A szférák zenéje, avagy muzsikál az Aurora Borealis?

Mindannyian hallottunk már a Sarki fényről (Északi fény, Aurora Borealis), és ha élőben még nem is, de fényképen biztos láttátok már ezt a jelenséget.

Amikor a Napból érkező töltött részecskék bejutnak a Föld légkörébe, látványos fény show-t váltanak ki az égen. Az ilyen "sarki fények" létrejöttének módját már tisztázták, de azt, hogy nem csak látható, hanem hallható is, no ez már régóta vita tárgya. Az elmúlt években végzett tudományos kutatások azonban megvilágították az eddig vitatott, homályos részleteket.

Az égen táncoló színes fények sokáig lenyűgözték az embereket. Az északi szélességeken az Északi fénynek - más néven aurora borealis - nevezett jelenségekhez hasonlók előfordulnak a déli féltekén is. Ott "Déli fény"-nek vagy Aurora australisnak hívják őket. Mindkét fényjelenségnek ugyanaz a forrása, a Nap töltött részecskéi.

A kép egy aurora jelenség illusztrációja.
A valójában sötét éjszakai eget erősen megvilágítják a fények. Különböző árnyalatokkal, különböző magasságokban.

A napszél (nagy energiájú, töltéssel rendelkező részecskék, protonok és elektronok) másodpercenként körülbelül 3-400 km/s sebességgel száguld a föld felé. Az elektronokat és protonokat, amelyek útjuk során végül a Föld mágneses mezőjébe ütköznek, a mező áramvonalai mentén elvezeti ezeket a mágneses pólusok irányába. Ott a töltött részecskék bejutnak a Föld légkörébe, ütköznek a légmolekulákkal és ennek során energiát adnak át ezeknek a molekuláknak, amelyek ezt az energiát fénnyé alakítva adják le, létrejön a sarki fény. Ezek a folyamatok általában 80-300 kilométeres magasságban történnek.

A sarki fény színe attól a molekulától függ, amellyel a töltött részecskék ütköznek. A gerjesztett oxigénatomok vörös és a leggyakrabban látható zöld színt eredményeznek. A nitrogénatomok ibolya és kék fényt is előállíthatnak (mivel ebből a gázból kevesebb van a légkörben, emiatt ezek a színek ritkábban láthatók).

Az északi sarkkör közelében fekvő országokban élő emberek beszámolóit, miszerint a fény show mellett pattogást is lehet hallani, sokáig csak meseként kezelték. A több mint száz kilométer magasságban lévő sarki fény túl távolinak tűnt, hogy a hangja ilyen távolságban hallatszon. Értékelhető felvételek és a zaj forrásának pontos lokalizálása nélkül nem tudjuk bizonyítani a létezését, és magát a jelenséget sem tudjuk megmagyarázni.

Bizonyíték a hangra

Egy kutatócsoport Unto Laine vezetésével a finn Aalto Egyetemről 2000-ben kezdte meg az első hangfelvételek készítését az északi fény hangjáról. Céljuk a hang kezdeti felismerése, majd a forrás lokalizálása volt. Különböző helyszíneken és több éjszakán keresztül végeztek megfigyeléseket a tudósok, megpróbálták rögzíteni a keresett hangokat - sikerrel. A mérésekkel egy időben megvizsgálták az egyes területek mágneses terét is. A zajok mellett hirtelen változásnak kell bekövetkeznie a forrás mágneses mezőjében, amelynek mágneses impulzus formájában mérhetőnek kell lennie. És valóban, a csapatnak sikerült megmérnie a mágneses mező keresett ingadozásait.

A mágneses impulzusok fénysebességgel, míg a hangok hangsebességgel haladnak. A két jelnek ezért különböző időkre van szüksége az azonos távolság megtételéhez - ez a különbség felhasználható a föld és a zajforrás közötti távolság meghatározására. „A mágneses tér ingadozása és a hang közötti késés adja meg a forrás magasságát. Ennek, a mérések alapján, hetven-nyolcvan méter körül kell lennie ”- mondja Laine. A kutató és munkatársai értékelték a Finn Meteorológiai Intézet adatait a föld geomágneses aktivitásáról, és konkrét kapcsolatot tudtak kialakítani a zajok és a fényjelenségek között. "Nagyobb valószínűséggel halljuk az északi fényhez kapcsolódó hangokat, ha a geomágneses aktivitás magas" - magyarázza Laine.

