Vesoljsko vreme in vidljivost polarnega sija iz Slovenije

Space weather and visibility of aurora borealis from Slovenia

APLIKACIJA: astrofizika

SODELUJOČA SREDNJA ŠOLA: Gimnazija Murska Sobota

RAZISKOVALNA SKUPINA: Nino Cmor, Darko Kolar

MENTOR: dr. Renato Lukač, dr. Dunja Fabjan, Center odličnosti Vesolje-SI

Plakat, ki je bil predstavljen na konferenci Small Satellites Systems and Services – The 4S Symposium v Portorožu od 4. do 8. junija 2012.

Polarni sij je eden izmed najlepših nebesnih pojavov, ki jih lahko opazujemo s prostim očesom. Pri opazovanju so v prednosti države višjih geografskih širin, saj polarni sij nastane v bližini magnetnih polov Zemlje. Opazujemo ga lahko tudi iz nižjih geografskih širin, če so izpolnjeni določeni pogoji. V Sloveniji je bilo do zdaj zapaženih in opisanih kar nekaj pojavov polarnega sija, od tega štirje večji.

V okviru naloge smo raziskali potrebne pogoje za vidljivost polarnega sija iz Slovenije. Za datume, ko je bil viden polarni sij v Sloveniji, smo preučili različne podatke za vesoljsko vreme in med njimi identificirali tiste, ki odločilno vplivajo na vidljivost polarnega sija iz naših krajev. Ugotovili smo, da so najbolj vplivni parametri določeni s Sončevimi in geomagnetnimi fizikalni količinami ter podatki za nekatere delce (protone in elektrone), ki so jih izmerili sateliti. Na podlagi takih parametrov smo določili potrebne pogoje za vidljivost polarnega sija v Sloveniji in preverili koliko polarnih sijev je v povprečju letno vidnih v naši državi.

Po Sončevem sistemu se širi Sončev veter, ki ga sestavljajo delci različnih energij. Sončev veter se premika skozi medplanetarni prostor, tudi proti Zemlji, z nadzvočno hitrostjo od 300 km/s do 1000 km/s. Sončev veter izkrivlja Zemljino magnetno polje, kar povzroča kometno obliko magnetosfere – področje, ki ga v Sončevem vetru izkleše Zemeljsko magnetno polje (Slika 1). Magnetno polje Zemlje predstavlja mehko oviro za Sončev veter, tako da se oblika magnetnega polja nenehno spreminja skladno s spreminjanjem intenzitete Sončevega vetra. Magnetno polje Zemlje predstavlja učinkovit ščit, saj prepusti le približno 0,1 % energije Sončevega vetra in le okoli 10 % električnega polja v Sončevem vetru. Nekaj delcev se kljub temu ujame v Zemljinem magnetnem polju. Ti so potem pospešeni vzdolž magnetnega polja proti polarnim področjem, kjer pride do pojava, ki mu pravimo polarni sij.

Slika 1: Prikaz kometne oblike Zemljinega magnetnega polja in pojav polarnega sija iz vesolja. Na levi ilustraciji so označeni Sončeve pege (ang. sun spots) in blišč (ang. Solar flare) na Soncu ter Sončev veter (ang. Solar wind), ki spreminja Zemljino magnetno polje, kjer sta označena magnetni ščit (ang. magnetic shield) in aurorin oval (ang. auroral oval).

Polarni sij povzroči interakcija med visoko energetskimi delci (navadno elektroni) in nevtralnimi atomi ali molekulami v zgornji plasti Zemljine atmosfere (približno 100 km nad površjem Zemlje). Visoko energetski delci lahko vzburijo valenčne elektrone, ki so vezani k nevtralnemu atomu v višja energijska stanja. Vzbujeni elektroni se potem vrnejo v nižje energijsko stanje in pri tem izsevajo foton. Barva polarnega sija je zato odvisna od vrste atmosferskih plinov in njihovega električnega stanja ter energije delca, ki zadane atmosferski plin. Atom kisika je tako odgovoren za barvi zelena (valovna dolžina 557,7 nm) in rdeča (630,0 nm), molekula dušika pa za rdečo (600,0 nm – 700,0 nm). Ostali elementi zaradi majhnega deleža v atmosferi nimajo pomembnejšega vpliva na barvo polarnega sija.

