Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 34 – vyšlo 3. listopadu, ročník 21 (2023) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

34/2023

Říkejme mu třeba Steve

Miroslav Havránek

Slunci vděčíme nejen za světlo a teplo, ale i za mimořádnou podívanou v podobě polárních záříPolární záře – nepravidelné, proměnlivé elektromagnetické záření vytvářené v atmosféře tokem nabitých částic z okolního prostoru. Energetické částice pronikají do hlubších vrstev atmosféry, kde excitují neutrální molekuly. Typickým zdrojem nabitých částic z vnějšího prostředí je sluneční vítr. Na Zemi se polární záře typicky vytvářejí v polárních oblastech, kde podél uzavřených siločar vlastního magnetického pole planety pronikají do atmosféry nabité částice. U planet bez vlastního magnetického se polární záře vyskytují také, avšak navzdory svému názvu již nejsou vázány na polární oblasti, protože tyto planety žádné magnetické póly nemají.. Jejich výskyt je úzce spojen se sluneční aktivitou, a ta se právě v současné době blíží maximu v rámci jedenáctiletého slunečního cykluSluneční cyklus – přibližně jedenáctiletý základní cyklus v životě Slunce. Během něho se periodicky mění počet slunečních skvrn i samotný sluneční výkon. Poprvé o něm pro nás napsal Heinrich Schwabe v roce 1843, i když objeven byl už v 70. letech 18. století Christianem Horrebowem, jehož práce ale bohužel zapadla. Švýcarský astronom Rudolf Wolf (1816–1893) dopočetl sluneční aktivitu zpětně až do poloviny 17. století a cyklus z let 1755 až 1766 označil jako první. V  prosinci roku 2019 Slunce podle tohoto značení zahájilo 25. cyklus činnosti.. Kromě polárních září tvaru typických zvlněných zelených závojů se můžeme na obloze setkat i s dalším světelným jevem v podobě izolovaného úzkého světle fialového pruhu, zvaným Steve, který se klasickému popisu polárních září poněkud vymyká. Přestože Steve není zcela vzácným jevem, tak se o něj vědci začali blíže zajímat až teprve v minulém desetiletí. V dnešním bulletinu si Steva představíme blíže a podíváme se, co se od té doby o Stevovi zjistilo.

Steve, světle fialový zářící pruh na obloze, táhnoucí se východozápadním směrem.
Zdroj: Dave Markel Photography

Sluneční cyklus – přibližně jedenáctiletý základní cyklus v životě Slunce. Během něho se periodicky mění počet slunečních skvrn i samotný sluneční výkon. Poprvé o něm pro nás napsal Heinrich Schwabe v roce 1843, i když objeven byl už v 70. letech 18. století Christianem Horrebowem, jehož práce ale bohužel zapadla. Švýcarský astronom Rudolf Wolf (1816–1893) dopočetl sluneční aktivitu zpětně až do poloviny 17. století a cyklus z let 1755 až 1766 označil jako první. V  prosinci roku 2019 Slunce podle tohoto značení zahájilo 25. cyklus činnosti. Polární záře – nepravidelné, proměnlivé elektromagnetické záření vytvářené v atmosféře tokem nabitých částic z okolního prostoru. Energetické částice pronikají do hlubších vrstev atmosféry, kde excitují neutrální molekuly. Typickým zdrojem nabitých částic z vnějšího prostředí je sluneční vítr. Na Zemi se polární záře typicky vytvářejí v polárních oblastech, kde podél uzavřených siločar vlastního magnetického pole planety pronikají do atmosféry nabité částice. U planet bez vlastního magnetického se polární záře vyskytují také, avšak navzdory svému názvu již nejsou vázány na polární oblasti, protože tyto planety žádné magnetické póly nemají. Aurorální ovál – plošný výboj zářící v okolí 70. geomagnetické rovnoběžky Země. Je způsoben excitacemi atomů atmosféry pronikajícími nabitými částicemi slunečního větru. Při zvýšeném přísunu částic se aurorální ovál rozvine do polárních září. Aurorální ovály byly detekovány i u Jupiteru a Saturnu. Alfvénova vlna – jedna ze tří magnetozvukových vln, které se mohou šířit plazmatem. Pro Alfvénovu vlnu je typická anizotropie, dominantně se šíří podél magnetického pole. Magnetické siločáry se rozvlní kolmo na svůj směr, což připomíná pohyby trávy ve větru. Alfvénova vlna se šíří Alfvénovou rychlostí a je pojmenována podle švédského fyzika Hannese Alfvéna.

