🍏 👩🏾‍🤝‍👨🏼 😁 Auroren auf den Planeten des Sonnensystems 😗 👨🏿‍🤝‍👨🏻 🚒

Sicherlich werden diejenigen, die mindestens einmal in ihrem Leben die Nord- (oder Süd-) Aurora mit eigenen Augen gesehen haben, sagen, dass dies einfach ein fantastischer Anblick ist. Ein Naturwunder im planetarischen Maßstab, ein grandioses Phänomen, das ein Mensch mit bloßem Auge auf der Erde beobachten kann. Das Leuchten der Atmosphäre in Höhen von Hunderten und Tausenden von Kilometern ist so farbenfroh und dynamisch, dass es den Eindruck von etwas Lebendigem, Bewegendem, Atmendem erweckt ...

Aber kann nur unser Planet dieses großartige Spektakel bieten? Können, wenn nicht die Ureinwohner, zukünftige Kolonisten, zum Beispiel der Mars oder die Monde des Jupiter, so etwas beobachten?

Was braucht es, damit Auroren auf irgendeinem Planeten erscheinen?

Auroren sind per Definition die Lumineszenz der oberen atmosphärischen Schichten von Planeten mit einer Magnetosphäre aufgrund ihrer Wechselwirkung mit geladenen Teilchen des Sonnenwinds.

Also brauchen wir:

1. Der Sonnenwind, ein Strom geladener Teilchen - Protonen, Elektronen, Heliumkerne usw. - ist immer im gesamten Sonnensystem vorhanden.
Planeten oder ihre Satelliten:
2. Die Atmosphäre, mit deren Atomen der Sonnenwind wechselwirkt.
3. Ein Magnetfeld, das geladene Teilchen auf eine bestimmte Region des Planeten lenkt (nicht unbedingt auf die Polarität, - der Winkel zwischen der Magnetachse und der Rotationsachse des Planeten kann signifikant sein.)

Mal sehen, wie es auf der Erde funktioniert.

Die erde

Die Erde kann als großer Magnet betrachtet werden, dessen Südpol in der Nähe des geografischen Nordpols und dessen Norden in der Nähe des Südens liegt. Die geomagnetischen Linien der Erde werden von der Seite der Sonne aufgrund des Drucks des Sonnenwinds leicht zusammengedrückt und in die entgegengesetzte Richtung gezogen, wodurch sich ein magnetosphärischer Schwanz auf der Erde bildet.

Und wie verhalten sich Sonnenwindpartikel, wenn sie mit der Magnetosphäre des Planeten interagieren? - Im erdnahen Weltraum geschieht alles wie bei einer Überschallfläche. - Der Sonnenwind fließt mit Überschallgeschwindigkeit (400-700 km / s) auf die Magnetosphäre des Planeten, wodurch die sogenannte Kopfstoßwelle entsteht. - (Die Geschwindigkeit des Sonnenwinds in der Erdumlaufbahn ist ungefähr zehnmal so hoch wie die Schallgeschwindigkeit im erdnahen Plasma.)

Die Kopfstoßwelle ist somit ein magnetisches Hindernis, das geladene Partikel des Sonnenwinds entlang der Flugbahnen um den Planeten ablenkt. Die meisten geladenen Teilchen fliegen einfach um die Magnetosphäre herum.

Ein Teil des Solarplasmas fällt in die Magnetfallen der Strahlungsgürtel der Erde - geladene Teilchen können sich nur schwer über die Kraftlinien bewegen, sie wickeln sich einfach um sie und können jahrzehntelang von Pol zu Pol hängen.

Und dennoch dringt ein Teil frei in die polare Ionosphäre durch die polaren Höcker ein - trichterförmige Bereiche, die sich von der Erde zur Magnetopause ausdehnen und aus der Wechselwirkung des Sonnenwinds mit dem Erdmagnetfeld resultieren.

Durch die Höcker „strömen“ Partikel des Sonnenwinds in zwei Regionen in hohen Breiten in die oberen Schichten der Erdatmosphäre.

Erdmagnetosphäre

Diese Bereiche sind zwei Ovale (in der nördlichen und südlichen Hemisphäre), die nachts um etwa 20 ° und nachmittags um 10 ° von den Erdmagnetpolen entfernt sind. Die Länge dieser ovalen Gebiete im Breitengrad beträgt nur einige hundert Kilometer.
Bei einem starken Magnetsturm verschiebt sich das Oval stark in Richtung Äquator.

