Prošli tjedan, ogromna solarna baklja poslala je val energetskih čestica iz Sunca kroz svemir. Tijekom vikenda, val je stigao do Zemlje, a ljudi širom svijeta uživali su u prizoru neobično živopisnih aurora na obje hemisfere. Kako objašnjava Timothy Schmidt, profesor kemije na UNSW Sydney, dok su aurore obično vidljive samo blizu polova, ovog vikenda su viđene čak na Havajima na sjevernoj hemisferi i u Mackayu na jugu.
U Hrvatskoj smo također imali priliku svjedočiti ovoj spektakularnoj pojavi. Ovaj spektakularni porast aktivnosti aurora čini se da je završio, ali ne brinite ako ste propustili ovaj prizor. Sunce se približava vrhuncu svog 11-godišnjeg ciklusa, pa se razdoblja intenzivnih aurora vjerojatno mogu očekivati tijekom sljedeće godine ili dvije. Ako ste vidjeli aurore ili fotografije, možda se pitate što se točno događalo. Što uzrokuje sjaj i različite boje?
Odgovor leži u atomima, njihovom uzbuđivanju i opuštanju.
Kad elektroni susreću atmosferu
Aurore su uzrokovane sudarima nabijenih subatomskih čestica (uglavnom elektrona) s atmosferom Zemlje. Sunce emitira te čestice stalno, ali ih je više tijekom razdoblja veće solarne aktivnosti. Većinu naše atmosfere štiti Zemljino magnetsko polje od ulaska nabijenih čestica. No blizu polova, one mogu prodrijeti i izazvati spektakl, objašnjava Schmidt. Zemljina atmosfera sastoji se od oko 20% kisika i 80% dušika, s tragovima drugih elemenata poput vode, ugljičnog dioksida (0,04%) i argona.
Kada brzi elektroni udare u molekule kisika u gornjoj atmosferi, razbijaju molekule kisika (O₂) u pojedinačne atome. Ultraljubičasto svjetlo Sunca također to radi, a atomi kisika nastali na taj način mogu reagirati s molekulama O₂ i stvoriti ozon (O₃), molekulu koja nas štiti od štetnog UV zračenja. No, u slučaju aurora, atomi kisika su u uzbuđenom stanju. To znači da su elektroni atoma poredani na nestabilan način koji se može “opustiti” oslobađanjem energije u obliku svjetlosti.
Što uzrokuje zelenu svjetlost?
Kao što se vidi u vatrometu, atomi različitih elemenata proizvode različite boje svjetla kada su energizirani. Atomi bakra daju plavo svjetlo, barij zeleno, a atomi natrija proizvode žuto-narančastu boju koju ste možda vidjeli u starijim uličnim svjetiljkama. Ova emisija je “dozvoljena” pravilima kvantne mehanike, što znači da se događa vrlo brzo. Kada je atom natrija u uzbuđenom stanju, ostaje tamo samo oko 17 milijarditih dijelova sekunde prije nego što ispusti žuto-narančasti foton.
Međutim, u aurori, mnogi atomi kisika nastaju u uzbuđenim stanjima bez “dozvoljenih” načina za opuštanje isijavanjem svjetlosti. Ipak, priroda pronalazi način. Zelena svjetlost koja dominira aurorom emitira se kada se atomi kisika opuštaju iz stanja zvanog “¹S” u stanje zvan “¹D”. To je relativno spor proces, koji u prosjeku traje gotovo cijelu sekundu. Zapravo, ovaj prijelaz je toliko spor da se obično ne događa pri zračnom pritisku koji vidimo na razini tla, jer će uzbuđeni atom izgubiti energiju sudarom s drugim atomom prije nego što ima priliku emitirati prekrasan zeleni foton.
Prema Schmidtu, u gornjim slojevima atmosfere, gdje je niži zračni pritisak i stoga manje molekula kisika, oni imaju više vremena prije nego što se sudare i stoga imaju priliku osloboditi foton. Iz tog razloga, znanstvenicima je trebalo dugo da otkriju da zelena svjetlost aurora dolazi od atoma kisika. Žuto-narančasti sjaj natrija bio je poznat 1860-ih, ali tek 1920-ih kanadski znanstvenici su otkrili da zelena aurora dolazi od kisika.
Što uzrokuje crvenu svjetlost?
Zelena svjetlost dolazi iz takozvanog “zabranjenog” prijelaza, koji se događa kada elektron u atomu kisika izvede nevjerojatan skok iz jedne orbitalne šare u drugu. (Zabranjeni prijelazi su mnogo manje vjerojatni od dozvoljenih, što znači da im treba duže da se dogode.) Međutim, čak i nakon emitiranja tog zelenog fotona, atom kisika nalazi se u još jednom uzbuđenom stanju bez dozvoljenog opuštanja. Jedini izlaz je preko još jednog zabranjenog prijelaza, iz stanja ¹D u stanje ³P – koji emitira crvenu svjetlost.
Ovaj prijelaz je još više zabranjen, tako reći, i stanje ¹D mora preživjeti oko dvije minute prije nego što konačno prekrši pravila i ispusti crvenu svjetlost. Budući da to traje toliko dugo, crvena svjetlost se pojavljuje samo na velikim visinama, gdje su sudari s drugim atomima i molekulama rijetki. Također, zbog malog broja kisika na tim visinama, crvena svjetlost se pojavljuje samo u intenzivnim aurorama – poput onih koje smo nedavno imali. Zato se crvena svjetlost pojavljuje iznad zelene. Dok obje potječu iz zabranjenih opuštanja atoma kisika, crvena svjetlost se emitira mnogo sporije i ima veću šansu biti ugašena sudarima s drugim atomima na nižim visinama.
Druge boje i zašto ih kamere bolje vide
Iako je zelena najčešća boja koja se vidi u aurori, crvena je druga najčešća, a postoje i druge boje. Posebno, ionizirane molekule dušika (N₂⁺), kojima nedostaje jedan elektron i imaju pozitivan električni naboj, mogu emitirati plavu i crvenu svjetlost. To može proizvesti magenta nijansu na niskim visinama. Sve ove boje su vidljive golim okom ako je aurora dovoljno svijetla, no na kameri se pojavljuju intenzivnije.
Za to postoje dva razloga. Prvo, kamere imaju prednost duge ekspozicije, što znači da mogu provesti više vremena prikupljajući svjetlost kako bi proizvele sliku nego naše oči. Kao rezultat, mogu snimiti sliku u slabijim uvjetima. Drugi razlog je da naši očni senzori za boje ne rade dobro u mraku, pa vidimo crno-bijelo u uvjetima slabog osvjetljenja. Kamere nemaju ovo ograničenje.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
