Úvodní strana  >  Články  >  Úkazy  >  Anatomie vakua

Anatomie vakua

polarni_zare_1.jpg
Základní schéma celého úkazu je více než jednoduché: Slunce směrem k naší planetě vyvrhne rozsáhlý oblak záporných elektronů a kladných iontů. Tyto částice dorazí po několika dnech letu meziplanetárním prostorem k Zemi, padají po spirále podél magnetických siločar až se nakonec srazí s atomy i molekulami atmosféry, která začne zářit na několika specifických vlnových délkách. Ve výšce od stovky do tisíce kilometrů, v prostředí blízkém vakuu, se objeví polární zář. Jednoduché vysvětlení má o to složitější pozadí. Viditelný povrch Slunce obklopuje rozsáhlá, řídká až několik milionů stupňů horká atmosféra, ze které bez ustání uniká rychlostí kolem čtyři sta kilometrů za sekundu nekonečný proud nabitých částic -- protonů a elektronů. Řídký sluneční vítr většinou jen tak nazdařbůh zaplavuje meziplanetární prostor, tu a tam se ovšem stane, že naše mateřská hvězda vyvrhne hustší bublinu -- díky tzv. koronární díře, během velké erupce a nebo prostřednictvím ejekce koronární hmoty. No a pokud se takový útvar trefí do Země, lze očekávat nejen polární záře, ale také slušné problémy.

Koronární díry jsou oblasti v koróně, kde jsou magnetické siločáry otevřeny směrem do prostoru, takže tudy ionizovaný materiál uniká do okolí rychlostí až osm set kilometrů. Pokud se takový útvar nachází poblíž rovníku, může na Zemi indukovat každých 27 dní polární záři. Tj. ve shodě s rotační periodou Slunce. Koronární díry totiž mohou existovat řadu měsíců.

Při erupcích dochází k náhlému uvolnění energie nejspíš v důsledku tzv. "magnetického zkratu" -- propojení komplikované magnetické struktury jednodušším způsobem. Prudké zahřátí řídkého materiálu spodní části koróny vede k jeho expanzi či přímo k explozi, a tak i ke vzniku mohutné rázové vlny. Ta při svém postupu stlačuje a zahřívá okolní materiál na vysokou teplotu a při zvlášť silných slunečních erupcích dokonce uvolňuje výkon až 1023 wattů. Což představuje asi 1/4000 zářivého výkonu celé hvězdy nebo zhruba dvě miliardy megatunových bomb! Erupce trvá několik sekund, dochází při ní ke vzniku záření všech vlnových délek a zpravidla ji doprovází i výron nabitých částic do prostoru. Zcela výjimečně může dojít k takovému urychlení částic, že zde proběhnou některé jaderné reakce.

Erupce generují sluneční vítr o rychlosti až tisíc kilometrů za sekundu, však nejsou -- oproti tradovaným zkazkám -- hlavním zdrojem polárních září. Jenom málokdy se totiž nacházejí na takovém místě, aby jimi vyvrhnutý oblak nabitých částic dokázal trefit naši planetu.

Současné studie ukazují, že za největším počtem polárních představení stojí tzv. koronární ejekce (anglicky coronal mass ejection, zkráceně CME). Jedná se o gigantické výbuchy v koróně, při kterých se uvolňuje energie srovnatelná s těmi nejmohutnějšími erupcemi (až 1026 joulů). Stejné množství energie by všechny jaderné reaktory na naší planetě nedaly dohromady dříve než za milion roků... Ejekce koronární hmoty, k nimž dochází až několikrát denně, dokáží velkou rychlostí vypudit takřka veškerou látku sluneční atmosféry v sektoru až o velikosti čtyřicet stupňů, což představuje v průměru jeden trilion kilogramů. Pravděpodobně jsou výsledkem kompletní přestavby magnetického pole v okolí Slunce.

sluneční vítr

Už od počátku šedesátých roků dvacátého století je zřejmé, že nabité částice pronikají do zemské atmosféry jenom v omezené oblasti, ve dvojici prstenů o průměru čtyři tisíce kilometrů centrovaných na geomagnetické póly. Vzhledem k tomu, že pod těmito ovály rotuje kolem geografických pólů naše planeta, jsou polární záře pravidelně pozorovatelné z takových míst jako střední Aljaška či severní Skandinávie. Ze stejného důvodu jsou světelná představení viditelná -- výjimečně -- v nižších zeměpisných šířkách jenom nad severním obzorem kolem místní půlnoci.

