Aurora

Na fotografiích ji viděl snad každý, málokdo se s ní však setkal osobně a pozoroval ji na vlastní oči. Řeč je o polární záři (auroře), která je jedním ze symbolů polárních oblastí. Možná, že i pro vás je tento jev záhadou. Přitom se s původcem tohoto velkolepého přírodního divadla setkáváme každý den.

Za vším stojí naše Slunce

Ačkoliv je viditelný sluneční povrch (fotosféra) zahřátý na teplotu „pouhých“ šest tisíc stupňů Celsia, nachází se nad ním ještě další vrstvy sluneční atmosféry. Nejvyšší je extrémně řídká koróna, která má teplotu kolem dvou milionů stupňů Celsia! Spatřit ji můžeme například při úplném zatmění Slunce.
Právě v ní vzniká tzv. sluneční vítr – proud částic (protonů, elektronů, jader hélia), jenž Slunce chrlí do svého okolí a zaplavuje jimi celou sluneční soustavu. Tyto nabité částice se však vesmírným prostorem nepohybují zcela nahodile, ale následují neviditelné vodící linky – magnetické siločáry, které se proplétají celou sluneční soustavou.

I v tomto směru má Slunce dominantní postavení. Jeho magnetosféra sahá až za dráhu Pluta do vzdálenosti kolem 150 AU (AU – astronomická jednotka, 1 AU = 150 000 000 km, jedná se o střední vzdálenost mezi Zemí a Sluncem). Vlastní magnetické pole ale mají také některé planety. V důsledku existence kovového nitra má magnetické pole například Země. Z ostatních terestrických (Zemi podobných) planet má výrazné magnetické pole už jen Merkur. U obřích plynných planet (Jupiter, Saturn, Uran a Neptun) však není ničím výjimečným a mají ho všechna jmenovaná tělesa. Výskyt magnetického pole totiž souvisí s efektem tzv. tekutinového dynama. To vzniká u těles, v jejichž nitru se nachází vodivé prostředí s tekoucími elektrickými proudy, které rotuje v různých částech různou rychlostí. Například u Slunce se jedná o rozdílnou rotaci slunečního plazmatu v rovníkových a polárních podpovrchových oblastech.

Magnetické pole

Magnetické pole Slunce samozřejmě interaguje (vzájemně na sebe působí) s magnetickým polem jednotlivých planet. Často tak může dojít k vzájemnému propojení magnetických silokřivek, které pak na sebe navazují. Částice slunečního větru putující od Slunce tak má do značné míry svou cestu již předurčenu a následuje existující magnetické siločáry. U planet funguje jejich magnetické pole jako štít, který je před účinkem slunečního větru chrání. Částice se totiž svezou po magnetických siločarách a „proplují“ kolem planety. I tak jsou magnetosféry jednotlivých planet deformovány slunečním větrem do podoby protáhlých kapek – čelní strana otočená směrem ke Slunci je stlačená, zatímco magnetosféra ležící za planetou je značně protažená. Například magnetosféra Země sahá až do vzdálenosti padesátinásobku zemského průměru.

Něco jiného se však děje tam, kde magnetické siločáry sluneční magnetosféry navazují na magnetické siločáry některé z planet. Částice, které jsou takto lapeny magnetickým polem dané planety, pak putují po spirále směrem k jejímu povrchu. Pokud je kromě magnetického pole přítomna i atmosféra, což splňuje Země, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun, začínají se v oblastech kolem 70. stupně magnetické šířky rodit polární záře.

Jak polární záře vznikají

Z částic slunečního větru se uplatňují především elektrony. Ty na své cestě interagují s částicemi atmosféry a excitují je (částice přecházejí do vyššího energetického stavu). Při deexcitaci dochází k vyzáření přebytečné energie v podobě světla o konkrétní vlnové délce. A právě toto světlo pak vnímáme jako polární záři. Typická je například excitace neutrálního kyslíku do druhého excitovaného stavu a následná deexcitace spojená s vyzářením dvou fotonů o vlnových délkách 555,7 nm (zelená barva) a 630 nm či 636 nm (červená barva). Právě tak vzniká charakteristické zabarvení pozemských polárních září. Může však dojít také k excitaci molekul dusíku, jejichž deexcitace produkuje fialové světlo.

