Ρίχνουμε φως στον ηλιακό άνεμο: προσομοιώνοντας το Σέλας στο σχολείο Teach article

Μετάφραση από τον Λορέντζο Δημήτρη. Το Σέλας είναι ένα από τα θαύματα του φυσικού κόσμου. Με τη χρήση απλών συσκευών, αυτό και άλλα συναφή φαινόμενα μπορούν…

Το Σέλας είναι ένα εντυπωσιακό φαινόμενο που παρατηρείται στις πολικές περιοχές, στις οποίες ο αραιός αέρας της ανώτερης ατμόσφαιρας λάμπει κατά τη νύχτα. Είναι επίσης γνωστό ως το βόρειο και νότιο (ή πολικό) φως. Σε αυτό το άρθρο, εξηγούμε τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζεται το Σέλας, και περιγράφουμε τέσσερις δραστηριότητες, κατάλληλες για μαθητές ηλικίας 14-16, με τις οποίες το Σέλας και σχετιζόμενα φαινόμενα μπορούν να προσομοιωθούν.

Ίσως απροσδόκητα, η απώτερη αιτία που προκαλεί το Σέλας δεν βρίσκεται στην ατμόσφαιρα της Γης, αλλά στον Ήλιο. Ο Ήλιος – το άστρο μας – απελευθερώνει την ενέργεια του στο διάστημα με δύο τρόπους: ως ακτινοβολία, το ορατό μέρος της οποίας βλέπουμε κάθε μέρα, και ως ηλιακός άνεμος που είναι αόρατος, αλλά τροφοδοτεί το Σέλας όταν αλληλεπιδρά με την ανώτερη ατμόσφαιρα. Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια – ηλεκτρόνια και ιόντα, κυρίως ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) – και έχει μεταβλητές ιδιότητες. Η ταχύτητά του κυμαίνεται από μερικές δεκάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο σε αρκετές χιλιάδες, και η πυκνότητά του είναι της τάξης των λίγων (συνήθως πέντε) ηλεκτρονίων και πρωτονίων ανά κυβικό εκατοστό στην απόσταση της Γης από τον Ήλιο.

Όντας ηλεκτρικά φορτισμένος, ο ηλιακός άνεμος είναι ευαίσθητος στα μαγνητικά πεδία. Μια συνέπεια αυτού είναι ότι ένα μεγάλο ποσοστό των σωματίδια του ηλιακού ανέμου που περνούν από τον πλανήτη μας παγιδεύεται από το γήινο μαγνητικό πεδίο (εικόνα 1) και τελικά κατευθύνεται σε έναν από τους μαγνητικούς πόλους της Γης, αυτά τα παγιδευμένα σωματίδια σχηματίζουν αυτό που είναι γνωστό ως ζώνη Van Allen.

Στο μεγαλύτερο μέρος της, η ζώνη Van Allen βρίσκεται πολύ πάνω από την επιφάνεια της Γης (περίπου 45 000 km στον ισημερινό). Στους πόλους, ωστόσο, εισέρχεται στην ατμόσφαιρα: τα φορτισμένα σωματίδιά της συγκρούονται με την ατμόσφαιρα σε υψόμετρο 80-500 χιλιομέτρων, όπου ο αέρας είναι πολύ αραιός (με πίεση μικρότερη από μερικά δέκατα του pascal).

Με ποιο τρόπο αυτό προκαλεί το Σέλας; Κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων, τα άτομα της ατμόσφαιρας ιονίζονται (όταν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια διαφεύγουν) ή διεγείρονται (όταν η σύγκρουση αυξάνει το ενεργειακό επίπεδο ενός ηλεκτρονίου, χωρίς να το οδηγεί σε διαφυγή), και ως εκ τούτου είναι ασταθή.

Για να επιστρέψουν στην κανονική τους κατάσταση, θα πρέπει είτε να υποβληθούν σε χημικές αντιδράσεις ή να απελευθερώσουν την ενέργεια που έχουν μόλις απορροφήσει ως φως. Όταν η διαδικασία αυτή εκπέμπει ορατό φως, το ονομάζουμε Σέλας. Όπως φαίνεται από το διάστημα, το βόρειο και το νότιο Σέλας σχηματίζουν ένα δακτύλιο γνωστό ως οβάλ του Σέλαος, που οριοθετεί την περιοχή όπου η ζώνη Van Allen βυθίζεται μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα (δείτε την εικόνα αριστερά).