Und wenn in Zeiten ruhiger Sonne die Intensität der Auroren, gelinde gesagt, gering ist, wird die Materie während der Sonnenaktivität verschärft. Emissionen von koronaler Masse (Plasma aus der Korona der Sonne) erhöhen die Intensität des Sonnenwinds erheblich.

Magnetosphärische Unterstürme werden dem Feuer hinzugefügt. Währenddessen verbinden sich im geomagnetischen Schweif (auf der Nachtseite der Erde) die Kraftlinien des interplanetaren Magnetfelds und des geomagnetischen Felds der Erde wieder. Infolgedessen ändert sich die Linientopologie, die explosionsartig freigesetzte Energie wird in einen neuen Strom umgewandelt, der als "elektrischer Strahl" bezeichnet wird. Ein Elektrojet erhitzt und beschleunigt unter anderem geladene Teilchen und wandelt sie in einen energiereichen Plasmastrahl um.

Da der Sonnenwind und die Ausstöße der koronalen Masse der Sonne hauptsächlich Protonen bzw. Elektronen sind, werden zwei Arten von Auroren unterschieden.

Elektronische Auroren,

verursacht durch Elektronenflüsse und auf der Erde vorherrschend. Dies sind alles bekannte grüne oder violett-himbeerfarbene Bögen, leuchtende Streifen, Bänder, Vorhänge und andere Gebilde, die eine ziemlich klar definierte Struktur haben.

Wie werden sie gebildet? - Elektronen des Solarplasmas, die in die oberen Schichten der Erdatmosphäre eindringen, sinken auf Höhen von 400 bis 100 km über dem Meeresspiegel ab. Hier findet unter ihrer Einwirkung die Ionisierung neutraler atmosphärischer Gase (Sauerstoff und Stickstoff) sowie die Anregung ihrer Atome und Moleküle statt. Als Reaktion darauf senden Moleküle, Atome und Ionen von Luftsauerstoff und Stickstoff Lichtquanten mit einer genau definierten Wellenlänge aus.

Dies bestimmt die Farbe der Auroren: Zum Beispiel ist Sauerstoff für die grüne Farbe (die stärkste Linie) und Stickstoff für Violett, Blau oder Rot verantwortlich. Im Allgemeinen hat jede Aurora eine eigene Farbpalette, die von dem sich ständig ändernden Prozentsatz der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre abhängt.

Elektronenflüsse verursachen auf der Erde Polarlichter, die nicht nur im sichtbaren Bereich aufgezeichnet werden.

Selten auf der Erde, aber nur auf Jupiter, gibt es Röntgenauroren.

Die stärkste Röntgenaurora wurde am 11. April 1997 vom Polar-Orbitsatelliten aufgenommen. Das Bild zeigt Röntgenstrahlen (in herkömmlichen Farben), die in der oberen Atmosphäre und aufgrund des Flusses energiereicher Elektronen erzeugt werden.

Protonenauroren

Es ist auch ein eher seltenes Phänomen auf der Erde und sein Beitrag zum Leuchten des Himmels der Erde ist relativ gering.

Protonen, die in die Erdatmosphäre gelangen, kollidieren auch mit Molekülen und Atomen atmosphärischer Gase und regen diese an und ionisieren sie. Gleichzeitig kann ein Proton ein freies Elektron einfangen und es kommt zu einem Wiederaufladevorgang. Dadurch entsteht ein neutrales Wasserstoffatom, das Photonen im sichtbaren und UV-Bereich emittieren kann.

Die häufigste Form von Protonenauroren ist ein ziemlich weiter Bogen, der sich von Ost nach West erstreckt und eine Breite von 300 bis 1000 km aufweist. Es gibt auch Bögen und einfach diffuse Stellen.

Roter Protonenbogen, Michigan

Leistungsstarke Protonenaurora im UV-Bereich. Foto vom BILD-Satelliten

Nun wollen wir sehen, wie es mit den Auroren auf anderen Planeten aussieht.

Merkur

Alles ist schlecht.

Trotz des vorhandenen Magnetfeldes, dessen Intensität jedoch 100-mal geringer ist als die der Erde, ist die Atmosphäre auf dem Planeten praktisch nicht vorhanden. Es ist so dünn, dass die Partikel des Sonnenwinds selbst die Atmosphäre des Planeten ausmachen, gekoppelt mit Atomen, die aus der Oberfläche geschlagen wurden. Atmosphärenatome kollidieren häufiger mit dem Planeten als miteinander.

