Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

Seminarska naloga pri predmetu

FIZIKA II

POLARNI SIJ

Pripravila: Urša Kanjir in Gregor Stavbar

NEKOČ

Severni sij je zbujal zanimanje že od nekdaj. Na severu se pojavi skoraj vsako noč in na Norveškem, Finskem in Danskem so ga razlagali dokaj vsakdanje kot odsev ribjih jat, ki se bližajo obali, labodov, ki letijo proti severu, ali kožuha lisic iz laponskih gora. V severni Evropi je mnogo redkejši in je skupaj s kometi veljal za znanilca vojn in nesreč. Na jugu je še redkejši, pojasnjevali pa so ga na manj vsakdanje načine.

KAJ JE POLARNI SIJ?

Če oblaki električnih delcev, ki se sproščajo ob Sončevih izbruhih, dosežejo Zemljo, na nebu ustvarijo čudovito zaveso migljajoče svetlobe, ki se v polrnih območjih kaže kot severni (aurora borealis) in južni (aurora australis) polarni sij.

Slika 1: Polarni sij – zavese ( draperija )

Vendar vse ni tako enostavno. Današnja slika ni tako preprosta. Polarni sij je eden izmed pojavov, ki nastanejo v zapletenem delovanju Sonca in Zemlje.

POJAVI NA SONCU

Okvirček za besedilo: Sonce je navadna zvezda, ena od 100 milijard zvezd v naši galaksiji. Je daleč največji objekt v sončnem sistemu. Vsebuje več kot 99,8% vse mase Sončnega sistema. Trenutno je iz 75% vodika in 25% helija. Po masi je to 92.1% vodika in 7.8% helija po številu atomov. Vse ostalo so kovine in sicer 0.1%. Ti deleži se počasi spreminjajo s časom, ko se vodik v jedru spreminja v helij. Zunanje plasti sonca se različno rotirajo. Na ekvatorju se površina zavrti okoli osi v 25.4 dneh, pri polih pa v 36 dneh. Različnost rotacije se pozna tudi v notranjosti, vendar se jedro vrti kot trdno telo. Sonce proizvede vsako sekundo 386 milijard megawattov energije z jedrsko fuzijo. Pri neverjetni temperaturi v središču Sonca delci atomov švigajo naokrog z veliko hitrostjo in pogosto trčijo drug ob drugega. Običajno se ne zgodi nič. Včasih pa se dva protona zaletita tako močno da se zlepita in se spremenita v protonsko-nevtronski par (1 na sliki). Izločita se še dva delca: droben nevtrino, ki nima mase in električnega naboja, a nosi energijo in pozitron, ki je podoben elektronu, le da je pozitivno naelektren. Protonsko-nevtronski par se nato združi s še enim protonom in tako oblikuje jedro lahkega helija, ki ima namesto dveh samo en nevtron (2 na sliki). Nato trčita še dve jedri lahkega helija, pri čemer nastane stabilno helijevo jedro (3 na sliki). Dva odvečna protona se izgubita.

Slika 2: Jedrska fuzija

Okvirček za besedilo:
Slika 2: Sončna korona Površina Sonca, imenovana fotosfera, ima temperaturo okoli 5800 K. Sončne pege so »hladna« območja, okoli 3800 K (temne so videti samo v primerjavi z okoliškimi območji). Lahko so zelo velike, tudi do 50.000 km v premeru. Majhno območje, imenovano kromosfera leži nad fotosfero. Zelo zredčeno območje nad kromosfero, imenovano korona, se razteza milijone kilometrov v vesolje, vendar je vidno samo ob mrkih (slika desno). Temperature v koroni so preko 1.000.000 K.

Sonce poleg svetlobe in toplote oddaja tudi redek tok nabitih delcev (največ elektronov in protonov), imenovanih SONČNI VETER, ki je posledica sončevih izbruhov. V nekaj sekundah izbrizgnejo več energije kot so jo doslej proizvedle vse elektrarne na svetu.