Παρά το γεγονός ότι είμαστε πιο εξοικειωμένοι με το Σέλας στη Γη, αυτό δεν περιορίζεται στο δικό μας πλανήτη: οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει Σέλαα σε άλλους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος, ιδιαίτερα στο Δία και στον Κρόνο, ακόμα και στον Άρη, πάνω από μαγνητικές ανωμαλίες.

Το βασικό πείραμα

Ο νορβηγός επιστήμονας Kristian Olav Birkeland (1867-1917) ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε μια μικρή μαγνητισμένη σφαίρα γνωστή ως terrella («μικρή Γη») για να αποδείξει τους μηχανισμούς του Σέλαος. Σε ένα θάλαμο κενού, μια κάθοδος που αντιπροσωπεύει τον Ήλιο, παράγει ένα ρεύμα ηλεκτρονίων (ο ηλιακός άνεμος, αν και στην πραγματικότητα, τα ηλεκτρόνια είναι μόνο ένα από τα συστατικά του ηλιακού ανέμου), ενώ η terrella (η άνοδος) υποβάλλεται σε αυτόν τον άνεμο και συμπεριφέρεται όπως ένας πλανήτης ή ένα άλλο σώμα στο Ηλιακό Σύστημά μας. Η εγκατάσταση μπορεί να τροποποιηθεί, όπως περιγράφεται παρακάτω, για να επιδείξει μια σειρά από άλλα φυσικά φαινόμενα.

Ο εξοπλισμός μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας υλικά που βρίσκονται συνήθως σε γυμνάσια, και απαιτεί περίπου 10 ώρες για την κατασκευή του. Η γενική διάταξη φαίνεται στο σχήμα 2, κατεβάσετε τις λεπτομέρειες για τα υλικά και την κατασκευή^w1 από την ιστοσελίδα του Science in School.

Δραστηριότητα 1: Προσομοίωνοντας το Σέλας και τη ζώνη Van Allen

Σε αυτό το πείραμα, όπως και στου Birkeland, προσομοιώνουμε το Σέλας και τη ζώνη Van Allen. Ο εξοπλισμός θα πρέπει να ρυθμιστεί έτσι ώστε το ηλεκτρόδιο που αναρτάται στην κορυφή του θαλάμου κενού είναι η κάθοδος, που αντιπροσωπεύει τον Ήλιο και δημιουργεί ένα ρεύμα ηλεκτρονίων (εικόνα 2). Η μαγνητική σφαίρα είναι η άνοδος, που αντιπροσωπεύει τη Γη, και ο μαγνητικός άξονάς της θα πρέπει να είναι κάθετος προς το ρεύμα των ηλεκτρονίων.

Τα ηλεκτρόνια («ηλιακός άνεμος») έλκονται και περιβάλλουν τη σφαίρα («Γη», η άνοδος). Καθώς συμβαίνει αυτό, συγκρούονται με τα άτομα του αέρα, επειδή ο θάλαμος δεν βρίσκεται σε τέλειο κενό, και το βλέπουμε αυτό ως μια λάμψη γύρω από τη σφαίρα. Τα ηλεκτρόνια έπειτα κινούνται προς τους πόλους της σφαίρας, ακολουθώντας τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, το βλέπουμε αυτό ως ένα φωτεινό δακτύλιο που περιβάλλει κάθε πόλο (εικόνα 3).

Με ποιο τρόπο συνδέεται η προσομοίωση με την πραγματικότητα; Η γενικευμένη λάμψη γύρω από τη μαγνητική σφαίρα αντιπροσωπεύει τη ζώνη Βαν Άλεν, η οποία στην πραγματικότητα είναι ορατή μόνο στους πόλους, όπου εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης. Στην προσομοίωσή μας, επειδή υπάρχουν μικρές ποσότητες αέρα μέσα στο θάλαμο, η δική μας «ζώνη Βαν Άλεν» οπτικοποιεί ολόκληρο το μαγνητικό πεδίο της «Γης».

Οι φωτεινοί δακτύλιοι γύρω από κάθε πόλο στην προσομοίωσή μας αντιπροσωπεύουν τα οβάλ του Σέλαος. Όπως και στην πραγματικότητα, προκαλούνται από μεγάλο αριθμό των ηλεκτρονίων (θυμηθείτε ότι οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι πιο κοντά μεταξύ τους στους πόλους), που συγκρούονται με άτομα του αέρα.