O původu jména

Fenomén Steve se dostal do širšího povědomí díky skupině vědeckých nadšenců a amatérských fotografů polárních září z kanadské Alberty, kteří si všimli neobvyklého, výrazného, světle fialového až bílého úzkého pásu na obloze, táhnoucího se od východu na západ, který se obvykle vyskytuje o několik stupňů blíže k rovníku než typická polární záře. Tento úkaz byl na první pohled odlišný od polární záře a mechanizmus jeho vzniku nebylo možné uspokojivě vysvětlit. V roce 2016 Chris Ratzlaff, člen skupiny těchto lovců polárních září, pojmenoval neznámý jev prostě „Steve“ podle motivu z animovaného filmu Za plotem (Over The Hedge). Panoval také názor, že Steve je projevem protonové polární záře, což ovšem okamžitě přilákalo pozornost vědců z Calgarské univerzity, kteří polární záře dlouhodobě zkoumají a věděli, že to protonová polární záře být nemůže. Od té doby je zdokumentováno velké množství pozorování tohoto jevu nejen od amatérských fotografů polárních září, ale i z kosmických družic a výzkum Steva nabral na intenzitě. Označení Steve je dnes spíše akronymem z anglického „Strong Thermal Emission Velocity Enhancement“ než neznámá věc z animovaného filmu.

Chris Ratzlaff, autor pojmenování Steve a vedoucí skupiny
lovců polárních září v kanadské Albertě. Zdroj: NASA.

Netypická polární záře

Typickou polární záři způsobují rychlé elektrony slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera., které jsou zachyceny magnetickým polem Země a vstupují do ionosféryIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 10⁶ cm⁻³. v oblasti kolem magnetických pólů. V tomto takzvaném aurorálním ováluAurorální ovál – plošný výboj zářící v okolí 70. geomagnetické rovnoběžky Země. Je způsoben excitacemi atomů atmosféry pronikajícími nabitými částicemi slunečního větru. Při zvýšeném přísunu částic se aurorální ovál rozvine do polárních září. Aurorální ovály byly detekovány i u Jupiteru a Saturnu. nabité částice excitují atomy kyslíku a dusíku za vzniku světelných efektů, které pozorujeme jako polární záři. Nejtypičtější barvu polární záři (zelenou nebo červenou) dávají přechody elektronů mezi konkrétními energetickými stavy atomů kyslíku. Spektrum polární záře tedy tvoří pouze několik spektrálních čar. Světelné jevy se vyskytují v ionosféře, typicky ve výškách 90 až 250 km, tedy podstatně výše než například mraky. Jejich tvar určuje převážně aktuální stav magnetosféry, která na denní straně zasahuje asi 10 zemských poloměrů daleko a na noční straně asi 60 poloměrů daleko. Jedná se o velmi rozlehlou oblast, do které zasahuje i oběžná dráha Měsíce. Polární záře je jen nepatrným viditelným projevem mnohem rozsáhlejší interakce nabitých částic s magnetickým polem Země a s ionosférou.

Typická polární záře, v níž tok nabitých částic ze Slunce, formovaný magnetickým polem Země, excituje atomy atmosféry. Výsledkem jsou charakteristické zelené závoje, které můžeme pozorovat na obloze za polárním kruhem. Foto: autor.

Steve bývá pozorován několik stupňů mimo aurorální ovál směrem k rovníku, v úzkém pásu táhnoucím se rovnoběžně s rovníkem v délce až 2000 km. Spektrum Steva je spojité, čímž se zásadně liší od typické polární záře, a jeho světlo má spíše tepelný charakter. Ve velmi volné analogii můžeme, z hlediska mechanizmu jeho vzniku, světlo polární záře přirovnat ke světlu výbojky, zatímco světlo Steva můžeme přirovnat spíše ke světlu klasické tepelné žárovky.

Steve nad Britskou Kolumbií v Kanadě. Foto: Ryan Sault.

Výzkum Steva

Steve byl zkoumán na základě fotografií z celooblohových kamer a také fotografií amatérských fotografů polárních září. Klíčové informace o podstatě Steva ale přinesla až pozorování z vesmíru. V roce 2016 proletěla jedna z družic Swarm (viz AB 39/2016, AB 39/2017) přímo nad Stevem ve výšce 450 km nad zemí, a mohla tak přímo prozkoumat prostředí, ve kterém tento jev vzniká. Družice Swarm v této oblasti naměřila mimořádně vysokou rychlost iontů ve směru od východu na západ (více než 5 km/s), pokles hustoty elektronů a výrazné zvýšení jejich teploty až na hodnotu 6000 K.

Měření intenzity záření Steva prováděná pozemní kamerou (A) a data pořízená sondou Swarm Alpha (B, C, D, E) v roce 2016. Oblast odpovídající výskytu Steva je označena růžovou barvou. Graf (B) ukazuje rychlost iontů ve východním směru, graf (C) zobrazuje změnu magnetického pole ve východním směru oproti ne­na­ru­še­né­mu poli, v grafu (D) je zobrazena teplota elektronů a graf (E) nese informaci o koncentraci elektronů. Zdroj: [1].

