🔵 ↕️ ⏬ Auroras di planet tata surya 🥞 🎠 🚭

Tentunya mereka yang setidaknya sekali dalam hidup mereka melihat aurora utara (atau selatan) dengan mata mereka sendiri akan mengatakan bahwa ini hanyalah pemandangan yang fantastis. Sebuah keajaiban alam dalam skala planet, fenomena muluk yang dapat diamati seseorang di Bumi dengan mata telanjang. Cahaya atmosfer pada ketinggian ratusan dan ribuan kilometer jauhnya begitu berwarna dan dinamis sehingga memberikan kesan sesuatu yang hidup, bergerak, bernapas ...

Tetapi bisakah hanya planet kita yang memiliki tontonan megah ini? Bisakah, jika bukan penduduk asli, maka penjajah masa depan, misalnya, Mars atau bulan-bulan Jupiter, mengamati sesuatu seperti itu?

Apa yang diperlukan agar aurora muncul di planet mana pun?

Menurut definisi, aurora adalah luminescence dari lapisan atmosfer atas planet dengan magnetosfer karena interaksinya dengan partikel bermuatan angin matahari.

Jadi kita membutuhkan:

1. Angin matahari, yang merupakan aliran partikel bermuatan - proton, elektron, inti helium, dll. - Selalu ada di seluruh tata surya.
Planet atau satelitnya:
2. Suasana dengan atom-atom di mana angin matahari akan berinteraksi.
3. Medan magnet yang mengarahkan partikel bermuatan ke wilayah tertentu di planet ini (tidak harus ke kutub, - sudut antara sumbu magnetik dan sumbu rotasi planet bisa menjadi signifikan.)

Mari kita lihat cara kerjanya di Bumi.

Bumi

Bumi dapat dianggap sebagai magnet besar, kutub selatan yang terletak di dekat kutub geografis utara, dan utara dekat selatan. Garis-garis geomagnetik Bumi sedikit terkompresi dari sisi Matahari karena tekanan angin matahari dan ditarik ke arah yang berlawanan, membentuk ekor magnetosfer di Bumi.

Dan bagaimana partikel angin matahari berperilaku ketika berinteraksi dengan magnetosfer planet ini? - Di ruang dekat Bumi, semuanya terjadi seperti pada pesawat supersonik. - Aliran angin matahari pada kecepatan supersonik (400-700 km \ dt) berjalan di magnetosfer planet ini, menghasilkan pembentukan gelombang kejut kepala. - (Kecepatan angin matahari di orbit Bumi adalah sekitar 10 kali kecepatan suara dalam plasma dekat-Bumi.)

Gelombang kejut kepala merupakan hambatan magnet yang membelokkan partikel bermuatan angin matahari di sepanjang lintasan di sekitar planet ini. Terbang di atasnya, sebagian besar partikel bermuatan hanya mengalir di sekitar magnetosfer.

Beberapa bagian dari plasma surya jatuh ke dalam perangkap magnetik dari sabuk radiasi Bumi - sulit bagi partikel bermuatan untuk bergerak melintasi garis kekuatan dan mereka hanya melilit mereka dan dapat menggantung dari kutub ke kutub selama beberapa dekade.

Dan masih ada bagian yang bebas masuk ke ionosfer kutub melalui titik kutub - daerah berbentuk corong yang meluas dari bumi ke magnetopause, yang dihasilkan dari interaksi angin matahari dan medan magnet bumi.

Melalui cusps, partikel angin matahari "tumpah" ke lapisan atas atmosfer planet di dua wilayah di garis lintang tinggi.

Magnetosfer bumi

Daerah-daerah ini adalah dua oval (di belahan utara dan selatan), jauh dari kutub geomagnetik pada malam hari sekitar 20 °, dan pada sore hari 10 °. Panjang daerah oval di garis lintang ini hanya beberapa ratus kilometer.
Dengan badai magnet yang hebat, oval bergeser dengan kuat ke arah khatulistiwa.

Dan jika selama periode Matahari yang tenang, intensitas aurora adalah, secara halus, kecil, masalah ini diperburuk selama aktivitas matahari. Emisi massa koronal (plasma dari korona matahari) sangat meningkatkan intensitas angin matahari.

