Certamente aqueles que pelo menos uma vez na vida viram a aurora do norte (ou do sul) com seus próprios olhos dirão que esta é simplesmente uma visão fantástica. Um milagre da natureza em escala planetária, um fenômeno grandioso que uma pessoa pode observar na Terra a olho nu. O brilho da atmosfera em alturas de centenas e milhares de quilômetros de distância é tão colorido e dinâmico que dá a impressão de algo vivo, em movimento, respirando ...
Mas apenas nosso planeta pode se orgulhar desse grande espetáculo? Será que, se não os povos indígenas, os futuros colonos, por exemplo, Marte ou as luas de Júpiter, podem observar algo assim?
O que é preciso para as auroras aparecerem em qualquer planeta?
Por definição, auroras são a luminescência das camadas atmosféricas superiores dos planetas com uma magnetosfera devido à sua interação com partículas carregadas do vento solar.
Então precisamos:
1. O vento solar, que é uma corrente de partículas carregadas - prótons, elétrons, núcleos de hélio etc. - sempre existe em todo o sistema solar.
Planetas ou seus satélites:
2. A atmosfera com os átomos dos quais o vento solar irá interagir.
3. Um campo magnético que direciona partículas carregadas para uma região específica do planeta (não necessariamente para a polar - o ângulo entre o eixo magnético e o eixo de rotação do planeta pode ser significativo).
Vamos ver como isso funciona na Terra.
A terra
A Terra pode ser considerada como um imã grande, cujo pólo sul está localizado próximo ao pólo geográfico norte e o norte está próximo ao sul. As linhas geomagnéticas da Terra são levemente comprimidas do lado do Sol devido à pressão do vento solar e são puxadas na direção oposta, formando uma cauda magnetosférica na Terra.
E como as partículas do vento solar se comportam ao interagir com a magnetosfera do planeta? - No espaço próximo à Terra, tudo acontece como em um plano supersônico. - O fluxo do vento solar em velocidade supersônica (400-700 km \ seg) corre na magnetosfera do planeta, resultando na formação da chamada onda de choque na cabeça. - (A velocidade do vento solar na órbita da Terra é cerca de 10 vezes a velocidade do som no plasma próximo à Terra.)
A onda de choque na cabeça é, portanto, um obstáculo magnético que desvia partículas carregadas do vento solar ao longo de trajetórias ao redor do planeta. Voando sobre ele, a maioria das partículas carregadas simplesmente flui pela magnetosfera.
Alguma parte do plasma solar cai nas armadilhas magnéticas dos cinturões de radiação da Terra - é difícil as partículas carregadas se moverem através das linhas de força e elas simplesmente enrolam em torno delas e podem ficar penduradas de pólo a pólo por décadas.
E ainda parte penetra livremente na ionosfera polar através das cúspides polares - áreas em forma de funil que se expandem da Terra para a magnetopausa, resultantes da interação do vento solar e do campo magnético da Terra.
Pelas cúspides, as partículas do vento solar "derramam" nas camadas superiores da atmosfera do planeta em duas regiões em altas latitudes.
Magnetosfera da TerraEssas áreas são duas ovais (nos hemisférios norte e sul), distantes dos pólos geomagnéticos à noite em aproximadamente 20 ° e à tarde em 10 °. O comprimento dessas áreas ovais em latitude é de apenas algumas centenas de quilômetros.
Com uma intensa tempestade magnética, o oval muda fortemente em direção ao equador.
E se durante períodos de um sol calmo, a intensidade das auroras é, para dizer o mínimo, pequena, o assunto é agravado durante a atividade solar. As emissões de massa coronal (plasma da coroa do sol) aumentam bastante a intensidade do vento solar.
Sub-tempestades magnetosféricas são adicionadas ao fogo. Durante eles, na cauda geomagnética (no lado noturno da Terra), as linhas de força do campo magnético interplanetário e o campo geomagnético da Terra se reconectam. Como resultado, a topologia da linha muda, a energia liberada explosivamente é convertida em uma nova corrente, chamada "jato elétrico". Um eletrojato, entre outras coisas, aquece e acelera partículas carregadas, transformando-as em um fluxo de plasma de alta energia.
Como o vento solar e as ejeções da massa coronal do Sol são principalmente prótons e elétrons, respectivamente, dois tipos de auroras são distinguidos.