ROJSTVO POLARNEGA SIJA

Sončni veter je tok plazme, plina naelektrenih delcev, v katerem naboj negativnih elektronov izravna naboj pozitivnih ionov, predvsem protonov, to je vodikovih atomskih jeder. Hitrost sončnega vetra se spreminja. Največja je iz delov Sonca brez peg, t.i. koronskih lukenj, ki lahko trajajo eno leto in več. Ob sončnih pegah je hitrost nekoliko manjša. Vendar velike skupine sončnih peg spremljajo sončne bakle, zato se zdi, da je severni sij vezan neposredno na sončne pege. Bakle so velikanski izbruhi na sončevem površju, ki povzročajo motnje in te kot udarni valovi s povečano gostoto magnetnega polja in povečano hitrostjo plazme potujejo po sončnem vetru.

Zemljo obdaja njeno lastno magnetno polje, ki jo ščiti pred energetskimi nabitimi delci, ki prihajajo s Sonca. Tem delcem pravimo sončni veter. V sončnem vetru se v kubičnem centimetru gibljejo od Sonca trije do štirje elektroni in prav toliko protonov s hitrostjo od 500 do 700 km/s. Pomembno je tudi opozoriti, da sončni veter ni statična tvorba, temveč je nenehno spreminjajoče se morje nabitih delcev in magnetnih polj.

Zemlja bi imela magnetno polje paličastega magneta, če ne bi bilo sončnega vetra. 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. Magnetno polje in sončni veter delujeta drug na drugega, skupaj tvorita magnetosfero. Njena meja, magnetopavza, je na strani Sonca približno deset zemeljskih radijev oddaljena od središča Zemlje ( zemeljski radij je 6370 km ). Počez meri 40 do 60 zemeljskih radijev in se na strani od Sonca proč nadaljuje v magnetni rep do razdalje 1000 in več zemeljskih radijev.

Slika 4: Zemlja kot paličast magnet.

see caption

Slika 5: Magnetne silnice zaradi vpliva sončnega vetra.

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. 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 (slika 5). Magnetni rep sestavljata dve polovici (režnja) z nasprotno usmerjenim magnetnim poljem in vmesna nevtralna (tokovna) plast plazme. Magnetno polje v južni polovici magnetnega repa je usmerjeno stran od Zemlje, v gornji polovici pa proti Zemlji. V sončnem vetru ni magnetnega polja, saj je le to, tako imenovano interplanetarno magnetno polje (Interplanetary Magnetic Field – IMF) mnogo šibkejše od zemeljskega.

Zelo zapletene pojave v magnetosferi poskušamo pojasniti z delovanjem električnega in magnetnega polja na naelektrene delce, ki je v osnovi preprosto. Magnetno polje ponazorimo s silnicami. Zaradi električnega toka, ki je pravokoten na magnetno polje, se popačijo silnice prvotnega magnetnega polja, tako da se upognejo v smeri toka. Na mestu, kjer je gostota magnetnega polja enaka nič, se lahko nasprotni sosednji silnici približata, prekineta in se nato skleneta v dve črki U. Silnice se prevežejo. To se zgodi tam, kjer se srečata območji plazme z nasprotno enakim magnetnim poljem (na razdalji 100 zemeljskih radijev od Zemlje). Tu si zamislimo nevtralno silnico. Ob njej nastane klinast curek plazme. Curek v smeri proti Zemlji obnavlja tokovno plast, curek od Zemlje pa plazmo vrača sončnemu vetru. Sončni veter se torej ne izogne popolnoma magnetosferi, saj ga nekaj vstopi vanjo in ga zopet zapusti.

Slika 6: Na sliki je prikazana nevtralna silnica.

V magnetosferi so silnice treh vrst:

- sklenjene silnice à so na strani proti Soncu, izvirajo pa iz Zemlje in se vanjo tudi stekajo.

- sklenjene silnice à so na strani proč od Sonca, segajo dlje od Zemlje

- silnice v režnjih à izvirajo iz Zemlje ali se vanjo stekajo, segajo v magnetni rep in naprej v

sončni veter.

V slednjih, kjer so razmere od časa neodvisne se v magnetnem repu nabira energija. Ta se od časa do časa sprosti v kako uro trajajočo malo magnetno nevihto (podnevihto). Vsako magnentno 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 prej imenovano sklapljanje (prevezovanje) magnetnih silnic (slika 7). Del magnetnih slinic 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 nadaljuje pot stran od Sonca in Zemlje.

