Airglow

Fenomén, vďaka ktorému noci nikdy nie sú skutočne tmavé.

Na prvé prečítanie sa možno zdá, že sa jedná o dobre známe svetelné znečistenie. To predsa ovplyvňuje samotný jas nočnej oblohy a tým pádom i jej kvalitu. Ak by sme sa však vybrali dostatočne ďaleko od aglomerácii svetelného smogu, stovky, ba priam až tisícky kilometrov od najbližších veľkomiest a ocitli sa uprostred púšte, nočná obloha stále nebude skutočne tmavá. Prečo? Za odpoveďou sa skrýva množstvo zložitých procesov v zemskej atmosfére, ktoré sa pričiňujú o vznik fenoménu s názvom airglow.

Čo vlastne airglow je? 

Možno ste už videli snímky nočnej oblohy – tzv. astrofotografie, ktoré napriek svojej fyzikálnej korektnosti vykazovali pestrofarebné hviezdne pozadie. Ak ich navyše publikovala nejaká prestížna organizácia zaoberajúca sa výskumom kozmu, niet pochýb o tom, že sú tie farby správne “na svojom mieste”. Čo však stojí za vznikom tejto farebnej palety na nočnej oblohe? A aký súvis to má so skutočnou tmou? Nuž, odpoveď je pre začiatok jednoduchá. Za všetko spomínané môže totiž airglow. Uspokojili by ste sa však s takouto odpoveďou? Ľudí predsa odjakživa fascinoval vesmír. Od prvých základných objavov naša cesta za poznaním nekontrolovateľne eskaluje a preto neustále bažíme po nových poznatkoch zo sveta vedy a techniky. Predpokladáme teda, že je viac, než potrebné objasniť príčinu vzniku tohto fenoménu a odhaliť tajomstvá, ktoré v sebe ukrýva.

Airglow, či tzv. prirodzené žiarenie hornej atmosféry je pre naše oči veľmi slabým úkazom, ktorého pozorovanie je možné len pri tmavej oblohe. Javí sa nám ako slabé svetlo pripomínajúce svetelné znečistenie nad obzorom. To práve preto, že čím bližšie k horizontu pozeráme, tým hrubšiu časť atmosféry vidíme a teda i o to intenzívnejší airglow. Ľudské oko využíva na identifikáciu slabších objektov pri nízkom zdroji svetla svetločinné bunky – tyčinky. Tie majú omnoho lepšiu citlivosť než čapíky, no oproti nim majú i jednu veľkú nevýhodu. Nemajú schopnosť rozlišovať farby. Naším očiam sú preto farby tohto žiarenia navždy ukryté. Našťastie dispomonujeme množstvom technických zariadení, vďaka ktorým sa o fenoménoch nočnej oblohy a samotného vesmíru dozvedáme omnoho viac, než je tomu z pozorovaní voľnými očami. Inak si už ani výskum vesmíru vlastne nedokážeme predstaviť. Veď už obyčajný zrkadlový fotoaparát dokáže pri niekoľkosekundových expozíciach zachytiť toto famózne a záhadné žiarenie. Prečo teda nepátrať ďalej.

