Severni sij je eden od večjih spektaklov, ki nam jih je pripravila narava. Kljub temu, da je na naši zemljepisni širini izredno redek, nas že same slike prepričajo o njegovi naravnost zastrašujoči lepoti. Žareča zavesa svetlobe, ki se približuje opazovalcu namreč ni le občudovanja vredna, temveč zlahka pripelje tudi do bolj strahopetnih razmišljanj.
Ni torej presenetljivo, da je bila aurora borealis v srednjeveški Evropi znak prihajajočih nadlog, različnih bolezni, kuge, smrti. Ko je v severnem siju prevladovala rdeča barva, ki je tudi sicer najpogostejša barva severnega sija na nižjih zemljepisnih širinah, naj bi to naznanjalo izbruh vojn. Seveda v severnih področjih severni sij ni bil znanilec slabih časov, saj se na nebu pojavlja prepogosto. Je pa zato zašel v mitologijo severnih ljudstev. Inuiti iz okolice Hudsonovega zaliva so na primer imeli za nastanek severnega sija naslednjo razlago:
Nebo je ogromna kupola iz trdega materiala nad ravno Zemljo. Na zunanji strani je svetloba. V kupoli je množica malih luknjic skozi katere lahko tedaj, ko je na Zemlji tema, vidimo svetlobo z zunanje strani kot množico svetlih točk – zvezd. Skozi luknjice v nebu duhovi mrtvih prehajajo na drugo – nebeško stran. Pot do nebes vodi po ozkem mostu preko globokega prepada. Duhovi, ki so že na drugi strani, osvetljujejo pot novodošlekom s prižganimi baklami. Sij teh bakel je tisto, kar vidimo kot severni sij.
Negostoljubno področje okoli Zemlje
Seveda gornja razlaga ni niti grobi približek resničnega izvora severnega sija. A nekaj zelo oddaljenih podobnosti z resničnim svetom le obstaja. Zemlja sicer ni ravna, je okrogla, prav tako kupola, ki jo obdaja ni trdna, pač pa je veliko bolj mehka. Zemljo namreč obdaja njeno lastno magnetno polje, ki jo ščiti pred energetskimi nabitimi delci, ki prihajajo s Sonca. Tako imenovani sončni veter je plazma nabitih delcev, ki se giblje stran od Sonca proti Zemlji v povprečju s 400km/s. Na leto Sonce tako izbruha okoli milijon ton materije v okolišnji prostor. Sončni veter je sicer električno nevtralen, saj vsebuje enako število elektronov in ionov, a zaradi sorazmerno velikega števila prostih nabitih delcev zlahka prevaja električni tok in močno interagira z magnetnim poljem. Kljub vsemu pa je plazma v sončevem vetru razmeroma redka, saj je gostota delcev le okoli en delec na cm3, medtem ko najboljši laboratorijski vakuum na Zemlji dosega gostote delcev okoli 1010 cm3. Pomembno je tudi opozoriti, da sončni veter ni statična tvorba, temveč je nenehno spreminjajoče se morje nabitih delcev in magnetnih polj.
Nekako 10 Zemljinih radijev od središča Zemlje trči sončni veter ob magnetni ščit Zemlje. Magnetno polje Zemlje predstavlja mehko oviro za sončni veter, tako da se oblika magnetnega polja nenehno spreminja skladno pač s spreminjanjem intenzitete sončnega vetra. Kljub temu pa magnetno polje Zemlje predstavlja izredno učinkovit ščit, saj prepusti le približno 0,1% energije sončnega vetra in le okoli 10% električnega polja v sončnem vetru.
Področje, ki ga v sončnem vetru izkleše Zemeljsko magnetno polje imenujemo magnetosfera. Magnetosfero in sončni veter deli ozka mejna plast – magnetopavza. Zunaj magnetopavze je še ena precej bolj oddaljena mejna plast zaradi udarnega vala. Ker sončni veter teče z nadzvočno hitrostjo, dobimo udarni val. Znotraj udarnega vala se plazma sončnega vetra upočasni do podzvočnih hitrosti in segreje. A kot že rečeno plazma skoraj ne prodre znotraj magnetopavze v magnetosfero. Magnetosfera tudi ni sferične oblike, kot bi morda sklepali iz imena, temveč se na strani, ki je obrnjene proti Soncu splošči, proti nočni strani pa raztegne v magnetni rep. Magnetni rep sestavljata dve polovici z nasprotno usmerjenim magnetnim poljem in vmesna nevtralna plast plazme. Magnetno polje v južni polovici magnetnega repa je usmerjeno stran od Zemlje, v gornji polovici pa proti Zemlji.
