Gdy niebo zapłonie
Czy w przyszłości nad miastami zamiast lamp będziemy zapalać sztuczną zorzę? A może pojawią się wyświetlane na niebie nocne reklamy? Jedno jest pewne, jeśli uda się ujarzmić zjawiska w jonosferze, to pierwsi skorzystają z tego wojskowi.
Marek Szymocha

Kilkanaście kilometrów na północ od Gekon na Alasce w połowie lat 90. XX wieku wycięto szmat tajgi i postawiono las radiowych masztów wycelowanych prosto w niebo. Rozpoczęto tam program HAARP (High frequency Active Auroral Research Program), co można przetłumaczyć jako Projekt Aktywnego Badania Zorzy za pomocą Wysokich Częstotliwości. Badania finansują amerykańskie siły powietrzne i marynarka wojenna z typową dla tych instytucji atmosferą tajności. Nic dziwnego, że HAARP od razu wzbudził wielkie kontrowersje. W internecie aż huczy od plotek o konstruowaniu tam tajnej i potężnej broni wykorzystującej te same siły natury, które są źródłem zórz polarnych.

Strach ma barwy tęczy
Jedni obawiają się, że bombardowanie silnymi impulsami radiowymi jonosfery (najwyższej warstwy ziemskiej atmosfery, gdzie powstają zorze) może doprowadzić do osłabienia pola magnetycznego, które chroni Ziemię przed cząstkami kosmicznymi. Inni wieszczą, że skutkiem ubocznym eksperymentów będą trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów i zmiany w pogodzie. Niektórzy każdą katastrofę naturalną w ostatnich latach wiążą już z HAARP, np. potężne tsunami na Oceanie Indyjskim pod koniec 2004 roku. Amerykańskie badania przyrównuje się do zabawy dziecka, które znalazło śpiącego niedźwiedzia i potrąca go ostrym kijem, z zaciekawieniem czekając na to, co się stanie.

Podobne lęki towarzyszyły nam przed wiekami. W wierzeniach Północy zorza zawsze wywoływała grozę. Sądzono, że to odblask płomieni z królestwa śmierci, siedliska dusz zmarłych. Gdy pojawiała się zorza, Eskimosi z Alaski ukrywali swoje dzieci. Wierzyli, że świetlna kurtyna może nagle spaść na ziemię i zabrać dziecku głowę. W Norwegii uważano, że każdemu, kto za długo przygląda się zorzy, grozi niebezpieczeństwo. Nawet ludzie nauki w dawnych wiekach na ogół tłumaczyli zorze katastrofami - np. ogniem, którego źródłem mogły być odległe pożary lub wybuchające wulkany.

Dziś już wiadomo, że... faktycznie jest się czego bać. Wprawdzie nie samej zorzy, będącej wspaniałym i całkiem nieszkodliwym widowiskiem, lecz zjawisk w jonosferze, których zorza jest odległym echem. Ich źródłem są chmury naładowanych cząstek, zwane wiatrem słonecznym, głównie protony i elektrony, które wyrzucane są ze Słońca i pędzą w kosmosie z prędkością od 300 do 1 tys. km/s. Kiedy docierają do naszej planety, nie uderzają bezpośrednio w jej powierzchnię, bo Ziemia otoczona jest polem magnetycznym, które odchyla tor ich ruchu. Cząstki zaczynają się poruszać spiralnie wzdłuż linii sił magnetosfery, podobnie jak woda w rzece płynie wzdłuż koryta. Dopiero w okolicach biegunów magnetycznych linie wnikają w naszą planetę i jak po sznurku prowadzą chmury wiatru słonecznego do zderzenia z atmosferą. Obszary, w których dochodzi do kolizji, przypominają kształtem owale o średnicy tysięcy kilometrów zawieszone ponad 100 km nad biegunami magnetycznymi.