Data z družice Swarm naznačují, že by Steve mohl souviset s výrazným subaurorálním iontovým driftem označovaným zkratkou SAID (Sub Auroral Ion Drift), o jehož existenci víme už více než 40 let, ale doposud nebyla jeho přítomnost spojována s projevy ve viditelné části spektra. Z družicových experimentů víme, že SAID tvoří tok iontů, pohybujících se ve zkříženém elektrickém a magnetickém poli Země (tzv. E×B drift), formující pruh široký 0,5 až 2 úhlové stupně, který se nachází mimo aurorální ovál blíže k rovníku, tedy podobně jako Steve. Přesný mechanizmus vzniku těchto iontových driftů a vysvětlení jejich geometrického uspořádání je ale stále předmětem výzkumu. 

Vizualizace aurorálního oválu (zelený pruh blíže k severu) a subaurorálního iontového
driftu (fialový pruh blíže k rovníku). Zdroj: NASA.

Do roku 2019 bylo podobných průletů sond Swarm nad Stevem zaznamenáno osm a výsledky všech měření potvrdily, že Steve je skutečně optickým projevem neobvykle intenzivního subaurorálního iontového driftu s nadprůměrnými rychlostmi iontů a teplotami elektronů [2].

Jedno z možných vysvětlení podstaty světelného jevu uvažuje interakci molekul s těmito rychlými ionty. Neutrální molekuly dusíku N₂ jsou bombardovány rychlými ionty, které excitují molekuly N₂ do vysokých vibračních stavů. Atomy v takové molekule jsou potom vázány velmi volně a často se stane, že jeden atom dusíku je nahrazen atomem kyslíku a vznikne molekula NO. V dalším kroku se pak na tuto molekulu naváže další atom kyslíku za vzniku molekuly NO₂. Přitom se uvolní záření, které vytváří mnoho molekul, a má proto spojitý charakter [3]. Toto záření pak můžeme pozorovat jako charakteristický světle fialový pruh na obloze.

Aby proces mohl fungovat, musí mít ionty okolního prostředí dostatečnou rychlost, a to 4 až 6 km/s, což přesně odpovídá rychlostem iontů naměřeným sondami Swarm při průletech v oblasti nad Stevem. Popsaný princip vyzařování je zatím pouze hypotézou a je třeba provést další experimenty, jako například přímé měření koncentrace NO a atomárního kyslíku v iontových driftech SAID, aby bylo možné tuto hypotézu podpořit, nebo vyvrátit.

Steve jako tyčkový plot

Steve se občas vyskytuje společně s nazelenalou periodickou strukturou zvanou ve vědeckém žargonu Picket Fence (volně přeloženo jako „tyčkový plot“), kterou pozorujeme v nižších výškách než Steva, přičemž oba jevy se nacházejí mimo aurorální ovál. Picket Fence byl pozorován v časové koincidenci na obou polokoulích současně, což znamená, že zdroj této zelené záře musí být daleko nad ionosférou, tedy v magnetosféře Země. Za jeho původ jsou zodpovědné opět rychlé elektrony, podobně jako u polární záře, ale v tomto případě jsou elektrony urychleny přímo v magnetosféřeMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. Země složkou elektrického pole, která je rovnoběžná s magnetickými siločárami. Přítomnost těchto polí byla naměřena dvojicí sond Van Allen Probe, které měřily parametry magnetosféry vysoko nad Stevem. Původem těchto urychlujících elektrických polí, rovnoběžných s magnetickým polem, jsou magnetoakustické vlny v plazmatu, konkrétně kinetické Alfvénovy vlnyAlfvénova vlna – jedna ze tří magnetozvukových vln, které se mohou šířit plazmatem. Pro Alfvénovu vlnu je typická anizotropie, dominantně se šíří podél magnetického pole. Magnetické siločáry se rozvlní kolmo na svůj směr, což připomíná pohyby trávy ve větru. Alfvénova vlna se šíří Alfvénovou rychlostí a je pojmenována podle švédského fyzika Hannese Alfvéna., které se šíří magnetosférou. Takto urychlené elektrony v magnetosféře pronikají do ionosféry a vytvářejí nazelenalou polární záři, kterou pozorujeme pod Stevem. Za prostorové modulace této polární záře pod Stevem jsou patrně zodpovědné nestability v ionosféře způsobené její interakcí s Alfvénovými vlnami na rozhraní ionosféry a magnetosféry Země [7].

Steve a Picket Fence Zdroj: Robert Downie Photography.

Závěr

Steve je krásným příkladem toho, že ne všechny přírodní jevy plně chápeme a že je stále možné učinit zajímavý objev například jen s fotoaparátem a nadšením pro věc. Steve zdaleka není úplně prozkoumán a je spíše ve stádiu řetězové reakce, kdy zodpověděním jedné otázky vznikne několik dalších otázek. V každém případě studium Steva přineslo řadu zajímavých informací o fyzikálních procesech v našem blízkém kosmickém okolí, které formují kosmické počasí kolem naší planety. Kosmické počasí ovlivňuje například šíření signálů družic pro telekomunikace, GPS a další, a jeho pochopení je důležité nejen pro vysvětlení esteticky krásných jevů, jako je Steve, ale je důležité i pro udržení technologického rozvoje lidstva.

Odkazy