Auroras eletrônicas,
causada por fluxos de elétrons e prevalecente na Terra. Todos esses são arcos verdes ou violeta-framboesa, listras radiantes, fitas, cortinas e outras formações que possuem uma estrutura claramente definida.
Como são formados. - Os elétrons do plasma solar, rompendo as camadas superiores da atmosfera da Terra, descem a alturas de 400 a 100 km acima do nível do mar. Aqui, sob sua ação, ocorre a ionização de gases atmosféricos neutros (oxigênio e nitrogênio), bem como a excitação de seus átomos e moléculas. Em resposta a isso, moléculas, átomos e íons de oxigênio e nitrogênio atmosféricos emitem quanta de luz em um comprimento de onda estritamente definido.
Isso determina a cor das auroras: por exemplo, o oxigênio é responsável pela cor verde (sua linha mais forte) e o nitrogênio pela violeta, azul ou vermelho. Em geral, cada aurora tem sua própria paleta de cores, dependendo da porcentagem em constante mudança da composição química da atmosfera.
Os fluxos de elétrons causam auroras na Terra, registradas não apenas na faixa visível.
Raras na Terra, mas ainda encontradas apenas em Júpiter, são auroras de raios-X.
A mais forte aurora de raios-X registrada em 11 de abril de 1997 pelo satélite em órbita Polar. A imagem mostra raios-x (em cores convencionais) gerados na atmosfera superior e devido aos fluxos de elétrons de alta energia.Auroras de prótons
Também é um fenômeno bastante raro na Terra e sua contribuição para o brilho do céu da Terra é relativamente pequena.
Os prótons, entrando na atmosfera da Terra, também colidem com moléculas e átomos de gases atmosféricos, estimulando-os e ionizando-os. Mas, ao mesmo tempo, um próton pode capturar um elétron livre e ocorrerá um processo de recarga. Como resultado, um átomo de hidrogênio neutro é formado, o qual pode emitir fótons nas faixas visível e UV.
A forma mais comum de auroras de prótons é um arco bastante amplo, alongado na direção de leste a oeste, com uma largura de 300 a 1000 km. Também existem arcos e pontos simplesmente difusos.
Arco vermelho do protão, Michigan
Poderosa próton aurora na faixa de UV. Foto do satélite IMAGEAgora vamos ver como estão as auroras em outros planetas.
Mercúrio
Tudo está ruim.
Apesar do campo magnético existente, cuja intensidade, no entanto, é 100 vezes menor que a Terra, a atmosfera do planeta está praticamente ausente. É tão rarefeito que as próprias partículas do vento solar compõem a atmosfera do planeta, juntamente com átomos jogados para fora da superfície. Átomos da atmosfera colidem mais frequentemente com o planeta do que um com o outro.
Venus
Não é tão ruim quanto possa parecer.
A situação oposta a Mercúrio é uma atmosfera densa e densa e a ausência de um campo magnético global. Mas, apesar disso, Vênus tem uma magnetosfera fraca - é induzida pelo próprio vento solar, e não pelo planeta.
Nos anos 2000, o Venus Express descobriu que uma cauda magnetosférica, semelhante à da Terra, se estende por trás de Vênus. Nele também ocorre uma reconexão das linhas do campo magnético. - As linhas omnidirecionais de um plasma solar em movimento estão muito próximas umas das outras e estão fechadas.
O vento solar, controlado pelo processo de reconexão, interage completamente com os gases atmosféricos de Vênus. Portanto, a aurora aqui não é inteiramente polar, ou melhor, nem um pouco polar, e representa pontos de luz e difusos de várias formas e intensidades. Às vezes, eles afetam todo o disco planetário. Especialmente visível no lado noturno do planeta.
Marte
Também não existe campo magnético global em Marte; no entanto, existe uma magnetização local residual da crosta, especialmente nas terras altas do hemisfério sul.
A atmosfera de Marte é fina e rarefeita, consistindo principalmente de dióxido de carbono. Ao interagir com os elétrons do vento solar, que acelera ao longo das linhas dos campos magnéticos locais, pode-se observar auroras eletrônicas ultravioletas raras e de curto prazo.
Em 14 de agosto de 2004, esse fenômeno foi registrado pelo instrumento SPICAM a bordo da estação orbital Mars Express na região de Cimmeria. O tamanho total da região de radiação era de cerca de 30 km de diâmetro e cerca de 8 km de altura.
