Φαντασμαγορικό show στον Ουρανό!

Άρθρο, Σεπτέμβριος 2003 

Φανταστείτε τον εαυτό σας μια ξάστερη νύχτα στην ύπαιθρο, μακριά από τεχνητές πηγές φωτός. Κατά προτίμηση στην Ισλανδία, τη Γροιλανδία, τη Βόρεια Σκανδιναβία ή ακόμα στην Αλάσκα και το Βορειοανατολικό Καναδά, γύρω στον Μάρτιο ή τον Οκτώβριο. Στο βάθος, χαμηλά στον ορίζοντα, ένα αχνό φως τρεμοπαίζει. Σιγά σιγά το φως εξαπλώνεται. Κύματα φωτός υψώνονται στον ουρανό και αναμειγνύονται το ένα με το άλλο. Δίνουν την εντύπωση ότι κινούνται σαν να φυσά απαλό αεράκι. Τα φωτεινά κύματα σχηματίζουν μια τεράστια κουρτίνα στον ουρανό, όπου κυριαρχεί το πράσινο ή το κόκκινο χρώμα. Αυτό το μαγευτικό φωτεινό φαινόμενο καλείται "πολικό σέλας" - ή επικρατέστερα "βόρειο σέλας" (aurοra borealis)-, επειδή παρατηρείται συχνότερα στο Βόρειο Πόλο. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν εμφανίζεται και στους δύο πόλους, απλά στο Νότιο (aurοra australis) παρουσιάζεται κυρίως σε ακατοίκητες περιοχές.

Η ερμηνεία του φαινομένου

Το σέλας δημιουργείται από ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας, τα οποία, παγιδευμένα από το γεωμαγνητικό πεδίο, κινούνται ελικοειδώς κατά μήκος των δυναμικών του γραμμών και πλησιάζουν την ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης, όπου συγκρούονται με άτομα και μόρια αζώτου και οξυγόνου και τα διεγείρουν ενεργειακά. Τα διεγερμένα άτομα και μόρια, για να επανέλθουν στην αρχική, σταθερότερη κατάσταση ενεργειακής ισορροπίας, εκπέμπουν την περίσσεια ενέργειας υπό τη μορφή ορατής ακτινοβολίας.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα η ερμηνεία του φαινομένου παρουσίαζε δυσκολίες, ιδιαίτερα όσον αφορά στο σχηματισμό του. Η πρώτη μερική εξήγηση δόθηκε όταν παρατηρήθηκε συσχετισμός με την περιοδικότητα της ηλιακής δράσης. Αποδείχθηκε δηλαδή ότι οι μεταβολές του ενδεκαετούς ηλιακού κύκλου συμπίπτουν με τις εμφανίσεις του φαινομένου. Όταν αργότερα έγινε δυνατή η μελέτη του Ήλιου με τη βοήθεια του φασματοσκοπίου, διαπιστώθηκε ότι ένα πολικό σέλας εμφανίζεται πάντα μετά την πάροδο πολλών ωρών από μια ηλιακή έκρηξη. Η αιτία του φαινομένου λοιπόν αναζητήθηκε στην ηλιακή ακτινοβολία.

Ωστόσο, επειδή το ηλιακό φως χρειάζεται πολύ μικρό χρονικό διάστημα για να διανύσει την απόσταση Ηλίου-Γης, η έρευνα στράφηκε στις ατομικές ακτινοβολίες των σωματιδίων που εκτοξεύονται από τον Ήλιο με μικρότερη ταχύτητα, κάνοντας περίπου δύο μέρες για να φτάσουν στη Γη. Παρέμενε όμως το ερώτημα γιατί αυτά τα φωτεινά φαινόμενα εμφανίζονται μόνο στους πόλους και όχι ομοιόμορφα σε όλη τη γήινη επιφάνεια. Η παρατήρηση αυτή οδήγησε τελικά στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για ηλεκτρικά φορτισμένα ιόντα (κυρίως πρωτόνια) και ηλεκτρόνια που έλκονται από το γήινο μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι εντονότερο στους πόλους.

Ταυτόχρονα φαινόμενα με το σέλας, και της ίδιας βασικής αιτιολογίας με αυτό, είναι οι μαγνητικές καταιγίδες και οι ιονοσφαιρικές διαταραχές της Γης.