Naše planeta se samozřejmě plazmatickým útokům brání seč může. Naštěstí pro nás, jinak by život na Zemi brzy zaniknul. V první linii je rozsáhlé magnetické pole. I když je bipolární, jeho podoba je na hony vzdálená od tvaru pole běžného tyčového magnetu. Na straně přivrácené ke Slunci sluneční vítr magnetické pole stlačuje na vzdálenost jenom několika poloměrů Země, na straně opačné však sahá až dvě stě poloměrů daleko, tedy za dráhu Měsíce.

Magnetickému štítu se bublinu nabitých částic zpravidla podaří odrazit. Pokud má však plazma dostatečnou razanci a hustotu, dojde ke stlačení geomagnetického pole a tak i k rozšíření oblasti, kam proniká sluneční plazma (výše zmiňovanému prstenu). Druhou podmínkou pro vznik polární záře je správná orientace meziplanetárního magnetického pole, které s sebou oblak nabitých částic unáší. Pokud má opačnou polaritu než zemská magnetosféra, dochází k přestavbě pole, které je v dané chvíli lokálně značně zeslabené a dovolí volným elektronům a iontům proniknout hlouběji než normálně. Částice slunečního větru se pak pohybují podél siločar a srážejí se s atomy a molekulami vzdušného obalu a polární záře, které dosáhnou až do zenitu, můžeme sledovat i v nižších zeměpisných šířkách

Při rozsáhlých změnách magnetického pole, které doprovází taková setkání, se navíc v rozvodných soustavách, podmořských kabelech, telefonních a televizních sítích indukují silné elektrické proudy, které poškozují či zcela zneškodňují nejrůznější spotřebiče. Dokonce už na sklonku devatenáctého století vznikaly v telegrafních a telefonních systémech tak silné proudy, že obsluha nepotřebovala k vysílání teček a čárek baterie. Někteří operátoři dokonce tu a tam dostali pěknou ránu... Dnes se pro změnu v kovových pláštích podmořských kabelů běžně generuje napětí až několik set voltů.

Skutečně veliké problémy, v souvislosti se sluneční aktivitou, přišly až ve druhé polovině dvacátého století. Například v březnu 1989 došlo k náhlému výpadku rozvodné sítě v Severní Americe. "Jedna z největších magnetických bouří uplynulých čtyřiceti roků začala ve dvě hodiny ráno 13. března... Kompasy trajektů v Severním moři se odchylovaly až o 12 stupňů... Bouře byla natolik intenzivní, že polární zář, normálně viditelná jen ve vyšších zeměpisných šířkách, byla tentokrát pozorovatelná až na jihu Anglie. Existují též zprávy z Itálie a takových jižních oblastí jako Jamajka. Rychlé změny geomagnetického pole indukovaly napětí v rozvodných soustavách, podmořských kabelech, telefonních a televizních sítích. V kanadském Quebecu došlo k výpadku série transformátorů a celá oblast s jedním milionem lidí se na několik hodin ocitla ve tmě. Poruchy v ionosféře současně značně rušily rádiové vysílání, což ve stejné oblasti vedlo k částečné ztrátě televizního signálu. Nebezpečí zvýšené radiace pak donutilo změnit trasu transatlantického letadla Concorde a zkrácení tehdejší výpravy raketoplánu Discovery o jeden den," popsal tehdejší situaci Brian Randell z University of Newcastle.

Je to tak, Slunce má na pozemské dění docela velký vliv. (Nikoli však na počty dopravních nehod, výskyt neštovic nebo počet sebevražd.) Třeba pravděpodobnost selhání výkonných transformátorů je v Kanadě a na Aljašce zhruba o šedesát procent větší než ve zbytku světa. Severní Amerika je ohroženější proto, že na rozdíl od Evropy leží blíže magnetickému pólu. Většina tamních elektrárenských společností tudíž pečlivě monitoruje "kosmické počasí" a v případě ohrožení podniká kroky k minimalizaci škod.

Ještě většímu nebezpečí jsou vystaveny umělé družice Země. V maximu sluneční činnosti dochází k rozepnutí zemské atmosféry, která pak výrazně účinněji brzdí všechny poblíž prolétající tělesa. Tahle situace se stala osudnou například americké stanici Skylab, která předčasně zanikla v červenci 1979.

Dění na Slunci však ohrožuje také astronauty. Nejvyšší povolená hranice celkové expozice záření je u NASA asi 400 remů, což odpovídá 20 tisíci lékařských rentgenů. Při běžném provozu jsou lidé na oběžné dráze vystaveni dávce záření ekvivalentní devíti lékařským rentgenům denně, stačí však jediná větší erupce a musí se rychle a navždy vrátit pod ochranná křídla naší planety. Budoucí výpravu k Marsu proto v souvislosti čekají vysoké náklady na dostatečnou ochranu před škodlivou radiací.

