Pentru o mai bună înțelegere a vântului solar: simularea aurorelor polare în școală Teach article

Tradus de Gabriela Cîrstea. Aurorele polare sunt una dintre minunile lumii naturale. Acest fenomen precum și alte fenomene înrudite pot fi ușor reproduse în clasă cu ajutorul unor aparate simple.

Aurorele sunt un fenomen remarcabil observat în regiunile polare, prin care aerul rarefiat din straturile superioare ale atmosferei strălucește și scânteiază în timpul nopții. Aurorele mai sunt numite și luminile nordului și sudului (sau luminile polare). În acest articol explicăm cum se formează aurorele și descriem patru activități care pot fi realizate de elevi de 14 – 16 ani, în care pot fi simulate aurorele și fenomene înrudite.

Poate părea surprinzător, dar cauza primordială a aurorelor nu trebuie căutată în atmosfera Pământului, ci în Soare. Steaua noastră, Soarele, emite energie în spațiu în două moduri: prin radiație, a cărei parte vizibilă o putem vedea în fiecare zi; și prin vântul solar, care este invizibil, dar furnizează energie aurorelor atunci când interacționează cu straturile superioare ale atmosferei. Vântul solar este alcătuit din particule încărcate – electroni și ioni, mai ales ioni de hidrogen (protoni) – și are proprietăți variabile. El atinge viteze de la câteva zeci până la câteva mii de kilometri pe secundă, având o densitate de câțiva (de obicei cinci) electroni și protoni pe centimetru cub la distanța la care se află Pământul față de Soare.

Fiind încărcat electric, vântul solar este sensibil la câmpuri magnetice. De aceea, o mare parte din particulele din vântul solar care trec pe lângă planeta noastră sunt captate de câmpul magnetic al Pământului (figura 1) și direcționate în cele din urmă spre unul din polii magnetici ai Pământului; aceste particule captate formează ceea ce numim centura Van Allen.

Centura Van Allen se află, în mare parte, la mare distanță de suprafața Pământului (la 45 000 km în dreptul ecuatorului). Cu toate acestea, la poli ea intră în atmosferă: particulele ei încărcate intră în coliziune cu atmosfera la o altitudine de 80-500 km, unde aerul este foarte rarefiat (presiunea atmosferică fiind mai mică de câteva zecimi dintr-un pascal).

Cum conduce aceasta la apariția aurorelor? În timpul ciocnirilor, atomii din atmosferă sunt ionizați (prin expulzarea unuia sau mai multor electroni) sau excitați (când prin ciocnire un electron trece pe un nivel energetic superior, dar rămâne pe acest nivel fără a fi expulzat), deci instabili.

Pentru a reveni la starea normală, ei trebuie fie să treacă prin reacții chimice, fie să elibereze energia pe care au absorbit-o sub formă de lumină. Când în acest proces se emite lumină vizibilă, el poartă denumirea de auroră. Văzute din spațiu, aurorele nordică și sudică formează fiecare un inel cunoscut sub denumirea oval auroral, care delimitează regiunea în care centura Van Allen este imersată în atmosfera Pământului (vedeți imaginea din dreapta).

Deși cunoaștem cel mai bine aurorele de pe Pământ, fenomenul acesta nu este caracteristic doar planetei noastre: astronomii au observat aurore pe alte planete din sistemul solar, în special Jupiter şi Saturn, şi chiar Marte, deasupra regiunilor cu anomalii magnetice.

Experimentul de bază

Omul de ştiinţă norvegian Kristian Olav Birkeland (1867-1917) a fost primul care a folosit o mică sferă magnetizată numită terrella (‘mic Pământ’) pentru a demonstra mecanismul producerii aurorelor. Intr-o cameră cu vid, un catod, reprezentând Soarele, produce un flux de electroni (vântul solar, deşi în realitate vântul solar nu conţine numai electroni), iar terrella (anodul) este supusă acestui vânt şi se comportă ca o planetă sau un alt corp ceresc din sistemul solar. Configuraţia poate fi modificată, aşa cum se descrie mai jos, pentru a demonstra o gamă de alte fenomene fizice.

