Παγιδευμένα φορτισμένα σωματίδια γύρω από τη Γη: Η φυσική πίσω από το Πολικό Σέλας

Πολικό Σέλας
Βόρειο Σέλας στη Νορβηγία. Πηγή: https://www.aurora-nights.co.uk/

Το Πολικό Σέλας, γνωστό και ως Βόρειο Σέλας ή Aurora Borealis όταν εμφανίζεται στο Βόρειο Ημισφαίριο και Νότιο Σέλας ή Aurora Australis όταν εμφανίζεται στο Νότιο Ημισφαίριο, είναι ένα από τα πιο φαντασμαγορικά φυσικά φαινόμενα που μπορεί να δει κανείς. Κύματα φωτός υψώνονται φωτίζοντας το νυχτερινό ουρανό. Αναμειγνύονται το ένα με το άλλο δίνοντας την εντύπωση ότι κινούνται σαν να φυσά απαλό αεράκι. Τα χρώματα που επικρατούν είναι το πράσινο ή το κόκκινο. Ένα μαγευτικό φαινόμενο που αναπόφευκτα έχει εμπνεύσει κάθε λογής καλλιτέχνες ανά τους αιώνες και τον κόσμο. Στο παρόν άρθρο θα επικεντρωθούμε στους μηχανισμούς της φυσικής που είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία του φαινομένου.

Η γήινη μαγνητόσφαιρα και τα παγιδευμένα φορτισμένα σωματίδια σε αυτήν

Η Γη αποτελεί έναν από τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος που διαθέτει ενδογενές μαγνητικό πεδίο, δηλαδή πεδίο που δημιουργείται από μηχανισμούς στο εσωτερικό του (γεωδυναμό). Το μαγνητικό πεδίο της Γης, κοντά στην επιφάνειά της, ακολουθεί προσεγγιστικά τη μορφή του μαγνητικού πεδίου ενός κλασικού διπόλου, όπως αυτή που παράγεται από έναν γραμμικό μαγνήτη.

Σχήμα 1. Το μαγνητικό πεδίο της Γης (αριστερά) και το μαγνητικό πεδίο ενός κλασικού διπόλου (δεξιά). Πηγή: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

Η προσέγγιση του μαγνητικού διπόλου περιγράφει αρκετά καλά το μαγνητικό πεδίο της Γης μέχρι περίπου μια απόσταση 6 ακτίνων Γης (δηλαδή περίπου 38.000 χιλιόμετρα). Όσο απομακρυνόμαστε ακόμα περισσότερο από τη Γη, η μορφή του πεδίου της Γης αποκλίνει από την ιδανική διπολική λόγω της αλληλεπίδρασής του με τον ηλιακό άνεμο, ένα κύμα με συνεχή ροή φορτισμένων σωματιδίων, που ρέει από τον Ήλιο και κατάφεραν να ξεφύγουν από το ηλιακό πεδίο βαρύτητας. Ταξιδεύει στο ηλιακό σύστημα υπό μορφή πλάσματος (καυτού, ιονισμένου αερίου) με ταχύτητα 400.000 km/h προς όλες τις κατευθύνσεις.

Όταν ο ηλιακός άνεμος συναντήσει την ιονόσφαιρα της Γης (εξωτερικό στρώμα της ατμόσφαιρας), τη βομβαρδίζει με ιόντα, εκ των οποίων το μαγνητικό πεδίο της Γης κατορθώνει να απωθήσει μόνο τα μισά. Ως αποτέλεσμα, παραμορφώνει το μαγνητικό πεδίο της, συμπιέζοντάς το στην προσήλια πλευρά, και επιμηκύνοντάς το στην αφήλια. Του δίνει έτσι, τη χαρακτηριστική του μορφή που μοιάζει με σταγόνα νερού. Η κοιλότητα αυτή μέσα στην οποία επικρατεί το μαγνητικό πεδίο της Γης, ονομάζεται γήινη μαγνητόσφαιρα.

