Wiatr słoneczny: symulacja zorzy polarnej w szkole Teach article

Tłumaczenie Jolanta Karpińska. Zorza polarne są jednym z cudów świata. Za pomocą prostego urządzenia, to i podobne zjawiska mogą być łatwo symulowane w klasie.

Zorza polarna to zjawisko świetlne widoczne w rejonach polarnych, w których rozrzedzone powietrze w górnej atmosferze świeci i mieni się w nocy. Są one również znane jako północne i południowe (lub polarne) światła. W tym artykule wyjaśnimy jak zorza polarna powstaje i opiszemy cztery ćwiczenia, odpowiednie dla uczniów w wieku 14–16 lat, w których to i podobne zjawiska mogą być symulowane.

Być może nieoczekiwanie, ale przyczyna zorzy nie leży w ziemskiej atmosferze, ale w Słońcu. Słońce – nasza gwiazda – uwalnia swoją energię do przestrzeni na dwa sposoby: jako promieniowanie słoneczne, obserwowane każdego dnia oraz jako wiatr słoneczny, który jest niewidoczny. Wiatr słoneczny współdziałając z górną warstwą atmosfery stanowi źródło energii dla zorzy polarnej . Wiatr słoneczny ma wiele właściwości. Składa się z naładowanych cząstek – elektronów i jonów, głównie są to jony wodoru (protony). Prędkość wiatru słonecznego mieści się w zakresie kilkudziesięciu do kilku tysięcy kilometrów na sekundę, a jego gęstość od kilku (zwykle pięciu) elektronów i protonów na centymetr sześcienny przy odległości Ziemi od Słońca.

Ze względu na elektryczne naładowanie, wiatr słoneczny jest wrażliwy na działanie pól magnetycznych. Jedną z konsekwencji jest to, że znaczna część cząstek wiatru słonecznego, które przechodzą przez naszą planetę są uwięzione przez pole magnetyczne Ziemi (Ryc. 1) i ostatecznie skierowane w stronę jednego z ziemskich biegunów magnetycznych. Te uwięzione cząsteczki tworzą to, co jest znane jako pas Van Allena (pas radiacyjny).

W przeważającej części pas Van Allena leży znacznie powyżej powierzchni Ziemi (około 45 000 km przy równiku). Jednak na biegunach przechodzi on do atmosfery: naładowane cząstki zderzają się z atmosferą na wysokości 80–500 km, gdzie powietrze jest bardzo rozrzedzone (pod ciśnieniem poniżej kilku dziesiątych Pascala).

Jak to powoduje powstanie zorzy polarnej? Podczas kolizji atomy w atmosferze stają się zjonizowane (gdy jeden lub więcej elektronów zostanie wyemitowanych) lub wzbudzone (gdy kolizja zwiększa poziom energetyczny elektronu, lecz nie zostaje on wyemitowany), a tym samym niestabilny.

Aby powrócić do stanu podstawowego muszą albo zostać poddane reakcji chemicznej lub uwolnić energię która została pochłonięta w formie światła. Kiedy podczas tego procesu zostaje wyemitowane światło widzialne, zjawisko to nazywamy zorza polarna. Widziane z kosmosu, północne i południowe zorza polarne tworzą pierścień znany jako auroral oval, wyznaczający obszar w którym pas Van Allena pogrąża się w ziemskiej atmosferze (patrz obraz na lewo).

Mimo, że najbardziej nam znane są zorza polarne na Ziemi, zjawiska te nie są ograniczone tylko do naszej planety: astronomowie zaobserwowali zorza na innych planetach Układu Słonecznego, szczególnie na Jowiszu i Saturnie, a nawet na Marsie, powyżej anomalii magnetycznych.

Podstawowe doświadczenie

Norweski naukowiec Kristian Olav Birkeland (1867–1917) był pierwszym który użył małe namagnesowane kule zwane terrella (miniaturowy model Ziemi), aby wykazać mechanizm zjawiska zorzy polarnej. W komorze próżniowej katoda, reprezentująca Słonce, wytwarza strumień elektronów (wiat, choć w rzeczywistości elektrony są tylko jednym z elementów wiatu słonecznego), podczas gdy terrella (anoda) pod wpływem tego wiatru zachowuje się jak planeta lub inne ciało w Układzie Słonecznym. Ustawienie doświadczenia może być różne (jak opisano poniżej) w celu obserwacji szeregu zjawisk fizycznych.

