Jaroslav Heiniš - revize plynu, Ostrava a okolí, stavební práce, rekonstrukce, hodinový manžel (www.heinis.cz). Ženklava, Kopřivnice, Příbor, Nový jičín, Bělotín, Bílovec...=Jaroslav Heiniš - revize plynu, Ostrava a okolí, stavební práce, rekonstrukce, hodinový manžel (www.heinis.cz). Ženklava, Kopřivnice, Příbor, Nový jičín, Bělotín, Bílovec...
DOMŮ   ARCHIV   IBT   IAN 1-50   IAN 50-226   IAN 227-500   RÁDIO   PŘEKVAPENÍ  
STALO SE

Polární záře 20. listopadu 2003: Rozbor díla (6. a poslední díl)

Při pozorování jsem si uvědomil, že polární záře, na kterou se dívám, se skládá ze čtyř stavebních prvků - struktur, které se výrazně liší vzhledem a hlavně dobou existence. Analýzou snímků, které jsem pořídil, se dá zjistit řada zajímavých věcí. Klíčem k jejich pochopení je rozklad barevných obrázků na červenou, zelenou a modrou složku.

Rozložíme takto obrázek 2-16, na kterém se mi podařilo zachytit najednou všechny čtyři stavební prvky polární záře, a pokusíme se je pochopit.

Ilustrační foto...
Snímek, který byl rozložen na červenou, zelenou a modrou složku (zleva doprava).

1. Zelený pás táhnoucí se horizontálně nad obzorem od severozápadu až na severovýchod.
Tento pás postupně přecházel v difuzní zelenou záři, která postupně slábla se vzrůstající výškou nad obzorem. Pás byl viditelný po celou dobu mého pozorování záře. Měnil se jen velice pomalu. Tento pás byl zřejmě svítící prstenec kolem severního pólu, který se nacházel po celou dobu pozorování záře na sever od České republiky, jak je patrné z animace sestavené z dat družic NOAA 14,15,16,17. My jsme tento prstenec, který má maximum jasu asi ve výšce 140 km nad zemským povrchem, mohli vidět nízko nad obzorem. Jeho nejjasnější část mohla být skryta pod obzorem nebo výrazně zeslabena průchodem světla hustými vrstvami atmosféry. Za jeho zelenou barvu je zodpovědná převážně čára atomárního kyslíku na vlnové délce 557,7 nm, o které již byla výše řeč. Tuto zelenou barvu bych označil za sytě hráškově zelenou nebo skoro žluto-zelenou. Pohled na oblohu tomu však příliš neodpovídal. Okem se mi tato barva jevila jako nevýrazně bledě zelená. Oko samozřejmě nevidí při nízkých intenzitách správně barvy, a proto na tento dojem nelze příliš spoléhat. Analýzou obrázků se dá ale ukázat, že můj dojem byl zcela správný.

Na obrázku rozloženém na jednotlivé barevné složky - červenou, zelenou a modrou - odpovídající jednotlivým citlivý vrstvám filmu je zelený pás (vlevo dole) sice nejjasnější na záznamu v zelenocitlivé vrstvě, ale je dobře patrný i na záznamu v modrocitlivé vrstvě. Pokud se podíváme na spektrální citlivosti vrstev použitého filmu Konica Centuria Super 1600, které jsem získal z materiálů poskytnutých výrobcem filmu, zjistíme, že záření o vlnové délce 557,7 nm nemůže vytvořit žádný záznam v modrocitlivé vrstvě filmu. I tento záznam má své vysvětlení. Obvykle třetí nejsilnější spektrální čárou ve spektrech polárních září, po zmíněných dvou čarách atomárního kyslíku, je čára dusíku na vlnové délce 427,8 nm. Její vznik je však poněkud jiný než u kyslíku. Nezáří totiž atom dusíku, ale jeho dvouatomová molekula, která ztratila jeden elektron, tj. N2+. Srazí-li se molekula s elektronem slunečního větru o vysoké energii, může přijít o elektron. Při návratu do původního stavu dojde k vyzáření fotonu o vlnové délce 427,8 nm. Střední doba potřebná k návratu je pod 0,001 s. Proto může vznikat toto záření ještě níže (asi do 60 km), než zelené záření kyslíku. Nyní se pokusíme namíchat barvu, kterou má světlo skládající se z vlnových délek 557,7 nm a 427,8 nm. Vzhledem k tomu, že spektrální citlivost oka je přesně známa, stejně tak jako vlastnosti RGB složek počítačových monitorů, můžeme výslednou barvu namíchat téměř dokonale. Výsledek mne značně překvapil. Pokud bychom smíchali obě světla v poměru 1:1, dostaneme téměř dokonale šedou barvu, lidské oko by tedy nebylo schopné rozeznat směs těchto dvou světel od slunečního světla! Pokud zvětšíme podíl zelené čáry kyslíku, vznikne bledě zelená, přesně taková, jakou jsem viděl. Ještě jednu na první pohled nelogickou věc je nutné vysvětlit.

