Δορυφόροι της ΝΑΣΑ θα προσπαθήσουν να αποκαλύψουν τα μυστικά του βόρειου σέλαος

Πηγή: The Guardian, Καθημερινή, 15 Φεβρουαρίου 2007

Το βόρειο σέλας αποτελεί ανεπανάληπτο θέαμα που δημιουργείται, καθώς φορτισμένα σωματίδια από μαγνητικές καταιγίδες στο διάστημα πέφτουν επάνω στην ατμόσφαιρα της Γης. Όμως για τους επιστήμονες το βόρειο σέλας αποτελεί και από τα πλέον δυσεπίλυτα μυστήρια: σε ποιο σημείο του Διαστήματος και πότε εμφανίζεται και πώς μπορεί κανείς να προβλέψει την εμφάνισή του;

Πέντε δορυφόροι

Για πρώτη φορά, η μισή περίπου μαγνητόσφαιρα και το περιβάλλον της θα παρακολουθείται συνεχώς από τα τελευταίας τεχνολογίας επιστημονικά όργανα του σμήνους των δορυφόρων

Την Κυριακή τα ξημερώματα η ΝΑΣΑ εκτόξευσε πέντε πανομοιότυπα σκάφη με ένα μόνο πύραυλο Delta II με στόχο να απαντήσει αυτά τα ερωτήματα. Οι πέντε δορυφόροι του προγράμματος Time History of Events and Macroscale Interactions (THEMIS) θα μετρήσουν σε πραγματικό χρόνο τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της Γης, παρέχοντας στους επιστήμονες στοιχεία που θα τους επιτρέψουν να προβλέψουν τον καιρό στο Διάστημα και τι κρύβεται πίσω από το βόρειο σέλας. Γνωρίζοντας αυτά τα στοιχεία θα μπορέσουμε να προστατέψουμε ανθρώπους και δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά.

Στην ουσία το βόρειο σέλας είναι η ορατή απόδειξη των διαταραχών στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Ο Ηλιος στέλνει αδιαλείπτως ενέργεια τη Γη, μέρος της οποίας αποθηκεύεται από το μαγνητικό πεδίο της (σε υψόμετρο 10 χιλιάδων χλμ. επάνω από την επιφάνεια). Το μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ασπίδα γύρω από τη Γη που ονομάζεται μαγνητόσφαιρα και η οποία μάς προστατεύει από σημαντικό τμήμα της ακτινοβολίας του Ηλίου. Όμως κατά καιρούς η μαγνητόσφαιρα αποδεσμεύει την αποθηκευμένη ενέργεια με τη μορφή φορτισμένων ηλεκτρονίων που κατευθύνονται προς τη Γη. Όταν αυτά συγκρούονται με τα μόρια της ατμόσφαιρας η ενέργεια που εκλύεται δημιουργεί το βόρειο σέλας.

Το Πολικό Σέλας φαίνεται να αλλάζει σχήμα και λαμπρότητα με γρήγορο ρυθμό, σαν να «κυματίζει». Οι μεταβολές αυτές του σχήματος και της λαμπρότητας του Σέλαος συνοδεύονται από κινήσεις της μαγνητικής βελόνας της πυξίδας, και για τον λόγο αυτόν το όλο φαινόμενο ονομάζεται μαγνητική υποκαταιγίδα. Κατά τη διάρκεια μιας υποκαταιγίδας απελευθερώνεται ενέργεια ίση με αυτήν ενός σεισμού μεγέθους 6 βαθμών της κλίμακας Ρίχτερ.

"Τα χρώματα του βορείου σέλαος ανταποκρίνονται στη σύνθεση της ατμόσφαιρας σε αυτό το ύψος", εξηγεί ο Mike Hapgood επικεφαλής του τμήματος διαστημικού πλάσματος στο Εργαστήριο Rutherford Appleton στο Oxfordshire. "Το πράσινο και το κόκκινο αντιστοιχεί στο οξυγόνο και το βιολετί στο άζωτο".

Το μεγαλύτερο διάστημα το βόρειο σέλας σχηματίζει μια συνεχόμενη ζώνη που απλώνεται από την Ανατολή προς τη Δύση, όμως κάθε μερικές ώρες η ενέργεια που αποδεσμεύεται από το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται και σχηματίζεται μια (ηλιακή) υποκαταιγίδα.

"Είναι πολύ ενδιαφέρον όταν ξεσπάει μια υποκαταιγίδα", λέει ο κ. Βασίλης Αγγελόπουλος από το Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϊ της Καλιφόρνιας και επικεφαλής του προγράμματος THEMIS. "Στην αρχή λάμπει και μέσα σε 30 δευτερόλεπτα αρχίζει να εξαπλώνεται προς τα βόρεια. Καλύπτει ολόκληρο τον ουρανό και διασπάται σε μικρά κομμάτια». Η αλληλουχία των γεγονότων που προκαλούν μια υποκαταιγίδα είναι άγνωστη. "Το πρόβλημα μέχρι σήμερα είναι ότι με έναν δορυφόρο δεν καταφέραμε να ανακαλύψουμε πού πρωτοεμφανίζεται η υποκαταιγίδα", εξηγεί ο Αγγελόπουλος.

Τα πέντε διαστημόπλοια του προγράμματος θα ευθυγραμμίζονται κατά μήκος του άξονα Ηλίου-Γης κάθε τέσσερις ημέρες καταγράφοντας τη ροή της ενέργειας μεταξύ του αστεριού και του πλανήτη. Οι επιστήμονες διαφωνούν για το πού εμφανίζεται μια υποκαταιγίδα, οπότε η διασπορά των διαστημοπλοίων σε διαφορετικά τμήματα του μαγνητικού πεδίου της Γης ελπίζεται ότι θα μας αποκαλύψει το σημείο προέλευσης. Επιπλέον, οι 20 σταθμοί εδάφους θα παρακολουθούν τους δορυφόρους ώστε να προσδιορίζεται με ακρίβεια η τοποθεσία των παρατηρούμενων υποκαταιγίδων.

Τους αμέσως επόμενους μήνες οι δορυφόροι του προγράμματος THEMIS θα φτάσουν στην προκαθορισμένη θέση. Οι πρώτες μετρήσεις θα πραγματοποιηθούν σε έναν χρόνο.

Το σέλας στην ιστορία

Οι επιστήμονες έχουν κατανοήσει εδώ και δεκαετίες ότι το φως του Πολικού Σέλαος οφείλεται στον ηλιακό άνεμο, το ιονισμένο αέριο που «εκρέει» διαρκώς από τα ανώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας και απομακρύνεται στο διάστημα, περνώντας και από τη γειτονιά της Γης. Συγκεκριμένα, το σέλας παράγεται όταν τα ηλεκτρόνια του ηλιακού ανέμου συγκρούονται με τα άτομα της γήινης ατμόσφαιρας και τα αναγκάζουν να φωτοβολούν σε χρώματα χαρακτηριστικά για κάθε αέριο που συγκρούεται. Το φαινόμενο αυτό βρίσκει εφαρμογή στην κατασκευή των σωλήνων που χρησιμοποιούνται στις φωτεινές επιγραφές, το κόκκινο χρώμα των οποίων, για παράδειγμα, οφείλεται στο αέριο νέον.

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.