Urządzenie może zostać łatwo zbudowane przy użyciu materiałów powszechnie dostępnych w szkołach. Budowa trwa około 10 godzin. Ogólne ustawienie jest pokazane na ryc. 2; pobraćinformacje o materiałach i budowie^w1 ze strony internetowej Science in School.

Ćwiczenie 1: Symulacja zorzy polarnej i pasa Van Allena

W tym doświadczeniu, podobnym do eksperymentu wykonanego przez Birkelanda, przeprowadzimy symulacje zorzy polarnej i pasa Van Allen. Urządzenie powinno być ustawione tak, aby elektroda (reprezentująca Słońce) zawieszona w górnej części komory próżniowej była katodą wytwarzajacą strumień elektronów (Ryc. 2). Kula magnetyczna reprezentująca Ziemie jest anodą a jej oś magnetyczna powinna być prostopadła do strumienia elektronów.

Elektrony (‘wiatr słoneczny’) przyciągają i otaczają kulę (‘Ziemię’, która jest anodą) zderzając się z atomami gazu, ponieważ komora nie jest idealną próżnią. Widzimy to jako blask wokół kuli. Następnie elektrony przemieszczają się w kierunku biegunów kuli i obiegają biegun po linii pola magnetycznego. Zjawisko to jest widoczne jako jasny pierścień wokół każdego bieguna (Ryc. 3).

Jak ta symulacja odnosi się do rzeczywistości? Poświata, czy też blask widziany wokół kuli magnetycznej reprezentuje pas Van Allena, który w rzeczywistości jest tylko widoczny na biegunach wchodząc w ziemską atmosferę. W naszej symulacji, ze względu na obecność niewielkiej ilości gazu w komorze, ‘pas Van Allena’ obrazuje pole magnetycznego całej ‘Ziemi’.

Jasne pierścienie wokół każdego bieguna w naszym doświadczeniu przedstawiają owalny kształt zorzy polarnej. Jak w rzeczywistości są one spowodowane przez dużą liczbę elektronów (należy pamiętać, że linie pola magnetycznego są bliżej siebie na biegunach) uderzających w atomy gazu.

Kolory w symulacji różnią się od tych powszechnie widzianych w światłach północnych i południowych. Najjaśniejsze kolory w ziemskiej zorzy polarnej (zielony i czerwony) są spowodowane przez cząsteczki tlenu obecnego tylko w górnej warstwie atmosfery. Kolory w naszej symulacji (fioletowy, czerwony, różowy i biały) występują w zorzy polarnej tylko na niższych wysokościach obfitych w cząsteczkowy tlen i azot. Kolory te są widoczne tylko kilka razy w ciągu dekady, gdy wiatr słoneczny wchodzi w atmosferę ze szczególnie wysoką prędkością.

Ćwiczenie 2: Demonstracja siły Lorentza

W poprzednim doświadczeniu kula była anodą reprezentującą Ziemię, natomiast druga elektroda przedstawiała gwiazdę (Słońce). W tym doświadczeniu, aby zobaczyć efekt wiatru słonecznego wokół gwiazdy, zamienimy role ustawiając kule jako katodę. Zobaczymy wtedy jasny pierścień wokół równika ‘gwiazdy’ (Ryc. 4).

Co się dzieje? Pod wpływem siły Lorentza (znanej również jako siła Laplace’a) elektrony krążą wokół magnetycznego równika kuli, która powstaje, gdy naładowana cząsteczka przemieszcza się w polu magnetycznym. Siła ta jest prostopadła zarówno do kierunku w którym poruszają się cząstki jak i do pola magnetycznego, powodując obracanie sie cząstkek wokół linii pola magnetycznego. To tworzy prąd pierścieniowy gwiazdy.

Jak nasza symulacja odnosi się do rzeczywistości? Wokół Słońca nie ma prądu pierścieniowego, ponieważ jego pole magnetyczne nie jest wystarczająco silne. Możliwe jest jednak, że prądy pierścieniowe wystepują wokół innych gwiazd z silniejszymi polami magnetycznymi, ale nie mogą być obserwowane za pomocą obecnych teleskopów, ponieważ gwiazdy same w sobie są znacznie jaśniejsze niż obecny pierścień.