Ilustrační foto...
Zleva doprava: 557.7nm, 427.8nm, 557.7nm a 427.8nm v poměru 1:1, 557.7nm a 427.8nm v poměru 3:2

Z výše uvedeného vyplývá, že nižší části pásu by měly obsahovat větší podíl modré čáry dusíku než části horní. Porovnáním zelené a modré složky snímku (je to dobře patrné i na barevném snímku) zjistíme, že je tomu přesně naopak. Vysvětlení je jednoduché. Zemská atmosféra účinně filtruje krátkovlnnou část viditelného spektra a nad obzorem prochází světlo po nejdelší dráze hustými vrstvami atmosféry. Modrá čára dusíku je tedy zeslabena daleko více než zelená čára kyslíku.

2. Slabá červená záře bez výrazné struktury nacházející ze nad zeleným pásem a sahající minimálně k zenitu.
Ilustrační foto...Tato záře jednoznačně patří červené čáře kyslíku 630,0 nm. Jak již bylo vysvětleno výše, tato záře vzniká jen ve velmi vysokých výškách nad povrchem Země, asi nad 150 km, a může sahat velmi vysoko, snad až do výšek kolem 1000 km. Na obloze musí tedy ležet nad zeleným pásem a je jeho pokračováním směrem nahoru. Tato záře byla v zenitu často již tak slabá, že jsem ji okem neviděl. Na snímcích exponovaných již jen 20 sekund je ale velmi dobře patrná. Proč nejsou v této záři viditelné žádné výrazné struktury - je prostě rozmazaná, vysvětlím později. Pro ilustraci jsem, v rámci technickým možností, přesně nasimuloval na monitoru její barvu.

3. Výrazné paprsky červeno-oranžové barvy
Barva těchto paprsků vzniká převážně složením dvou nejjasnějších spektrálních čar 557,7 nm a 630,0 nm patřících kyslíku. Tyto paprsky zřejmě vznikají tak, že v magnetickém štítu Země, který za normálních okolností nedovolí, aby pronikl sluneční vítr do vysoké atmosféry v našich zeměpisných šířkách, vznikne díra. Tou po jistou dobu může pronikat proud slunečního větru, který excituje atomy ve vysoké atmosféře, které pak září jako paprsek vyznačující na obloze tento proud. Při pohledu na rozložený snímek 2-16 je dobře patrné, že na červené složce snímku jsou paprsky zřetelně rozmazané v porovnání se zelenou i modrou složkou. Podstatně lépe je tato skutečnost patrná na snímku 2-28, který míří téměř do zenitu a paprsky jsou k pozorovateli tedy podstatně blíže. Následující obrázek ukazuje pro srovnání zelenou a červenou složku snímku 2-28.

Ilustrační foto...
Snímek 2-28 rozložený na zelenou (vlevo) a červenou (vpravo) složku