Τα χρώματα στην προσομοίωση, ωστόσο, διαφέρουν από αυτά που πιο συχνά εμφανίζονται στο βόρειο και νότιο Σέλας. Τα φωτεινότερα χρώματα στο Σέλας της Γης (πράσινο και κόκκινο) προκαλούνται από το ατομικό οξυγόνο, το οποίο είναι παρόν μόνο στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Τα χρώματα στην προσομοίωσή μας (μοβ, κόκκινο, ροζ και λευκό) εμφανίζονται στο Σέλας μόνο σε χαμηλότερα υψόμετρα, όπου το μοριακό οξυγόνο και το άζωτο είναι άφθονα. Αυτά τα χρώματα είναι ορατά μόνο λίγες φορές μέσα σε μια δεκαετία, όταν ο ηλιακός άνεμος εισέρχεται στην ατμόσφαιρα σε ιδιαίτερα υψηλές ταχύτητες.

Δραστηριότητα 2: Επίδειξη της δύναμης Lorentz

Στο προηγούμενο πείραμα, η σφαίρα ήταν η άνοδος και αντιπροσωπούσε τη Γη, ενώ το άλλο ηλεκτρόδιο αντιπροσωπούσε ένα άστρο (τον Ήλιο). Σε αυτό το πείραμα αλλάζουμε αυτά τα δύο, ρυθμίζοντας τη σφαίρα ως κάθοδο, για να δούμε το αποτέλεσμα του ηλιακού ανέμου γύρω από ένα άστρο. Όταν το κάνουμε αυτό, βλέπουμε ένα φωτεινό δακτύλιο γύρω από τον ισημερινό του «άστρου» (εικόνα 4).

Τι συμβαίνει; Τα ηλεκτρόνια περιβάλλουν το μαγνητικό ισημερινό της σφαίρας υπό την επίδραση της δύναμης Lorentz (επίσης γνωστή ως δύναμη Laplace), η οποία δημιουργείται όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Η δύναμη είναι κάθετη προς την κατεύθυνση κίνησης του σωματιδίου και την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, και ως εκ τούτου προκαλεί την περιστροφή του σωματιδίου γύρω από την γραμμή μαγνητικού πεδίου. Αυτό δημιουργεί ένα δακτύλιο ρεύματος στο άστρο.

Με ποιο τρόπο σχετίζεται η προσομοίωσή μας με την πραγματικότητα; Δεν υπάρχει δακτύλιος ρεύματος γύρω από τον Ήλιο γιατί το μαγνητικό πεδίο δεν είναι αρκετά ισχυρό. Είναι δυνατό, ωστόσο, οι δακτύλιοι ρεύματος να υφίστανται γύρω από άλλα άστρα με ισχυρότερα μαγνητικά πεδία, αλλά δεν μπορούν να παρατηρηθούν με την υπάρχουσα τεχνολογία τηλεσκοπίων γιατί τα άστρα αυτά είναι πολύ πιο φωτεινά από όσο θα ήταν ο δακτύλιος ρεύματος.

Δραστηριότητα 3: Δημιουργία Σέλαος στον Ήλιο

Σε αυτό το πείραμα επίσης, πάμε πέρα από ότι έχει παρατηρηθεί στη φύση, δημιουργώντας ένα Σέλας στον ίδιο τον Ήλιο. Και πάλι, τοποθετούμε τη σφαίρα ως κάθοδο, αυτή τη φορά αυξάνοντας την ισχύ του μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιώντας έναν ισχυρότερη μαγνήτη και μια σφαίρα με ένα λεπτότερο τοίχωμα (χρησιμοποιήσαμε ένα στολίδι για Χριστουγεννιάτικο δέντρο). Όταν το κάνουμε αυτό, βλέπουμε ότι τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται από τον «Ήλιο», αλλά ένα μέρος από αυτόν τον «ηλιακό άνεμο» στη συνέχεια πέφτει πίσω στον Ήλιο κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου, δημιουργώντας έναν εντυπωσιακό κύκλο φωτός στο πόλο που βρίσκεται πλησιέστερα στην άνοδο, όπως φαίνεται στην εικόνα 5.

Αντανακλά αυτό την πραγματικότητα; Με βάση την κατανόηση μας για τον Ήλιο και τον ηλιακό άνεμο, οι επιστήμονες προβλέπουν ότι ένα Σέλας οφείλει να υπάρχει γύρω από τον Ήλιο, αλλά δεν μπορούμε να το παρατηρήσουμε, επειδή ο ήλιος είναι πολύ φωτεινός και σε πολύ μεγάλη απόσταση.