Elektrony - główny składnik wiatru słonecznego - przed zderzeniem z atmosferą rozpędzają się do prędkości nawet 60 tys. km/s. Tę energię uzyskują w polu magnetycznym Ziemi. Każdy elektron, zanim zostanie całkowicie wyhamowany, zderza się z cząsteczkami powietrza wielokrotnie (nawet 300 razy) i swoją drogę znaczy światłem wzbudzonych atomów gazu. Nocne niebo na Północy można więc przyrównać do gigantycznego ekranu telewizora, na którym jest wyświetlana zorza polarna. W kineskopie elektrony zderzają się z substancją zwaną luminoforem i wywołują jej świecenie. W przypadku zorzy rolę luminoforu spełnia atmosfera Ziemi, a źródłem elektronów jest nie lampa, lecz odległe Słońce.

Kosmiczna pogoda
Żaden z elektronów nie ma szansy dolecieć do powierzchni Ziemi i wyrządzić krzywdy ludziom. Atmosfera jest na to zbyt gęsta. Jednak w czasie największych nawałnic wiatru słonecznego wstrzymywane są loty samolotów poza kręgiem polarnym, bo na wysokości kilkunastu kilometrów pasażerowie mogą być narażeni na sporą dawkę kosmicznego promieniowania. Chmury cząstek emitowanych ze Słońca są zwykle potężnie namagnesowane. Ich własne pole magnetyczne nakłada się na ziemskie pole - wzmacnia je lub osłabia w zależności od kierunku namagnesowania chmury. Ten wpływ bywa tak silny, że przy powierzchni Ziemi wariują wskazówki kompasów i zamiast wskazywać północ, kręcą się bezradnie we wszystkie strony. Zmienne pole magnetyczne wzbudza prąd w przewodnikach (to tzw. zjawisko indukcji Faradaya). Te wzbudzane prądy i napięcia mogą być przyczyną awarii sieci energetycznych, zakłóceń w kablach telefonicznych, a także rozszczelniania się nafto- i gazociągów, którymi dziś opleciona jest kula ziemska.

13 marca 1989 roku 9 mln Kanadyjczyków w prowincji Quebec zostało odciętych od prądu na skutek awarii, której przyczyną był właśnie wielki rozbłysk na Słońcu. Co więcej, z chwilą kiedy osłabieniu ulega bariera ziemskiego pola magnetycznego, łatwiej pokonują ją cząstki wiatru słonecznego. Mocniej bombardują górne warstwy atmosfery, które w ten sposób ulegają „podgrzaniu” i rozszerzają się, sięgając dalej w kosmos, a to szkodzi satelitom krążącym na najniższych orbitach. Wskutek wzmożonego tarcia o atmo­sferę mogą nawet spaść na Ziemię, jeśli operatorzy w porę nie dokonają korekty ich orbity. Poważne problemy mają również stacje radiowe i telewizyjne. W czasie złej kosmicznej pogody - tj. wzmożonej aktywności Słońca, kiedy nad Daleką Północą pojawiają się silne zorze - zmienia się liczba elektronów w jonosferze, która odpowiada za odbicie i rozchodzenie się na dalekie odległości fal radiowych. Sygnały niektórych stacji są zakłócane, innych tłumione, a niektórych wzmacniane.

Stan jonosfery ma też wpływ na komunikację z satelitami, m.in. na dokładność wskazań satelitarnego systemu lokalizacji GPS. Trudno się więc dziwić, że wojsko jest zainteresowane badaniami jonosfery i zórz polarnych. Jeśli zrozumiemy, co się tam w górze dzieje, lepiej będziemy mogli prognozować wpływ kosmicznej pogody na Ziemię. Dlatego powstają takie projekty jak HAARP, mające na celu „drażnienie” jonosfery w sposób kontrolowany. Na czym to polega? Emitowane przez anteny na Alasce impulsy radiowe o częstości kilku megaherców są pochłaniane przez jonosferę i lokalnie ją „podgrzewają”, tworząc w niej prądy niczym w gotującej się wodzie. Czy w takim eksperymencie można powtórzyć niszczycielski wpływ Słońca albo nawet go spotęgować, tworząc coś w rodzaju broni jonosferycznej, zdolnej niszczyć satelity albo zakłócać działanie elektronicznego sprzętu przeciwnika? Ci, którzy w to wierzą, twierdzą, że nieprzypadkowo nadajnik znajduje się na Alasce, nad którą w razie konfliktu leciałyby rakiety balistyczne z Rosji.