Rozmazání červeného obrazu v porovnání s obrazem zeleným lze vysvětlit takto: Atomy kyslíku se pohybují ve výškách 100 až 300 kilometrů nad zemským povrchem vysokými rychlostmi. Teplota se v těchto výškách může pohybovat asi tak v rozmezí 200 K - 1500 K (je velmi proměnlivá). Pokud se přidržíme spíše v dolní části tohoto intervalu, vyjde nám střední hodnota rychlosti atomu kyslíku asi tak 1 km/s. To jsem odvodil ze skutečnosti, že rozložení rychlostí částic v ideálním plynu má Maxwellovo-Boltzmanovo rozložení. Střední doba, po kterou zůstává atom kyslíku v excitovaném stavu, je pro zelenou čáru 557,7 nm asi 0,7 s. Budeme předpokládat, že zelená záře svítí přibližně ve výšce 130 km, což je teoreticky výška, kde by vyzařování mělo být maximální. V této výši zobrazuje snímek 2-28 obdélník o rozměrech 156 km horizontálně a 104 km vertikálně. Rozmazání obrázku v důsledku toho, že atomy jsou excitovány v jiném místě, než kde dojde k vyzáření fotonu, je tedy poměrně malé. Mírné rozmazání paprsku je způsobeno i tím, že během dvacetisekundové expozice se poloha paprsku mohla mírně změnit. Pro červenou čáru kyslíku 630,0 nm je situace velice rozdílná. Střední doba existence excitovaného stavu je 110 s. Při střední rychlosti kolem 1 km/s většina atomů vyzáří foton velice daleko od místa excitace. Maximum vyzařování kyslíku na 630,0 nm je asi ve výšce 260 km. Obrázek 2-28 v této výši reprezentuje obdélník a stranách 312 km a 208 km. Je tedy zřejmé, že atom kyslíku, který by náhodou letěl kolmo ke směru, kterým se díváme, a pohyboval by se střední rychlostí, kterou jsme odhadli, a vyzářil by foton právě po uplynutí střední hodnoty doby excitace, by přeletěl asi 1/3 horizontální délky obrazu. Proces vyzařování je nejjednodušší si představit po nějakém krátkém časové kroku, nejlépe 1 sekunda, a za předpokladu, že k excitaci došlo v jednom místě a u všech atomů současně. V první sekundě po excitaci zazáří 1/110 všech excitovaným atomů. Ve druhé sekundě zazáří opět 1/110 všech zbylých excitovaným atomů atd. Protože atomy se rozlétají do všech stran rychlostmi s Maxwellovým-Boltzmanovým rozložením se střední hodnotou rychlosti asi 1 km/s, vznikne postupně se rozšiřující zářící koule, jejíž jas postupně slábne. Ve skutečnosti nedojde k excitaci současně, ale proces excitace začne s objevením paprsku - otevřením díry, kterou proudí sluneční vítr. Po nějakou dobu proces excitace probíhá a skončí s uzavřením této díry. Zatímco zelené světlo se objeví téměř současně se vznikem paprsku a skončí s jeho zánikem, červené světlo se postupně rozsvěcuje a nějaké době nastane prakticky rovnovážný stav. Po zániku paprsku červená záře ještě nějakou dobu pohasíná. Paprsky na obrázku 2-28 se všechny zdánlivě sbíhají do jednoho bodu. Je to způsobeno perspektivou. Ve skutečnosti jsou téměř rovnoběžné. Je to stejný efekt, který způsobuje, že meteory z jednoho meteorického roje vylétají zdánlivě ze stejného místa na obloze - radiantu. Na první pohled je ale podivné, že jednotlivé paprsky na červeném snímku jakoby perspektivu ignorují. Paprsky by se měly postupně rozšiřovat a ve spodní části by měl být paprsek výrazně širší než části horní. Na obrázku jsou však paprsky po celé své délce téměř stejně široké. Je to tím, že v hustějších - nižších vrstvách atmosféry je vyšší pravděpodobnost de-excitace atomu srážkou z jiným atomem. Tím klesá pravděpodobnost, že se atomy dostanou daleko od místa excitace. Ve výšce kolem 160 km proto červená záře již téměř uhasne, neboť podstatná většina atomů kyslíku, jejichž valenční elektron se nachází na první energetické hladině, nestihne vyzářit foton. Zbývá ještě vysvětlit, proč na červeném snímku je kromě silně rozmazané stopy paprsku vidět slabě ostrý obraz paprsku téměř shodný se snímkem v zelené barvě. V červené části spektra leží kromě velmi výrazné čáry kyslíku 630,0 nm i několik slabších čar atomárního dusíku a někdy poměrně výrazná čára atomárního vodíku 656,3 nm (H-alpha, přeskok elektronu ze třetí na druhou energetickou hladinu). Kromě čáry kyslíku 630,0 nm mají všechny ostatní zmíněné spektrální čáry odpovídající střední dobu existence excitovaného stavu atomu výrazně pod jednou sekundou. Atomy tedy září s vysokou pravděpodobností blízko místa excitace a vytvoří poměrně ostrou stopu podobnou zelené stopě kyslíku 557,7 nm a navíc ležící přibližně ve stejné výšce.

4. Bílé nebo bílo-zelené skvrny
Nejpodstatnější rysem těchto skvrn je jejich krátká životnost - kolem 20 sekund. Představuji si to tak, že obláček slunečního plazmatu pronikne nějakým zeslabeným místem v magnetickém štítu Země, zasvítí a pohasne. Není to tedy po jistou dobu kontinuální proces excitace jako u paprsků. Této představě celkem dobře odpovídá analýza snímků. Na rozloženém snímku 2-34 je patrné, že obláček je vidět jen v zelené a modré části spektra. V červené části ve vidět jen difuzní červená záře ve vysoké atmosféře popsaná již výše. Odpovídající červený obláček na vlnové délce 630,0 nm není vidět nikde na fotografiích ani jsem jej nepozoroval okem. Ve skutečnosti zřejmě existuje. Ale za krátkou dobu existence se nestačí červená záře rozzářit. Jak již bylo vysvětleno, dlouhá střední doba existence excitovaného stavu atomu kyslíku pro čáru 630,0 nm způsobí, že záření vzniklé excitací v jediném časovém okamžiku se vyzařuje postupně po velmi dlouhou dobu. Pokud tedy excitace není kontinuální, je záření velmi slabé.

