Polární záře v ČR: Důsledek sluneční aktivity nebo oslabení magnetosféry?

20 duben 2024

V roce 2023 se na našem území třikrát naskytla úchvatná podívaná – silná polární záře. V únoru, dubnu a listopadu se noční obloha rozzářila pestrými barvami. Kromě těchto tří pozorování bylo zaznamenáno i několik slabších polárních září, zachytitelných především fotografickou technikou. Čím to, že tento u nás vzácný jev byl v roce 2023 tak častý?

Jak vzniká polární záře?

Ze Slunce k Zemi neustále přilétá proud nabitých částic – převážně elektronů, protonů a jader hélia. Tomuto proudu říkáme sluneční vítr. Když se částice slunečního větru sráží s molekulami vzduchu, vyráží elektrony z obalů těchto atomů na vyšší dráhy, a když se tyto elektrony spontánně vrací zpět na své původní dráhy, vyzařují světlo velmi přesně určené barvy. Toto světlo pak pozorujeme jako polární záři.

Jak je to s barvou polární záře? Ta je určena molekulami, se kterými se částice slunečního větru sráží. Ke srážkám většinou dochází ve výškách 100 km až 300 km. Tam je naše atmosféra složena převážně z atomového kyslíku O. Obvyklá molekula O₂ se tady nevyskytuje, protože je slunečním zářením rozkládána právě na jednotlivé atomy O. Také v této výšce nedochází k míchání plynů v atmosféře prouděním a plyny jsou tu tedy víceméně navrstvené podle své hustoty. Atomový kyslík vyzařuje světlo v specifických barvách, které můžete vidět na obrázku 1.

https://www.windows2universe.org/earth/Magnetosphere/tour/tour_earth_magnetosphere_09.html)

Jaké barvy můžeme pozorovat?

Obr 2: Barvy polární záře vznikající v různých výškách

Nejčastější barvou polární záře je proto zelená. Červená barva, kterou atomový kyslík také může vyzařovat, není při srážkách v těchto výškách vyzařována, protože energie uložená ve vyraženém elektronu se dříve spotřebuje na srážky s jinými atomy kyslíku, než se stihne vyzářit jako světlo. V těchto výškách je hustota atmosféry ještě poměrně vysoká a stav kyslíku s elektronem na vyšší dráze odpovídající červené barvě záření je velmi stabilní–⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠ průměrná doba do vyzáření světla je 110 sekund [3]. Proto červeně atomový kyslík září až od 300 km výše, kde je už atmosféra dost řídká. Červené vyzařování je obecně slabší, proto je možné červenou záři nad zelenou pozorovat pouze když částice slunečního větru pronikají do naší atmosféry ve velkém množství.

Polární záře pozorované začátkem listopadu měly ovšem i růžové odstíny (viz obrázek 3 a obrázek 4).

Obr. 3: Polární záře nad Brněnskou přehradou, 5. listopad 2023, Vojtěch Otruba

(https://www.astro.cz/clanky/multimedia/fotogalerie-polarni-zare-5-listopadu-2023.html)

Obr. 4: Polární záře v Českém Těšíně, 23. dubna 2023, Jakub Mazúr

(https://www.astro.cz/clanky/multimedia/fotogalerie-necekane-jasna-polarni-zare-23-4-2023.html)

Ty vznikají, když do hry vstupuje další plyn –⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠⁠ konkrétně molekuly N₂. Jak můžete vidět na obrázku 5, ty vyzařují modrou, červenou a žlutou barvu.

https://www.windows2universe.org/earth/Magnetosphere/tour/tour_earth_magnetosphere_09.html)

Barvy z dusíku se objevují v polární záři, pokud se částice slunečního větru dostaly velmi hluboko do atmosféry⁠ – ⁠do výšky okolo 100 km.

Takže pokud si to shrneme, pozorované polární záře svědčí o tom, že se v roce 2023 částice slunečního větru opakovaně dostaly i nad naším územím hluboko do atmosféry až k hranici 100 km. Je to problém?

Čím byl rok 2023 výjimečný?

Protože jsou částice slunečního větru elektricky nabité, jsou odkláněny zemským magnetickým polem a za normálních okolností vstupují do atmosféry v oblasti pólů. Proto polární záři pozorujeme hlavně v těchto oblastech. To, že částice slunečního větru pronikají takto hluboko do atmosféry ve střední Evropě, je krajně neobvyklé, a ukazuje to na to, že z nějakého důvodu nebyly odkloněny magnetickým polem Země. K tomu může dojít, pokud erupce na Slunci je nějakým způsobem extrémní. Na obrázku 6 můžeme vidět počty slunečních skvrn.

Obr. 6: Počty slunečních skvrn, WDC-SILSO, Royal Observatory of Belgium, Brussels

Vidíme, že současná sluneční aktivita odpovídá běžné sluneční aktivitě poblíž maxima 11letého slunečního cyklu. Speciálně do listopadu 2023 neproběhly žádné erupce nejsilnější třídy X [4]. Tedy poměrně obvyklé erupce třídy M stačily na to, aby částice slunečního větru nebyly odkloněny zemským magnetickým polem a pronikly hluboko do atmosféry i ve střední Evropě. Může to tedy ukazovat na výrazné oslabení zemského magnetického pole. Na postupné slábnutí zemského magnetického pole ostatně ukazují i měření družic Swarm [5].

V čem je pro nás oslabování magnetického pole nebezpečné? Jednak představuje okamžité riziko pro elektroniku a elektrické rozvodné sítě, protože sluneční vítr i ze slabší sluneční erupce může zkratovat elektroniku na družicích, případně vybudit proudy, které vyřadí dálková vedení vysokého napětí, jako se to stalo v roce 1989 v Québecu [6]. Z dlouhodobějšího hlediska je pak silné magnetické pole kritické pro zachování života na Zemi. Bez jeho ochrany totiž sluneční vítr odfoukává plyny z vrchních vrstev atmosféry a Země by po delší době přišla o atmosféru úplně, podobně jako Mars. I při krátkodobém oslabení magnetického pole sluneční vítr odfoukává kyslík a vodík z vrchních vrstev atmosféry. Tím je také odvanuta ozónová vrstva a zvyšuje se množství ultrafialového záření dopadajícího na zemský povrch [7].

Intenzivní polární záře na našem území tedy nejsou pouze zajímavou podívanou, ale také, byť nepřímo, ukazují na ztrátu kyslíku z naší atmosféry a další problémy, které pro nás jako lidstvo oslabené magnetické pole znamená.

[1] https://annex.exploratorium.edu/learning_studio/auroras/difcolors.html

[2] https://www.space.com/aurora-colors-explained

[3] W. STOFFREGEN & H. DERBLOM: Life-Time of the Atomic Oxygen 6300 A. Line in the Auroral Spectrum, Nature (1960)

[4] https://www.spaceweatherlive.com/en/solar-activity/solar-cycle.html

[5] https://phys.org/news/2020-05-swarm-probes-weakening-earth-magnetic.html

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/March_1989_geomagnetic_storm

[7] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018RG000629