Pestrá škála farieb

Prirodzené žiarenie atmosféry sa niekedy javí iba ako slabý úkaz. No niekedy však svojou silou dokáže rozžiariť nočnú oblohu a “ofarbiť” tak hviedzne pozadie. Vyskytuje sa dokonca i v súvise s AGW – atmosférickými gravitačnými vlnami (z ang. Atmospheric Gravity Waves), vďaka ktorým ho pozorujeme na oblohe ako súvislé pásy. Na začiatku by bolo vhodné spomenúť, že airglow nieje jediné žiarenie, ktoré na nočnej oblohe pozorujeme. Možno niektorí z vás sa už o istom druhu “nočného” žiarenia presvedčili i na vlastné oči. Reč je totiž o polárnej žiare, ktorú v našich končinách pozorujeme veľmi raritne, no v oblastiach blízko magnetických pólov Zeme svojou intenzitou osvetľuje nielen nočnú oblohu, ale doslova i samotnú krajinu počas noci. Polárna žiara je omnoho silnejší úkaz, než airglow a práve z tohto dôvodu ľudské oči dokážu vnímať jej farby. Polárnu žiaru je však vhodné spomenúť i preto, že s airglow majú toho viac spoločného. Obe úkazy totiž uzko súvisia so slnečnou aktivitou a tenkým plynným ochranným štítom Zeme – zemskou atmosférou. Je dôležité si však uvedomiť, že zatiaľ čo polárna žiara vzniká ako dôsledok interakcie častíc slnečného vetra v atmosfére, airglow vzniká v atmosfére ako dôsledok pôsobenia slnečných fotónov. Slnko produkuje fotóny (elektromagnetické žiarenie) v širokom spektre. Ľudské oko je schopné zachytiť fotóny s vlnovou dĺžkou 380-780 nm. Avšak žiarenie s vlnovou dĺžkou menšou než 242 nm (UV spektrum) spúšťa v hornej atmosfére množstvo reakcií, ktoré sa podieľajú práve aj na tvorbe airglowu.  Počas dňa vniká do zemskej atmosféry UV žiarenie, ktoré môže rozštiepiť molekuly kyslíka na atómy kyslíka a na energiu (tzv. fotodisociácia). 

Dovolíme si citovať výrok Stephena Hawkinga o tom, že každá rovnica zníži počet čitateľov o polovicu. To my určite nechceme riskovať a dovolíme si vložiť len jednu veľmi jednoduchú, no zároveň krásnu rovnicu, ktorá znázorňuje práve tento proces:

O₂ + h ν (λ<242nm) → O + O + energia

Dôsledkom tohto procesu vzniká napr. ozón (O₃), ktorý zabraňuje prenikaniu škodlivého UV žiarenia na zemský povrch. Ďalším dôležitým dôsledkom je, že atomárny kyslík môže byť následne ionizovaný, čím vznikajú voľné elektróny a kladne nabité ióny, ktoré tvoria tzv. ionosféru – nabitú vrstvu atmosféry, ktorá sa vyskytuje sa vo výškach 60 – 500 km. Táto vrstva je nevyhnutná napr. pre šírenie rádiového signálu medzi dvoma vzdialenými bodmi na zemskom povrchu. A do tretice, prečo je vznik atomárneho kyslíka pre nás dôležitý, je fakt, že práve procesmi kde atomárny kyslík hrá nezastupiteľnú úlohu, vzniká airglow. Presný proces je pomerne komplikovaný ale v konečnom dôsledku ide o to, že excitovaný atomárny kyslík sa dostáva do základného stavu. Pri tomto procese stratí časť svojej energie vo forme fotónu so špecifickou vlnovou dĺžkou, čo môžeme vnímať ako červenú alebo zelenú farbu. 

Omnoho vyššie, ako komerčné lietadlá, avšak nižšie ako ISS

Airglow nemôže vznikať v akýchkoľvek výškach. Blízko zemského povrchu je hustota vzduchu príliš vysoká, čo znamená, že máme nedostatok UV žiarenia, ktoré by nam vedelo produkovať atomárny kyslík. Zároveň ak by sa aj nejaky vytvoril, a mohol by sa ešte aj excitovať, energiu stratí zrážkou s ďalšou molekulou alebo atómom skôr ako by dokázal vyžiariť fotón. Vysoko nad zemským povrchom nemôže vznikať airglow kvôli tomu, že hustota je až príliš nízka. Preto sa airglow vyskytuje v mezosfére a termosfére teda vo výškach 80 – 300 km. 