Campos magnéticos locais de MarteMas as auroras prótons, registradas pela primeira vez durante uma tempestade solar de 12 a 13 de setembro de 2017 pela sonda MAVEN, são diferentes de mais poderosas e globais. Eles podem cobrir quase todo o planeta.
Marte é cercado por uma extensa coroa de hidrogênio neutro. Os prótons do vento solar, que sofreram o processo de recarga na coroa, penetram na forma de átomos neutros através da onda de choque da cabeça (apenas retém partículas carregadas) e interagem com átomos e moléculas de gases atmosféricos na atmosfera mais baixa (a altitudes de 110-130 km), gerando radiação ultravioleta .
O nível de radiação na superfície de Marte, registrado durante essa tempestade solar pelo rover Curiosity, quebrou todos os recordes iniciais, quase duas vezes superior às suas leituras.
(A Curiosity possui um dispositivo desse tipo - "Radiation Assessment Detector" ou RAD. Ele coleta dados para estimar o nível de radiação que afetará os participantes em futuras expedições a Marte. O dispositivo é instalado quase no "coração" do veículo espacial, simulando uma pessoa dentro do espaço navio).
Então, durante tempestades solares, é melhor os colonos em Marte se esconderem em algum lugar.
Os dados ultravioleta são sobrepostos à imagem de Marte no lado noturno antes (esquerda) e durante (direita) o evento. A radiação auroral parece ser a mais brilhante na borda da imagem do planeta ao longo da linha da camada luminosa da atmosfera.Gigantes de gás
Os quatro planetas gigantes do sistema solar têm tudo para o aparecimento de auroras - atmosferas poderosas e fortes campos magnéticos.
Uma característica desagradável das observações da Terra (e geralmente das regiões internas do Sistema Solar) dos planetas gigantes é que eles enfrentam o observador com o lado iluminado pelo Sol. Portanto, na faixa visível, suas auroras são perdidas na luz solar refletida.
No entanto, auroras em outras faixas eletromagnéticas podem ser "detectadas". - A radiação UV de atmosferas gigantes de hidrogênio é registrada pelo Telescópio Espacial Hubble. O raio X é novamente captado pelo telescópio espacial Chandra. E o infravermelho detecta até o Subaru terrestre.
Sistema de Júpiter
Preciso dizer que o maior planeta do sistema solar possui as auroras mais poderosas? Além disso, ao contrário da Terra, as auroras de Júpiter são permanentes.
Outra característica surpreendente dos aurores de Júpiter é que eles surgem não apenas devido ao vento solar, mas também ao fluxo de partículas emitido pelos satélites do planeta: Io, Ganimedes e Europa (auroras também são observadas nesses satélites).
A presença de Io é particularmente afetada, pois esse satélite é vulcanicamente ativo e possui sua própria ionosfera.
Júpiter Aurora Boreal. Tiro combinado do Hubble, alcance visível e UV.Little Io desempenha um papel importante na formação do campo magnético do gigante Júpiter. - Seus vulcões emitem na atmosfera uma massa de enxofre ionizado e neutro, oxigênio, cloro, sódio e potássio atômicos, dióxido de enxofre molecular, além de pó de cloreto de sódio. Toda essa substância é retirada pela magnetosfera de Júpiter da fina atmosfera de Io a uma velocidade de 1 tonelada por segundo.
Nesse caso, dependendo da ionização, esse assunto desaparece em uma nuvem neutra rarefeita ao redor do satélite (uma mancha amarela na figura) ou em um toro de plasma ao redor de Júpiter (a região vermelha também está lá).
Diagrama esquemático da magnetosfera de Júpiter e os efeitos de Io: toro plasmático (vermelho), nuvem neutra (amarela), tubo de fluxo (verde) e linhas de campo magnético (azul)E como Io afeta as auroras de Júpiter? Acontece que parte do gás ionizado que o planeta "rouba" de seu satélite é direcionada ao longo das linhas de força do campo magnético para seus pólos (anel vertical verde na figura acima). Acontece que, por assim dizer, um tubo que liga Io e as regiões polares de Júpiter, através das quais as partículas carregadas são bombeadas para lá. Como resultado, uma “impressão” de Io se forma na atmosfera de Júpiter: um ponto auroral, que segue a rotação do satélite com algum atraso.