Za datume, ko je bil polarni sij viden iz Slovenije je bilo potrebno poiskati točno določene vrednosti parametrov, ki so pomembni za vidljivost polarnega sija. Le-te smo našli na NOAA-ini spletni strani centra za napoved vesoljskega vremena – Space Weather Prediction Center , kjer so sortirani po letih.

Cilj naloge je bil ugotoviti najpomembnejše parametre za vidljivost polarnega sija iz Slovenije, zato smo se odločili, da za podatke vzamemo bistveno večji časovni razpon, kot le noč, ko je bil polarni sij zapažen. Kot primeren razpon smo izbrali še 10 dni pred pojavom in 10 dni po pojavu sija, zato da lahko primerno spremljamo spreminjanje parametrov, istočasno pa ni razpon prevelik, da se ne bi videlo sprememb. Spreminjanje parametrov smo prikazali grafično in jih ustrezno komentirali.

Na svetovnem spletu smo poiskali podatke za dneve, ko je bil iz Slovenije viden in dokumentiran polarni sij. Izkazalo se je, da je najbolj dosledno evidentiralo polarne sije Astronomsko Društvo Orion, katerega člani so izvedli opazovanja. Za polarne sije med leti 2000 in 2005 smo se odločili ne samo, ker so jih opazovali člani AD Orion (MBK Team), ampak tudi, ker spadajo v 23 Sončev ciklus (naslednje opazovanje iste skupine je šele za leto 2011). Polarne sije so tudi fotografirali (Slika 2) in objavili poročila po datumih:

15. / 16. julij 2000,
21. / 22. oktobra 2001,
30. / 31. oktobra 2003,
20. / 21. november 2003,
7. / 8. do 9. / 10. november 2004 in

21. / 22. januar 2005.

Slika 2: Polarni sij viden v noči iz 20. na 21. november 2003 iz Radmirja pri Ljubnem ob Savinji.

Zagotovili smo vse podatke za dneve, ko je bil iz Slovenije opazovan polarni sij. Podatke smo prikazali grafično in iz njih razbrali potrebne vrednosti parametrov, ki vplivajo na vidljivost polarnega sija iz nižjih geografskih širin. Iz grafov je sledila izpeljava rezultatov. Ugotovili smo, da polarni sij najučinkovitejše naznani visok K-indeks in negativno magnetno polje Sončevega vetra.

Slika 3: Grafi K-indeksov v odvisnosti od časa prikazujejo izrazito povečanje ob času, ko je bil polarni sij viden iz Slovenije, tako v primeru globalnega indeksa (levo) kot za indeks, ki velja pri srednjih geografskih širinah (desno). Vrednosti se razlikujejo: kljub visokemu globalnemu indeksu velikosti 8, je indeks za srednje geografske širine le 6.

Ugotovili smo tudi, da delci, ki povzročajo nastanek polarnega sija prispejo do Zemlje z zamudo enega do več dni, se pravi da lahko napovemo povečano verjetnost nastanka polarnega sija v Sloveniji, že iz nenadnega povečanja števila Sončevih peg in povečanja števila rentgenskih žarkov. Zelo veliko verjetnost za nastanek polarnega sija nam naznanja K-indeks enak ali večji 8, vendar se ta meri v 3 urnih intervalih, torej bi bila napoved polarnega sija možna le nekaj trenutkov pred njegovim nastankom. Ugotovili smo tudi, da so v povprečju pogoji za nastanek polarnega sija in njegovo vidljivost iz naših krajev izpolnjeni dva do tri dni letno.
Sončeva aktivnost ima periodo 11 let, ponoven višek aktivnosti pa se pričakuje okoli leta pisanja te naloge, kar naznanja pogostejše in močnejše Sončeve nevihte, posledično pa lahko tudi pojave polarnega sija, ki ga lahko opazujemo iz nižjih geografskih širin.

Najpomembnejše rezultate raziskovalne naloge si lahko pogledate v tem dokumentu.