Nad miastem zaobserwowano wyjątkowo gładką i zagadkową zorzę polarną w Boże Narodzenie Arktyczny w 2022 r. był wynikiem „burzy” elektronów bezpośrednio z słońce– twierdzą japońscy i amerykańscy naukowcy.
To pierwszy raz, kiedy z Ziemi udało się zaobserwować rzadką zorzę polarną tego typu. Zjawisko to miało miejsce w momencie, gdy podmuchy wiatru słonecznego niemal całkowicie ustały, pozostawiając wokół siebie spokojny obszar. Ziemia.
Zwykle zorza polarna pojawia się tak samo, jak te, które można zobaczyć na całym świecie w majuporuszają się i pulsują, z wyraźnie widocznymi kształtami na niebie. Te zorze polarne są zasilane elektronami z wiatru słonecznego — strumienia naładowanych cząstek, które płyną ze słońca — które zostają uwięzione w rozszerzeniu Pole magnetyczne Ziemi zwany ogonem magnetycznym. Kiedy pogoda kosmiczna staje się ekstremalna, na przykład gdy uwalniany jest koronalny wyrzut masy (CME) — duży wyrzut plazmy i pola magnetycznego ze słońca — ogon magnetyczny może zostać oderwany (nie martw się, odrasta). Elektrony tam uwięzione spływają liniami pola magnetycznego Ziemi do biegunów. Podczas tego procesu napotykają cząsteczki w atmosferze Ziemi, zderzając się z nimi i powodując, że świecą w kolorach zorzy polarnej (niebieski dla emisji azotu, zielony lub czerwony dla tlenu, w zależności od wysokości).
Jednak gładka zorza polarna z 25–26 grudnia 2022 r. była zupełnie inna. Zorza polarna, sfotografowana przez kamerę All-Sky Electron Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) w Longyearbyen w Norwegii, była słabym, pozbawionym cech charakterystycznych blaskiem o zasięgu 2485 mil (4000 kilometrów). Nie miała żadnej struktury, pulsującej lub zmiennej jasności. Nigdy wcześniej nie widziano z Ziemi podobnego typu zorzy polarnej.
Aby rozwiązać zagadkę, zespół kierowany przez Keisuke Hosokawę z Centrum Nauki Kosmicznej i Inżynierii Radiowej na Uniwersytecie Elektrokomunikacji w Tokio porównał tę nijaką zorzę z tym, co zobaczył Special Sensor Ultraviolet Scanning Imager (SSUSI) na satelitach polarnych Defense Meteorological Satellite Program (DMSP). DMSP jest obsługiwany przez Narodową Agencję Oceaniczną i Atmosferyczną oraz amerykańską Agencję ds. Siły Kosmiczne w imieniu Departamentu Obrony USA.
Satelity zaobserwowały zorzę polarną z góry i odkryły, że ma ona wszystkie cechy charakterystyczne dla rzadkiego typu zorzy zwanego zorzą polarną deszczową, którą do tej pory można było zobaczyć wyłącznie z kosmosu.
Regularny wiatr słoneczny przemieszcza się z prędkością około 250 mil (400 km) na sekundę. Jednak gorąca korona słoneczna jest pełna dziur, szczególnie na wyższych szerokościach geograficznych, z których wydostaje się wyjątkowo „szybki” wiatr słoneczny poruszający się z prędkością do 500 mil (800 km) na sekundę. Czasami te dziury koronalne mogą pojawiać się na niższych szerokościach geograficznych i tak właśnie stało się w Boże Narodzenie 2022 r., zbiegając się z ustaniem regularnego wiatru słonecznego.
W miejscu dziur koronalnych linie pola magnetycznego Słońca są otwarte — nie zapętlają się z powrotem na powierzchnię Słońca, fotosferę. Gdy otwarte linie pola magnetycznego rozciągają się w przestrzeń, dziura koronalna tworzy podstawę leja magnetycznego, z którego wypływają wysokoenergetyczne elektrony.
W przypadku zorzy polarnej, elektrony te przemieszczały się przez przestrzeń, a otwarte linie pola magnetycznego łączyły się z polem magnetycznym Ziemi nad biegunem północnym, co umożliwiało elektronom opadanie bezpośrednio na bieguny zamiast gromadzenia się w ogonie magnetycznym.
Zwykle nie zauważamy, że tak się dzieje, ponieważ regularne cząstki wiatru polarnego rozpraszają elektrony szybkiego wiatru pochodzące z dziury koronalnej. Tym razem jednak ciśnienie wiatru słonecznego zmniejszyło się do stopnia, w którym było nieistotne, a elektrony szybkiego wiatru mogły bez przeszkód dotrzeć do Ziemi.
Co więcej, średnica otworu tego lejka magnetycznego wynosi około 4600 mil (7500 km) w projekcji na odległość Ziemi od Słońca. Dlatego zorza wydawała się tak gładka; otwarte tuby strumienia magnetycznego wychodzące ze Słońca pokrywały większy obszar niż północna czapa polarna Ziemi. Ponieważ elektrony miały wysoką energię, emisja zorzy była czysto zielona, a nie czerwona, ponieważ potrzeba więcej energii, aby zjonizować tlen głębiej w atmosferze.
Przekonującym dowodem był fakt, że satelity DMSP zaobserwowały zorzę polarną jedynie nad północnym biegunem magnetycznym Ziemi, który zimą na półkuli północnej jest nachylony w stronę Słońca.
„Kiedy wiatr słoneczny zniknął, DMSP zaobserwował intensywny strumień elektronów o energii >1 keV, dzięki czemu zorza polarna była widoczna nawet z ziemi jako jasnozielone emisje” – stwierdził zespół Hosokawy w opublikowanym artykule badawczym.
Sam deszcz polarny był wcześniej dogłębnie badany przez detektory cząstek na satelitach na orbicie, ale takie badania są nieliczne i rzadkie. Te gładkie zorze polarne nie są zwykle widoczne gołym okiem na ziemi. W związku z tym nikt nie wiedział, czym była gładka, pozbawiona cech zorza polarna, która zmieniła niebo na zielone w Boże Narodzenie 2022 r., aż do teraz. Pełne wyjaśnienie można znaleźć w wydaniu czasopisma z 21 czerwca Postępy nauki.