Το σέλας δημιουργείται συνήθως σε ύψος από 80 ως 400 km και οφείλεται σε φορτισμένα σωμάτια υψηλής κινητικής ενέργειας, κυρίως ηλεκτρόνια και πρωτόνια της γήινης μαγνητόσφαιρας τα οποία, ακολουθώντας τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου της Γης, ιονίζουν με κρούσεις τα αέρια της ανώτερης ατμόσφαιρας. Ακολουθεί η επανασύνδεση των ιόντων με ηλεκτρόνια και η εκπομπή φωτός, στο οποίο κυριαρχούν οι φασματικές γραμμές εκπομπής του οξυγόνου και του αζώτου, στοιχείων που είχαν ιονιστεί Οι εξάρσεις του φαινομένου παρατηρούνται συχνά, δύο περίπου ημέρες μετά από ισχυρές ηλιακές εκλάμψεις, οπότε η πυκνότητα και η ταχύτητα των σωματίων του ηλιακού ανέμου που φτάνουν στην περιοχή της Γης αυξάνουν κατά πολύ την πίεση και διεγείρουν τη μαγνητόσφαιρα.

Το φαινόμενο είναι ιδιαίτερα έντονο όταν το μαγνητικό πεδίο του ηλιακού ανέμου έχει συνιστώσα προς το νότο, ευνοώντας με αυτό τον τρόπο τη δημιουργία γεωμαγνητικών καταιγίδων και την εμφάνιση σέλαος.
Επειδή οι ηλιακές εκλάμψεις εκδηλώνονται στα κέντρα δράσης της επιφάνειας του Ήλιου, είναι φανερό ότι η συχνότητα της εμφάνισης του σέλαος σχετίζεται με την 27-ήμερη περίοδο περιστροφής του 'Ηλιου, καθώς και με την 11-ετή περίοδο δράσης του.

Εμφάνιση

Παρατηρείται σε δύο ζώνες στο βόρειο και νότιο ημισφαίριο (βόρειο και νότιο σέλας) μεταξύ γεωγραφικών πλατών 75ο έως 60ο και σπανίως σε μικρότερα πλάτη.

Ένα πολικό σέλας μπορεί να φαίνεται σε μας σαν μια κουρτίνα που απλώνεται στον ουρανό, αλλά η αλήθεια είναι ότι από τη Γη βλέπουμε μόνο ένα μικρό τμήμα του.

Από το διάστημα φαίνεται σαν ένα δαχτυλίδι κεντραρισμένο και μετακινούμενο γύρω και πάνω από τους πόλους. Κατά τη διάρκεια της εμφάνισης του τέτοια δαχτυλίδια δημιουργούνται ταυτόχρονα γύρω από το Βόρειο και το Νότιο Πόλο και το μεγαλύτερο τμήμα τους βρίσκεται πάνω από τη σκοτεινή πλευρά της Γης (για αυτό οι καλύτερες ώρες για παρατήρηση είναι μεταξύ 10 μ.μ. - 3 π.μ.).

Το μέγεθός τους ποικίλλει σημαντικά. Μια μεγάλη ηλιακή έκρηξη προκαλεί ένα πιο "παχύ" δαχτυλίδι, που γίνεται ορατό και σε χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη, γεγονός πάντως ιδιαίτερα σπάνιο.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα πτυχή του φαινομένου αφορά στα χρώματα που παρατηρούνται. Για να καταλάβουμε από τι εξαρτώνται τα χρώματα σε ένα πολικό σέλας, ας αναλογιστούμε τι χαρακτηρίζει τη γήινη ατμόσφαιρα. Μπαίνοντας στην ανώτερη ατμόσφαιρα, τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια συγκρούονται με διάφορα αέρια που περιβάλλουν τη Γη. Αυτή η πρόσκρουση εκλύει ενέργεια που βλέπουμε ως χρωματισμένο φως. Κάθε αέριο όμως έχει το δικό του φως. Είναι σαν το "αποτύπωμά" του, αφού κανένα αέριο δεν έχει ίδιους χρωματισμούς με άλλο. Αυτή η χρωματική μοναδικότητα κάθε αερίου, που εξαρτάται από το μήκος κύματός του, καλείται φάσμα.

