Ci, którzy mieli szczęście widzieć zorzę polarną, mówią o wrażeniu potęgi i delikatności. Czasem niebo pokrywa się wibrującymi smugami o zmieniających się kształtach i kolorach, a czasem widać tylko delikatną poświatę wyglądającą tak, jakby Słońce miało wstać zza północnego horyzontu. To niezwykłe zjawisko to jedyna na świecie okazja, by zobaczyć coś, dzięki czemu mogło powstać życie i co wciąż chroni nas przed bolesną śmiercią – pole magnetyczne Ziemi.
Świecący pancerz Ziemi
Słońce poza życiodajnym ciepłem i światłem wysyła też promieniowanie, które dosłownie robi sieczkę z naszego DNA. To wiatr słoneczny, elektrony i protony o wielkiej energii rozpędzone do prędkości sięgających 900 kilometrów na sekundę. Gdyby docierały do powierzchni ziemi, szybko zniszczyłyby większość życia, uszkadzając DNA żywych organizmów. Na szczęście nasza planeta ma dość szczególną budowę – w samym jej środku znajduje się jądro utworzone z płynnego i stałego metalu. Kręci się ono w nieco innym tempie niż reszta globu i dzięki temu działa jak gigantyczny generator pola magnetycznego. Linie tego pola wychodzą z bieguna planety, otaczają ją ścisłą warstwą i znikają na drugim biegunie.
Ten ogromny magnetyczny kokon chroni nas przed niszczącym działaniem słonecznego wiatru, przechwytując i odchylając lecące cząstki. Pochwycone w magnetyczną pułapkę opadają one wzdłuż linii pola w stronę biegunów. Dopóki lecą w otwartej przestrzeni kosmicznej, nie sposób ich dostrzec. Jednak tam, gdzie pętle pola zaczynają zbliżać się do powierzchni ziemi, wysokoenergetyczne cząstki napotykają górną warstwę naszej atmosfery. Ten obszar również składa się ze swobodnie latających cząstek – rozbitych przez promieniowanie kosmiczne atomów tlenu i azotu.
Gdy słoneczny wiatr napotka naszą atmosferę, cząstki zaczynają się zderzać. Atomy pochłaniają elektrony, by za chwilę oddać energię, emitując światło. Może mieć ono różne kolory zależne od tego, jaki pierwiastek został wzbudzony – na przykład za zieleń odpowiedzialny jest tlen. To świecenie obserwowane z Ziemi nazywamy zorzą. Ponieważ cząstki wiatru słonecznego poruszają się, wirując wzdłuż linii pola magnetycznego, na niebie pojawiają się charakterystyczne smugi – namacalny dowód istnienia magnetycznego pancerza Ziemi.
Kurtyny trzeszczą
Intensywność zorzy związana jest ściśle z aktywnością Słońca, która wzmacnia się i słabnie w jedenastoletnich cyklach. W szczytowych momentach napór słonecznego wiatru jest tak silny, że przygina pole magnetyczne bliżej powierzchni ziemi i zorze pojawiają się nawet daleko od jej magnetycznych biegunów. Wiele razy można je było obserwować w Polsce, jednak u nas zwykle przybierają raczej postać kolorowej poświaty niż niesamowitych kurtyn i pasm.
Ciekawym, choć wciąż niewyjaśnionym zjawiskiem związanym z zorzą są niezwykłe dźwięki jej towarzyszące. Wielokrotnie obserwatorzy opowiadali o dziwnym chrzęście, gwizdaniu czy trzaskach, które pojawiały się wraz z zorzą i zmieniały w rytm jej ruchów na niebie. Najbardziej oczywistym wyjaśnieniem wydawały się efekty powstające podczas wyładowań ogromnych energii towarzyszących powstawaniu zorzy – napięcie sięga tam 15 tysięcy woltów.
Jednak ludzie twierdzą, że dźwięk zmienia się w momencie, gdy zorza na niebie zaczyna przybierać inne kształty lub się poruszać. Tymczasem zjawisko to powstaje w środkowej warstwie jonosfery, na wysokości od 80 do 150 kilometrów. Światło przebywa tę odległość w ułamku sekundy, jednak fali dźwiękowej zajęłoby to kilka minut. Jedna z teorii mówi więc o tym, że zmiany pola magnetycznego wywołane przez zorzę powodują powstawanie mikrowyładowań przy powierzchni ziemi. Miałyby być one niedostrzegalne, choć wystarczająco głośne, by ludzie zwrócili na nie uwagę. Fizyka cząstek i wysokich energii to niejedyne źródło niezwykłych zjawisk pojawiających się na niebie. Swój udział ma tu także optyka.
Cuda na niebie
Potrafią wyglądać pięknie i przerażająco. Oto wokół słońca nakreślony jest krąg świetlisty, nad nim płonący łuk, u dołu słup ognisty, a po bokach dwa jaśniejące słońca. To nie fragment Apokalipsy świętego Jana, ale opis występujących jednocześnie kilku zjawisk optycznych pojawiających się w atmosferze. Ściślej rzecz biorąc, chodzi o halo 22, łuk zenitalny, słup słoneczny i słońca poboczne. To tylko kilka z długiej listy cudów, jakie mogą się pojawić na niebie za sprawą zwykłego lodu.