Substrat magnetosfer ditambahkan ke api. Selama mereka, di ekor geomagnetik (di sisi malam Bumi), garis-garis gaya medan magnet antarplanet dan bidang geomagnetik Bumi terhubung kembali. Akibatnya, perubahan topologi garis, energi yang dilepaskan eksplosif diubah menjadi arus baru, yang disebut "jet listrik". Sebuah electrojet, antara lain, memanaskan dan mempercepat partikel bermuatan, mengubahnya menjadi aliran plasma berenergi tinggi.

Karena angin matahari dan ejeksi massa koronal Matahari sebagian besar adalah proton dan elektron, masing-masing dua jenis aurora dibedakan.

Aurora elektronik,

disebabkan oleh aliran elektron dan yang berlaku di Bumi. Ini semua adalah busur hijau atau violet-raspberry, garis-garis bercahaya, pita, tirai, dan formasi lain yang memiliki struktur yang cukup jelas.

Bagaimana terbentuk. - Elektron plasma matahari, yang menembus lapisan atas atmosfer Bumi, turun hingga ketinggian 400-100 km di atas permukaan laut. Di sini, di bawah aksinya, ionisasi gas atmosfer netral (oksigen dan nitrogen) terjadi, serta eksitasi atom dan molekulnya. Menanggapi hal ini, molekul, atom dan ion oksigen atmosfer dan nitrogen memancarkan kuanta cahaya pada panjang gelombang yang ditentukan secara ketat.

Ini menentukan warna aurora: misalnya, oksigen bertanggung jawab atas warna hijau (garis terkuatnya), dan nitrogen, untuk ungu, biru atau merah. Secara umum, setiap aurora memiliki palet warna yang unik, tergantung pada persentase komposisi kimia atmosfer yang terus berubah.

Fluks elektron menyebabkan aurora di Bumi, direkam tidak hanya dalam rentang yang terlihat.

Langka di Bumi, tetapi masih ditemukan hanya di Jupiter, adalah sinar-X aurora.

Aurora sinar-X terkuat yang direkam pada 11 April 1997 oleh satelit yang mengorbit di Kutub. Gambar menunjukkan sinar-X (dalam warna konvensional) yang dihasilkan di atmosfer atas dan karena fluks elektron berenergi tinggi.

Aurora aurora

Ini juga merupakan fenomena yang agak langka di Bumi dan kontribusinya terhadap cahaya langit Bumi relatif kecil.

Proton, memasuki atmosfer Bumi, juga bertabrakan dengan molekul dan atom gas atmosfer, menarik dan mengionisasi mereka. Tetapi pada saat yang sama, proton dapat menangkap elektron bebas dan proses pengisian ulang akan terjadi. Akibatnya, atom hidrogen netral terbentuk, yang dapat memancarkan foton dalam rentang yang terlihat dan UV.

Bentuk proton aurora yang paling umum adalah busur yang agak lebar, memanjang ke arah dari timur ke barat, dengan lebar 300 hingga 1000 km. Ada juga lengkungan dan bintik-bintik hanya difus.

Red Proton Arch, Michigan

Aurora proton yang kuat dalam kisaran UV. Foto dari satelit IMAGE

Sekarang mari kita lihat bagaimana keadaannya dengan aurora di planet lain.

Merkuri

Semua itu buruk.

Meskipun ada medan magnet, intensitasnya 100 kali lebih kecil dari bumi, atmosfer di planet ini hampir tidak ada. Sangat jarang bahwa partikel-partikel angin matahari sendiri membentuk atmosfer planet, ditambah dengan atom-atom yang terlempar keluar dari permukaan. Atom-atom atmosfer lebih sering bertabrakan dengan planet daripada dengan satu sama lain.

Venus

Tidak seburuk kelihatannya.

Situasi di seberang Merkurius adalah atmosfer yang padat dan padat dan tidak adanya medan magnet global. Tetapi meskipun demikian, Venus memiliki magnetosfer yang lemah - Venus disebabkan oleh angin matahari itu sendiri, dan bukan oleh planet ini.