Συνεπώς τα χρώματα που χαρακτηρίζουν το πολικό σέλας καθορίζονται από τα ατμοσφαιρικά αέρια. Σ την ιονόσφαιρα, όπου λαμβάνουν χώρα αυτές οι συγκρούσεις, τα εισερχόμενα σωμάτια συναντούν οξυγόνο και άζωτο. Το πρώτο δίνει κυρίως πράσινο χρώμα (και λιγότερο βαθύ κόκκινο), ενώ το δεύτερο μόνο κόκκινο. Επίσης εκλύεται μπλε και ιώδες χρώμα, που όμως δύσκολα γίνεται αισθητό από την ανθρώπινη όραση.

Εκτός από χρώμα, όμως, το βόρειο σέλας έχει και ήχο! 'Η τουλάχιστον έτσι διατείνονται αρκετοί παρατηρητές του. Μέχρι τώρα πάντως οι επιστημονικές απόπειρες καταγραφής ήχου απέτυχαν να το αποδείξουν. Πώς όμως να αγνοήσει κάποιος τις ατέλειωτες μαρτυρίες, που πάνε αιώνες πίσω;
Δύο είδη ήχων έχουν αναφερθεί να συνοδεύουν το βόρειο σέλας. Ο πρώτος μοιάζει με θρόισμα που μεταβάλλεται με την κίνησή του, ενώ ο δεύτερος θυμίζει τον ήχο που παράγει ο στατικός ηλεκτρισμός.

Το πρόβλημα και στις δύο περιπτώσεις είναι ότι, αν παραγόταν ήχος από το βόρειο σέλας, θα υπήρχε μεγάλη καθυστέρηση μεταξύ του οπτικού ερεθίσματος (της κίνησης) και του ακουστικού, όπως μεταξύ αστραπής και βροντής. Επίσης, ο αέρας ανάμεσα στο βόρειο σέλας και σε μας είναι τόσο αραιός, που δύσκολα μπορεί να μεταφέρει ήχους σε τόσο μεγάλη απόσταση. Η πιθανότερη εξήγηση είναι ότι ο ήχος παράγεται στο κεφάλι του παρατηρητή.

Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι προϊόν της φαντασίας του, αλλά ότι δημιουργείται από "διαρροή" ηλεκτρικών ερεθισμάτων από τα νεύρα που μεταφέρουν τα οπτικά μηνύματα από το μάτι στον εγκέφαλο, προς το τμήμα του εγκεφάλου όπου γίνεται η επεξεργασία των ήχων.

Σε ένα πολύ ήσυχο περιβάλλον, όπου δεν υπάρχουν ακουστικά ερεθίσματα, ο εγκέφαλος επεξεργάζεται αυτές τις ελάχιστες "διαρροές".  Αυτή η εξήγηση δοκιμάστηκε πειραματικά από κάποιους ερευνητές, οι οποίοι καλύπτοντας τα μάτια τους παρατηρούσαν ότι έπαυε και ο ήχος. Όσον αφορά στο δεύτερο είδος ήχου, ίσως να παράγεται από τα ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία που σχετίζονται με το πολικό σέλας. Ακόμα όμως δεν έχει δοθεί κάποια ικανοποιητική επιστημονική απάντηση.

Σέλας και καιρικά φαινόμενα

Αξιοσημείωτος είναι ο συσχετισμός του φαινομένου με κλιματολογικές αλλαγές. Τα παλιά χρόνια η πρόβλεψη του καιρού στις σκανδιναβικές χώρες βασιζόταν πολλές φορές στο αν εμφανιζόταν το βόρειο σέλας. Στο Λαμπραντόρ ισοδυναμούσε με καλό καιρό, ενώ στη Γροιλανδία αποτελούσε σημάδι νότιων καταιγίδων και ανέμων. Στη Βόρεια Νορβηγία το βόρειο σέλας συνδεόταν με το ψύχος.

Ακόμα και στο τέλος του προηγούμενου αιώνα, μπορούσε κάποιος να διαβάσει στην εγκυκλοπαίδεια "Brittanica" ότι το βόρειο σέλας και οι καταιγίδες είναι αποτέλεσμα του ιδίου φαινομένου αλλά με διαφορετικές μορφές ηλεκτρικής αποφόρτισης.

Ανάμεσα στο 1645 και το 1715 υπήρχε μικρή ηλιακή δράση και κατά συνέπεια το πολικό σέλας εμφανιζόταν περιορισμένα. Αυτή η περίοδος καλείται "ελάχιστος Maunder", από το όνομα του υπευθύνου του παρατηρητήριου του Greenwich στην Αγγλία, που ήταν ο πρώτος που κατέγραψε τη χαμηλή δραστηριότητα.