Kvůli ozáření však netřeba cestovat přímo do vesmíru. Každý rok, díky záření přicházejícího z okolní přírody, dostaneme dávku 0,36 remu, tedy přibližně 18 rentgenových snímků. Při letu z New Yorku do San Francisca tato dávka vzroste o dvacet procent a pokud se posadíte do nadzvukového Concordu v době velké sluneční erupce, dostanete každou hodinu ekvivalent jednoho rentgenového snímku! Taková expozice se přitom za bezpečnou nepovažuje...

Nabité částice, především pak protony, snižují i účinnost slunečních panelů. Proto jsou sondy vybavovány výrazně většími panely než by bylo v principu nutné (a proto často překračují svoji plánovanou životnost). Rychlé elektrony však mohou pěkně zamotat hlavu také výpočetní technice a přivést kosmickou laboratoř do nečekaných problémů.

Seznam takto poškozených satelitů pomalu roste. Některé nehody jsou značně diskutabilní a nelze je spolehlivě vysvětlit, jiné jsou však prakticky potvrzeny. Například mezi 10. a 11. lednem 1997 přilétl k Zemi jeden rozsáhlý oblak nabitých částic a dvěstěmilionovou družici Telstar 401 postihl výpadek proudu. V květnu 1998 se podobně odmlčel telekomunikační satelit Galaxy 4 společnosti PanAmSat, který zprostředkoval kontakt pro 45 milionů uživatelů pagerů v Severní Americe. V roce 1994 zase přestal pracovat Anik E1 a E2. První z nich později vyzdvihl americký raketoplán a následné vyšetřování prokázalo stopy po radiačním poškození.

V letech 1989-90 pracovala necelá stovka telekomunikačních satelitů a jenom ve Spojených státech byly tři miliony majitelů mobilních telefonů. Dnes stojí na bezdrátovém spojení jak globální ekonomika, tak Internet a celá řada dalších činností, u kterých by nás to ani nenapadlo. Kolem nás pracuje na tisíc umělých družic a jejich prostřednictvím komunikuje na padesát milionů lidí. Do roku 2004 se přitom tento počet zosminásobí...

polární záře nad BrnemVlastní polární záře vzniká ve výšce od sto do tisíc kilometrů nad zemí. Barvu, jas i průběh celého jevu ovlivňuje řada faktorů, jako je hustota elektronů, atmosféry a chemické složení. Typicky se jedná o oblast s výškou několika set kilometrů a tloušťkou pouze jeden kilometr.

Nejčastěji jsou polární záře zelené. Tento odstín mají na svědomí atomy kyslíku ve výšce čtyři sta kilometrů, které se excitují na druhou energetickou hladinu. V řídkém prostředí může částice v tomto stavu zůstat po dobu delší než tři čtvrtě sekundy, což je dostatečně dlouhá doba na to, aby elektron přeskočil do prvního energetického stavu, vyzářil foton na vlnové délce 558 nanometrů a neztratil mezitím energii srážkou s jinou částicí.

Životní doba elektronu na první energetické hladině se pak pohybuje kolem 110 sekundu, takže pokud se mezitím nesetká s jiným atomem či molekulou, může vyzářit další foton. V nižší nadmořské výšce je zemská atmosféra natolik hustá, že ke kolizi excitovaného kyslíku s jinou částicí dojde prakticky okamžitě. Ve větší výšce jsou však podmínky dostatečně příhodné, takže zde při návratu do základního stavu dojde k vyzáření červeného fotonu (630 nm). K této dlouhovlnnější emisi dochází i tehdy, když kyslík na počátku excituje méně energetický elektron.

Zatímco červené zabarvení u polární záře plápolající ve větší výšce vykresluje kyslík, méně častěji se tentýž odstín může objevit při světélkování dusíku v nižší vrstvě atmosféry. K jevu dochází tehdy, když se dusíkové molekuly ve výšce devadesát kilometrů srážejí s velmi energetickými elektrony (s tisíckrát větší energií než v případě elektronů, které mají na svědomí zelenou polární zář). Při návratu do základního stavu molekuly svítí ve čtyřech různých vlnových délkách v červené oblasti spektra.

