Mieszkańcy koła podbiegunowego znają doskonale zjawisko zorzy polarnej, spektakularne girlandy czerwonego i zielonego światła zdobiące długie zimowe noce. Znacznie mniej znane jest tajemnicze zjawisko elektryczne czarnej zorzy, ciemne, puste obszary między światłami zorzy. Wyzwanie rozwiązania zagadki czarnych zórz podjęli szwedzcy i brytyjscy naukowcy, wykorzystując cztery satelity Cluster do przeprowadzenia najdokładniejszych dotąd obserwacji rejonów polarnych.

Czarna zorza przyjmuje różnorodne postaci: ciemnych pierścieni, zakoli lub czarnych plam na jasnym tle świecącej zorzy. Według najnowszych wyników, jest ona rodzajem anty-zorzy, zjawiskiem dokładnie przeciwnym do procesu zwykłej zorzy polarnej.

Dane z sond Cluster ukazują, że czarne zorze powstają w miejscach dziur w jonosferze (warstwie atmosfery rozciągającej się od 60 do 600 kilometra nad powierzchnią Ziemi, wypełnionej elektronami i dodatnio naładowanymi jonami atomów, która odbija fale radiowe). Dziury tworzą swego rodzaju tunele prowadzące przez dodatnio naładowane pole elektryczne. Podobnie jest w przypadku zwykłych zórz – tam jednak przeciwne są potencjały, elektrony kierując się w stronę Ziemi wirują w ujemnym polu elektrycznym. Czarna zorza to poprostu brak zorzy w danym obszarze.

Dzięki urządzeniom Cluster, badacze byli w stanie poznać po raz pierwszy złożone procesy fizyczne tworzące wspomniane dziury. Piersze obserwacje zostały przeprowadzone na początku tego roku na zorzy polarnej na wysokości ponad 21?600?km.

Cluster to kwartet instrumentów Rumba, Salsa, SambaTango, przelatujących jeden za drugim w stusekundowych odstępach. Pierwsze trzy aparaty rejestrowały rosnącą energię unoszących się elektronów, powiązaną ze wzrostem natężenia pola elektrycznego, które je przyspieszało, przy jednocześnie stałym potencjale. Pole elektryczne nagle zniknęło, nie dając się zaobserwować czwartemu satelicie. Podobne rezultaty uzyskano w lutym na półkuli południowej.

Diagram przedstawia układ warstw atmosfery Ziemi. Kolejno od powierzchni Ziemi znajdują się: troposfera (z chmurami), stratosfera (z warstwą ozonową), mezosfera oraz termosfera – zewnętrzne części atmosfery: jonosfera (w której powstają zorze polarne) i egzosfera (stanowiąca granicę przestrzeni kosmicznej).

Dane pokazują, że struktury pola elektrycznego mogące wywołać czarne zorze sięgają wysokości 20?000?km i mogą przybierać na skali w ciągu kilku minut, by nagle zaniknąć.

Zrozumienie rozwijania się dynamicznych struktur pola elektrycznego związanych z zorzami jest głównym celem misji Cluster. Tajemnieca nie mogłaby być rozwiązana pojedynczymi pomiarami satelitarnymi, stąd w skład misji wchodzą cztery instrumenty tworzące łańcuch, przypominający nieco koraliki nanizane na nić.

Autor

Wojtek Rutkowski