Κατά τη διάρκεια ανάλογων περιόδων παρατηρείται γενικά πιο ψυχρό κλίμα, και η συγκεκριμένη περίοδος συμπίπτει με αυτή που έμεινε γνωστή ως η σκανδιναβική "εποχή των παγετώνων".  Από τότε η ηλιακή δραστηριότητα αυξήθηκε με σταθερούς ρυθμούς, φτάνοντας στο απόγειό της το 1989. Τότε παρουσιάστηκε η μέγιστη κορύφωση της συχνότητας και της έντασης με τις οποίες εμφανιζόταν το βόρειο σέλας εδώ και 300 χρόνια!

Αρκετά ερωτήματα γύρω από το συσχετισμό των δύο φαινομένων παραμένουν αναπάντητα, όπως το κατά πόσο η άνοδος της θερμοκρασίας είναι αποτέλεσμα της αυξημένης ηλιακής δράσης. Ωστόσο είναι γεγονός ότι το να απουσιάζει το βόρειο σέλας συνδέεται με την εμφάνιση περισσότερου κρύου στο Βορρά.

Το πολικό σέλας δεν χαρακτηρίζει μόνο τη Γη. Όλοι οι πλανήτες που διαθέτουν μαγνητικό πεδίο και δέχονται βροχή από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια παρουσιάζουν ανάλογα φαινόμενα - π.χ. ο Δίας, λόγω σωματιδίων που εκτοξεύονται από την Ιώ, ως αποτέλεσμα ηφαιστειακών εκρήξεων. Ομοίως ο Κρόνος, όπου μάλιστα καταγράφηκε και έκλυση υπεριώδους ακτινοβολίας κοντά στους πόλους.

Αν θέλετε όμως να θαυμάσετε το βόρειο σέλας ζωντανά, πρέπει να είστε τυχεροί. Κι' αυτό γιατί, όσο και να προχώρησε η επιστημονική έρευνα, η πρόβλεψη δεν είναι ακόμα εφικτή παρά μόνο λίγες μέρες πριν. Βέβαια ειδικά για την Αλάσκα οι στατιστικές καταγράφουν ότι, τουλάχιστον στις περιοχές Fairbanks και Nοme, το βόρειο σέλας είναι ορατό γύρω στις 200 μέρες το χρόνο. Επιπλέον, η ηλιακή δραστηριότητα βρίσκεται σε άνοδο αυτή την εποχή. Όσο για τους επίδοξους φωτογράφους, εφοδιαστείτε οπωσδήποτε με μηχανή που σας επιτρέπει μεγάλο χρόνο έκθεσης (περισσότερο από 1 0 δευτερόλεπτα), τρίποδο και... υπομονή!

Το σέλας στην ιστορία

Η μορφή του σέλαος μπορεί να παρομοιαστεί με λαμπρές χρωματιστές ουράνιες κουρτίνες ή αεικίνητα φλογισμένα ουράνια ερπετά. Υπάρχουν αρχαιότατοι κινεζικοί μύθοι που ερμηνεύονται σαν περιγραφές του σέλαος, όπως επίσης και αντίστοιχες αναφορές στη Θεογονία του Ησίοδου και στην Παλαιά Διαθήκη (π.χ., το όραμα του Ιεζεκιήλ). Ωστόσο, οι πρώτες μη μυθικές, μη θρησκευτικές περιγραφές σέλαος έγιναν από τους Έλληνες φυσικούς φιλοσόφους Αναξιμένη και Ξενοφάνη τον 6ο αιώνα π.Χ.

Καταγραφές της εμφάνισης και περιγραφές του σέλαος υπάρχουν από την αρχαιότητα (503 π.Χ.) από Έλληνες, Κινέζους και Κορεάτες. Ακόμη, χρονικά των Βίκιγκς και ευρωπαϊκά μεσαιωνικά κείμενα αναφέρονται σ' αυτό. Ο HalIey περιέγραψε εμφάνιση του σέλαος στο Λονδίνο, το 1716 και λίγο αργότερα, το 1733 ο Mairan το συσχέτισε με τον 'Ήλιο.