Naukowcy związani z HAARP przekonują jednak, że skala eksperymentu musiałaby być tysiące razy większa. Nadajnik nadaje z mocą ledwie MW, a docelowo ma osiągnąć moc 3,6 MW, z jaką w przybliżeniu nadaje Radio Głos Ameryki. To umożliwia podgrzanie tylko maleńkiego fragmentu jonosfery wprost nad nadajnikiem. HAARP dostarcza energii ledwie kilogramowi elektronów, nie ma szans wywołać znaczących zakłóceń w jonosferze, bo to tak jakby wrzucić kilowatowy grzejnik do Wisły i oczekiwać, że zmieni on bieg rzecznego prądu. Niedawno naukowcy przyznali, że udało im się po raz pierwszy wywołać sztuczne świecenie w jonosferze. Było to w czasie, kiedy na niebie widniała naturalna zorza. Kiedy nadajnik był włączany, na niebie pojawiały się dodatkowe zielonkawe plamki. Zarejestrowały je kamery, były ledwo widoczne gołym okiem. Prawdopodobnie fale radiowe przyspieszały część elektronów, które wywoływały naturalne zjawisko.

Obdarzeni bujną wyobraźnią mogą już planować kontrolowane efekty świetlne wysoko nad głowami, które mogłyby zainteresować firmy reklamowe lub służby odpowiadające za oświetlenie miast. Na razie jednak badacze mają bardziej przyziemne zmartwienie – nie udało im się powtórzyć wyników eksperymentu. Na oficjalnej internetowej stronie HAARP znajduje się informacja, że planowane są eksperymenty, w których inicjować się będzie przepływ zmiennych prądów w ziemskiej jonosferze emitujących fale radiowe o niskich częstotliwościach (od kilku do kilkudziesięciu herców). Jonosfera pełniłaby wtedy funkcję gigantycznej wirtualnej anteny do wysyłania tych fal w dowolne miejsce na kuli ziemskiej. Ten rodzaj promieniowania elektromagnetycznego potrafi penetrować wnętrze Ziemi i oceany do głębokości wielu kilometrów. Armia mogłaby je wykorzystać do komunikacji z łodziami podwodnymi lub do poszukiwań podziemnych instalacji wroga.

Muzyka zorzy
Od dawna kontrowersyjnym tematem było istnienie tajemniczych dźwięków, które wiele osób miało słyszeć podczas intensywnych zórz. Próby rejestracji akustycznej nie przyniosły jednak rezultatów i wydawało się, że jest to efekt subiektywnych wrażeń. Świadkowie przyrównywali dźwięki do szelestu folii aluminiowej, szmeru odległego strumienia lub skrzypienia butów na zmrożonym śniegu. Na pytanie, czym jest ta muzyka i jaka jest jej natura, do dziś nie ma precyzyjnej odpowiedzi. Jedno jest pewne: dźwięki nie mogą pochodzić bezpośrednio z miejsca świecenia zorzy, a więc z wysokości ponad 100 km - musiałyby nadchodzić bowiem z wielominutowym opóźnieniem, a świadkowie słyszą zorzę w tym samym czasie, w którym ją obserwują. Podczas występowania zjawiska ogromne liczby elektronów wiatru słonecznego dostają się do atmosfery i wzrasta znacznie pole elektryczne przy powierzchni Ziemi (a te oddziaływania przenoszą się już z prędkością światła). Przyczyną dźwięków mogą więc być lokalne wyładowania elektryczne w powietrzu. Być może silne pola elektromagnetyczne wywołują jakieś procesy bezpośrednio w mózgu człowieka.

