Η εξήγηση για το Σέλας

Συχνές ερωτήσεις, Σεπτέμβριος 2003

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. 

Για μεγάλο χρονικό διάστημα η ερμηνεία του φαινομένου παρουσίαζε δυσκολίες, ιδιαίτερα όσον αφορά στο σχηματισμό του.

Όλα ξεκίνησαν το 1958. Τότε εκτοξεύτηκε ο πρώτος αμερικανικός δορυφόρος Explorer Ι, που μετέφερε έναν μετρητή Geiger, με σκοπό να συλλέξει δεδομένα για την κοσμική ακτινοβολία. Μέχρι τότε κανείς δεν ήξερε τι προκαλούσε αυτά τα λαμπερά χρυσοπράσινα ή μενεξεδένια φωτεινά κρόσσια που λες και χόρευαν στον ουρανό.

Βέβαια, από παλιά γνώριζαν ότι το άστρο μας είχε μια περίεργη κορόνα από πίδακες φωτιάς, αλλά κανείς δεν ήξερε τι επίδραση είχε αυτή η δραστηριότητα του ήλιου στη ζωή μας εδώ στη Γη.

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.

Εκείνη την εποχή ένας φυσικός, ο Eugene Parker, του τμήματος της Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου επεξεργάστηκε μια καινοφανή θεωρία για τον Ήλιο. Με τη βοήθεια ενός μαθηματικού μοντέλου οδηγήθηκε στη θεώρηση ότι η ενέργεια που εκλύεται από τις πυρηνικές εκρήξεις στον Ήλιο δεν συσσωρεύεται απλά στην επιφάνειά του, αλλά ξεφεύγει από το ηλιακό πεδίο βαρύτητας και εκτοξεύεται συνεχώς στο Διάστημα υπό μορφή πλάσματος (καυτού, ιονισμένου αερίου) με ταχύτητα 400.000 km/h.

Κατά τους υπολογισμούς του Parker, αυτός ο ηλιακός άνεμος - όπως τον ονόμασε - ξετυλίγεται με το σχήμα μιας έλικας του Αρχιμήδη προς όλες τις κατευθύνσεις. Φθάνοντας στη Γη συναντά το εξώτερο στρώμα της ατμόσφαιράς της, την ιονόσφαιρα, και την βομβαρδίζει. Το μαγνητικό πεδίο της Γης κατορθώνει να απωθήσει μόνο τα μισά ιόντα αυτού του ανέμου.

Από τον συνεχή βομβαρδισμό δημιουργούνται τεράστια ηλεκτρικά φορτία, που αφενός συμβάλλουν στη δημιουργία νεφών και αφετέρου θερμαίνουν την ιονόσφαιρα και την αναγκάζουν να απελευθερώσει ιόντα οξυγόνου.

Τα ιόντα αυτά δεν κατορθώνουν να ξεφύγουν από το μαγνητικό πεδίο της Γης και σχηματίζουν ένα τεράστιο μπαλόνι ιόντων γύρω από τον πλανήτη. Το γήινο μαγνητικό πεδίο όμως δεν καλύπτει ισομερώς όλη τη Γη. Παρουσιάζει τρύπα στους πόλους ενώ καλύπτει ικανοποιητικά τον ισημερινό. Άρα ο ηλιακός άνεμος δεν συναντάει μεγάλα εμπόδια στα ασθενή σημεία του μαγνητικού πεδίου της Γης κι έτσι εκεί γίνεται ορατή η τριβή του νέφους των ιόντων με την ατμόσφαιρα.

Με άλλα λόγια, το Βόρειο και το Νότιο Σέλας είναι σωματίδια του ηλιακού ανέμου (γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες) που πέφτουν σαν φωτεινή καταιγίδα στους πόλους.

Ενώ όμως αυτό είναι απλώς ένα όμορφο θέαμα, κάποιες άλλες ηλιακές καταιγίδες (σαρωτικά κύματα ηλιακού ανέμου) προξενούν βλάβες σε τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους, διαταραχές στις ραδιοτηλεπικοινωνίες, διακοπές ηλεκτρικού ρεύματος στα δίκτυα, ακτινοβολία στους επιβάτες των αεροπλάνων και διαταραχές στο κλίμα.

Ο Parker, μέχρι να επαληθευτεί η θεωρία του, δεν μπορούσε καν να δημοσιεύσει την εργασία του, καθώς δεν γινόταν πιστευτός. Σύντομα όμως, το 1961 με τον δορυφόρο Explorer 10 και το 1962 με τον Mariner 2, η θεωρία του επαληθεύθηκε.

Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια που φτάνουν καταιγιστικά στην ατμόσφαιρα μας για να παράγουν χρωματιστό Βόρειο Σέλας δεν προέρχονται κατευθείαν από τον ηλιακό άνεμο. Αντιθέτως, ακολουθούν ένα πιο κυκλικό δρόμο διαμέσου της "μαγνητοτροχιάς."

Η μαγνητοτροχιά είναι μία περιοχή του διαστήματος πίσω από τη νυχτερινή πλευρά της Γης όπου ο ηλιακός άνεμος τεντώνει το μαγνητικό πεδίο μέσα σε μια μακριά ουρά σαν κομήτη. Στο εσωτερικό της μαγνητοτροχιάς είναι το "φύλλο πλάσματος," μια περιοχή που είναι πυκνοκατοικημένη από ιονισμένο αέριο. Αν και είναι πιο μακριά από 60.000 km, ότι συμβαίνει στο φύλλο του πλάσματος είναι κρίσιμο για την δραστηριότητα του σέλαος.

Όταν μια ενεργητική ριπή των ηλιακών σωματιδίων πλήττει την μαγνητόσφαιρα, συμπιέζει το μαγνητικό πεδίο και τεντώνει τη μαγνητοτροχιά περισσότερο του κανονικού. Αυτό προξενεί γειτονικές μαγνητικές γραμμές πεδίου με αντίθετες πολικότητες για να συνδεθεί στο εσωτερικό το φύλλο πλάσματος.

Πυκνά ηλεκτρικά πεδία δημιουργούνται από αυτή τη μαγνητική ρίψη   πλάσματος προς τη μεριά των γήινων μαγνητικών πόλων, όπου αυτό τρυπά την ατμόσφαιρα, προκαλώντας Σέλας σε μια οβάλ γραμμή, που καλείται έτσι εξ' αιτίας του σχήματος της. 

Το γράφημα, προσφορά του Γεωφυσικού Ινστιτούτου του Πανεπιστημίου   της Alaska, δείχνει τη περιοχή (Oval) που συνήθως εμφανίζεται το Σέλας, στο Βόρειο ημισφαίριο. Κατά τη διάρκεια γεωμαγνητικών καταιγίδων η Oval αυτή περιοχή επεκτείνεται ώστε ο κόσμος σε πιο νότια μέρη να μπορεί να δει το Βόρειο Φως. Υπάρχει ένα παρόμοιο oval πάνω από το Νότιο Πόλο. Πάντως, τα περισσότερα Σέλας συμβαίνουν σε ακατοίκητες περιοχές.