Πολικό Σέλας
Σχήμα 2. Απεικόνιση της γήινης μαγνητόσφαιρας. Πηγή: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere

Στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας συνυπάρχουν πληθυσμοί πλάσματος φορτισμένων σωματιδίων με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, τα οποία αλληλεπιδρούν και αλληλοεπηρεάζονται. Οι δύο σημαντικότεροι πληθυσμοί πλάσματος στο γεωδιάστημα είναι το δακτυλιοειδές ρεύμα και οι ζώνες ακτινοβολίας Van Allen, οι οποίοι διαφοροποιούνται κυρίως λόγω της ενέργειάς τους. Τα φορτισμένα αυτά σωματίδια (ηλεκτρόνια, πρωτόνια και βαρύτερα ιόντα) ακολουθούν τις δομές των πεδίων κατά την κίνησή τους μέσα στη μαγνητόσφαιρα. Η κίνηση των φορτίων, με τη σειρά της, επάγει άλλα πεδία, τα οποία επηρεάζουν τα υπάρχοντα. Αυτός ο συνεχής κύκλος αλληλεπιδράσεων έχει ως βασικότερο αποτέλεσμα την παγίδευση των σωματιδίων στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας. Υπάρχουν, βέβαια, και μηχανισμοί που, υπό προϋποθέσεις, επιτρέπουν τη διαφυγή τους.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Επιπτώσεις των παγιδευμένων φορτισμένων σωματιδίων στις ανθρώπινες δραστηριότητες

Οι πληθυσμοί των σωματιδίων αυτών χαρακτηρίζονται από τη δυναμικότητά τους και επηρεάζονται έντονα από την ηλιακή δραστηριότητα. Παράλληλα, έχουν τη δυνατότητα να επηρεάσουν τις ανθρώπινες δραστηριότητες, καθώς στις περιοχές του διαστήματος στις οποίες βρίσκονται, υπάρχουν τοποθετημένοι τεχνητοί δορυφόροι. Τα ηλεκτρονικά συστήματα των δορυφόρων είναι επιρρεπή σε βλάβες που μπορούν να προκληθούν από τα φορτισμένα σωματίδια υψηλών ενεργειών. Γίνεται εύκολα αντιληπτό, ότι η μελέτη και η χαρτογράφηση των συγκεκριμένων δομών και πληθυσμών που υπάρχουν στο γεωδιάστημα αποτελούν ζήτημα υψηλού επιστημονικού ενδιαφέροντος.

Οι φυσικοί μηχανισμοί πίσω από το Πολικό Σέλας

Όπως αναφέραμε νωρίτερα, όταν ο ηλιακός άνεμος συγκρουστεί με τη μαγνητόσφαιρα της Γης, τη βομβαρδίζει με φορτισμένα σωματίδια. Τα ιόντα αυτά συγκρούονται με φορτισμένα σωματίδια που υπάρχουν ήδη στη γήινη μαγνητόσφαιρα. Δημιουργούνται έτσι, τεράστια ηλεκτρικά φορτία, που αφενός συμβάλλουν στη δημιουργία νεφών και αφετέρου θερμαίνουν την ιονόσφαιρα, αναγκάζοντάς τη να απελευθερώσει ιόντα οξυγόνου. Τα ιόντα δεν κατορθώνουν να ξεφύγουν από το μαγνητικό πεδίο της Γης και σχηματίζουν ένα τεράστιο “μπαλόνι” ιόντων γύρω από τον πλανήτη.

Το γήινο μαγνητικό πεδίο, όμως, δεν καλύπτει ισομερώς όλη τη Γη. Καλύπτει ικανοποιητικά τον Ισημερινό, αλλά παρουσιάζει τρύπες στους Πόλους. Οπότε η ροή του ηλιακού ανέμου δε συναντά σημαντικά εμπόδια στα ασθενή σημεία του μαγνητικού πεδίου της Γης κι έτσι, εκεί γίνεται ορατή η τριβή του νέφους των ιόντων με την ατμόσφαιρα. 