W wojskowych laboratoriach testowane jest oddziaływanie na człowieka impulsów elektromagnetycznych o częstotliwościach gigahercowych. Taki sygnał może spowodować minimalne perturbacje temperatury w tkankach, a to z kolei może wywoływać wewnątrz ciała lokalne fale akustyczne o częstotliwościach 5 do 15 kHz, a więc w zakresie słyszalnym. Głos wytwarzany taką metodą powstawałby wewnątrz organizmu człowieka niczym „głos wewnętrzny”. Być może tutaj leży rozwiązanie zagadki fenomenu muzyki zorzy polarnej. Tymczasem z powodzeniem można rejestrować fale radiowe o niskich częstotliwościach, których źródłem są zorze. Na stronie www-pw.physics.uiowa.edu/mcgreevy zgromadzono nagrania wykonane za pomocą przenośnych urządzeń radiowych. Są tam także wskazówki dla amatorów własnych nagrań radiowych zorzy.

Gdzie obserwować
Aby zobaczyć i być może usłyszeć zorzę polarną, nie trzeba wyjeżdżać do Arktyki czy Antarktyki. Już od jesieni zorze są doskonale widoczne w Norwegii, Szwecji i Finlandii, choć w okresie niskiej aktywności Słońca występują rzadko. Można je dostrzec czasem także w Polsce, chociaż nigdy nie dorównają temu, co widać na Dalekiej Północy. Na stronie www.spaceweather.com można zaprenumerować bezpłatną prognozę występowania zórz polarnych rozsyłaną pocztą elektroniczną z wyprzedzeniem 1-2-dniowym. Prognozy są tworzone na podstawie ciągłych obserwacji powierzchni Słońca.

Zorza bez magnetosfery? To możliwe!
Teleskop Hubble’a sfotografował wiele „nieziemskich” zórz polarnych: na Jowiszu (z prawej), Saturnie, Uranie, Neptunie czy Io. Nic w tym dziwnego: planety te mają to, czego potrzeba do wystąpienia zjawiska: atmosferę i pole magnetyczne. Co ciekawe, Misja Europejskiej Agencji Kosmicznej Mars Express odkryła zorzę na Marsie! Poświata o rozmiarach około 30 km unosiła się na wysokości 140 km nad planetą. Skąd wzięła się zorza nad pozbawionym globalnego pola magnetycznego Marsem? Prawdopodobnie wywołało ją oddziaływanie wiatru słonecznego ze szczątkowym polem, wytwarzanym lokalnie przez marsjańskie skały. Marsjańska zorza świeci głównie światłem ultrafioletowym i jest blisko stukrotnie słabsza od ziemskiej. Podobną poświatę można też dostrzec niekiedy nad Wenus.

Wszystkie kolory zorzy
Niebieskawe i fioletowe zwykle poniżej 120 km. Bardzo silne chmury wiatru słonecznego wywołują czerwone zorze na wysokościach 90-100 km. Kolory zawsze mają związek ze składem atmosfery ziemskiej. Na czerwono i zielono świeci tlen, kolor ciemnoczerwony i purpurowy pochodzi od atomów azotu. Żółty jest wynikiem mieszania się barwy zielonej i czerwonej. Gołym okiem zwykle dostrzegamy zorze jako zielonkawe i białe, ale klisza fotograficzna lepiej rejestruje barwy. Światło zorzy jest na tyle słabe, że w oku ludzkim rejestrowane jest przez bardziej czułe, ale „niewidzące kolorów” pręciki. Zapewne mniej wrażliwe na światło czopki zaczynają rejestrować kolory dopiero podczas silniejszych zórz polarnych.

Kiedy najczęściej widać zorze
Aktywność zórz ma związek z 11-letnim cyklem występowania plam na Słońcu. W okresie minimum aktywności Słońca zorze bywają słabsze o blisko 20-30%. Ostatnio najwięcej plam obserwowano w latach 2000-02 (w listopadzie 2001 roku zorza była widoczna nawet w Meksyku). Następne maksimum spodziewane jest w latach 2011-13. Najlepszy okres do obserwacji w europejskiej części to jesień i wczesna wiosna (w północnej Skandynawii – październik, luty i marzec). Jeśli udało się zaobserwować wyjątkowo efektowne świecenia, następnego równie pięknego pokazu trzeba spodziewać się po 27-28 dniach. Ma to związek z okresem obrotu Słońca i ustawieniem się tymi samymi obszarami do Ziemi. Zorze najczęściej występują około północy lokalnego czasu, ale także wczesnym wieczorem i późno w nocy.