Polarna svjetlost svjetlost je koja se javlja u visokim slojevima Zemljine atmosfere i jedan je od najljepših prizora u prirodi. Nastaje blizu Zemljinih polova i najčešće je vidljiva u polarnim krajevima. Očaravajuće je zelene boje, a rjeđe može biti i crvena, plava ili ljubičasta. Pa saznajmo zašto i kako nastaje polarna svjetlost!

Zemljini polovi

Početak priče Zemljino je magnetsko polje. Uz geografski sjever i jug, Zemljina kugla ima i svoje (geo)magnetske polove.

Geografski polovi

Geografski (sjeverni i južni) polovi određuju se prema tome kako se Zemlja okreće oko svoje osi – zamišljenoga pravca koji prolazi kroz Zemlju i oko kojega se ona okreće. Na sjecištima tog pravca i Zemljine površine nalaze se geografski polovi. Zemlji trebaju otprilike 24 sata da se okrene oko svoje osi. (Ako vas zanima što bi se dogodilo da to prestane činiti, pogledajte u ovom tekstu).

Ilustracija Zemljina magnestog polja pomoću silnica (označenih sivom bojom) te Zemljinih polova, označenih slovima. Zelenom bojom označena je rotacijska os (A1 označava sjeverni geografski pol, a A2 južni geografski pol). Plavom bojom označena je os koja povezuje geomagnetske polove prikazane u točkama B1 i B2. C1 prikazuje južni magnetski pol, a C2 sjeverni magnetski pol. Izvor: DMY @ Wikipedia, CC BY 3.0

Magnetski polovi

Zemlja ima magnetsko polje koje nalikuje na magnetsko polje nekoga štapićastog magneta sa magnetskim sjevernim i južnim polom. To znači da Zemlja ima i magnetski sjeverni i južni pol. 

Kompas će pokazivati prema sjevernome magnetskom polu, a magnetski polovi određuju se tako da su na tim točkama Zemljine površine magnetske silnice okomite na Zemljinu površinu. Zanimljivost je da kad se sjeverni i južni magnetski polovi povežu u zamišljeni pravac, taj pravac uopće ne prolazi kroz Zemljino središte (za razliku od zamišljenih pravaca koji spajaju geografski sjeverni i južni pol te geomagnetski sjeverni i južni pol, pogledajte gornju ilustraciju).

Animacija silnica Zemljina magnetskog polja. Izvor: NASA's Scientific Visualization Studio

Geomagnetski polovi

Uz Zemljine geografske i magnetske polove postoje i geomagnetski polovi koji su malo pomaknuti u odnosu na magnetske polove. Na geomagnetski pol može se gledati kao na točku koja ukazuje na prosjek Zemljina magnetskoga polja te je ona različita od magnetskoga pola zato što postoje neujednačenosti u ukupnome magnetskome polju. Drugim riječima, kad bi Zemljino magnetsko polje bilo savršen (dipolni) magnet, magnetski i geomagnetski polovi nalazili bi se na istome mjestu.

Lokacije i migracije polova

Nije nužno da se geografski i magnetski polovi podudaraju. Međutim, u Zemljinu slučaju (u našem vremenu), oni su blizu. Sjeverni geografski pol vrlo je blizu južnome magnetskom polu (da, južni magnetski pol 🙂 ) i zato nam sjever magnetske igle u kompasu pokazuje prema Zemljinu sjevernome polu.

Vjerovali ili ne, Zemljino magnetsko polje nekada (u nepravilnim vremenskim razmacima) mijenja svoje polove: sjeverni (geo)magnetski pol postane južni, a južni sjeverni. Zadnje obrtanje sjevernog i južnog magnetskog pola dogodilo se prije otprilike 780 tisuća godina. I uistinu, kad se pogleda kako se položaj magnetskog pola mijenja iz godine u godinu, otkriva se da se on pomiče.

 Migracija magnetskog pola Zemlje. Izvor: Cavit @ Wikipedia, CC BY 4.0

Zašto Zemlja ima magnetsko polje?

Zemljino magnetsko polje postoji zato što se Zemljina jezgra sastoji od metala: željeza i nikla. Unutarnja jezgra kruta je i vruća, a vanjska tekuća i hladnija. Ta vanjska jezgra crpi toplinu iz unutarnje te tako nastaju tokovi električki vodljivih metala u vanjskoj jezgri. Njih Zemljina rotacija usmjerava tako da se stvara Zemljino magnetsko polje slično onome štapićastoga magneta.

Dinamo u Zemljinoj jezgri
Ilustracija struja električki vodljivog željeza i nikla u Zemljinoj vanjskoj jezgri koje stvaraju Zemljino magnetsko polje. Izvor: Andrew Z. Colvin @ Wikipedia, CC BY 4.0, promjene: Astroučionica

Struja i magnetska polja povezani su. Kada pustimo struju kroz neku žicu, oko nje stvorit će se magnetsko polje. Ako pak okrećemo magnet oko žice (ili žicu oko magneta), stvorit ćemo struju kao u primjerice dinamu, uređaju koji na biciklu stvara svjetlo samo kada se kotač okreće. 