Pada 2000-an, Venus Express menemukan bahwa ekor magnetosfer, mirip dengan Bumi, membentang di belakang Venus. Di dalamnya juga terjadi penyambungan kembali garis medan magnet. - Saluran omnidirectional dari plasma surya yang bergerak terlalu dekat satu sama lain dan tertutup.

Angin matahari, yang dikendalikan oleh proses penyambungan kembali, berinteraksi sepenuhnya dengan gas atmosfer Venus. Oleh karena itu, aurora di sini tidak sepenuhnya polar, atau lebih tepatnya, sama sekali tidak kutub, dan mewakili bintik-bintik cahaya dan difus dari berbagai bentuk dan intensitas. Terkadang mereka memengaruhi seluruh disk planet. Terutama terlihat jelas di sisi malam planet ini.

Mars

Tidak ada medan magnet global di Mars, namun, ada magnetisasi residu lokal kerak, terutama di dataran tinggi belahan bumi selatan.

Atmosfer Mars tipis dan langka, terutama terdiri dari karbon dioksida. Ketika berinteraksi dengan elektron angin matahari, yang berakselerasi di sepanjang garis medan magnet lokal, aurora elektron ultraviolet jangka pendek dan langka dapat diamati.

Pada 14 Agustus 2004, fenomena semacam itu direkam oleh instrumen SPICAM di atas stasiun orbital Mars Express di wilayah tanah Cimmerian. Ukuran total wilayah yang memancar sekitar 30 km, dan tingginya sekitar 8 km.

Medan magnet lokal Mars

Tetapi aurora proton, yang pertama kali dicatat saat badai matahari pada 12-13 September 2017 oleh pengorbit MAVEN, tidak seperti yang lebih kuat dan global. Mereka dapat menutupi hampir seluruh planet.

Mars dikelilingi oleh mahkota luas hidrogen netral. Proton angin matahari, yang menjalani proses pengisian ulang di korona, menembus dalam bentuk atom netral melalui gelombang kejut kepala (hanya menahan partikel bermuatan) dan berinteraksi dengan atom dan molekul gas atmosfer di termosfer bawah (pada ketinggian 110-130 km), menghasilkan radiasi ultraviolet .

Tingkat radiasi di permukaan Mars, yang dicatat selama badai matahari oleh penjelajah Curiosity, memecahkan semua rekor awal, hampir dua kali lipat dari bacaan mereka.
(Curiosity memiliki alat semacam itu - "Radiation Assessment Detector" atau RAD. Alat ini mengumpulkan data untuk memperkirakan tingkat latar belakang radiasi yang akan memengaruhi peserta dalam ekspedisi mendatang ke Mars. Perangkat ini dipasang hampir di "jantung" bajak, mensimulasikan seseorang di dalam ruang tersebut) kapal).

Jadi selama badai matahari, para penjajah di Mars lebih baik bersembunyi di suatu tempat.

Data ultraviolet ditumpangkan pada gambar Mars di sisi malam sebelum (kiri) dan selama (kanan) acara. Radiasi aurora tampaknya menjadi yang paling terang di tepi gambar planet di sepanjang garis lapisan bercahaya atmosfer.

Raksasa gas

Keempat planet raksasa tata surya memiliki segalanya untuk penampilan aurora - atmosfer yang kuat dan medan magnet yang kuat.

Fitur pengamatan yang tidak menyenangkan dari Bumi (dan umumnya dari daerah bagian dalam Tata Surya) dari planet-planet raksasa adalah bahwa mereka menghadapi pengamat dengan sisi yang diterangi oleh Matahari. Oleh karena itu, dalam rentang yang terlihat, aurora mereka hilang dalam sinar matahari yang dipantulkan.

Namun, aurora dalam rentang elektromagnetik lainnya dapat "terdeteksi". - Radiasi UV dari atmosfer raksasa yang kaya hidrogen direkam oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble. Rentang X-ray sekali lagi ditangkap oleh teleskop ruang angkasa Chandra. Dan inframerah mendeteksi bahkan Subaru berbasis darat.