Με άλλα λόγια, το Πολικό Σέλας είναι σωματίδια του ηλιακού ανέμου (γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες) που πέφτουν σαν φωτεινή καταιγίδα στους Πόλους. Όταν τα φορτισμένων σωματιδίων αντιδρούν με αέρια στην ατμόσφαιρα, φως εκπέμπεται ως μέρος αυτής της αντίδρασης. Κάθε αέριο εκπέμπει ένα συγκεκριμένο χρώμα φωτός ανάλογα με το που βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Το περισσότερο φως έρχεται από αποστάσεις περίπου 100-320 χιλιόμετρα πάνω από τη Γη. Αντιδράσεις με άτομα του οξυγόνου παράγουν κόκκινο και πράσινο χρώμα (τα επικρατέστερα), ενώ αντιδράσεις με άτομα αζώτου δίνουν μπλε και ιώδες χρώμα.

Πολικό Σέλας
Σχήμα 3. Σχηματική αλληλεπίδρασης του ηλιακού ανέμου με το μαγνητικό πεδίο και την ατμόσφαιρα της Γης προς σχηματισμό του Πολικού Σέλας. Πηγή: https://site.uit.no/spaceweather/

O μαγνητικός πόλος της Γης έχει μια κλίση κατά γωνία περίπου 10ο σε σχέση με τον άξονα περιστροφής της Γης. Έτσι, τείνει το Πολικό Σέλας να είναι ορατό μόνο σε μια οβάλ ζώνη (“Aurora Belt”), περίπου μεταξύ 60ο και 70ο γεωγραφικού πλάτους.

Το Πολικό Σέλας δε δείχνει να επηρεάζει τα καιρικά φαινόμενα στη Γη. Παρόλα ταύτα, δημιουργεί αναταράξεις στην ανώτερη ατμόσφαιρα, όπου και εμφανίζεται, χωρίς να γνωρίζουμε με βεβαιότητα τι αυτό συνεπάγεται.

Τελευταίες εξελίξεις

Σύμφωνα με επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Nagoya στην Taiwan της Ιαπωνίας, τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με την ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης δέχονται μια ώθηση σε μορφή ενέργειας που τα επιταχύνει. Δεν είναι ακόμα γνωστές όλες οι λεπτομέριες για το πως παράγεται το πεδίο που επιταχύνει τα σωματίδια στην ιονόσφαιρα της Γης, ούτε το πόσο ψηλά από αυτήν βρίσκεται.

Οι επιστήμονες υπέθεταν ότι η επιτάχυνση αυτή λάμβανε χώρα σε αποστάσεις μεταξύ 1.000 και 20.000 χιλιομέτρων πάνω από τη Γη. Η έρευνα αυτή έρχεται να αποκαλύψει ότι η περιοχή επιταχύνσεων μπορεί να βρίσκεται και σε ύψη μεγαλύτερα των 30.000 χιλιομέτρων! Αυτό υπονοεί ότι στη μεγνητόσφαιρα, συμβαίνουν μηχανισμοί ακόμα άγνωστοι.

“Προσθώντας να καταλάβουμε πως σχηματίζεται αυτό το ηλεκτρικό πεδίο θα καλύψει ορισμένα κενά στην κατανόηση των εκπομπών του Πολικού Σέλας και των ηλεκτρικών μεταβάσεων, τόσο στη Γη, όσο και σε άλλους πλανήτες όπως ο Δίας και ο Κρόνος,” αναφέρει ο Shun Imajo, επικεφαλής της εν λόγω έρευνας.

Πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για το άρθρο:

Διαδίκτυο
  1. Φυσική για όλους, ανακτήθηκε από http://physics4u.gr/blog/, τελευταία επίσκεψη 08/03/2021.
  2. The Weather Club – Run by the Royal Meteorological Society, ανακτήθηκε από https://www.theweatherclub.org.uk/, τελευταία επίσκεψη 08/03/2021.
  3. News and Articles on Science and Technology, ανακτήθηκε από https://phys.org/, τελευταία επίσκεψη 08/03/2021.
Βιβλιογραφία
  1. D.J. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Reed College, Portland, Oregon, USA, 2008, Εκδόσεις Wiley-VCH.

Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Χρήστος Γιαννακλής

Φυσικός, 22 ετών, με πτυχίο από το Πανεπιστήμιο Πατρών και μέλος του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας μέσω του μεταπτυχιακού προγράμματος 'Εφαρμοσμένη Μετεωρολογία & Φυσική Περιβάλλοντος'. Hobbies: Αθλητισμός, μουσική, κινηματογράφος.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;