Jak powstaje i jak wygląda zorza polarna?

Zorza polarna jest jednym z najwspanialszych widowisk, które daje nam przyroda. Jej światło pulsuje, zmienia swe barwy i natężenie. Przybiera kształty firanek, draperii, koron, wstęg i świetlistych smug. Przez cały czas obraz się zmienia.

Aczkolwiek mechanizmy powodujące zorzę są dość dobrze i przekonywająco wyjaśnione, to jednak pozostawała ona naukową zagadką przez wiele stuleci, a jej istnienie do dziś otoczone jest mgiełką tajemnicy. W przeciwieństwie do tęczy, której usytuowanie pozornie zmienia się w zależności od pozycji obserwatora, zorza polarna zawsze umiejscowiona jest w określonych miejscach w górnych warstwach atmosfery. Ma ona postać podobnych do płomieni łuków czy promieni, jednakże jej zadziwiający, nieziemski blask nie jest poświatą jakiegoś płomienia, lecz przypomina raczej światło wytwarzane przez wyładowania elektryczne w lampie neonowej.
Zorze polarne - północna i południowa - najczęściej pojawiają się w dwóch pasach otaczających odpowiednio Biegun Północny i Biegun Południowy, w tak zwanych "strefach zorzowych" (ok. 20-25 stopni od bieguna magnetycznego). Zwykle rozciągają się z zachodu na wschód. Fakt, iż są niemal prostopadłe do kierunku wskazywanego przez igłę kompasową, każe przypuszczać, że mogą mieć coś wspólnego z polem magnetycznym Ziemi.

Arktyczne niebo, zwłaszcza w północnej Kanadzie, północnej Norwegii i na Spitzbergenie, stanowi znakomite tło dla najwspanialszych widowisk, gdyż jest ciemniejsze i czystsze niż niebo nad gęsto zaludnionymi obszarami Europy. Najlepszym okresem do obserwacji zorzy polarnej północnej jest luty, gdy nad północnymi regionami polarnymi przez całe tygodnie nieprzerwanie zalegają układy wysokiego ciśnienia barometrycznego.

W tym okresie zorze można obserwować niemal podczas każdej nocy, gdy niebo jest czyste, chociaż w świetle Księżyca bywają one mniej wyraźne. Najjaśniejsze gwiazdy mogą być widoczne podczas trwania zorzy, ale jej blask jest dostatecznie silny, by móc przy nim czytać.

Zorza pojawia się zwykle jako długa, pofalowana wstęga lub kurtyna, aczkolwiek czasami wygląda niczym rozmyta, bezkształtna, lecz świecąca masa. Jeżeli widoczna jest niemal nad głową, to patrząc na jej dolną krawędź odnosi się wrażenie, iż jest niezwykle cienka i wysoka; czasami rozciąga się w górę na wysokość 650-800 kilometrów, choć niektóre zorze mają wysokość zaledwie 30-50 kilometrów.

Najwyższe zorze występują zwykle w tych warstwach atmosfery, które są oświetlane promieniami słonecznymi, nawet jeżeli dla obserwatora na powierzchni Ziemi Słońce znajduje się pod widnokręgiem. Z powodu krzywizny Ziemi zorze takie, widziane w pobliżu widnokręgu, wydają się niskie. W rzeczywistości sięgają jednak wysoko w niebo, tyle że oddalone są o setki kilometrów.

Poszczególne zorze mogą wyglądać tak, jakby składały się z przypadkowo następujących po sobie pięknych i delikatnie zabarwionych form, lecz typowy spektakl zorzy - zazwyczaj związany z burzami magnetycznymi - odbywa się na ogół według pewnego scenariusza, w którym można rozróżnić pięć stadiów.

Pierwszą zapowiedzią rozpoczęcia się zorzy jest zwykle pojawienie się w północnej części nieba, wkrótce po zachodzie Słońca, łuku zielonego światła (zwanego "cichym łukiem"). Tworzą go pionowe warstwy lub kurtyny świetlne o grubości kilkuset metrów, które biegną wzdłuż linii o tej samej szerokości geomagnetycznej. Może się rozciągać na przestrzeni setek, a nawet tysięcy kilometrów i zwykle utrzymuje się bez większych zmian mniej więcej przez godzinę.

Jeżeli zaburzenie magnetyczne zanika, ginie również łuk; jeżeli jednak jego intensywność wzrasta, wówczas następuje stadium wzmożonej aktywności. Dolna krawędź łuku staje się wtedy ostrzejsza i gwałtownie jaśnieje, przybierając barwę błękitnawą i przesuwając się szybko na południe. W tym samym czasie łuk rozpada się na równoległe promienie lub wiązki promieni, rozciągając się w górę ku zenitowi. Zwykle przesuwają się one na zachód wzdłuż linii łuku.

Dalszy wzrost intensywności zorzy oznacza, że zbliża się trzecie stadium. Jest to korona zorzy polarnej, czyli najbardziej widowiskowa - choć krótkotrwała - część całego spektaklu. Kurtyna świetlna znajduje się wówczas niemal ponad obserwatorem i patrząc w nią można dostrzec okrągłe, przypominające koronę obiekty, z promieniami i pasmami zbiegającymi się w jeden punkt. Czasami korona łączy się, tworząc na niebie łuk lub obraz świetlnej flagi; bywa też, że pulsuje gwałtownie i emituje tysiące promieni przypominających strugi deszczu lub spadające strzały.