Az inverziós réteg hangokat hoz létre

A kutatásnak ebben a fázisában azonban a kutatók nem tudtak pontos magyarázatot adni arra, hogy a hangok hogyan keletkeznek. Az a kérdés is megválaszolatlan maradt, hogy az északi fény miért csak egyes éjszakákon hallható, máskor pedig nem. A tudósok ezt pótolták egy új tanulmányukban, amelyet 2016-ban mutattak be. Ebből kiderült, hogy az időjárási viszonyok is fontos tényezők annak biztosításában, hogy a zajok egyáltalán fellépjenek. "Tiszta és nyugodt időre van szükség az aurora hangjának észleléséhez" - mondja Laine. Ennek oka egy úgynevezett inverziós réteg, amely csak ilyen körülmények között alakul ki.

Általában a magasság növekedésével csökken a levegő hőmérséklete. Ez a negatív hőmérsékleti gradiens azonban tiszta és szélcsendes téli éjszakákon megfordulhat, ha a talaj éjszaka jelentősen lehűl, a talajhoz közeli légréteg hidegebb lesz, mint a felette lévő, így a két légtömeg határán a hőmérsékleti gradiens pozitív értékű lesz, és ezt a réteget nevezzük inverziós rétegnek, ami a két légtömeg között alakul ki.
Ez egyfajta fedélként is működik, amely megakadályozza a felső és az alsó levegőréteg keveredését. Ilyen időjárási körülmények között Laine szerint negatív ionok gyűlhetnek össze a határréteg alján, hetven-nyolcvan méter magasságban. Az északi fény felső légkörében megnövekedett vezetőképesség miatt több pozitív ion éri el az inverziós réteg felső szélét. "Bizonyos értelemben ez a réteg hatalmas, töltött kondenzátort alkot" - mondja Laine.

Ez az elektromos feszültség a további töltéshordozók miatt növekszik. Minél nagyobb a feszültség, annál valószínűbb, hogy hirtelen kisütés következik be, és egy ilyen kisülés ropogó és recsegő hangot hoz létre. Az északi fény alatt végbemenő geomágneses tevékenység mellett az időjárási körülmények is döntőek a zaj keletkezéséhez. „Egy kis széllökés tönkreteheti a folyamat felépülését. Ez megmagyarázza azt is, hogy miért nem vagyok képes rögzíteni az északi fény hangjait már akkor sem, ha a legkisebb légmozgás is van ”- mondja Laine.

Körülbelül 75 méterre a föld felszíne felett, éjszaka szélcsendes időben un. "inverziós réteg" képződhet - egy olyan légréteg, amely fedélként működik, és megakadályozza a rajta keresztüli bármilyen légmozgást. A felszínről felszálló meleg levegővel a negatív ionok eljutnak ennek a rétegnek az alsó szélére. Az északi fénnyel borított területen a megnövekedett vezetőképesség miatt a pozitív ionok egyidejűleg az inverziós réteg felső szélén gyűlnek össze. Ily módon a feszültség fokozatosan felhalmozódik, és kisülések léphetnek fel, amelyek hangot hoznak létre.

Igaz, hogy Laine és kollégái mára tudományos módszerekkel tudták igazolni az északi fény zaját, a kutatók azonban továbbra is értetlenül állnak a folyamat pontos részleteit illetően, ugyanis eddig nem sikerült kideríteni, mi okozza az inverziós réteg kisülését. "Az ilyen rétegek mögött álló fizika nagyon összetettnek tűnik" - zárja gondolatait Laine.
A tudósoknak a jövőben még dolgozniuk kell a részleteken.

És, hogy milyen is ez a hang?

Nos, hát, mi szóltunk ... az amúgy elég zajos felvétel 3. másodpercénél hallható.

Megfagyhat-e a szappanbuborék? Lassulnak a hurrikánok???