Venus

Nicht so schlimm, wie es scheinen mag.

Die Situation gegenüber Merkur ist eine dichte und dichte Atmosphäre und das Fehlen eines globalen Magnetfeldes. Trotzdem hat die Venus eine schwache Magnetosphäre - sie wird vom Sonnenwind selbst und nicht vom Planeten induziert.

In den 2000er Jahren entdeckte Venus Express, dass sich ein magnetosphärischer Schwanz, ähnlich dem der Erde, hinter der Venus ausdehnt. Auch hier findet eine Wiederverbindung der Magnetfeldlinien statt. - Omnidirektionale Linien eines sich bewegenden Solarplasmas liegen zu nahe beieinander und sind geschlossen.

Der durch den Wiederverbindungsprozess gesteuerte Sonnenwind interagiert vollständig mit den atmosphärischen Gasen der Venus. Daher ist die Aurora hier nicht ganz oder gar nicht polar und repräsentiert Licht- und Streupunkte verschiedener Formen und Intensitäten. Manchmal betreffen sie die gesamte Planetenscheibe. Besonders gut sichtbar auf der Nachtseite des Planeten.

Mars

Es gibt auch kein globales Magnetfeld auf dem Mars, es gibt jedoch eine lokale Restmagnetisierung der Kruste, insbesondere im Hochland der südlichen Hemisphäre.

Die Marsatmosphäre ist dünn und dünnflüssig und besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid. Bei der Wechselwirkung mit den Elektronen des Sonnenwinds, der entlang der Linien lokaler Magnetfelder beschleunigt, kann man seltene und kurzzeitige ultraviolette Elektronenauroren beobachten.

Am 14. August 2004 wurde ein solches Phänomen mit dem SPICAM-Instrument an Bord der Mars Express-Orbitalstation in der Region Cimmerian Land aufgezeichnet. Die Gesamtgröße des Strahlungsgebietes betrug etwa 30 km und die Höhe etwa 8 km.

Lokale Magnetfelder des Mars

Die Protonen-Auroren, die vom MAVEN-Orbiter erstmals während eines Sonnensturms vom 12. bis 13. September 2017 aufgenommen wurden, unterscheiden sich jedoch von den stärkeren und globaleren. Sie können fast den gesamten Planeten abdecken.

Der Mars ist von einer ausgedehnten Krone aus neutralem Wasserstoff umgeben. Die Protonen des Sonnenwindes, die in der Korona aufgeladen wurden, dringen in Form von neutralen Atomen durch die Kopfstoßwelle (sie enthält nur geladene Teilchen) und interagieren mit Atomen und Molekülen atmosphärischer Gase in der unteren Thermosphäre (in Höhen von 110 bis 130 km) und erzeugen ultraviolette Strahlung .

Das Strahlungsniveau auf der Marsoberfläche, das während dieses Sonnensturms vom Curiosity Rover gemessen wurde, hat alle frühen Rekorde gebrochen und ihre Messwerte fast doppelt übertroffen.
(Curiosity verfügt über ein solches Gerät - "Radiation Assessment Detector" oder RAD. Es sammelt Daten, um die Höhe des Strahlungshintergrunds zu schätzen, der die Teilnehmer zukünftiger Expeditionen zum Mars beeinflusst. Das Gerät ist fast im "Herzen" des Rovers installiert und simuliert eine Person im Raum Schiff).

Während Sonnenstürmen verstecken sich die Kolonisten auf dem Mars also besser irgendwo.

Ultraviolette Daten werden dem Marsbild auf der Nachtseite vor (links) und während (rechts) des Ereignisses überlagert. Aurorale Strahlung scheint am Rand des Planetenbildes entlang der Linie der leuchtenden Schicht der Atmosphäre am hellsten zu sein.

Gasriesen

Die vier Riesenplaneten des Sonnensystems haben alles für das Erscheinen von Auroren - mächtige Atmosphären und starke Magnetfelder.

Ein unangenehmes Merkmal von Beobachtungen von der Erde (und im Allgemeinen von den inneren Regionen des Sonnensystems) der Riesenplaneten ist, dass sie dem Beobachter mit der von der Sonne beleuchteten Seite gegenüberstehen. Daher gehen im sichtbaren Bereich ihre Auroren im reflektierten Sonnenlicht verloren.

