Svetlucave zelene, crvene i ljubičaste zavese severne i južne svetlosti — aurore — možda su najpoznatiji fenomeni koji osvetljavaju noćno nebo, ali najmisterioznije su ljubičaste i bele pruge zvane Stiv i njihov česti pratilac, blistav zelena „ograda“.
Prvi put prepoznat 2018. godine kao različit od uobičajenih aurora, Stiv – bezobrazna referenca na benigno ime koje je dato zastrašujućom ogradom u dečjem filmu iz 2006. – i ipak se smatralo da je povezana ograda uzrokovana istim fizičkim procesima. . Ali naučnici su se češali o tome kako su nastale ove sjajne emisije.
Claire Gaskue, Kalifornijski univerzitet u Berkliju, diplomirani student fizike, sada je predložila fizičko objašnjenje za ove pojave koje je potpuno drugačije od procesa odgovornih za dobro poznate aurore. Udružila se sa istraživačima u Laboratoriji za svemirske nauke (SSL) u kampusu kako bi predložila da NASA lansira raketu u srce aurore kako bi otkrila da li je u pravu.
Živahne aurore i sjajni fenomeni kao što su Stiv i ograda postaju sve češći kako sunce ulazi u aktivni period svog 11-godišnjeg ciklusa, a novembar je bio dobar mesec za Stivova posmatranja na severnim geografskim širinama. Pošto su sve ove prolazne svetleće pojave potaknute solarnim olujama i izbacivanjem koronalne mase iz Sunca, približavanje solarnog maksimuma je idealno vreme za proučavanje retkih događaja kao što su Stiv i ograda.
Gask je opisao fiziku iza ograde u radu objavljenom prošlog meseca u časopisu Geophisical Research Letters i o rezultatima će razgovarati 14. decembra u govoru po pozivu na sastanku Američke geofizičke unije u San Francisku.
Ona je izračunala da bi u oblasti gornje atmosfere južnije od one u kojoj se formiraju aurore, električna polja paralelna sa Zemljinim magnetnim poljem mogla da proizvedu spektar boja ograde. Ako je tačan, ovaj neobičan proces ima implikacije na to kako fizičari razumeju protok energije između Zemljine magnetosfere, koja okružuje i štiti Zemlju od sunčevog vetra, i jonosfere na ivici svemira.
„Ovo bi promenilo naše modeliranje onoga što stvara svetlost i energiju u aurori u nekim slučajevima“, rekao je Gaske.
„Zaista interesantna stvar u vezi sa Claireinim radom je da već nekoliko godina znamo da nam Steveov spektar govori da se dešava neka veoma egzotična fizika. Jednostavno nismo znali šta je to“, rekao je Brian Harding, koautor rada i SSL asistent fizičara istraživanja. „Klerin rad je pokazao da su paralelna električna polja sposobna da objasne ovaj egzotični spektar.“
Rad je bio prateći projekat Gaskeove doktorske studije. tezu, koja je fokusirana na vezu između događaja poput vulkana na površini Zemlje i fenomena u jonosferi 100 kilometara ili više iznad naših glava.
Ali nakon što je čula za Stiva — koji je sada postao akronim za povećanje brzine jakog toplotnog zračenja — na konferenciji 2022. godine, nije mogla da odoli da ne pogleda fiziku iza Stiva i ograde.
„Stvarno je kul“, rekla je. „To je trenutno jedna od najvećih misterija u svemirskoj fizici.“
Uobičajene aurore nastaju kada solarni vetar pokreće čestice u Zemljinoj magnetosferi, često na visinama većim od 1.000 kilometara iznad površine. Ove energizirane čestice spiralno se kreću oko linija magnetnog polja Zemlje prema polovima, gde se sudaraju i pobuđuju molekule kiseonika i azota u gornjim slojevima atmosfere. Kada se ti molekuli opuste, kiseonik emituje određene frekvencije zelene i crvene svetlosti, dok azot generiše malo crvene, ali prvenstveno plave emisione linije.
Šarene, svetlucave zavese koje rezultiraju mogu se protezati hiljadama kilometara preko severnih ili južnih geografskih širina.
Stiv, međutim, ne prikazuje pojedinačne emisione linije, već širok spektar frekvencija usredsređenih oko ljubičaste ili ljubičaste boje. I za razliku od aurore, ni Stiv ni ograda ne emituju plavo svetlo, koje se generiše kada najenergičnije čestice udare i jonizuju azot. Stiv i ograda se takođe javljaju na nižim geografskim širinama od aurore, potencijalno čak i na jugu do ekvatora.
Neki istraživači su predložili da je Stiv uzrokovan tokovima jona u gornjim slojevima atmosfere, koji se nazivaju subauroralni drift jona, ili SAID, iako ne postoji dobro prihvaćeno fizičko objašnjenje kako bi SAID mogao da generiše šarene emisije.
Gaskeovo interesovanje je podstaknuto sugestijama da bi emisije ograde mogle biti generisane električnim poljima na malim visinama paralelnim sa Zemljinim magnetnim poljem, situacija za koju se smatra da je nemoguća jer bi svako električno polje usklađeno sa magnetnim poljem trebalo brzo da prestane i nestane.