Nastanek magentopavze zlahka razumemo s pomočjo spodnje slike. V prvem približku lahko predpostavimo, da v sončnem vetru ni magnetnega polja, saj je le to, tako imenovano interplanetarno magnetno polje mnogo šibkejše od Zemeljskega. Opazujmo sedaj delce plazme zunaj magnetosfere, ki potujejo proti magnetopavzi. Ko dospejo do magneotpavze, se jim pot ukrivi, tako da končno odletijo nazaj na isto stran od koder so prišli. Pozitivno nabiti ioni in elektroni se sicer odklonijo v nasprotnih smereh, vendar pa to pomeni enako usmerjen električni tok. Pozitivni delci npr. na sliki potujejo proti levi, negativni proti desni, električni tok je torej usmerjen proti levi. S pravilom desnega vijaka lahko ugotovimo, da električni tok na sliki v levo pomeni, da se magnetno polje znotraj magnetopavze (to je v magnetosferi) ojači, zunaj pa oslabi. Dobili smo mejno plast, ki odbija delce, poleg tega pa v njej drastično pade velikost magnetnega polja. Oddaljenost mejne plasti (magnetopavze) od Zemlje določa ravnovesje med pritiskom zaradi sončnega vetra na eni strani in nehomogenosti magnetnega polja na drugi strani.
Kljub precejšnji učinkovitosti magnetnega ščita, pa na polarnih kapah ostaja področje, kjer delci iz sončnega vetra in kozmično sevanje zlahka prispejo do Zemeljskega površja. V tem področju so namreč magnetne silnice Zemeljskega magnetnega polja sklopljene s silnicami medplanetarnega magnetnega polja iz sončnega vetra, ter tako ne tečejo od južnega k severnemu tečaju, temveč se nadaljujejo v okolišnji prostor. Kljub temu, da atmosfera zadrži dobršen del nabitih delcev, pa imamo v polarnih regijah vseeno povečano sevanje. Okoli področij izpostavljenih sevanju se nahajata ovalni področji severnega (južnega) sija. Prav tako kot na severu, namreč lahko tudi na jugu opazujemo v področju auror podoben spektakel narave. Le da mu na južni hemisferi pravimo aurora austalis.
Magnetne nevihte
Pojavnost severnega sija je še posebno pogosta med geomagnetnimi nevihtami. Geomagnetno nevihto označuje daljše obdobje zmanjšanega Zemeljskega magnetnega polja, ki je seveda posledica sprememb v sončnem vetru. Povečan pritisk sončnega vetra lahko na dnevni strani stisne magnetosfero tudi na polovico njene normalne velikosti in celo prestavi magnetopavzo znotraj geosinhronih satelitskih orbit. V tem primeru seveda magnetno polje Zemlje ne ščiti več satelitov v geosinhronih orbitah, tako da jih ionizirajoči delci lahko poškodujejo, prav tako pa lahko zmotijo navigacijske naprave, ki temeljijo na smeri Zemeljskega magnetnega polja. Prav tako se povečajo tokovi znotraj magnetosfere, kar vodi do povečanja področja severnega sija, ki se v skrajnih primerih lahko razširi celo do tropskih zemljepisnih širin, medtem ko je navadno omejeno na polarne regije. Zaradi povečanih tokov se segreva atmosfera nad polarnimi področji, zrak se segreje in razpne, tako da atmosfera sega višje nad površje in poveča izgube zaradi trenja z ozračjem pri satelitih, kar jim krajša življenjski čas.
