Kutup ışıkları

Kutup ışıkları ya da kutup aurorası, Kuzey ve Güney kutup bölgelerinde gökyüzünde görülen, yeryüzünün manyetik alanı ile Güneş'ten gelen yüklü parçacıkların etkileşimi sonucu ortaya çıkan doğal ışımalardır. Kuzey enlemlerde bu etki aurora borealis veya kuzey ışıkları olarak adlandırılır. Güney enlemlerindeki aurora australis (güney kutup ışıkları) oluşumu da benzer özelliklere sahiptir; ancak Antarktika’da, Güney Amerika’da ve Avustralya’da daha yüksek enlemlerden görülebilir.

Bu ışımalar, genellikle geceleri gözlemlenir, ağırlıklı olarak iyonosferde meydana gelir. Bu olgu yaygın olarak 60 ve 72 derece kuzey ve güney enlemleri arasında görünür, bu da arktik ve antarktik kutup dairelerinin içine düşer.

Aurora borealis'in görünme olasılığı, kuzey manyetik kutbuna yaklaştıkça artar. Manyetik kutbun yakınlarında oluşan auroralar tam 90 derece; ancak uzaktan kuzey ufkunu yeşilimsi bir parlaklıkla, bazen de güneş alışılmamış bir yönden doğuyormuş gibi soluk bir kırmızıyla aydınlatırlar. Aurora borealis sıklıkla gündönümlerinde oluşur.

Auroralar bütün yeryüzünden ve diğer gezegenlerde de gözlemlenebilir. Daha uzun süreli karanlık ve manyetik alan dolayısıyla, kutuplara yakınlaştıkça daha çok görünür olurlar.

Aurora sözcüğü Roma Şafak Tanrıçası’nın adından gelmektedir. Boreas’da Yunancada kuzey rüzgârına Pierre Gassendi tarafından 1621'de verilen addır. Cree (kri) halkı bu ilginç olaya Ruhların Dansı adını vermişler. Avrupa'da orta çağlarda auroraların Tanrıdan işaretler olduğuna inanılırmış. (Wilfried Schröder, Das Phänomen des Polarlichts, Darmstadt 1984).

nitrojen emisyonları Mavi ya da kırmızı. Mavi, eğer atom iyonize olduktan sonra yeniden elektron kazanırsa. Kırmızı, eğer yüksek enerji düzeyinden temel düzeye geri dönüyorsa.

Oksijenin temel düzeye geri dönmesi, pek alışılmış değildir. Yeşil ışık yayması bir saniyenin dörtte üçü, kırmızı ışık yayması iki dakikaya kadar bir süre alır. Başka bir atom ya da molekülle çarpışmalar yüksek enerjisini emecek, ve emisyonu engelleyecektir. Atmosferin en üstünde hem yüksek oranda oksijen bulunur, hem de bu tür çarpışmalar o kadar seyrektir ki, oksijene kırmızı yaymak için süre kalır. Giderek atmosferden aşağıya indikçe, çarpışmalar sıklaşır, böylece kırmızı emisyon oluşmasına süre kalmaz, ve sonunda yeşil ışık emisyonu da engellenir.

İşte, yüksekliğe bağlı olarak renklerin değişmesinin nedeni budur; yükseklerde oksijen kırmızısı ağır basarken, sonra oksijen yeşili ve sonunda çarpışmalar oksijenin herhangi bir şey yaymasını engellediğinde nitrojen mavi/kırmızısı egemen olur. Yeşil tüm auroraların en yaygınıdır, ardından pembe, (açık yeşil ve kırmızı karışımı), saf kırmızı izler, sarı (kırmızı ve yeşil karışımı), ve son olarak saf mavi.