Sistem Jupiter

Perlukah saya mengatakan bahwa planet terbesar di tata surya memiliki aurora paling kuat? Selain itu, tidak seperti Bumi, aurora Jupiter bersifat permanen.
Juga fitur luar biasa dari auror Jupiter adalah bahwa mereka muncul tidak hanya karena angin matahari, tetapi juga karena aliran partikel yang dipancarkan oleh satelit planet ini: Io, Ganymede dan Eropa (aurora juga diamati pada satelit ini).

Kehadiran Io sangat terpengaruh, karena satelit ini aktif secara vulkanik dan memiliki ionosfernya sendiri.

Jupiter Aurora Borealis. Bidikan kombo Hubble, jarak jangkau dan UV.

Io kecil memainkan peran penting dalam pembentukan medan magnet Jupiter raksasa. - Gunung berapi-nya memancarkan ke atmosfer massa sulfur terionisasi dan netral, oksigen, klor, natrium atom dan kalium, sulfur dioksida molekuler, dan juga debu natrium klorida. Semua zat ini ditarik oleh magnetosfer Jupiter dari atmosfer tipis Io dengan kecepatan 1 ton per detik.

Dalam hal ini, tergantung pada ionisasi, masalah ini menghilang baik menjadi awan netral yang dijernihkan di sekitar satelit (titik kuning pada gambar) atau ke torus plasma yang mengelilingi seluruh Jupiter (wilayah merah juga ada di sana).

Skema magnetosfer Jupiter dan efek Io: plasma torus (merah), awan netral (kuning), tabung fluks (hijau) dan garis medan magnet (biru)

Dan bagaimana Io mempengaruhi aurora Jupiter? Ternyata bagian dari gas terionisasi yang "dicuri" planet ini dari satelitnya diarahkan sepanjang garis gaya medan magnet ke kutubnya (cincin vertikal hijau pada gambar di atas). Ternyata, seolah-olah, sebuah tabung yang menghubungkan Io dan daerah kutub Jupiter, di mana partikel bermuatan dipompa di sana. Akibatnya, "jejak" bentuk Io di atmosfer Jupiter: tempat auroral, yang mengikuti rotasi satelit dengan beberapa lag.

Animasi dibuat dari gambar Teleskop Luar Angkasa Hubble, musim semi 2005. Jejak Io terlihat di sebelah kanan

Dengan cara yang sama, tetapi pada tingkat yang jauh lebih rendah, auror Jupiter dipengaruhi oleh dua bulan lainnya - Eropa dan Ganymede. Bintik auroral yang panas terbentuk karena ion oksigen, sulfur, dan karbon yang bermuatan tinggi, yang secara aktif menukar muatan.

Auroral atau hot spot (dalam sinar ultraviolet) Io, Ganymede dan Eropa adalah jejak garis-garis gaya magnet yang menghubungkan ionosfer satelit dengan ionosfer Jupiter.
Bintik-bintik terang di dalam cincin utama, muncul dari waktu ke waktu, diyakini terkait dengan interaksi magnetosfer dan angin matahari.

Aurora utara dan selatan Jupiter. Foto-foto planet ini dan foto-foto aurora yang diambil oleh berbagai instrumen teleskop Hubble (jarak jangkau dan ultraviolet).

Aurora sinar-X Jupiter sangat menarik. - Pertama, Jupiter adalah satu-satunya raksasa gas di tata surya yang memiliki aurora sinar-X. Kedua, tidak seperti Bumi, di mana aurora di kutub utara dan selatan hampir merupakan gambar cermin satu sama lain, radiasi di kutub Jupiter adalah "tidak disinkronkan" - aurora selatan dan utara berperilaku independen satu sama lain dan mengubah intensitasnya secara berbeda.

Selain itu, x-ray dari Jupiter berdenyut. Di kutub selatan - setiap 11 menit, tetapi di kutub utara aurora tidak stabil dan mengubah aktivitasnya secara independen dan dengan frekuensi yang berbeda - dalam periode waktu yang berbeda - dari 12 menjadi 26 dan bahkan hingga 40–45 menit.
Alasan ketidakselarasan dan riak seperti itu masih belum jelas.