Animação criada a partir de imagens do Telescópio Espacial Hubble, primavera de 2005. A trilha de Io é visível à direitaDe maneira semelhante, mas em muito menor grau, os aurores de Júpiter são afetados por duas de suas outras luas - Europa e Ganímedes. Seus pontos aurorais quentes são formados devido a íons altamente carregados de oxigênio, enxofre e, possivelmente, carbono, que trocam cargas ativamente.
Pontos aurorais ou quentes (sob luz ultravioleta) de Io, Ganimedes e Europa são traços de linhas de força magnéticas que conectam as ionosferas de satélites com a ionosfera de Júpiter.
Acredita-se que pontos brilhantes dentro dos anéis principais, que aparecem de tempos em tempos, estejam associados à interação da magnetosfera e do vento solar.
As auroras do norte e do sul de Júpiter. Fotos do planeta e fotos das auroras tiradas por vários instrumentos do telescópio Hubble (faixa visível e ultravioleta).As auroras de raios X de Júpiter são extremamente interessantes. - Primeiro, Júpiter é o único gigante de gás no sistema solar que possui auroras de raios-X. Em segundo lugar, ao contrário da Terra, onde as auroras nos pólos norte e sul são quase uma imagem espelhada uma da outra, a radiação nos pólos de Júpiter é "não sincronizada" - as auroras sul e norte se comportam independentemente uma da outra e mudam sua intensidade de maneira diferente.
Além disso, o raio-x de Júpiter pulsa. No polo sul - a cada 11 minutos, mas no polo norte, a aurora é instável e muda sua atividade de forma independente e com uma frequência diferente - em diferentes períodos - de 12 a 26 e até de 40 a 45 minutos.
As razões para essa falta de sincronia e ondulação ainda não são claras.
Auroras de raios X nos hemisférios norte e sul de Júpiter. Dados de satélite de raios-X XMM-Newton e ChandraE outra pergunta - como Júpiter dota as partículas em sua magnetosfera de enormes energias necessárias para criar um fluxo constante de raios-x?
Supõe-se que o planeta acelere íons de oxigênio para energias incrivelmente altas, que, quando colidem com a atmosfera a uma velocidade de mil quilômetros por segundo, perdem todos os oito elétrons. Observações futuras de Chandra, XMM-Newton e da estação de Júpiter Juno devem revelar a natureza desse processo.
Foto combinada de raios X de Hubble e Chandra
Foto + reconstrução da aurora na faixa visível acima do pólo norte de Júpiter a partir do aparelho "Juno". A estação orbital de Júpiter permitiu observar o lado escuro do planeta. 18 de dezembro de 2018.
Uma imagem infravermelha da aurora no Polo Sul de Júpiter com o telescópio Subaru.
Os gases que interagem com o vento solar na atmosfera superior são aquecidos, como na Terra. No entanto, o aquecimento da atmosfera joviana ocorre duas ou três vezes mais profundo que na Terra, atingindo o nível mais baixo da estratosfera.Bem, não se pode deixar de notar
Ganimedes - o maior satélite do sistema solar e o único com sua própria magnetosfera. É muito pequeno e imerso na magnetosfera de Júpiter. No entanto, a presença de Ganímedes também possui uma fraca atmosfera de oxigênio e causa a presença de auroras ultravioletas.
Observando as auroras de Ganímedes (e elas dependem de mudanças no campo magnético de Júpiter - enquanto as auroras de Ganímedes parecem "balançar"), os cientistas chegaram a uma conclusão surpreendente: sob a crosta de Ganímedes, uma grande quantidade de água salgada está contida e afeta seu campo magnético.
A presença do oceano salgado cria um campo magnético secundário, que permite suportar a influência de Júpiter. Este "atrito magnético" de alguma forma suprime o balanço das auroras. Na prática, o balanço das auroras é reduzido para 2 graus (em vez de 6 graus, o que seria observado se o oceano não existisse).
Segundo os cientistas, a profundidade do oceano é de 100 quilômetros, ou seja, é cerca de 10 vezes mais profunda que os oceanos da Terra. É verdade que o oceano Ganímedes está enterrado sob uma concha de gelo de 150-170 km.
Foto combinada do Hubble nas faixas visível e UV + visualização Ganimedes.
Sistema de Saturno
Saturno também tem auroras, para onde elas vão.
Aqui Encélado é "vulcanicamente" ativo, cuja região polar do sul expele ativamente fontes de vapor d'água com partículas de gelo na atmosfera ao redor do satélite. Essas emissões atingem várias centenas de quilômetros e até se tornam parte do anel E, no qual Encélado gira.
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