Auroren in anderen elektromagnetischen Bereichen können jedoch "detektiert" werden. - UV-Strahlung aus wasserstoffreichen Riesenatmosphären wird vom Hubble-Weltraumteleskop aufgezeichnet. Der Röntgenbereich wird wieder vom Chandra-Weltraumteleskop erfasst. Und Infrarot erkennt sogar den bodengebundenen Subaru.

Jupitersystem

Muss ich sagen, dass der größte Planet im Sonnensystem die stärksten Auroren hat? Außerdem sind die Auroren des Jupiter im Gegensatz zur Erde permanent.
Ein weiteres erstaunliches Merkmal der Jupiter-Auroren ist, dass sie nicht nur durch den Sonnenwind entstehen, sondern auch durch die Partikelströme, die von den Satelliten des Planeten emittiert werden: Io, Ganymed und Europa (auch auf diesen Satelliten werden Auroren beobachtet).

Das Vorhandensein von Io ist besonders betroffen, da dieser Satellit vulkanisch aktiv ist und eine eigene Ionosphäre besitzt.

Jupiter Aurora Borealis. Hubble Combo Shot, sichtbarer Bereich und UV.

Das kleine Io spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung des Magnetfeldes des Riesen Jupiter. - Ihre Vulkane geben eine Masse von ionisiertem und neutralem Schwefel, Sauerstoff, Chlor, atomarem Natrium und Kalium, molekularem Schwefeldioxid sowie Natriumchloridstaub an die Atmosphäre ab. All diese Substanzen werden von der Magnetosphäre des Jupiters mit einer Geschwindigkeit von 1 Tonne pro Sekunde aus der dünnen Atmosphäre von Io gezogen.

In diesem Fall verschwindet diese Materie abhängig von der Ionisation entweder in einer verdünnten neutralen Wolke um den Satelliten (ein gelber Punkt in der Abbildung) oder in einem den gesamten Jupiter umgebenden Plasmatorus (der rote Bereich ist ebenfalls vorhanden).

Schema der Jupiter-Magnetosphäre und der Auswirkungen von Io: Plasma-Torus (rot), neutrale Wolke (gelb), Flussröhre (grün) und Magnetfeldlinien (blau)

Und wie wirkt sich Io auf Jupiters Auroren aus? Es zeigt sich, dass ein Teil des ionisierten Gases, das der Planet von seinem Satelliten „stiehlt“, entlang der Kraftlinien des Magnetfelds zu seinen Polen geleitet wird (grüner vertikaler Ring in der obigen Abbildung). Es stellt sich sozusagen eine Röhre heraus, die Io und die Polarregionen des Jupiters verbindet und durch die geladene Teilchen dort gepumpt werden. Infolgedessen bildet sich ein „Abdruck“ von Io in der Atmosphäre des Jupiter: ein Auroralfleck, der der Drehung des Satelliten mit einer gewissen Verzögerung folgt.

Animation aus Bildern des Hubble-Weltraumteleskops, Frühjahr 2005. Ios Weg ist auf der rechten Seite sichtbar

In ähnlicher Weise, aber in viel geringerem Maße, sind Jupiters Auroren von zwei seiner anderen Monde betroffen - Europa und Ganymed. Ihre heißen Polarlichter entstehen durch hochgeladene Ionen aus Sauerstoff, Schwefel und möglicherweise Kohlenstoff, die aktiv Ladungen austauschen.

Aurorale oder heiße Punkte (im ultravioletten Licht) von Io, Ganymed und Europa sind Spuren magnetischer Kraftlinien, die die Ionosphären von Satelliten mit der Ionosphäre von Jupiter verbinden.
Es wird angenommen, dass helle Punkte innerhalb der Hauptringe, die von Zeit zu Zeit auftreten, mit der Wechselwirkung der Magnetosphäre und des Sonnenwinds zusammenhängen.

Die nördlichen und südlichen Auroren des Jupiter. Fotos des Planeten und der Polarlichter, die mit verschiedenen Instrumenten des Hubble-Teleskops aufgenommen wurden (sichtbarer Bereich und Ultraviolett).