Echipamentul poate fi uşor construit, folosind materiale aflate în mod obişnuit în licee, durata realizării fiind de aproximativ 10 ore. Configuraţia generală este prezentată în figura 2; descărcaţi informaţii detaliate referitoare la materiale şi construcţie^w1 de pe site-ul web Science in School.

Activitatea 1: Simularea aurorelor şi a centurii Van Allen

În acest experiment, similar celui realizat de Birkeland, simulăm aurorele şi centura Van Allen. Echipamentul trebuie astfel configurat încât electrodul suspendat de partea superioară a camerei cu vid să fie catodul, care reprezintă Soarele şi generează un flux de electroni (figura 2). Sfera magnetică este anodul, reprezentând Pământul, iar axa sa magnetică trebuie să fie perpendiculară pe fluxul de electroni.

Electronii (‘vântul solar’) sunt atraşi către sferă şi o înfăşoară (‘Pământul’, anodul). In timpul mişcării lor, electronii se ciocnesc cu atomi de gaz, deoarece vidul din camera de vid nu este absolut. Electronii se deplasează apoi spre polii sferei, în buclă închisă, de-a lungul liniilor câmpului magnetic; vedem acest lucru sub forma unui inel în jurul fiecărui pol (figura 3).

În ce mod reflectă simularea realitatea? Strălucirea răspândită în jurul sferei magnetice reprezintă centura Van Allen, care în realitate nu este vizibilă decât la poli, unde intră în atmosfera Pământului. Deoarece există mici cantităţi de gaz în întreaga cameră, în simularea noastră ‘centura Van Allen’ vizualizează întreg câmpul magnetic al ‘Pământului’.

Inelele luminoase din jurul fiecărui pol din simularea noastră reprezintă ovalele aurorale. La fel ca în realitate, ele sunt generate de numărul mare de electroni (să nu uităm că liniile de câmp magnetic sunt mai apropiate una de alta la poli) care se ciocnesc cu atomi de gaz.

Culorile obţinute în simulare sunt, totuşi, diferite de cele observate de cele mai multe ori în luminile nordului şi sudului. Culorile cele mai strălucitoare din aurorele de pe Pământ (verde şi roşu) sunt cauzate de oxigenul atomic, prezent doar în straturile superioare ale atmosferei. Culorile obţinute în simularea noastră (violet, roşu, roz şi alb) se găsesc în aurore doar la altitudini mai mici, unde abundă oxigenul molecular şi azotul molecular. Aceste culori sunt vizibile doar de câteva ori într-un deceniu, când vântul solar intră în atmosferă la viteze deosebit de mari.

Activitatea 2: Demonstrarea forţei Lorentz

In experimentul precedent, sfera a fost anodul şi a reprezentat Pământul, în timp ce celălalt electrod a reprezentat o stea (Soarele). In acest experiment inversăm rolurile acestora, amplasând sfera pe postul catodului, pentru a vedea efectul pe care-l are vântul solar în jurul unei stele. Când facem acest lucru, vedem un inel strălucitor în jurul ecuatorului ‘stelei’ (figura 4).

Ce se întâmplă? Electronii se deplasează de-a lungul ecuatorului magnetic al sferei sub influenţa forţei Lorentz (cunoscută şi sub denumirea forţa Laplace), care apare atunci când o particulă încărcată se mişcă în câmp magnetic. Forţa este perpendiculară atât pe direcţia de deplasare a particulei cât şi pe câmpul magnetic, ceea ce face ca particula să se rotească în jurul liniei de câmp magnetic. Aceasta creează un curent inelar stelar.

In ce mod reflectă simularea realitatea? In jurul Soarelui nu există un curent inelar deoarece câmpul său magnetic nu este suficient de puternic. Cu toate acestea, este posibil să existe curenţi inelari în jurul altor stele cu câmpuri magnetice mai puternice, dar ele nu pot fi observate cu tehnologia telescoapelor din prezent pentru că stelele sunt ele însele mult mai strălucitoare decât ar fi curentul inelar.