Je mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú vznik a intenzitu airglowu. Samotné Slnko má cykly, počas ktorých jeho aktivita dosahuje minimum i maximum krivky. Najznámejším cyklom je 11 ročný slnečný cyklus, ktorý výrazne ovplyvňuje dianie v atmosfére. Iný a pravdaže menší vplyv môžu mať napr. aj elektrické výboje, búrky, nadoblačné blesky, kozmické žiarenie, meteory, ale i geomagnetické búrky. Počas nich totiž v atmosfére radikálne kolísa distribúcia iónov a neutrálnych častíc. Samotné žiarenie airglow sa vyskytuje i cez deň, no podmienky jeho pozorovania sú kvôli mnohonásobne intenzívnejšiemu slnečnému svetlu veľmi obtiažné a preto tomuto dennému žiareniu inak zvanému i dayglow nebudeme venovať väčšiu pozornosť a zameriame sa len na to nočné – nightglow. 

Paleta farieb, ktorú na nočnej oblohe dokážu citlivé fotoaparáty zaznamenať je vskutku pestrá. Všimnúť si tak môžme zelenú farbu, žltú, červenú a rôzne odtiene fialovej farby. Za hranicami naších očí by sme videli ešte infračervené, či ultrafialové spektrum žiarenia airglow. Za každou farbou sa pritom skrýva iná reakcia. Zelenú farbu s vlnovou dĺžkou 557,7nm spôsobuje emisia atomárneho kyslíka O s maximom vo výške 97 km. Atomárny kyslík O emituje tiež červené žiarenie s vlnovou dĺžkou 630 nm, nachádzajúce sa vo výškach 250-300 km nad zemským povrchom. V nami viditeľnom spektre sa nachádza i emisia sodíka Na (80-105 km) spôsobujúca žltú farbu. Za hranicami videnia ľudských očí sa nachádza emisia radikálov hydroxilu OH vo výške 85-95km (infračervené spektrum 700 – 1800 nm) a emisia molekulárneho kyslíka O₂ s maximom vo výške 90 – 100 km ( ultrafialové spektrum 300- 400 nm). Emisií, ktoré však môžu vysokocitlivé kamery zaznemanať je viacero. Tieto však radíme medzi tie hlavné. 

Airglow na Slovensku

Ak by ste však chceli airglow pozorovať, či najmä odfotografovať, nemusíte zaručene uspieť. Ak je slnečná aktivita nízka, je veľmi pravdepodobné, že intenzita airglowu bude príliš nízka na to, aby ho Váš fotoaparát zachytil. Počas roka totiž môžeme natrafiť na obdobia, kedy sa žiarenie v atmosfére vyskytuje častejšie a kedy ho naopak pozorujeme skôr zriedka. Rôzne štúdie preukázali súvis nielen so slnečným cyklom, ale i s orientáciou Zeme voči Slnku počas roka. Vedci na základe výskumov prišli na to, že v rovníkových krajinách má výskyt airglow-u polročný cyklus s maximami v období rovnodenností. Denný cyklus má maximum zas podvečer. V stredných zemepisných šírkach, v ktorých sa nachádza aj Slovensko má výskyt airglow-u dominantný ročný cyklus s maximom na jeseň ( resp. jar na južnej pologuli). Denné maximum má vrchol nad ránom. 

Všetky fotografie v tomto článku pochádzajú z Parku tmavej oblohy Poloniny. Nejedná sa o hocijaký park, ale o oficiálne vyhlásený park tmavej oblohy. Na Slovensku nájdeme vyhlásený park tmavej oblohy i vo Veľkej Fatre, no v Poloninách sa vďaka tmavej oblohe nachádzajú najlepšie pozorovacie podmienky na Slovensku, čo je pre pozorovanie airglowu obrovská výhoda. Práve z tohto dôvodu je na Astronomickom observatóriu na Kolonickom sedle umiestnená unikátna pozorovacia stanica AMON-ES (skr. z angl. Airglow MONitor – Extended Station). Tá pozostáva z niekoľkých prístrojov, ktoré sú schopné monitorovať vývoj airglowu počas noci a v priebehu roka. Toto zariadenie bolo vyvinuté na Oddelení kozmickej fyziky, Ústavu experimentálnej fyziky SAV v Košiciach a slúži práve na štúdium spomínaného fenoménu. Jedným z prístrojov je celooblohová kamera, ktorá s použitím úzko-pásmových filtrov zhotovuje snímky airglowu z rôznych nadmorských výšok. Výskum airglow-u slúži nielen na pochopenie tohto javu, ale aj na monitorovanie diania v hornej atmosfére ako napr. detekciu ionosférických porúch, ktoré majú zásadný vplyv na prenos signálu z vesmírnych satelitov na Zem.

