tlen emituje określone częstotliwości zielonego i czerwonego światła, podczas gdy azot generuje odrobinę czerwonej, ale przede wszystkim niebieskiej linii emisyjnej.
Powstałe w ten sposób kolorowe, połyskujące zasłony mogą rozciągać się na tysiące kilometrów na północnych i południowych szerokościach geograficznych.
Steve jednak nie wyświetla pojedynczych linii emisyjnych, ale szeroki zakres częstotliwości skupiony wokół fioletu lub fioletu. W przeciwieństwie do zórz polarnych ani Steve, ani płot nie emitują niebieskiego światła, które powstaje, gdy najbardziej energetyczne cząstki uderzają i jonizują azot. Steve i płotek występują również na niższych szerokościach geograficznych niż zorza polarna, potencjalnie nawet tak daleko na południe, jak równik.
Niektórzy badacze sugerowali, że Steve jest powodowany przepływem jonów w górnych warstwach atmosfery, określanym jako podauroralny dryf jonów (SAID), chociaż nie ma dobrze przyjętego fizycznego wyjaśnienia, w jaki sposób SAID może generować kolorowe emisje.
Zainteresowanie Gasque zostało wzbudzone sugestiami, że emisje płotu mogą być generowane przez pola elektryczne znajdujące się na małych wysokościach, równoległe do pola magnetycznego Ziemi, co uważa się za niemożliwą sytuację, ponieważ każde pole elektryczne wyrównane z polem magnetycznym powinno szybko ulec zwarciu i zaniknąć.
Korzystając ze wspólnego modelu fizycznego jonosfery, Gasque wykazał następnie, że umiarkowane równoległe pole elektryczne – około 100 miliwoltów na metr – na wysokości około 110 km może przyspieszyć elektrony do energii, która wzbudzi tlen i azot oraz wygeneruje widmo światła obserwowanego z płotu. Niezwykłe warunki panujące w tym obszarze, takie jak mniejsza gęstość naładowanej plazmy i bardziej obojętne atomy tlenu i azotu, mogą potencjalnie działać jako izolacja zapobiegająca zwarciom pola elektrycznego.
„Jeśli spojrzysz na widmo płotu, jest ono znacznie bardziej zielone, niż można by się spodziewać. I nie ma w nim błękitu pochodzącego z jonizacji azotu” – powiedział Gasque. „To nam mówi, że istnieje tylko określony zakres energii elektronów, który może wytworzyć te kolory i nie mogą one przedostać się z kosmosu do atmosfery, ponieważ cząstki te mają za dużo energii”.
Zamiast tego, powiedziała, „światło z płotu jest tworzone przez cząstki, które muszą być zasilane energią tam w przestrzeni przez równoległe pole elektryczne, co jest zupełnie innym mechanizmem niż jakikolwiek mechanizm zorzy polarnej, którą badaliśmy lub znaliśmy zanim.”
Ona i Harding podejrzewają, że sam Steve może powstać w wyniku powiązanych procesów. Ich obliczenia przewidują również rodzaj emisji ultrafioletu, jaką wytworzy ten proces, co można sprawdzić, aby zweryfikować nową hipotezę dotyczącą płotu.
Chociaż obliczenia Gasque nie uwzględniają bezpośrednio świecenia włączającego się i wyłączającego, które sprawia, że zjawisko to wygląda jak płot, prawdopodobnie wynika to z falowych zmian w polu elektrycznym – dodała. I chociaż cząstki przyspieszane przez pole elektryczne prawdopodobnie nie pochodzą ze Słońca, zamieszanie w atmosferze przez burze słoneczne prawdopodobnie wyzwala Steve'a i płotek, podobnie jak ma to miejsce w przypadku zorzy polarnej.
Wzmocnione zorze polarne wykazują blask przypominający płot
Harding powiedział, że następnym krokiem będzie wystrzelenie rakiety z Alaski przez te zjawiska i zmierzenie siły i kierunku pól elektrycznych i magnetycznych. Naukowcy zajmujący się SSL specjalizują się w projektowaniu i budowaniu instrumentów, które właśnie to robią. Wiele z tych instrumentów znajduje się na statkach kosmicznych krążących obecnie wokół Ziemi i Słońca.
Początkowo celem miałaby być tak zwana wzmocniona zorza polarna, czyli zwykła zorza polarna z osadzonymi w niej emisjami przypominającymi płot.
„Wzmocniona zorza polarna to w zasadzie jasna warstwa osadzona w normalnej zorzy polarnej. Kolory są podobne do płotu, ponieważ nie ma w nich tak dużo błękitu, a więcej zieleni z tlenu i czerwieni z azotu. Hipoteza jest taka, że te są również tworzone przez równoległe pola elektryczne, ale są one znacznie częstsze niż płot” – powiedział Gasque.
Plan zakłada nie tylko „przelot rakiety przez tę ulepszoną warstwę, aby po raz pierwszy faktycznie zmierzyć równoległe pola elektryczne”, powiedziała, ale także wysłanie drugiej rakiety w górę, aby zmierzyć cząstki na większych wysokościach, „aby rozróżnić warunki od tych, które powodują zorze.” W końcu ma nadzieję, że rakieta przeleci bezpośrednio przez Steve'a i płot.
Harding, Gasque i współpracownicy zaproponowali NASA jesienią tego roku właśnie taką kampanię rakietową i spodziewają się informacji zwrotnej na temat jej wyboru w pierwszej połowie 2024 r. Gasque i Harding uważają ten eksperyment za ważny krok w zrozumieniu chemii i fizyki górnych warstw atmosfery , jonosferę i magnetosferę Ziemi oraz propozycję zgodną z programem taniego dostępu do przestrzeni kosmicznej (LCAS) sponsorowanym przez NASA na potrzeby takich projektów.
„Można śmiało powiedzieć, że w przyszłości będzie wiele badań nad tym, w jaki sposób te pola elektryczne się tam dostały, z jakimi falami są, a jakie nie są powiązane, i co to oznacza dla większego transferu energii między ziemską atmosferą a przestrzenią kosmiczną” – stwierdził Harding. „Naprawdę nie wiemy. Artykuł Claire jest pierwszym krokiem w łańcuchu tego porozumienia”.
Gasque wyraziła wdzięczność za wkład osób badających środkową jonosferę, czyli mezosferę i stratosferę, których pomysły pomogły jej znaleźć rozwiązanie.
„Dzięki tej współpracy udało nam się poczynić naprawdę duże postępy w tej dziedzinie” – powiedziała. „Szczerze mówiąc, po prostu podążaliśmy za naszym nosem i byliśmy tym podekscytowani”.
Oprócz Harding jej współautorami są Reza Janalizadeh z Pennsylvania State University w University Park, Justin Yonker z Applied Physics Laboratory na Johns Hopkins University w Laurel w stanie Maryland i D. Megan Gillies z University of Calgary w Albercie, Kanada.
Częściowe wsparcie dla tej pracy zapewniła Narodowa Fundacja Nauki (AGS-2010088), Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (80NSSC21K1386) oraz stypendium Roberta P. Lin Fellowship na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.