Auroralar güneşten sürekli dışarıya doğru iyon akışı olan solar rüzgârlarla ilişkilendirilmektedir. Yeryüzünün manyetik alanı, çoğu kutuplara yol alan, ve orada yeryüzüne doğru hızlanacak olan doğru bu partikülleri yakalar. Bu iyonlar ve atmosferik atomlar ve moleküller arasındaki çarpışmalar, kutup çevresinde büyük daireler şeklinde görünen aurora formunda enerji salınımına neden olurlar. Auroralar, koronal kütle enjeksiyonlarının, solar rüzgârın yoğunluğunu arttırdığı solar döngünün yoğun fazı sırasında, daha sık ve parlaktır.

Genellikle aurora ya dağınık parıltı olarak ya da "perde" şeklinde doğu-batı doğrultusunda uzanmış bir halde görünür. Bazen, "durgun ark" (dinamik aurora) meydana gelir; aslında sürekli gelişir ve değişir. Her perde, her biri manyetik alan çizgilerinin doğrultusunda sıralanmış, paralel ışınlardan oluşur. Bu durum, yeryüzünün manyetik alanı tarafından auroranın biçimlendirildiği düşüncesini verir. Aslında, uydular elektronlara manyetik alan çizgileri ile yol çizerler. Yeryüzüne doğru yaklaştıkça elektronlar helezonik hareket eder. Perde yapısı biçimi "şeritli yapı" adı verilen dizilimle artırılır. Manyetik alan çizgileri ile yolu çizilen parlak aurora parçası dosdoğru gözlemcinin üstünde oluştuğunda, perspektif etki ile ve ışınların birbirinden uzaklaşmasıyla aurora bir "taç" olarak gözükebilir.

İlk defa Eski Yunan kaşif/coğrafyacı Piteas bu olayı gündeme getirdi ve Celsius 1741’de, ne zaman tam üstte aurora gözlemlendiğinde büyük bir manyetik akımın oluştuğunu, manyetik kontrolün kanıtı olarak tanımladı. Bu, büyük elektrik akımının aurora ışığının kaynaklandığı yere doğru aktığını, aurora ile birleştiğini gösterdi. Kristian Birkeland 1908’de manyetik akımın aurora arkı boyunca, bu tür partikül hareketlerinin genellikle günışığından karanlığa doğru, doğu-batı doğrultusunda hareket ettiğini savundu. Bu yönlenmenin ismi daha sonra "aurorasal elektron hareketi" ismini aldı (ayrıca Birkeland akımı).

Elias Loomis (1860)’in ardından Hermann Fritz (1881)‘in katkılarıyla da auroranın çoğunlukla "aurorasal bölge"de görüldüğü saptandı. Aurorasal bölge yeryüzünün manyetik kutbunun çevresinde yaklaşık 2500 km çapında halka şeklinde bir bölgedir. Manyetik kutba 2000 km uzaklıkta olan coğrafi kutupta görünmesi neredeyse olanaksızdır. Auroranın anlık dağılımı ("aurorasal oval", Yasha/Jakob Feldstein 1963) biraz değişiktir. (3-5 derece manyetik kutbun karanlık tarafına doğru) Böylece aurorasal ark geceyarısı dolayında ekvatora en fazla yaklaşmış olur. Aurora en iyi bu zamanlarda görülebilir.

Yeryüzü sürekli güneş rüzgârının etkisi altındadır. Güneş rüzgârı güneşin en son katmanındaki milyon dereceye ulaşan korona katmanından her yönde yayılan ve yoğun olmayan sıcak plazmadır. Plazma gaz haline serbest elektronlar ve pozitif iyonlardır. Güneş rüzgârı genellikle yeryüzüne 400 km/saniye hızında ulaşır, özgül kütlesi 5 iyon/cm³ ve manyetik alan yoğunluğu 2–5 nT (nanoteslas, yeryüzünün yüzey alanı kabaca 30.000–50.000 nT arasındadır). Bunlar dolaylı değerlerdir. Özellikle manyetik fırtına sırasında akımlar birkaç kat daha fazla olabilir; gezegenlerarası manyetik alan (literatürde kısaca IMF) ise çok daha kuvvetli olabilir.