Δραστηριότητα 4: Ταυτόχρονη αναπαράσταση του Ήλιου και της Γης

Μέχρι στιγμής, τα πειράματα μας έχουν παραστήσει είτε τον Ήλιο είτε τη Γη μεμονωμένα, αντιπροσωπεύοντας το άλλο σώμα με ένα απλό ηλεκτρόδιο. Ωστόσο, είναι επίσης δυνατό να αναπαρασταθούν και τα δύο σώματα με σφαίρες ταυτόχρονα. Σε αυτή τη δραστηριότητα, απαλλαγόμαστε από το απλό ηλεκτρόδιο και αντί αυτού τοποθετούμε δύο μαγνητικές σφαίρες στο θάλαμο κενού (εικόνα 6), για την επίδειξη διαφόρων φαινομένων που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ του Ήλιου και της Γης. Για τον Ήλιο, χρησιμοποιούμε τη σφαίρα από τη δραστηριότητα 3 (π.χ. ένα στολίδι από Χριστουγεννιάτικο δέντρο με έναν μαγνήτη στο εσωτερικό του) ως κάθοδο, και για τη Γη, ένα μικρότερο σφαιρικό μαγνήτη ως άνοδο.

Βλέπουμε μια λάμψη γύρω από όλο τον «Ήλιο» (εικόνα 7Α), παρόμοια με τη γενικευμένη λάμψη γύρω από τη «Γη» στη δραστηριότητα 1. Αυτή τη φορά, όμως, η λάμψη αντιπροσωπεύει το στέμμα του Ήλιου. Το ηλιακό στέμμα είναι η επέκταση του ηλιακού ανέμου που αφήνει το αστέρι, και είναι ορατό από τη Γη μόνο κατά τη διάρκεια ηλιακών εκλείψεων, τον υπόλοιπο χρόνο επισκιάζεται από την επιφάνεια του Ήλιου. Στην πραγματικότητα, ο σχηματισμός του ηλιακού στέμματος δεν εξαρτάται μόνο από τον ηλιακό άνεμο, αλλά και από τη θερμοκρασία και τη μαγνητική διαμόρφωση του Ηλίου, έτσι το «στέμμα» μας είναι περισσότερο μια αναλογία παρά μια προσομοίωση.

Η προσομοίωση του ηλιακού ανέμου ταξιδεύει από τον Ήλιο (εικόνα 7Α) μέσα από το διαπλανητικό χώρο προς τη Γη (Β). Εκεί, όπως και στην δραστηριότητα 1, προκαλεί ένα λαμπερό περίβλημα γύρω από τον πλανήτη (τη ζώνη Van Allen), καθώς και φωτεινούς δακτυλίους γύρω από τους πόλους (τα οβάλ του Σέλαος). Στην εικόνα 7, το οβάλ του βόρειο Σέλαος (C) είναι σαφώς ορατό και του νοτίου κρύβεται από μέρος της συσκευής μας.

Μπορούμε επίσης να δούμε λαμπερά λοφία φωτός στα οβάλ του Σέλαος (εικόνα 7D, Ε και F). Αυτά τα λοφία υπάρχουν και στην πραγματικότητα, και είναι γνωστά ως πολικές ακμές. Στην προσομοίωσή μας, είναι το αποτέλεσμα των μαγνητικών πεδίων των δύο σφαιρών που συνδέονται άμεσα: τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν κατά μήκος των διασυνδεδεμένων γραμμών του μαγνητικού πεδίου. Στην πραγματικότητα, η εξήγηση είναι λίγο πιο περίπλοκη: γραμμές του μαγνητικού πεδίου του Ήλιου και της Γης δεν είναι άμεσα συνδεδεμένες μεταξύ τους, αλλά συνδέονται μέσω του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου, το οποίο είναι ενσωματωμένο στον ηλιακό άνεμο.

Στην πραγματικότητα, σε αντίθεση με την προσομοίωσή μας, τα οβάλ του Σέλαος, είναι φωτεινότερα απ’ ότι οι πολικές ακμές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επιτάχυνση των φορτισμένων σωματιδίων που προκαλούν τα οβάλ Σέλαος αυξάνεται καθώς εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο της Γης, το οποίο αυξάνει την ενέργεια και την ταχύτητα των σωματιδίων, και λαμπραίνει το Σέλας. Στην προσομοίωση, τα ηλεκτρόνια κινούνται με σταθερή ταχύτητα.