Po zaniknięciu korony następuje okres gwałtownej aktywności zorzy, zwany na Wyspach Szetlandzkich, na północ od Szkocji, "Mewy Dancers" (Weseli tancerze). Widowisko składa się w tym stadium z wstęg lub pasów świetlnych, które w pulsującym rytmie zanikają i pojawiają się znowu. Czasami towarzyszą temu rozbłyski w kształcie płomieni - najbardziej fascynujące zjawisko zorzy polarnej.

Fakt, iż zorza polarna jest związana z polem magnetycznym Ziemi, nie wyjaśnia jeszcze przyczyn jej powstawania. Podziwiający jej jasne, pulsujące barwy Arystoteles stwierdził, że powietrze zmienia się w płynny ogień. Od wielu jednak lat wiadomo już, że zorze polarne wytwarzane są przez cząsteczki emitowane przez Słońce.

Poruszają się one z tak olbrzymią prędkością, iż są zdolne przeniknąć głęboko w górne warstwy atmosfery ziemskiej, do jonosfery. Inwazja tych szybko poruszających się cząsteczek uderza w drobiny powietrza (głownie tlen i azot), które zaczynają wydzielać światło (luminescencję) i w ten sposób powstaje zorza polarna. Rozmaite jej postacie są wytwarzane przez różnego rodzaju cząsteczki.

Jasne zorze, rozciągające się na całym niebie i przechodzące przez wszystkie stadia rozwoju, wywoływane są przez rozwijające się na aktywnych obszarach powierzchni Słońca rozbłyski słoneczne. Dlatego ich natężenie zmienia się wraz z cyklem pojawiania się plam na Słońcu - najczęstsze i najwspanialsze zorze pojawiają się w dwa lub trzy lata po okresie największej aktywności plam słonecznych.

Wielu problemów związanych z zorzami polarnymi nie zdołano jeszcze objaśnić teoretycznie. Powodów niezliczonych zmian delikatnie zabarwionych kształtów oraz finezyjnej struktury polarnego widowiska można się jedynie domyślać. Współczesna nauka nie potrafi również wyjaśnić wielokrotnie stwierdzonego, zadziwiającego zjawiska: pojawiania się zórz między obserwatorami a odległymi górami.

Zorze nabrały istotnego znaczenia praktycznego w latach dwudziestych naszego wieku, gdy po raz pierwszy wykorzystano odbicie fal radiowych od jonosfery w celu zwiększenia zasięgu komunikacji radiowej. Stwierdzono wówczas, że zorze pochłaniają niektóre sygnały radiowe i powodują niekorzystne odbicia innych. Jednakże dzisiaj sygnały radiowe są transmitowane z krążących na wysokich orbitach satelitów; przechodzą zatem prostopadle przez jonosferę i w znacznie mniejszym stopniu ulegają zaburzeniom.

Wiele pytań dotyczących zórz polarnych do dziś pozostaje jednak bez odpowiedzi. Na przykład zorzy często towarzyszą krótkotrwałe pola elektryczne w górnych warstwach atmosfery, które indukują prądy na powierzchni Ziemi. Prądy te zaburzają pracę dalekopisów i telefonów, wykorzystujących długie linie komunikacyjne, a także powodują błędne odczyty aparatury używanej do poszukiwań ropy naftowej lub minerałów. Silne prądy mogą nawet uruchomić wyłączniki awaryjne, powodując przerwy w dostawie prądu, jak to się wydarzyło w marcu 1968 roku w Quebecu, w Kanadzie.

Wiadomości o cząsteczkach opuszczających Słońce i docierających do atmosfery ziemskiej są dość wiarygodne. Problemem jednak jest to, dlaczego i jak docierają do Ziemi tylko w określonych szerokościach. Obecnie tłumaczy się to za pomocą teoretycznego "modelu równowagowego". Magnetosfera (część ziemskiego pola magnetycznego, która rozciąga się w kosmos) działa niczym gigantyczny oscyloskop, skupiający słoneczne cząsteczki w promienie, które są kierowane do regionów okołobiegunowych. Magnetosfera jest zniekształcona przez wiatr słoneczny, czyli złożoną z elektrycznie naładowanych cząstek atomowych - elektronów, protonów i jonów - plazmę. Większość tych cząsteczek jest odchylana przez zewnętrzne granice magnetosfery. Niektóre wnikają jednak do niej przez znajdujące się po ,,dziennej" - skierowanej ku Słońcu - stronie szczeliny w pasach Van Allena. Łatwo docierają one do górnych warstw atmosfery, wywołując równocześnie zorzę polarną północną i południową. Podczas "dziennych" godzin w okresie nocy polarnej cząsteczki te powodują czerwone zorze polarne. Część plazmy zostaje uwięziona w magnetosferze i odkształca ją, aż niektóre linie jej pola sił załamują się. Wyrzucają wówczas słoneczne protony i elektrony do jonosfery, około 100 kilometrów ponad powierzchnią Ziemi. Protony te reagują z cząsteczkami atmosfery i wytwarzają zorzę polarną. "Cichy łuk" wskazuje prawdopodobnie, w którym miejscu słoneczne elektrony przenikają w dół, wzdłuż linii sił ziemskiego pola magnetycznego, do górnych warstw atmosfery naszej planety.