Manyetosfer, Dünya’nın kendi manyetik etkisi tarafından tutulan uzayda küre biçimindeki bir alandır. Manyetosfer güneş rüzgârının yolu üzerinde bir engel oluşturur ve güneş rüzgârının yeryüzünün yaklaşık 70.000 km dışından dolaşmasına neden olur (genellikle 12.000–15.000 km uzaklığa ulaşmadan önce eğilim baskısı oluşur). Manyetosferik engelin genişliği hemen hemen 190.000 kilometreyi bulur. Dünya’nın karanlık tarafında ise çapı devasa boyutlara ulaşan manyetosfer artık uzun bir "manyetik kuyruk" olur.

Güneş rüzgârı ortamı bozduğunda, enerjiyi ve materyali kolayca manyetosfere taşır. Manyetosferdeki enerji yüklü elektronlar ve iyonlar manyetik alan çizgilerini izleyerek atmosferin kutup bölgelerine doğru hareket eder.

Aurora çoğunlukla kutuplarda oluşan bir olaydır. Güçlü bir manyetik fırtına geçici olarak aurorasal ovali genişlettiğinde, nadiren ılıman enlemlerde de görülür. Büyük manyetik fırtınalar yaklaşık olarak 11 yılda bir gerçekleşen güneşlekesi döngüsü ile en yoğun fırtına ortaya çıkar ya da patlamada sonraki üç yıllık dönemde. Ancak, aurorasal bölgenin içinde auroranın oluşma olasılığı, genel itibarıyla IMF çizgilerinin eğimine (literatürde Bz), özellikle güney yönlü olmasına, bağlıdır.

Aurora olayını başlatan jeomanyetik fırtınalar aslında ekinoks aylarında daha belirginleşir. Kutupsal aktiviteler ile bir ilgisi olmazken, neden jeomanyetik fırtınaların yeryüzünün mevsimlerine bağlı olduğu net olarak açıklığa kavuşmamıştır. Manyetopozda, yeryüzünün manyetik alanı kuzeyi gösterir. Bz büyük ve negatif olduğunda (IMF güneye doğru), yeryüzünün manyetik alanını temas noktasında kısmen engeller. Güney yönlü Bz, güneş rüzgârının yeryüzünün daha içerideki manyetosferine ulaşabileceği bir kapı açar.

Geometrik açının bir sonucu olarak Bz bu zamanlarda en çok etkisini gösterir. Gezegenlerarası manyetik alan (IMF) Güneş’ten gelir ve güneş rüzgârı ile dışa doğru taşır. Güneş’in hareketinden sebebiyle IMF sarmal biçimdedir. Nisan ve Ekim’de yeryüzünün manyetik kutup ekseni Parker sarmalı ile aynı hizada, en yakın konumuna gelir. Sonuç olarak, Bz ‘nin güney yönlü ve kuzey yönlü hareketi en büyük olur.

Fakat, Bz sadece jeomanyetik aktiviteyi etkilemez. Güneş’in dönme ekseni yeryüzünün yörüngesine göre 8 derece eğiktir. Güneş rüzgârı, güneşin ekvatoruna oranla, çok hızlı bir biçimde Güneş’in kutuplarından estiği için, her altı ayda yeryüzünün manyetosferini bastıran parçacıkların ortalama hızı artar ve azalır. Dünya heliographic enleminin en yüksek olduğu 5 Eylül ve 5 Mart günlerinde, güneş rüzgârının hızı en yüksek değerine, ortalama, 50 km/sn hızına ulaşır.

Hâlâ, ne Bz ne de güneş rüzgârı geometrik fırtınanın mevsimsel davranışını tam olarak açıklayamıyor. Bu etkenlerin hepsi ancak bir oranında gözlenen yarıdönemsel değişimlere veri sağlıyor.