Slika 7: Prevezovanje (sklaplanje) magnetnih sil.

Mala nevihta se začne s svetlečim lokom sija, ki se v pol ure razširi proti polu, zahodu in vzhodu (slika 8). Sočasno potekajo pojavi okoli severnega in južnega tečaja. Pri razdalji okoli sedem zemeljskih radijev se silnice v kake pol ure močno raztegnejo proti repu in se pojavi nova nevtralna silnica v razdalji približno 15 zemeljskih radijev od Zemlje. Naposled nastane plazmoid, širok mehur vroče plazme, ki se s hitrostjo pet do deset zemeljskih radijev na minuto oddaljuje proti repu. To traja približno deset minut. Potem traja močan polarni sij od pol ure do dveh ur, medtem ko nova nevtralna silnica miruje. Končno se hitro premakne proti repu in plazma napolni tokovno plast proti Zemlji, tako da se vzspostavi prvotno stanje.

Slika 8: Slika severnega sija med malo magnetno nevihto v dvanajstminutnih razmikih.

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. Elektron, ki ga pospeši napetost okoli tri tisoč voltov v smeri navzdol pri trku z molekulo izbije iz nje elektron in jo ionizira. Pri tem izgubi samo majhen del svoje energije, tako da lahko ionizira več sto molekul. Vzbujene molekule nato sevajo v značilnih barvah, pri čemer je barva odvisna od višine na kateri se je elektron obregnil ob molekule atmosfere. Vijolično-modro-zeleno barvo seva molekulski ion dušika. Izrazito zeleno barvo pa kisikov atom, ko ga zbudi elektron z majhno kinetično energijo, ki ga hitri elektron izbije iz molekule dušika. Atom kisika vztraja v takem vzbujenem stanju v povprečju skoraj eno sekundo. Na višini nad 100 km je zrak dovolj razredčen, da atom v tolikšnem času v povprečju ne trči z drugimi molekulami in lahko seva. Tudi rdečo barvo seva atom kisika pri prehodu iz vzbujenega stanja, v katerem vztraja celo več kot tri minute. To se dogaja na višini nad 250 km.

Slika 9: Vzbujene molekule kisika in dušika, ki sevajo značilne barve.

Atomi kisika in molekule dušika sevajo tudi zelo kratkovalovno ultravijolično in infrardečo svetlobo. Vendar tega sevanja ni mogoče opazovati s tal, ker ga ozračje ne prepušča. Tako je tudi z dolgovalovno rentgensko svetlobo, ki jo sevajo hitri elektroni, ko se zavirajo v električnem polju atomskih jeder v višjih plasteh ozračja. Pri pospeševanju v električnem polju v višjih plasteh ozračja pa sevajo elektroni radijske valove z valovno dolžino več kilometrov. To sevanje je tako močno, da bi ga zaznali iz Vesolja, še preden bi bilo mogoče Zemljo videti v vidni svetlobi.

POSLEDICE POLARNEGA SIJA NA ZEMLJI

Polarni sij lahko povzroči motnje pri radijskem prenosu. Z njim je zvezano električno polje, ki daje na razdalji 1 km napetost enega volta. Na razdalji 1000 km požene napetost po uporniku z uporom deset ohmov tok 100 amperov. To je potrebno upoštevati pri daljnovodih, ki lahko postanejo preobremenjeni. Daljnovodi vodijo sicer izmenični tok, a enosmerno napetost povzroča v transformatorjih tok s frekvenco, ki je večkratnik omrežne frekvence. Zato je treba transformatorje opremiti s posebnimi napravami, da ne pride do škode. Magnetnica se sicer odkloni kvečjemu za stopinjo, a nekatere občutljive naprave zmoti že šestdesetkrat manjši odklon. Poleg tega se ozračje ob polarnem siju segreje in povečata se njegova gostota in višina, zaradi česar se poveča upor umetnih satelitov in skrajša njihovo življensko dobo.

Vse to vzpodbuja raziskovanje magnetosfere in polarnega sija.

SLIKE POLARNEGA SIJA

- Pečar, B., Skale, P.. 2001. Atmosfersko plimovanje na modelu meteorskega roja

http://www.ro.zrsss.si/maja/razisdej/naloge/ astro/atmPlim/atmPlim.htm