Ćwiczenie 3: Tworzenie zorzy na Słońcu

Również w tym doświadczeniu wykroczymy poza to co zaobserwowano dotychczas w przyrodzie, tworząc zorza polarne na Słońcu. Po raz kolejny ustawimy kulę jako katodę, tym razem zwiększając siłę pola magnetycznego za pomocą silniejszego magnesu i kuli o cieńszej ścianie (np. bąbka choinkowa). Przy takim ustawieniu część elektronów zostaje zdmuchnięta ze ‘Słońca’, ale część tego ‘wiatru słonecznego’ opadając na Słońce wzdłuż linii pola magnetycznego tworzy ogromny krąg światła na najbliższym biegunie anody (Ryc. 5).

Czy jest to zgodne z rzeczywistością? Na podstawie naszej wiedzy o Słońcu i wietrze słonecznym naukowcy przewidują, że zorza polarna powinna istnieć wokół Słońca, jednak nie możemy jej zaobserwować, ponieważ Słońce jest zarówno zbyt jasne jak i znajduje się za daleko.

Ćwiczenie 4: Równoczesne modelowanie Słońca i Ziemi

Dotychczasowe doświadczenia symulowały zjawiska na Słońcu lub Ziemi, reprezentując drugie ciało za pomocą zwykłej elektrody. Jednakże możliwe jest, aby w tym samym czasie oba ciała zostaly przedstawione za pomocą kul. W tym doświadczeniu pokażemy kilka zjawisk związanych z oddziaływaniem między Słońcem a Ziemią. Zrezygnujemy z elektrody i zamiast niej umieścimy dwie kule magnetyczne w komorze próżniowej (Ryc. 6). Kula z ćwiczenia 3 (katoda) będzie reprezentować Słońce (np. bąbka choinkowa z magnesem w środku), natomiast Ziemię będzie przedstawiać mniejszy kulisty magnes (anoda).

Widzimy blask wokół ‘Słońca’ (Ryc. 7A), podobny do blasku zaobserwowanego dla ‘Ziemi’ w ćwiczeniu 1. Tym razem, poświata reprezentuje koronę słoneczną. Korona słoneczna z zewnętrznej części emituje wiatr słoneczny. Jest widoczna tylko z Ziemi podczas zaćmienia Słońca ponieważ przez resztę czasu jest przyćmiona przez Słońce. W rzeczywistości tworzenie korony słonecznej zależy nie tylko od wiatru słonecznego, ale również od temperatury i konfiguracji magnetycznej Słońca.

Symulowany wiatr słoneczny podróżuje od Słońca (Ryc. 7A) przez przestrzeń międzyplanetarną do Ziemi (B). Tam, jak w ćwiczeniu 1, powoduje powstanie świecącej koperty wokół planety (pas Van Allena), a także jasne pierścienie wokół biegunów (auroral ovals). Na ryc. 7, północna zorza polarna (C) jest wyraźnie widoczna podczas gdy południowa jest częściowo ukryta przez nasz instrument.

Na auroral ovals możemy także zobaczyć jasne smugi światła (Ryc. 7D, E i F). Smugi te istnieją również w rzeczywistości i są znane jako guzki polarne. W naszej symulacji są one wynikiem pola magnetycznego dwóch bezpośrednio połączony kul: elektrony poruszają się wzdłuż linii pola magnetycznego. W rzeczywistości wyjaśnienie jest nieco bardziej skomplikowane: pole magnetyczne Słońca i Ziemi nie znajdują się w bezpośrednim kontakcie, lecz są połączone przez międzyplanetarne pole magnetyczne, które osadzone jest w wietrze słonecznym.

W rzeczywistości auroral ovals są jaśniejsze od guzków polarnych. Dzieje się to z powodu zwiększenia przyśpieszenia naładowanych cząstek (które są przyczyną powstawania auroral ovals) podczas wejścia w pole magnetyczne Ziemi. Większa energia i prędkość cząstek powoduje jaśniejsze zorza polarne. W symulacji elektrony poruszają się ze stałą prędkością.