Koristeći uobičajeni fizički model jonosfere, Gask je kasnije pokazao da umereno paralelno električno polje – oko 100 milivolti po metru – na visini od oko 110 km može ubrzati elektrone do energije koja bi pobudila kiseonik i azot i stvorila spektar svetlosti posmatrano sa ograde. Neuobičajeni uslovi u toj oblasti, kao što je manja gustina naelektrisane plazme i neutralniji atomi kiseonika i azota, potencijalno bi mogli delovati kao izolacija kako bi se sprečilo kratkotrajno električno polje.
„Ako pogledate spektar ograde, mnogo je zelenije nego što biste očekivali. I nema plave boje koja dolazi od jonizacije azota“, rekao je Gaske. „Ono što nam govori je da postoji samo specifičan energetski opseg elektrona koji mogu da stvore te boje, a oni ne mogu da dolaze iz svemira dole u atmosferu, jer te čestice imaju previše energije.“
Umesto toga, rekla je, „svetlost sa ograde stvaraju čestice koje moraju da se napajaju upravo tamo u svemiru paralelnim električnim poljem, što je potpuno drugačiji mehanizam od bilo koje aurore koju smo proučavali ili poznavali pre nego što.“
Ona i Harding sumnjaju da bi sam Stiv mogao biti proizveden srodnim procesima. Njihovi proračuni takođe predviđaju vrstu ultraljubičaste emisije koju bi ovaj proces proizveo, što se može proveriti da bi se potvrdila nova hipoteza o ogradi.
Iako se Gaskeovi proračuni ne bave direktno blistavošću uključivanja i isključivanja koja čini da ovaj fenomen izgleda kao ograda, to je verovatno zbog talasnih varijacija u električnom polju, rekla je ona. I dok čestice koje se ubrzavaju električnim poljem verovatno nisu od sunca, uzburkavanje atmosfere solarnim olujama verovatno pokreće Stiva i ogradu, kao što to čini uobičajena aurora.
Sledeći korak, rekao je Harding, je lansiranje rakete sa Aljaske kroz ove fenomene i merenje jačine i smera električnog i magnetnog polja. SSL naučnici su specijalizovani za dizajniranje i izgradnju instrumenata koji rade upravo to. Mnogi od ovih instrumenata nalaze se na svemirskim letelicama koje sada kruže oko Zemlje i Sunca.
U početku, meta bi bila ono što je poznato kao pojačana aurora, što je normalna aurora sa emisijama poput ograde koje su ugrađene u nju.
„Pojačana aurora je u suštini ovaj svetli sloj koji je ugrađen u normalnu auroru. Boje su slične ogradi od šiljaka po tome što u njima nema toliko plave boje, a ima više zelene od kiseonika i crvene od azota. Hipoteza je da ove takođe stvaraju paralelna električna polja, ali su mnogo češća od ograde“, rekao je Gaske.
Plan nije samo da se „proleti raketa kroz taj poboljšani sloj da bi se zapravo prvi put izmerila ta paralelna električna polja“, rekla je ona, već i da se pošalje druga raketa da izmeri čestice na većim visinama, „da bi se razlikovali uslovi od onih koji izazivaju aurore“. Na kraju, ona se nada raketi koja će proleteti direktno kroz Stiva i ogradu.
Harding, Gaskue i kolege su predložili NASA-i ove jeseni raketnu kampanju sa takvim zvučnim zvukom i očekuju da će dobiti odgovor u vezi sa njenim odabirom u prvoj polovini 2024. Gaskue i Harding smatraju da je eksperiment važan korak u razumijevanju hemije i fizike gornje atmosfere , jonosfere i Zemljine magnetosfere, i predlog u skladu sa programom pristupa svemiru niske cene (LCAS) koji sponzoriše NASA za ovakve projekte.
„Pošteno je reći da će u budućnosti biti mnogo studija o tome kako su ta električna polja stigla tamo, sa kojim talasima su ili nisu povezani i šta to znači za veći prenos energije između Zemljine atmosfere i svemira. “, rekao je Harding. „Zaista ne znamo. Klerin rad je prvi korak u lancu tog razumevanja.“
Gaske je izrazila zahvalnost za doprinos ljudi koji proučavaju srednju jonosferu, ili mezosferu, i stratosferu, čije su joj ideje pomogle da pronađe rešenje.
„Ovom saradnjom uspeli smo da napravimo zaista sjajan napredak na ovom polju“, rekla je ona. „Iskreno, samo smo pratili naš nos i bili smo uzbuđeni zbog toga.
Pored Hardinga, njeni drugi koautori su Reza Janalizadeh sa Državnog univerziteta Pensilvanije u Univerzitetskom parku, Džastin Jonker iz Laboratorije za primenjenu fiziku na Univerzitetu Džons Hopkins u Lorelu, Merilend, i D. Megan Gilis sa Univerziteta Kalgari u Alberti, Kanada.