Ako sa airglow mení v čase

Následujúca fotografia je ukážkou priebehu žiarenie v atmosfére počas jednej noci 

(z 20/21. Mája 2020). V tomto prípade je na snímkach zo začiatku noci airglow výrazné – viditeľné sú aj sponínané AGW – atmosférických gravitačné vlny . Na konci noci sa javí ako slabé žiarenie ovplyvňujúce farbu pozadia výslednej fotografie. Atmosférické gravitačné vlny sú nielen fotogenické, no i nesmierne zaujímavé. Počasie tesne nad zemským povrchom v troposfére, no i kozmické počasie dokážu vyvolať tento úkaz. Dalo by sa to prirovnať ku kamienku, ktorý hodíme na vodnú hladinu. Vlny vzinknú medzi stabilnými vrsvtami vody. Rovnaký úkaz sa deje i na oblohe a pozorujeme ho i práve vďaka airglow, či napríklad vďaka nočným svietiacim oblakom. Jedná sa o striedavé vrstvy tlaku vzduchu, ktoré môžu narastať vo väčších výškach. V priebehu času sa tento “obraz” na oblohe rýchlo mení a z tohto dôvodu môžu atmosférické gravitačné vlny v podobe airglow sťažovať výskum pri určitých typov ďalekohľadov. Za krátky čas sa tak hviezdne pozadie neustále mení a narúša štruktúru pozorovanej oblasti. 

Sme na konci bádania po famóznom žiarení v atmosfére?

Airglow je pre väčšinu ľudí málo známy úkaz vyskytujúci sa vo vyšších vrstvách zemskej atmosféry. Ovplyvňuje ho slnečná aktivita, kozmické počasie a dianie v nižších vrstvách atmosféry. Zrejme najkrajší pohľad naň si pravidelne vychutnávajú astronauti z Medzinárodnej vesmírnej stanice ISS, ktorí ho pozorujú ako farebnú súčasť zemskej plynnej obálky. Ak by sme sa dostali na začiatok článku a uvažovali nad skutočne tmavou nocou na Zemi, nemusíme zúfať. Ak sa ocitneme na dokonale tmavom mieste, v priebehu niekoľkých nocí môžeme zažiť oblohu úplne bez výskytu airglow, no i oblohu, ktorú atmosferický fenomén “prežiari”. 

Pojmu airglow rozumieme stále len čiastočne. Vieme však, čo ho spôsobuje. Vieme aj to, kde sa nachádza a dokážeme merať jeho intenzitu. Na základe dostupných údajov o slnečnej aktivite a stave atmosféry sa ho snažíme i predpovedať. Stále je to však málo známy úkaz, ktorý pred nami zrejme ešte mnohé tajomstvá ukrýva. Neustále napredujúci výskum kozmu nám pravidelne objasňuje tie najväčšie záhady. Dozvedáme sa o veciach, o ktorých sme len tušili, či predpovedali ich na základe teoretických poznatkov. Žijeme v nesmierne zaujímavej dobe, ktorá nám hádam vďaka zanietenosti ľudí po celom svete prinesie nové poznatky i v jemnom žiarení horných vrstiev atmosféry, ktoré ľudí tak fascinuje. 

Autori článku:

Tomáš Slovinský

1994, Slovensko
Astrofotograf, popularizátor astronómie, lektor
Riaditeľ OZ Astronómia pre všetkých
Ocenený snímkom dňa NASA APOD
Uverejnený v BBC Sky At Night, TWAN – The World At Night

RNDr. Šimon Mackovjak, PhD

1987, Slovensko
Astrofyzik, SPACE::LAB – Oddelenie kozmickej fyziky
Ústav experimentálnej fyziky SAV