Pozorovací řady přitom ukazují, že ve výjimečných případech nejsou vyloučeny ani jiné barvy: purpurová, modrá a růžová zář je však zpravidla natolik slabá, že ji očima nezahlédneme.

polární zářeKonkrétně v našich zeměpisných šířkách najdete polární záře nad severním obzorem. Jejich výskyt se však za průměrně dlouhý život běžného Středoevropana spočítá na prstech obou rukou. V době maxima sluneční aktivity se s nimi setkáte nanejvýš párkrát do roka, v době minima jsou dostupné jenom z oblastí blíž k severnímu pólu. Například na severu Finska se je polární záře každou druhou noc!

Zatímco v těchto "obdařených" oblastech vykreslují nejrůznější tvary, u nás připomínají na první pohled spíše světlá oblaka či nebe nad vzdáleným městem. Jejich vzhled se však mění v rozmezí několika málo minut, nebo dokonce desítek vteřin. Slabé polární záře nepřekonají svým jasem práh barevného vidění a jeví se bíle. Vzácně se však mohou na obloze střední Evropy objevit i dynamicky proměnlivé červené skvrny s nazelenalými závěsy, eventuálně jakékoli jiné, překvapivé kombinace. Zkušenosti náhodných i systematických pozorovatelů přitom ukazují, že většina světelných představení -- alespoň v nejsvětlejší fázi -- trvá od dvou do deseti minut. Někdy se divadlo za dvě až tři hodiny zopakuje.

Každopádně se připravte na neúspěch. I když budou všechny koeficienty optimální, stejně jako předpovědi renomovaných center, nemusí se na obloze vůbec nic rozsvítit. Ke sledování slabých, ale vlastně i těch jasných polárních září je navíc nezbytná temná obloha. Pod příkrovem světelného znečištění jsou většinou patrné jen světlé skvrny s různými barevnými odstíny, které na první pohled připomínají "obyčejný" světlý obzor pouličních lamp sodíkových výbojek.

Nezbývá tedy než se obrnit dostatečnou trpělivostí. Pokud totiž nenarazíte na skutečně velkolepé show doprovázené řadou barevných nuancí a dynamických změn, nebo pokud vás nedoprovodí zkušenější pozorovatel, nebudete si dlouhou dobu jisti, zda jste skutečně polární zář viděli. Při pobíhání po ztemnělých parcích, nedalekých kopcích a jiných odlehlých místech si sice tu a tam bude připadat jako úplní idioti, avšak flintu do žita nikdy neházejte. Dříve nebo později se vám tento hon určitě vyplatí. Jediné, co je potřeba, je vhodně namířená koronární ejekce, temná bezměsíčná obloha a štěstí na pěkné počasí.

Zdroj: denik.hvezdarna.cz, Návod na použití vesmíru




O autorovi

Jiří Dušek

Jiří Dušek

Jiří Dušek (* 11. srpna 1971 Sušice) je český astronom a astrofyzik, ředitel brněnské hvězdárny. V Brně žije od svých tří let. O astronomii se zajímal od dětství, což vyústilo ve studium astrofyziky na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity. Dlouhodobě působí na Hvězdárně a planetáriu Brno, jejímž ředitelem se stal v roce 2008. Je autorem populárně naučných programů, které jsou v planetáriu promítány veřejnosti, a také různých publikací z oblasti astronomie. Je po něm pojmenována planetka (14054) Dušek.



49. vesmírný týden 2016

49. vesmírný týden 2016

Přehled událostí na obloze od 5. 12. do 11. 12. 2016. Měsíc bude v první čvrti, uvidíme Lunar X? Večer je krásně vidět Venuše na jihozápadě. Mars je výše a skoro nad jihem. Ráno je pěkně viditelný Jupiter. Slunce se po krátkém zvýšení aktivity opět uklidnilo. Poté, co došlo k selhání horního stupně rakety Sojuz, zřítila se nad Ruskem nákladní loď Progress, původně určená k zásobování ISS. Pokud se v tomto týdnu povede start japonské zásobovací lodi HTV, bude to pro osazenstvo stanice úplně v pohodě. Kromě tohoto startu se očekávají ještě další čtyři.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Planety

Hvězdy bloudivé, oběžnice, planety. Několik pojmenování téhož. Ostatně i řecké πλανήτης, neboli planétés, znamená vlastně „tulák“. Pro mnoho z nás obíhá kolem Slunce planet devět. Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun a Pluto. Ovšem od roku 2006, od valného shromáždění

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Za súmraku

Vrch Ostrá 1247mnm. Počas astronomického súmraku ešte posledné slnečné svetlo osvetľovalo horizont. Na fotke je vidieť Mesiac, Mars, Venušu a Mliečnu cestu.

Další informace »