Z niebem wszystko jest w porządku, dopóki promienie słoneczne docierają do nas oczywistą drogą – od gwiazdy prosto do oka. Po drodze trochę odchyla je atmosfera, nieco rozpraszają chmury, ale wszystko pozostaje w normie. Do czasu. Jeśli w górnej części troposfery, na wysokości 7–10 kilometrów, staną na ich drodze chmury zwane cirrusami, mogą zacząć dziać się rzeczy niezwykłe. Na tej wysokości chmura nie składa się bowiem z kropelek wody – jest tu na to znacznie za zimno, temperatura spada do -50 stopni Celsjusza. Cirrusy zbudowane są więc z maleńkich kryształków lodu, są cienkie i niemal przezroczyste. To te chmury, które przy ładnej pogodzie tworzą bardzo wysoko delikatne strzępki przypominające mgłę.
Lód, z którego składają się te chmury, może przybierać rozmaite kształty zależne od tego, w jakich warunkach przyszło wodzie zamarzać, choć zawsze motywem przewodnim jest sześciokąt. Taka struktura wynika po prostu z właściwości cząsteczki wody, która zamarzając, zawsze łączy się z dwiema innymi cząsteczkami. Lodowe kryształy to zazwyczaj po prostu maleńkie sześciokątne płytki, lecz mogą mieć też kształt sześciokątnych kolumienek przypominających kawałki ołówka. Bywa też, że te lodowe ołówki są nieco zniekształcone – na przykład mają na przemian dłuższe i krótsze ściany lub wyglądają, jakby usiadł na nich ktoś ciężki.
Wbrew pozorom te maleńkie struktury nie wirują w chmurze bezładnie. Opór powietrza sprawia, że prawie cały lód w chmurze układa się w ten sam sposób. Cienkie sześciokątne płytki opadają zwykle niczym liście, swoją największą powierzchnią ustawiając się poziomo. Z kolei słupki lecą w takiej pozycji, jak ołówek leżący na stole – dłuższą oś ustawiając poziomo. Czasem taki ołówek kręci się wokół osi grafitu, a czasem nawet ten ruch jest zablokowany.
Właśnie niuanse tych ustawień sprawiają, że na niebie można zobaczyć świetliste figury. Zwykłe halo powstaje, gdy ołówkowate kryształy wiatr ustawi poziomo, a chmura jest na tyle cienka, by słońce mogło przez nią przeświecać. Wtedy promienie światła wpadają do wnętrza kryształów i po odbiciu się od jego ścianek wylatują – już w innym kierunku. Ponieważ kryształy swobodnie wirują wokół dwóch osi, odbijają światło równomiernie dookoła, tworząc na niebie świetlisty krąg – klasyczne halo. Krystaliczna struktura lodu sprawia, że wszystkie ołówki mają ściany ustawione pod takim samym kątem i identycznie odbijają światło. Dlatego tak zwane halo 22 ma zawsze taki sam rozmiar – jego średnica kątowa wynosi 22 stopnie. To mniej więcej tyle, ile przy wyprostowanej ręce ma rozczapierzona dłoń od czubka kciuka do końca małego palca. Jak często zdarza się, że wszystkie kryształy mają odpowiedni kształt i ustawią się, jak trzeba? Według szacunków przy dobrej pogodzie w Europie halo 22 można zobaczyć dwa razy w tygodniu przez cały rok.
Dodatkowe słońca
Rzadszym, choć również popularnym zjawiskiem są tak zwane słońca poboczne. One z kolei powstają wtedy, gdy wysoka chmura jest złożona z płaskich lodowych sześciokącików ustawionych długą powierzchnią do ziemi. Promień nie odbija się wewnątrz kryształu, a tylko wchodzi i wychodzi, odchylając się na granicy powietrze–lód i lód–powietrze. W efekcie powstają dwie jasne plamy po obu bokach tarczy słonecznej wyglądające czasem jak dodatkowe słońca. Zjawisko jest wyraźniejsze, gdy słońce jest nisko nad horyzontem – wtedy plamy mienią się wszystkimi kolorami tęczy i świecą wyjątkowo jasno.
Niezwykłe kolumny światła, którymi podparte jest słońce, to jeszcze inny przykład zjawiska utworzonego przez lodowe "ołówki". Takie słupy widuje się znacznie rzadziej, bo wymagają dość szczególnego kąta wejścia światła w kryształ lodu. Tak naprawdę świetlny słup składa się z dwóch ramion, które łączą się, a potem znowu rozsuwają, w czasie gdy słońce podnosi się coraz wyżej na niebie. Słupowi towarzyszy często tak zwany górny łuk styczny powstający na tych samych kryształach, gdy wirują one targane wiatrem. Jeśli zdarzy się, że w chmurze jest wiele różnie ułożonych kryształów, na niebie można zobaczyć dwa poboczne słońca po obu stronach tarczy oraz słoneczny słup u dołu i łuk ponad prawdziwym słońcem. Taki widok to prawdziwa rzadkość, ale wrażenie jest niezapomniane.
Głównym zjawiskom towarzyszą czasami pasma świateł pojawiające się, gdy w chmurze wymieszane są kryształy różnych kształtów. Można zobaczyć krąg parheliczny i łuk okołozenitalny – pasmo światła przecinające słońce i coś na kształt diademu unoszącego się wysoko nad tarczą.
Taki zestaw niebieskich atrakcji może sprawić, że zwątpimy w świadectwo własnych oczu. No, chyba że opanowaliśmy niuanse fizyki, optyki i krystalografii tworzących to niesamowite przedstawienie.
Aleksandra Kowalczyk/ Przekrój Nauki