Manyetosfer ve güneş rüzgârı elektriği ileten plazmadan (iyonlaşmış gaz) oluşmaktadır. Akım miktarı akımın yönüne göre hareketin doğrultusuna bağlı olarak a)bağıl hareketin derecesine b)manyetik alanın kuvvetine c)bir birine bağlı iletkenin sayısına ve d)manyetik alan ile iletkenin uzaklığına bağlıdır. Güneş rüzgârı ve manyetosfer bir tür bağıl hız ile elektrik ileten iki akışkandır, ve (kural olarak) dinamo etkisi tarafından elektrik akımı üretebilir, ayrıca da güneş rüzgârından enerji ortaya çıkar. Plazmalar kolayca manyetik alan boyunca temas kurabildiğinden bu yöntem işe yaramayabilir. Manyetik temas sonucu güneş rüzgârının alan çizgileri ile manyetosfer arasında geçici manyetik temas gerçekleşmesi çok önemlidir.

Jüpiter ve Satürn her ikisi de Dünya’dakinden çok daha kuvvetli manyetik alanlara sahiptirler (Jüpiter’in ekvatoral alan kuvveti 4,3 gauss, Dünya’da ise 0,3 gauss) ve her ikisinde de büyük radyasyon kemerleri Hubble Uzay Teleskopu ile aurora iki gezegende de açık olarak gözlendi. Uranüs ve Neptün’de de gözlenen auroralar var. Devasa gaz kütlesindeki auroralar, yeryüzündeki gibi, güneş rüzgârı tarafından güçlendirilmiş gibi gözüküyor. Ayrıca, Jüpiter'in ayları, özellikle Io, Jüpiter’deki auroranın çok güçlü kaynaklarıdır. Bunlar Io ile Jüpiter arasındaki bağıl hareket nedeniyle dinamo mekanizması tarafından meydana gelen elektrik alan çizgileri ("sıralanmış alan çizgileri") boyunca ortaya çıkar. Aktif volkanlara ve iyonesfere sahip Io güçlü bir kaynaktır, ayrıca akımları radyo dalgaları oluşturur. Io'da Europa'da ve Ganymede'de de Hubble Uzay Teleskopu ile aurora gözlendi. Bunlar Jüpiter‘in manyetik plazma patlaması sonucu uydularının çok ince atmosferinde gerçekleşir.

Mars ve Venüs aurora oluşumunun gerçekleştiği gezegenlerdendir. Venüs'ün tam bir gezegensel manyetik alanı olmadığı için, Venüs aurorası değişken şekil ve yoğunlukta parça parça dağılır, parlak gözükür. Bazen kutuplardaki aurora tüm yüzeyi kaplayabilir. Nedeni, diğer gezegenlerde olduğu gibi güneşten gelen parçacıklardır ve gezegenin karanlık tarafına yönelirler. SPICAM Mars Express tarafından 14 Ağustos 2004'te Mars'ta da auroraya rastlanmıştır. Aurora 177° Doğu, 52° Güney koordinatlarında Terra Cimmeria’da görüldü. Genişliği 30 km, yerden yüksekliği 8 km idi. Mars Küresel Kaşifi’nin derlediği yüzey manyetik anomali değerlerine göre, bilim adamları en fazla ışık yayılımının olduğu yerin en yoğun manyetik alanın bulunduğu bölgede ortaya çıktığını anladılar. Olaylar arasındaki ilişki yayılan ışık kaynağının aslında manyetik çizgiler boyunca hareket eden elektron akı olduğunu doğrular.

"Garip göründü Kuzey ışıkları, ama şimdiye kadar gördükleri en garibiydi, gece Lebarge gölünün kenarındaki, yaktım Sam McGee’nin cesedini." Kuzey Işıkları Şarkısı’nda, parlaklığın kaynağının kutup bölgesindeki muazzam radyum yataklarının olduğuna inanılır.

Aurora, belirgin olarak Philip Pullman'nın Kuzey Işıkları ve Altın Pusula filmlerinde kullanılmıştır. Filmdeki oyuncuları izlerken bir an için sanki başka bir evrenin ışıkları arasından geçiyormuş hissini veriyor.