Zanimivih je nekaj drastičnih vplivov na življenje na Zemlji, ki so jih v bližnji preteklosti imele intenzivne magnetne nevihte. Zaradi precejšnjih tokov, ki tečejo po ionosferi, se lahko v električnih napeljavah inducirajo precejšnje napetosti. Daljnovodi postanejo preobremenjeni, kar lahko pripelje tudi do redukcij. 13. marca 1989 je na primer v velikem delu Quebeca ostalo devet ur brez elektrike kar šest milijonov ljudi, materialne škode pa je bilo menda kar za 500 milijonov dolarjev. Prav tako lahko magnetne nevihte, ki jih povzroči izbruh na Soncu, onesposobijo komunikacijske naprave. V taisti magnetni nevihti 13.marca 1989 so se na primer v primestnem naselju na zahodni obali ZDA odpirala avtomatična garažna vrata kar sama od sebe. Izvir motenj so pozneje našli v rezervnem radijskem sistemu Ameriške mornarice, ki ga je vojska uporabila, ker so vsi manj invazivni komunikacijski sistemi odpovedali.
Magnetne podnevihte in severni sij
Vsako magnetno nevihto sestavlja množica magnetnih podneviht, ki tipično trajajo eno uro ter se pojavljajo v povprečju vsake štiri ure. Ko delci iz sončnega vetra dospejo do magnetopavze povzročajo v njej električni tok. Le ta potem povzroči prečno električno polje v magnetnem repu. Tu tudi poteka tako imenovano sklapljanje magnetnih silnic. Del magnetnih silnic se sklopi v zaključene silnice, ki vodijo od severnega magnetnega pola do južnega magnetnega pola Zemlje (južni magnetni pol je na severnem zemljepisnem polu). Drugi del pa se sklopi v zaključeno magnetno tvorbo – plazmoid, ki se potem izmakne iz Zemeljske magnetosfere. Ravno tako kot se razdelijo silnice magnetnega polja, se razdelijo tudi delci sončnega vetra. Del delcev se premakne proti Zemlji, drugi del pa ostane ujet v plazmoidu in odleti stran od Zemlje.
Plazma, ki se premika proti Zemlji, povzroči nastanek severnega sija. V običajnih razmerah, ko je ioniziranih delcev sorazmerno malo, ti le potujejo vzdolž magnetnih silnic. Pri tem se delci vijačijo okoli magnetnih silnic. Saj poznamo: v homogenem magnetnem polju le to zakrivi pot delca, pri čemer pusti komponento hitrosti v smeri magnetnega polja nespremenjeno. V primeru Zemeljskega magnetnega polja se smer silnic magnetnega polja spreminja. Sedaj delec zavijači okoli magnetnih silnic, tako pač kot tečejo le te. Ko dospe delec npr. do severnega pola, je tam nehomogenost magnetnega polja izredno velika. Ta povzroči dodatno silo, ki obrne smer gibanja delca. Delec se tako približno 1000 km nad Zemeljsko površino odbije in potuje proti južnemu polu, tam se zopet odbije in tako naprej.
V času magnetne podnevihte se količina nabitih delcev nad poloma izredno poveča. Poleg tega dobimo tudi dodatno električno polje, ki pospeši elektrone proti Zemeljskemu površju. Elektroni sedaj lahko dosežejo nižje plasti atmosfere. Tu vzbudijo molekule v atmosferi. Vzbujene molekule nato sevajo v značilnih barvah, pri čemer je barva odvisna od višine na kateri se je elektron obregnil ob molekule atmosfere. Nad 250 km lahko opazimo rdečo barvo, ki jo seva vzbujen kisik. Nižje, tja do 100 km seva kisik zeleno, medtem ko pod 100 km dušik seva modro in rdečo svetlobo:
Položaj ovalnih področij severnega sija je močno odvisen od smeri magnetnega polja v sončnem vetru, pri čemer je oval največji, ko je medplanetarno magnetno polje obrnjeno proti južnemu polu Zemlje. Prikaz spreminjanja si lahko ogledate tu:
In koliko energije se sprosti v magnetni podnevihti? Svetloba, ki jo vidimo v obliki severnega sija predstavlja le okoli 4% energije, ki jo prejme atmosfera znotraj magnetne podnevihte. Ostalih 96% se sprosti v obliki toplote v atmosfero. Skupno se ob spektaklu severnega sija sprošča v atmosfero okoli 100 milijonov kilowatov moči, kar na primer presega kapacitete za proizvodnjo električne energije v celotnih Združenih državah Amerike.
Jure Zupan, kvarkadabra.net – številka 6 (oktober 2000)