Die Röntgenauroren von Jupiter sind äußerst interessant. - Erstens ist Jupiter der einzige Gasriese im Sonnensystem, der über Röntgenauroren verfügt. Zweitens ist die Strahlung an den Polen des Jupiters im Gegensatz zur Erde, wo die Polarlichter am Nord- und Südpol fast spiegelbildlich sind, „unsynchronisiert“ - die Polarlichter im Süden und Norden verhalten sich unabhängig voneinander und ändern ihre Intensität unterschiedlich.

Außerdem pulsiert die Röntgenstrahlung von Jupiter. Am Südpol - alle 11 Minuten, aber am Nordpol ist die Aurora instabil und ändert ihre Aktivität unabhängig und mit unterschiedlicher Häufigkeit - in unterschiedlichen Zeiträumen - von 12 bis 26 und sogar bis zu 40 bis 45 Minuten.
Die Gründe dafür sind noch unklar.

Röntgenauroren in der nördlichen und südlichen Hemisphäre des Jupiter. XMM-Newton- und Chandra-Röntgensatellitendaten

Und noch eine Frage: Wie versorgt Jupiter Teilchen in seiner Magnetosphäre mit enormen Energien, die für die Erzeugung eines konstanten Röntgenstrahls erforderlich sind?

Man geht davon aus, dass der Planet Sauerstoffionen auf unglaublich hohe Energien beschleunigt, die, wenn sie mit einer Geschwindigkeit von tausend Kilometern pro Sekunde auf die Atmosphäre treffen, alle acht Elektronen verlieren. Zukünftige Beobachtungen von Chandra, XMM-Newton und der Jupiter-Station Juno sollten die Natur dieses Prozesses aufdecken.

Hubble und Chandra X-ray kombiniertes Foto

Foto + Rekonstruktion der Aurora im sichtbaren Bereich über dem Nordpol des Jupiter aus dem Apparat "Juno". Orbital Jupiter Station erlaubt die dunkle Seite des Planeten zu beobachten. 18. Dezember 2018.

Ein Infrarotbild der Aurora am Südpol des Jupiter mit dem Subaru-Teleskop.

Die mit dem Sonnenwind in der oberen Atmosphäre wechselwirkenden Gase werden wie auf der Erde erwärmt. Die Erwärmung der Jupiteratmosphäre erfolgt jedoch zwei- bis dreimal so tief wie auf der Erde und erreicht das niedrigere Niveau der Stratosphäre.

Nun, man kann Ganymed nicht übersehen - den größten Satelliten im Sonnensystem und den einzigen mit einer eigenen Magnetosphäre. Es ist sehr klein und in die Magnetosphäre des Jupiter getaucht. Das Vorhandensein von Ganymed hat jedoch auch eine schwache Sauerstoffatmosphäre und verursacht das Vorhandensein von ultravioletten Auroren.

Bei der Beobachtung der Ganymed-Auroren (und sie hängen von Änderungen im Magnetfeld des Jupiters ab - während die Auroren auf Ganymed zu "schwanken" scheinen) gelangten die Wissenschaftler zu einer erstaunlichen Schlussfolgerung: Unter der Ganymed-Kruste ist eine große Menge Salzwasser enthalten, das das Magnetfeld beeinflusst.

Das Vorhandensein des salzigen Ozeans erzeugt ein sekundäres Magnetfeld, das es Ihnen ermöglicht, dem Einfluss des Jupiters zu widerstehen. Diese "magnetische Reibung" unterdrückt auf irgendeine Weise das Schwanken der Auroren. In der Praxis wird der Schwung der Auroren auf 2 Grad reduziert (anstelle von 6 Grad, was beobachtet werden würde, wenn der Ozean nicht existieren würde).

Laut Wissenschaftlern beträgt die Tiefe des Ozeans 100 Kilometer, das heißt, sie ist etwa zehnmal tiefer als die Ozeane der Erde. Zwar ist der Ganymed-Ozean unter einer 150-170 km langen Eisschale begraben.

Hubble kombiniertes Foto im sichtbaren und UV-Bereich + Ganymed-Visualisierung.

Saturn-System

Saturn hat auch Auroren, wohin sie gehen.

Hier ist Enceladus „vulkanisch“ aktiv, dessen südliche Polarregion aktiv Wasserdampfbrunnen mit Eispartikeln in die den Satelliten umgebende Atmosphäre spuckt. Diese Emissionen erreichen mehrere hundert Kilometer und werden sogar Teil des E-Rings, in dem sich Enceladus dreht.

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