Smartfon pomógł rozwiązać zagadkę czerwonej zorzy polarnej

Czerwona zorza polarna wciąż kryje przed badaczami wiele niewiadomych, ale jedną z nich udało się właśnie częściowo wyjaśnić. Pomogły w tym fotografie, na których dostrzeżono niepozorny, lecz istotny detal - cienkie smugi światła podważające dotychczasowe teorie na temat powstawania tego zjawiska. Co istotne, zdjęcia te nie powstały w ramach żadnego zaplanowanego eksperymentu, lecz podczas efektownej zorzy zaobserwowanej w maju 2024 roku, a ich prawdziwe znaczenie ujawniło się dopiero podczas późniejszej, szczegółowej analizy.

Naukowcy przyjrzeli się zdjęciom. Dostrzegli na nich coś niezwykłego

Na pierwszy rzut oka fotografie ukazywały typowy obraz: intensywną czerwień unoszącą się nad zielonkawymi partiami zorzy. Dopiero wnikliwsza analiza ujawniła detal, który wcześniej umykał uwadze badaczy - między czerwonym a zielonym pasmem widoczne były delikatne, jasne promienie, zdające się spajać oba obszary zjawiska w jedną całość.

Fotografie powstały w Niemczech w nocy z 10 na 11 maja 2024 roku, podczas wyjątkowo silnej burzy geomagnetycznej. Tej samej nocy zorzę można było podziwiać także nad Polską, jednak dla naukowców prawdziwą wartość miało to, co ujawniła dopiero dokładna analiza zdjęć.

Wśród osób, które uwieczniły zjawisko, znalazł się Sami K. Solanki, dyrektor Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka - wyszedł on z aparatem, by sfotografować rzadkie widowisko na niebie. Analogiczne ujęcia wykonali również naukowcy z innych niemieckich ośrodków, nie zdając sobie jeszcze sprawy, że uchwycone przez nich detale pomogą rozszyfrować mechanizm powstawania czerwono-zielonych zórz.

W badaniu opublikowanym 3 listopada zespół przedstawił analizę tych nietypowych struktur świetlnych. Wyszło na jaw, że z pozoru mało istotne promienie mogą stanowić brakujący element układanki, tłumaczący, dlaczego podczas niektórych zórz czerwień i zieleń pojawiają się jednocześnie.

Czerwona i zielona zorza były po prostu ze sobą połączone

Sedno odkrycia tkwi w cienkich, jasnych smugach widocznych na zdjęciach. Czerwona poświata zajmuje na nich górną część nieba, poniżej rozciąga się zielona warstwa, a pomiędzy obiema strefami widać charakterystyczne promienie, które jakby przenikają z jednego obszaru do drugiego.

Takich ciągłych struktur łączących oba kolory wcześniej nie opisano w literaturze naukowej. Ich waga wykracza jednak daleko poza samą estetykę - smugi sugerują, że za powstawanie obu barw odpowiadał najprawdopodobniej jeden i ten sam proces fizyczny.

Zespół zestawił zdjęcia z danymi o wietrze słonecznym oraz zaburzeniach pola magnetycznego Ziemi. Wszystko wskazuje na to, że wysokoenergetyczne elektrony, przemieszczające się wzdłuż linii pola magnetycznego, docierały do różnych warstw atmosfery, gdzie wzbudzały atomy tlenu, powodując emisję światła w różnych barwach.

To istotna wskazówka, bo mechanizm powstawania czerwonych zórz na średnich szerokościach geograficznych był dotąd tłumaczony przez kilka konkurujących ze sobą hipotez. Nowe obserwacje pozwalają wykluczyć część z nich - przynajmniej w odniesieniu do tego typu smug, jakie uchwycono nad Niemcami.

Dlaczego na górze jest czerwono, a na dole zielono?

Choć obie barwy mogą powstawać w wyniku tego samego zjawiska - zderzeń elektronów z tlenem - różni je wysokość, na jakiej dochodzi do świecenia. Zielone zorze pojawiają się zazwyczaj na wysokości 85-130 km nad powierzchnią Ziemi, podczas gdy czerwone mogą występować znacznie wyżej, nawet kilkaset kilometrów nad planetą.

Decydujące znaczenie ma sposób zachowania wzbudzonych atomów tlenu. Zielone światło emitowane jest stosunkowo szybko, natomiast stan atomu odpowiadający za czerwień może trwać nawet około 110 sekund, zanim dojdzie do emisji fotonu. W gęstszych warstwach atmosfery taki atom znacznie częściej zderza się z innymi cząstkami i traci energię, zanim zdąży wyemitować czerwone światło.