Kromě interakcí elektronů s částicemi atmosféry mohou v menší míře podobně interagovat také protony. U protonu navíc může dojít k jeho rekombinaci s elektronem. Vzniká neutrální vodík v excitovaném stavu, který při deexcitaci vyzáří oranžový či červený foton.

Výskyt polárních září navíc úzce souvisí s výškou nad zemským povrchem. Zatímco ve výškách nad 1000 km je atmosféra příliš řídká a ke srážkám dochází jen výjimečně, několik desítek kilometrů nad zemským povrchem je atmosféra pro vznik polárních září naopak příliš hustá. Excitovaná částice totiž přebytečnou energii ztratí při srážkách s okolními částicemi atmosféry a nestačí ji vyzářit v podobě elektromagnetického vlnění. Hlavní oblast vzniku polárních září proto leží ve výškách 100 km nad zemským povrchem.

Mimozemské aurory

I když se polární záře vyskytují u všech planet sluneční soustavy, které mají atmosféru a magnetické pole, detailní pozorování máme k dispozici zejména od Jupiteru a Saturnu. Nejen proto, že jsou tyto planety díky své velikosti snadným cílem pro obří pozemské teleskopy, ale především se v jejich blízkosti pohybovala celá řada meziplanetárních sond, z nichž jsou některé stále ještě činné (například sonda Cassini u Saturnu).

Polární záře, které můžeme v atmosféře těchto planet sledovat, jsou podobné těm pozemským, byť jsou mnohonásobně větší. I zde se uplatňuje kolize částic slunečního větru s atomy a molekulami plynů tvořícími atmosféry těchto planet. Při deexcitaci vybuzených plynů pak dochází k emitování infračerveného, viditelného a ultrafialového záření. Zatímco na Zemi jsou polární záře obvykle modrozelené, na obřích planetách by měly spíše červenou barvu. Atmosféry těchto planet totiž obsahují velké množství vodíku, který by zářil právě na červených vlnových délkách.

Navíc zpravidla pozorujeme tzv. aurorální ovál. Ten souvisí s otevřenými silokřivkami magnetického pole, které se vyskytují podél určité rovnoběžky. Právě v těchto místech je interakce částic slunečního větru s atmosférou největší. U Země je tato oblast na 70. stupni geomagnetické šířky. Při pohledu z vesmíru pak polární záři vidíme jako prstýnek spouštějící se do atmosféry.

A jak je to s pozorováním polárních září z České republiky, tedy z nižších zeměpisných šířek? Určující je v tomto směru aktivita našeho Slunce. Ta není stále stejná, ale kolísá v pravidelných cyklech (nejznámější je jedenáctiletý cyklus). V maximu aktivity Slunce doslova bouří a na jeho povrchu probíhají četné erupce slunečního plazmatu. Pokud se oblak vyvrženého plazmatu (tvoří ho částice slunečního větru) vydá na cestu k Zemi, může sluneční vítr získat na intenzitě a dočasně zesílit. Jeho částice se tak dostanou i do nižších zeměpisných šířek. Poté lze i u nás pozorovat polární záře. V extrémních případech jsou dokonce pozorovatelné i z takových zemí, jako je například Itálie. Výskyt polárních září doprovázejí také magnetické bouře, které jsou odezvou naší magnetosféry na zesílený sluneční vítr.

Pokud tedy budete mít příležitost spatřit polární záři na vlastní oči, určitě si ji nenechte ujít. Dokonce bude nejlepší, když v danou chvíli zapomenete na magnetická pole i na fyziku a nevšední estetický zážitek si s čistou hlavou užijete naplno!