Activitatea 3: Crearea unei aurore pe Soare

Și în acest experiment trecem dincolo de ce s-a observat în natură, creând o auroră chiar pe Soare. Vom amplasa din nou sfera în poziția catodului, mărind de data aceasta intensitatea câmpului magnetic cu ajutorul unui magnet mai puternic și al unei sfere cu pereți mai subțiri (am folosit un glob pentru bradul de Crăciun). Procedând astfel, observăm că electronii sunt expulzați de pe ‘Soare’, dar o parte din acest ‘vânt solar’ revine apoi pe Soare de-a lungul liniilor câmpului magnetic al acestuia, formând un cerc impresionant de lumină la polul cel mai apropiat de anod, cum se vede în figura 5.

Reflectă aceasta realitatea? Pornind de la modul în care înțelegem Soarele și vântul solar, oamenii de știință previzionează că ar trebui să existe o auroră în jurul Soarelui, dar nu o putem observa din cauză că Soarele este prea strălucitor și prea îndepărtat.

Activitatea 4: Modelarea Soarelui și a Pământului simultan

Până aici, experimentele noastre au modelat fie Soarele, fie Pământul în mod individual, celălalt fiind reprezentat printr-un simplu electrod. Dar este posibil să reprezentăm simultan ambele corpuri cerești prin sfere. În această activitate nu mai folosim un simplu electrod, ci plasăm în camera de vid două sfere magnetice (figura 6) pentru a demonstra câteva fenomene legate de interacțiunea dintre Soare și Pământ. Pentru Soare vom folosi sfera din activitatea 3 (de exemplu, un glob pentru bradul de Crăciun cu un magnet în interior) cu rol de catod, iar pentru reprezentarea Pământului vom folosi un magnet mai mic, de formă sferică, cu rol de anod.

Vedem o strălucire în jurul ‘Soarelui’ (figura 7A) asemănătoare cu cea răspândită în jurul ‘Pământului’ în activitatea 1. Dar de data aceasta strălucirea reprezintă coroana solară. Aceasta este extinderea vântului solar care părăsește steaua și nu este vizibilă de pe Pământ decât în timpul eclipselor de soare; în restul timpului ea nu poate fi observată din cauza strălucirii mai mari a suprafeței Soarelui. În realitate, formarea coroanei solare depinde atât de vântul solar cât și de temperatura și de configurația magnetică a Soarelui, prin urmare ‘coroana’ noastră este mai degrabă o analogie decât o simulare.

Vântul solar simulat se deplasează de la Soare (figura 7A) prin spațiul interplanetar până la Pământ (B). Ca în activitatea 1, acolo generează o centură strălucitoare în jurul planetei (centura Van Allen), precum și inele luminoase în jurul polilor (ovalele aurorale). În figura 7, ovalul auroral Nordic (C) se poate vedea clar, iar cel sudic este ascuns de aparatura noastră.

Putem de asemenea observa coloane strălucitoare de lumină pe ovalele aurorale (figura 7D, E și F). Aceste coloane există de asemenea în realitate și sunt cunoscute sub denumirea de regiuni polare cu geometrie de tip corn (cusps). În simularea noastră acestea sunt rezultatul conectării directe a câmpurilor magnetice ale celor două sfere: electronii se deplasează de-a lungul liniilor câmpului magnetic interconectat. În realitate, explicația este ceva mai complexă: liniile câmpurilor magnetice ale Soarelui și Pământului nu sunt direct conectate unele cu altele, ci prin intermediul câmpului magnetic interplanetar înglobat în vântul solar.

Spre deosebire de simularea noastră, în realitate ovalele aurorale sunt mai luminoase decât regiunile polare cu geometrie de tip corn (cusps). Aceasta deoarece accelerația particulelor încărcate care generează ovalele aurorale crește pe măsură ce ele pătrund în câmpul magnetic al Pământului, ceea ce duce la creșterea energiei și vitezei particulelor, și deci a luminozității aurorei. În simulare electronii se deplasează cu viteză constantă.