To dlatego czerwona poświata typowo pojawia się w wyższych, bardziej rozrzedzonych partiach atmosfery, podczas gdy zielone światło powstaje niżej, w odmiennych warunkach fizycznych. Ciągłość świetlnych smug sugeruje, że elektrony opadające wzdłuż linii pola magnetycznego mogły wzbudzać tlen jednocześnie na różnych wysokościach, generując w ten sposób dwie barwy tego samego zjawiska.

Zwykły smartfon zobaczył coś, czego nie uchwyciły satelity

Co ciekawe, jedna z najcenniejszych fotografii została wykonana zwykłym smartfonem Google Pixel 7 w Brunszwiku, przy zaledwie 6-sekundowej ekspozycji. Podobny czas naświetlania - również 6 sekund - zastosowano przy zdjęciu wykonanym przez Solankiego aparatem Canon EOS R6 Mark II.

Krótka ekspozycja okazała się kluczowa dla zachowania subtelnych detali struktury zorzy. Przy znacznie dłuższym czasie naświetlania przemieszczające się promienie uległyby rozmyciu, tworząc jednolitą plamę światła, a to właśnie ich kształt miał decydujące znaczenie dla interpretacji całego zjawiska.

Trzeba pamiętać, że czerwone zorze na średnich szerokościach geograficznych powstają w rejonie, który trudno badać bezpośrednio. Satelity nie zawsze znajdują się we właściwym miejscu w odpowiednim momencie, a brak precyzyjnych danych o cząstkach sprawiał, że naukowcy musieli dotąd opierać się głównie na modelach teoretycznych.

Tym razem z pomocą przyszła obserwacja z powierzchni Ziemi. Same fotografie nie zastąpiły pomiarów satelitarnych, ale dostarczyły cennych informacji o przestrzennej budowie zjawiska. Zestawione z danymi dotyczącymi burzy geomagnetycznej pozwoliły zawęzić krąg możliwych wyjaśnień.

Nie wszystkie czerwone zorze muszą powstawać tak samo

Odkrycie nie zamyka jednak sprawy raz na zawsze - naukowcy nie rozwiązali ostatecznie zagadki wszystkich czerwonych zórz polarnych. Autorzy badania zaznaczają, że krótkotrwałe zjawisko zaobserwowane nad Niemcami może odbiegać od tzw. stabilnych czerwonych łuków zorzowych, które potrafią trwać nawet przez wiele godzin.

Możliwe więc, że identyczna barwa na niebie bywa efektem kilku różnych procesów fizycznych. W przypadku majowej burzy wszystko wskazuje na udział wysokoenergetycznych elektronów, jednak przy innych typach zórz równie ważną rolę mogą odgrywać inne mechanizmy przekazywania energii w magnetosferze oraz górnych warstwach atmosfery.

Warto pamiętać, że zorze są widocznym skutkiem oddziaływania aktywności Słońca z ziemskim polem magnetycznym. Szczególnie intensywne burze geomagnetyczne mogą zakłócać funkcjonowanie satelitów, systemów nawigacyjnych oraz infrastruktury energetycznej, dlatego tak ważne jest dokładne poznanie procesów towarzyszących ekstremalnym zjawiskom tego typu.

Czerwone zorze mają też znaczenie dla badań historycznych - dawne kroniki obserwacji nieba pozwalają naukowcom rekonstruować burze słoneczne, które miały miejsce setki lat przed powstaniem współczesnych przyrządów pomiarowych.

Naukowcy proszą o zdjęcia. Można pomóc nawet telefonem

Zespół badawczy planuje kontynuować prace i zachęca pasjonatów astronomii do dzielenia się własnymi fotografiami kolejnych zórz. Szczególnie przydatne będą zdjęcia wykonane przy krótkim czasie naświetlania, najlepiej nieprzekraczającym 6 sekund - dzięki temu łatwiej dostrzec subtelne promienie mogące zdradzać mechanizm powstawania świecącej poświaty.

Co istotne, do takich obserwacji nie jest potrzebny profesjonalny sprzęt - wystarczy odpowiednio skonfigurowany aparat lub smartfon, stabilne oparcie oraz odrobina szczęścia. Nie każda fotografia będzie miała wartość naukową, ale te wykonane w sprzyjających warunkach mogą dostarczyć danych niedostępnych z innych źródeł.

Słońce stopniowo wychodzi z fazy maksymalnej aktywności obecnego cyklu, co nie oznacza jednak końca widowiskowych zórz polarnych. Silne erupcje słoneczne nadal mogą się zdarzać, a wraz z nimi pojawią się kolejne szanse na obserwacje tego zjawiska.