Aurora sinar-X di belahan utara dan selatan Yupiter. Data satelit XMM-Newton dan Chandra X-ray

Dan pertanyaan lain - bagaimana Jupiter memberikan partikel di magnetosfernya dengan energi besar yang diperlukan untuk menciptakan aliran sinar-x yang konstan?

Ada asumsi bahwa planet ini mempercepat ion oksigen ke energi yang sangat tinggi, yang, ketika mereka bertabrakan dengan atmosfer pada kecepatan seribu kilometer per detik, kehilangan semua delapan elektron. Pengamatan masa depan Chandra, XMM-Newton, dan stasiun Jupiter Juno harus mengungkapkan sifat dari proses ini.

Foto gabungan Hubble dan Chandra X-ray

Foto + rekonstruksi aurora dalam jarak yang terlihat di atas kutub utara Jupiter dari peralatan "Juno". Stasiun Orbital Jupiter diizinkan mengamati sisi gelap planet ini. 18 Desember 2018.

Gambar inframerah aurora di Kutub Selatan Jupiter dengan teleskop Subaru.

Gas-gas yang berinteraksi dengan angin matahari di atmosfer atas dipanaskan, seperti di Bumi. Namun, pemanasan atmosfer Jovian terjadi dua atau tiga kali lebih dalam daripada di Bumi, mencapai tingkat stratosfer yang lebih rendah.

Kita tidak bisa gagal untuk mencatat Ganymede - satelit terbesar di tata surya dan satu-satunya yang memiliki magnetosfer sendiri. Ini sangat kecil dan terbenam di magnetosfer Jupiter. Namun, keberadaan Ganymede juga memiliki atmosfer oksigen yang lemah dan menyebabkan kehadiran aurora ultraviolet.

Mengamati Ganymede aurora (dan mereka bergantung pada perubahan medan magnet Jupiter - sementara aurora di Ganymede tampaknya "bergoyang"), para ilmuwan sampai pada kesimpulan yang menakjubkan: di bawah kerak Ganymede, sejumlah besar air garam terkandung, dan itu mempengaruhi medan magnetnya.

Kehadiran lautan asin menciptakan medan magnet sekunder, yang memungkinkan Anda menahan pengaruh Jupiter. "Gesekan magnetik" ini dalam beberapa cara menekan goyangan aurora. Dalam praktiknya, ayunan aurora dikurangi menjadi 2 derajat (bukan 6 derajat, yang akan diamati jika laut tidak ada).

Menurut para ilmuwan, kedalaman lautan adalah 100 kilometer, yaitu sekitar 10 kali lebih dalam dari lautan di Bumi. Benar, lautan Ganymede terkubur di bawah lapisan es sepanjang 150-170 km.

Foto gabungan Hubble dalam rentang tampak dan UV + visualisasi Ganymede.

Sistem saturn

Saturnus juga memiliki aurora, ke mana mereka pergi.

Di sini Enceladus aktif secara “vulkanis”, wilayah kutub selatan yang secara aktif memuntahkan air mancur uap air dengan partikel-partikel es ke atmosfer di sekitar satelit. Emisi ini mencapai beberapa ratus kilometer dan bahkan menjadi bagian dari cincin E, di mana Enceladus berputar.

Sebagian uap air ini terionisasi dan dalam volume 100 kg per detik mengisi ulang magnetosfer Saturnus dengan berbagai hidro, hidrogen, oksigen, dan ion serta radikal lainnya.

Namun, mereka tidak cukup untuk mengembang magnetosfer raksasa ke ukuran Jupiter. Oleh karena itu, aurora di Saturnus jauh lebih bergantung daripada pada Jupiter pada intensitas angin matahari. Dalam hal ini mereka mirip dengan yang duniawi.

Aurora Utara Saturnus, ditangkap oleh Cassini dalam inframerah (4 mikron, biru). Awan yang berada di bawah berwarna merah bersyarat (5 mikron). Awan heksagonal yang ditemukan sebelumnya terlihat tepat di bawah lampu.

Auroras di Saturnus, serta di Bumi, membentuk cincin tertutup atau tidak lengkap di sekitar kutub magnet.

« . — , . 2013 ., , — , », — (Jonathan D. Nichols) .