Opracowanie: dr Marcin Kolonko, IMGW-PIB CMM

Obserwator zjawisk na sferze niebieskiej poszukuje zazwyczaj jak najciemniejszego miejsca, wolnego od skażenia światłem generowanym przez człowieka. Temu pomagają mapy rozkładu zanieczyszczeń świetlnych i próby ograniczenia emisji światła ze źródeł sztucznych, takich jak np. latarnie uliczne.

Zjawisko airglow nad południową Francją (region Auvergne). Źródło: Clame Reporter.

Nawet, jeśli zdołamy się pozbyć niepożądanego składnika zanieczyszczenia światłem (jadąc na przykład w Bieszczady, na Mazury albo do któregoś z innych parków ciemnego nieba), to pozostaną nam czynniki naturalne, związane z naturalnym rytmem przyrody i Kosmosu.

Zaliczamy do nich nie tylko światło słoneczne czy blask Księżyca i planet. Także światło zodiakalne (czyli świecenie materii w płaszczyźnie układu słonecznego – ekliptyce), którego źródło rozciąga się nawet do miliard kilometrów od Słońca. Oko wprawnego obserwatora powinno je w sprzyjających warunkach wychwycić.

Światło zodiakalne najlepiej obserwować wiosną po zachodzie Słońca na zachodniej części nieba a jesienią przed wschodem, w kierunku części horyzontu zza której wyjdzie Słońce. Źródło: Wikipedia.

Oprócz światła zodiakalnego mamy także zorze polarne – strumień naładowanych cząstek, który wpada w ziemskie pole magnetyczne, biegnie po krzywym torze i świeci (na zielono, czerwono lub niebiesko – w zależności od rodzaju cząstek).

Układ pionowy atmosfery Ziemi, z oznaczeniem powstawania różnych rodzajów świecenia nocnego (nadfioletowego, czerwonego i zielonkawego). Poniżej mezosfera (tam, gdzie występują obłoki srebrzyste), stratosfera i troposfera. Źródło: Wikipedia.

Mamy także meteory, drobne cząstki materii wpadające z wysoką prędkością (11-70 km/s) w górną atmosferę Ziemi, „pchające” przed sobą rozgrzane powietrze i od niego ulegające nagrzaniu i stopieniu (zwanego także ablacją). Przelot i rozbłysk meteoru trwa zazwyczaj ułamki sekund.

Widok meteoru ze stacji kosmicznej. Pomarańczowa granica oddziela atmosferę od kosmosu i jest miejscem powstawania świecenia nocnego. Źródło: NASA.

Aż wreszcie dochodzimy do kolejnego zjawiska, zlokalizowanego na krawędzi atmosfery i Kosmosu, zwanej też termosferą. Jest usytuowany wyżej niż miejsce występowania meteorów czyli głębiej w Kosmosie, ale wciąż związany z atmosferą Ziemi (zjawisko odkryto także na Wenus).

Obrazy atmosfery Wenus z sondy Venus Express. Na górnym panelu świecenie tlenu, na dolnym – tlenku azotu (uchwycone przez spektrometr VIRTIS). Źródło: ESA.

Nazywa się go airglow (dosłownie: świecenie powietrza) lub nightglow (poświata nocna). Airglow jest wywołane m.in. promieniowaniem UV ze słońca. Jest nieco podobne kolorystyką do zorzy, ale mniej dynamiczne. I powstaje nieco inaczej. Zgodnie z podręcznikami, jest ono mieszanką luminescencji (promieniami kosmicznymi uderzającymi w atmosferę), rekombinacji atomów (które podległy fotojonizacji w trakcie poprzedzającego dnia) i chemiluminescencji (którego najbardziej namacalną odmianą jest świecenie fosforu w nocy).

Droga Mleczna (jasny łuk, w ujęciu obiektywu szerokokątnego) i świecenie nocna (przy horyzoncie, czerwone i zielone) nad jednym z teleskopów Europejskiego Obserwatorium Południowego. Źródło: P. Horalek/ESO.

Rekombinacja atomów w górnej atmosferze jest następstwem wcześniejszej ich jonizacji a następnie łączenia się z powrotem w cząsteczki, np. tlenku azotu (NO), przy jednoczesnej emisji fotonów o konkretnych częstotliwościach. Chemiluminescencja to reakcja atomów azotu i tlenu z OH (hydroksylem). Mogą powstawać też inne pierwiastki, takie jak tlen, sód czy lit. Każda z nich ma swój specyficzny kolor (częstość emisji), zależny od różnicy energii między dwoma poziomami atomowymi.

Ujęcie airglow i profilu atmosfery nad południową Afryką widziane ze stacji kosmicznej. Airglow powstaje na wysokościach większych niż 100 km. Źródło: NASA.

Poświata nocna świeci najintensywniej na około 10 stopni nad horyzontem, miewa niebieskawy lub zielonkawy kolor acz zdarzają się też czerwonawe i pomarańczowe. Wysokość 10 stopni bierze się z faktu, że patrząc w tym kierunku obserwujemy warstwę atmosfery grubszą niż w zenicie a jeszcze nie przeszkadza nam całkowicie łuna zachodu oraz ekstynkcja. Występowanie airglow nie jest też zależne od szerokości geograficznej, co odróżnia nocne świecenie od zorzy.

Zorza polarna nad Alaską. Widać, że jest mocniejsza od świecenia nocnego czy światła zodiakalnego. Źródło: United States Air Force, Senior Airman Joshua Strang.

Jednym z przejawów airglow jest możliwość obserwowania konturów lasu czy zabudowań pomimo wcześniejszego wyeliminowania świateł wynikających z działalności człowieka. Oczywiście, znacznie częściej za świecenie nieba nad horyzontem odpowiada światło odległego miasta, niemniej nawet w prawdziwie ustronnym miejscu nie jest idealnie ciemno.

Świecenie nocne widoczne pośrednio – jako możliwość ujrzenia konturów obiektów ziemskich. W górze Droga Mleczna, czyli nasza Galaktyka widziana z jej peryferiów, czyli z położenia Słońca. Źródło: Rodney Campbell/flickr.

Kilka lat temu odkryto także zjawisko podobne do poddźwiękowego dryfu jonów które rozciągało się na tysiące kilometrów z zachodu na wschód i miało szerokość kilkudziesięciu kilometrów. STEVE (bo tak go nazwano) jest następstwem jonizacji pierwiastków podczas występowania niektórych zórz polarnych, a może być także związany ze światłami miejskimi. Jest on odmianą łagodnego zanieczyszczenia światłem i został odkryty i nazwany w 2016 r. Przez pewien czas uważano go za odmianę „zorzy protonowej”. Jego odkrycie przyczynia się do postępu w rozumieniu mechanizmów kształtujących wygląd atmosfery.

Widok STEVE (czerwonawa wstęga) przypomina nieco zorzę (zieloną), ale nią nie jest. Występuje też znacznie rzadziej. Źródło: Ryan Sault.

Literatura:

Sky and Telescope, Astronomy – wydania cyfrowe.

Marek Substyk „Astrofotografia”

Wikimedia Commons