Το 1773 ο J. Cook κατέγραψε την εμφάνιση σέλαος στο νότιο ημισφαίριο. Οι CeΙsiυs και Hjοrter παρατήρησαν μεταβολές του γεωμαγνητικού πεδίου συγχρόνως με την εμφάνιση σέλαος. Ο Βενιαμίν ο Λέσβιος θεώρησε την εμφάνιση του σέλαος ως αποτέλεσμα της επίδρασης του παντοχοκινήτου (ρευστής ουσίας η οποία κατά τον Βενιαμίν «εκρέει» από όλα τα υλικά σώματα και προς όλες τις κατευθύνσεις) του 'Ηλιου με το αντίστοιχο της Γης, δίνοντας έτσι ουσιαστική ερμηνεία του φαινομένου (που είναι, όπως έχει ήδη αναφερθεί το αποτέλεσμα σύγκρουσης ηλεκτρονίων και πρωτονίων του ηλιακού ανέμου με τα άτομα και τα μόρια της ανώτατης γήινης ατμόσφαιρας). Το 1817 ο J. Biot, μετρώντας την πόλωση του φωτός του σέλαος, απέδειξε ότι αυτό (το φως) δεν είναι ανακλώμενο ηλιακό φως.

Από τους πρωτοπόρους στην έρευνα γύρω από το πολικό σέλας ήταν τρεις Νορβηγοί, οι Lars Vegard, Kristian Birkeland και Carl Stormer. Ο Lars Vegard ήταν ο πρώτος που κατέγραψε τα χρώματα με τα οποία εμφανιζόταν το πολικό σέλας, το δε έργο του συνέβαλε στην κατασκευή του Aurora οbserνatοry στο Tromsο.
Χρησιμοποίησε έναν φασματογράφο για να καταγράψει τα μήκη των κυμάτων και ως εκ τούτου τα χρώματα του φωτός. Ο Kristian Birkeland πρότεινε μια θεωρία για την εξήγηση του φαινομένου το 1896, η οποία σε βασικές γραμμές ισχύει μέχρι σήμερα. Κατάφερε να αναπαραστήσει στο εργαστήριο το πολικό σέλας, βομβαρδίζοντας μια μεταλλική σφαίρα ισχυρά ηλεκτρομαγνητισμένη (τη Γη) με μια δέσμη καθοδικών ακτίνων - ηλεκτρονίων (ηλιακός άνεμος - πλάσμα).

Επίσης πραγματοποίησε μια σειρά θεωρητικών υπολογισμών, ενώ τα ηλεκτρικά ρεύματα στην ανώτερη ατμόσφαιρα φέρουν ακόμα το όνομά του - λέγονται "Birkeland currents". Ο Carl Stormer συνέχισε από εκεί όπου σταμάτησε ο Birkeland, υπολογίζοντας τις τροχιές που πρέπει να ακολουθήσουν τα εκτοξευμένα από τον Ήλιο ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια από τη στιγμή που υφίστανται την επίδραση του γήινου μαγνητικού πεδίου. Βάσει μαθηματικών υπολογισμών, κατέληξε στο ότι γύρω από τη Γη υπάρχει μια περιοχή σαν ζώνη, όπου τα σωματίδια ανακλώνται από και προς τους πόλους.

Αυτή η ζώνη επαληθεύτηκε αργότερα πειραματικά (με μετρήσεις δορυφόρων) από τον Αμερικανό James Van AIIen, παίρνοντας το όνομά του. Ο Stormer υπολόγισε επίσης την απόσταση ανάμεσα σε ένα πολικό σέλας και τη Γη σε 80-130 χλμ. κατά μέσο όρο, συγκρίνοντας φωτογραφίες πολλών εκδηλώσεων του φαινομένου με άλλες των αστεριών, χωρίς αυτό να αποκλείει ότι πολικό σέλας μπορεί να εμφανιστεί και σε τετραπλάσια απόσταση. 

Η μορφή του σέλαος μπορεί να παρομοιαστεί με λαμπρές χρωματιστές ουράνιες κουρτίνες ή αεικίνητα φλογισμένα ουράνια ερπετά. Υπάρχουν αρχαιότατοι κινεζικοί μύθοι που ερμηνεύονται σαν περιγραφές του σέλαος, όπως επίσης και αντίστοιχες αναφορές στη Θεογονία του Ησίοδου και στην Παλαιά Διαθήκη (π.χ., το όραμα του Ιεζεκιήλ). Ωστόσο, οι πρώτες μη μυθικές, μη θρησκευτικές περιγραφές σέλαος έγιναν από τους Έλληνες φυσικούς φιλοσόφους Αναξιμένη και Ξενοφάνη τον 6ο αιώνα π.Χ.