Ilustrační foto...
Snímek 2-34 rozložený na červenou (vlevo), zelenou (uprostřed) a modrou (vpravo) složku

Historická poznámka:
V učebnicích fyziky se lze dočíst, že první, kdo správně vysvětlil podstatu polární záře, byl norský fyzik Kristian Birkeland. Bylo to v roce 1896. Méně známá je bohužel role českého vědce Járy Cimrmana. Když se v roce 1895 nad Liptákovem objevila jasná polární záře, zděšení obyvatelé zavolali hasiče v domnění, že hoří blízký les. Jára Cimrman okamžitě rozpoznal nebezpečí, jaké by hrozilo, kdyby někde současně s polární září hořelo doopravdy. Rozhodl se okamžitě jednat a poučit o polárních zářích místní občany. Použil k tomu svou, v té době již proslavenou techniku živých obrazů. V místní hospodě pověsil velké plátno, na které nakreslil siluetu Liptákova a nad ní udělal olejem na plátně několik průsvitných míst. Najatí spolupracovníci pak na povel v setmělém sále za plátnem zažehli lucerny opatřené některé červeným a jiné zase zeleným sklem. Průvan v místnosti pak lehce pohyboval plátnem a věrohodně simuloval vlnění polární záře na obloze. Do současnosti se dochovalo svědectví liptákovského rodáka Ferdinanda Vopičky, který svítil při všech přestaveních červenou lucernou. Trpce si stěžoval, že mu vždy před představením Cimrman dal navlhlé zápalky a jak v době, kdy jeho kolegové již svítili zelenými lucernami, po hospodě sháněl zápalky. Toto svědectví přesvědčivě vysvětlil až v nedávné době rakouský fyzik a velký znalec Cimrmanova díla Helmut Kukacka. Ověřil totiž, že střední doba shánění zápalek v průměrně zakouřené hospodě je něco málo pod dvěma minutami. To je ve vynikající shodě s hodnotou 110 sekund, což je střední hodnota doby, po které vyzáří excitovaný atom kyslíku červené světlo. Navlhlé zápalky nebyly tedy důsledkem Cimrmanovy škodolibosti, ale jeho vytříbeného smyslu pro detail, což fyzikálně nevzdělaný podučitel dějepisu Ferdinand Vopička zjevně pochopit nemohl.

Trochu technických dat na konec
Všechny snímky jsou pořízeny na negativní barvený film Konica Centuria Super 1600. Tento film je v současnosti asi nejlepším extrémně citlivým filmem na světě. Do digitální podoby jsou snímky převedeny scannerem Nikon LS-2000. Ke zpracování snímků byl použit obrazový analyzátor SOFO ACC 5.0. Všechny obrázky byly upraveny v rámci technických možností tak, aby barvy odpovídaly tomu, jak je vidí lidské oko. Toto zobrazení se poměrně hodně liší od barev, které bychom dostali na filmu bez úpravy. Podobný rozdíl v barvách by byl u digitálního fotoaparátu.

Předchozí díly:
Polární záře 20. listopadu 2003: Grave (5. díl)
Polární záře 20. listopadu 2003: Lento maestoso (4. díl)
Polární záře 20. listopadu 2003: Intermezzo (3. díl)
Polární záře 20. listopadu 2003: Presto con fuoco (2. díl)
Polární záře 20. listopadu 2003: Předehra (1. díl)

P.S. Půvdní článek najdete spolu s dalšími dechberoucími snimky zde

Miloslav Druckmüller

 IAN.cz
Probíhá experiment. Stránky se pomalu dostávají ze záhrobí zpět na světlo digitálního světa... Omluvte nedostatky, již brzy snad na této adrese najdete víceméně kompletní archiv IAN...
archiv zdroj
RULETA
Příběh stanice Mir
Ilustrační foto...
Instantní galerie 14
Ilustrační foto...
Mimořádný bolid nad Zakarpatskou Ukrajinou -- d
Ilustrační foto...
Instantní pozorovatelna 21
Ilustrační foto...
Astronomie nevidomým
Ilustrační foto...
STALO SE
4.12.2012 -
Probíhá experiment. Stránky se pomalu dostávají ze záhrobí zpět na světlo digitálního světa... Omluvte nedostatky, již brzy snad na této adrese najdete víceméně kompletní archiv IAN...

WEBKAMERA
 Upice webcam / widecam
UPICE WEBCAM

Add to Google

 

Pridej na Seznam
 

  © 1997 - 2017 IAN :: RSS - novinky z astronomie a kosmonautiky SiteMap :: www :: ISSN 1212-6691