Zemlja je poput dinama. Struja u njezinoj jezgri stvara Zemljino magnetsko polje.

Pogledajte kako radi dinamo bicikla.

Kako se električki nabijene čestice gibaju u magnetskome polju?

Nabijene čestice mogu se gibati samo uzduž magnetskoga polja, odnosno magnetskih silnica i to tako da oko njih kruže. S obzirom na to da Zemljine magnetske silnice okružuju Zemlju izlazeći i ulazeći u polove, one Zemlju uistinu štite od izravnoga prolaska električki nabijenih čestica iz svemira. Te čestice se, međutim, mogu niz silnice probiti do Zemljinih polova.

Animacija gibanja čestica u magnetskome polju.

Aurora: međudjelovanje nabijenih čestica i atmosfere

Kada se električki nabijene čestice probiju do Zemljinih polova, sudarat će se s plinom u atmosferi koji se ponajprije sastoji od dušika i kisika. Ti sudari pobudit će odnosno ionizirati atome kisika i molekule dušika te će oni pri „opuštanju“ iz tih stanja ispuštati prekrasnu zelenu, crvenu, plavu ili ljubičastu svjetlost. Boja svjetlosti ovisit će o energiji koju su kisik i dušik ispustili pri tom „opuštanju“. 

U gornjim slojevima atmosfere, iznad otprilike 200 kilometara, pobuđeni atomi kisika otpuštaju crvenu svjetlost. U nižim slojevima atmosfere, atomi kisika ispuštaju zelenu svjetlost, a atomi dušika plavu. Na visinama ispod 100 kilometara molekule dušika ispuštaju crvenu i plavu svjetlost. Do ljubičastih i žutih tonova svjetlosti dolazi zbog miješanja crvene i plave, odnosno, crvene i zelene svjetlosti.

Polarna svjetlost
Primjeri polarne svjetlosti.

Otkuda dolaze nabijene čestice?

Nabijene čestice svakodnevno „udaraju“ Zemlju odnosno njezino magnetsko polje. Te čestice najviše nam šalje Sunce kroz Sunčeve vjetrove. 

Ilustracija strukture Sunca; izvor: NASA/Goddard
Ilustracija Sunca, izvor: NASA/Goddard

Sunčev vjetar struja je električki nabijenih čestica koju Sunčev vijenac (Sunčeva korona) neprestano šalje u svemir oko sebe. Vjetrovi se pojačavaju u vrijeme pojačane Sunčeve aktivnosti, a do nje dolazi u ciklusima od otprilike 11 godina (u kojima Sunce zamijeni svoj sjeverni i južni magnetski pol). 

Za jakih Sunčevih vjetrova dolazi do geomagnetskih oluja koje mogu biti opasne za svemirske letjelice te ometati kratkovalnu radiokomunikaciju koja se koristi, primjerice, u zrakoplovstvu. 

No upravo te oluje stvaraju i jaku polarnu svjetlost vidljivu mnogo bliže ekvatoru nego inače. Za jednog takvog događaja 1859. godine polarna se svjetlost vidjela čak i na Kubi i Havajima, a 1989. godine geomagnetska je oluja uzrokovala devetosatni nestanak struje u Quebecu.

Pogledajte u animaciji u nastavku što se točno događa sa Zemljinim magnetskim silnicama kada na njih naleti Sunčev vjetar noseći magnetsko polje suprotnoga polariteta: silnica se kida te s druge strane Zemlje opet spaja stvarajući povećani dotok nabijenih čestica na Zemljine polove. I tako nastaje veličanstvena polarna svjetlost.

Animacija naleta Sunčeva vjetra na Zemljinu magnetosferu te nastanka polarne svjetlosti. Izvor: NASA/JPL

Ukratko o polarnoj svjetlosti – za one u žurbi

Polarna svjetlost naziva se aurora borealis ako nastaje oko sjevernoga pola odnosno aurora australis ako nastaje oko južnoga pola. Ta spektakularna svjetlost nastaje zbog Zemljina magnetskog polja (odnosno magnetosfere) te električki nabijenih čestica koje nam šalje Sunce. Kada dođu do Zemlje, nabijene čestice putuju uzduž Zemljina magnetskog polja te se kod polova sudaraju s kisikom i dušikom u atmosferi. To stvara prekrasnu zelenu, crvenu, a ponekad i plavu i ljubičastu svjetlost koja se može vidjeti blizu polova. 

Za jakih Sučevih izbačaja (koje zovemo koronarnim izbačajima mase) dolazi do geomagnetskih oluja te se polarna svjetlost može vidjeti i mnogo bliže ekvatoru. Za najvećega takvog događaja 1859., koji se naziva Carringtonovim događajem, polarna je svjetlost zabilježena čak i na Kubi i Havajima.