jobbra|300px|bélyegkép|Sarki fény (Eielson légibázis felett, Alaszkában) 300px|bélyegkép|Frederic Edwin Church: Aurora Borealis (1865) A sarki fény (az északi féltekén gyakran: északi fény (aurora borealis), délen: aurora australis) a Föld északi és déli sarkánál a légkörbe behatoló töltött részecskék (elsősorban protonok és elektronok) által keltett időleges, optikai fényjelenség, amelyet az éjszakai égbolton megjelenő rendkívül színes fátylak jellemeznek. Leginkább késő ősztől kora tavaszig figyelhető meg gyakrabban (de nem állandóan). Főként a magasabb földrajzi szélességek alatt lép fel, többnyire az északi sarkkörtől északra, illetve a déli sarkkörtől délre. Magyarországról csak ritkán látható.
Sarki fény akkor keletkezik, amikor a napszél annyira felkavarja a magnetoszférát, hogy töltött részecskék hatolnak be a napszélből és a magnetoszférából a felső légkörbe, a Föld mágneses mezejének vonzására, ahol energiájuk egy részét átadják a légkörnek. A légkör összetevői emiatt ionizálódnak és gerjesztődnek, így fényt bocsátanak ki különböző színekben. Formáját az ionizálódott összetevők mozgása határozza meg. A beérkező protonok elektronbefogással hidrogénatomokká alakulnak, így a gerjesztett hidrogénatomokra jellemző színeket bocsátják ki (vörös, kék, ibolya). Ez inkább alacsonyabb szélességeken látható. A légkör leggyakoribb összetevői az oxigén (vörös, zöld) és a nitrogén (kék, ibolya) színei is láthatók. A Space Weather Prediction Center honlapján folyamatosan előrejelzéseket tesz közzé a teljes földre a sarki fény (aurora borealis és aurora australis) várható erősségéről.
Helyszíne A sarki fény többnyire a mágneses pólustól 10°-20° távolságra, 3°-6° szélességen látható. Legjobban a sötét égen, hosszú sarki éjszakákon figyelhető meg, de az év és a nap folyamán bármikor létrejöhet. A sarki fényt tapasztaló területet aurorális oválisnak nevezik, habár inkább szalag formájú. A napszéllel való kapcsolatot a statisztikák vizsgálata során fedezték fel. Részletesebben Elias Loomis (1860)Fritz, Hermann (1881). "Das Polarlicht." és Hermann Fritz (1881)Tromholt, S. (1882) Om nordlysets perioder/Sur les périodes de l'aurore boréale, l'annuaire 1880, Inst. Météorol. Danois, Copenhagen. írta le, miután észrevették, hogy legtöbbször itt látható. A napi pozíció nyomon követhető az interneten.
Az északi féltekén északi fény néven ismert. Az aurora borealis elnevezés Galileitől származik. Ennek párjaként alkották meg az aurora australis elnevezést, ami az északi fényhez hasonlóan jelenik meg, és azzal együtt jön létre és változik. Nagy szélességi körökön is látható az Antarktiszon, Chilében, Argentínában, Új-Zélandon és Ausztráliában.
Erős naptevékenységet követően, mágneses viharok idején megváltozik a magnetoszféra szerkezete, ilyenkor a sarki fény alacsonyabb szélességi körökön, így nagyon ritkán Magyarországon is megfigyelhető. A sarki fény akkor látható a legjobban, ha a mágneses pólus a megfigyelő és a Nap között van.McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. Online August 7, 2008. Ez az időszak a mágneses éjfél, ami megkülönböztethető a normál éjféltől. Az Amerikai Egyesült Államok legtöbb területén ez egy órával korábban következik be. A mágneses viharok a napfoltok 11 éves ciklusában a csúcson vagy három évvel utána erősödnek fel.
Carl Størmer és társai több mint 12 ezer sarki fényt elemeztek kamerák segítségével. Háromszögeléssel arra jutottak, hogy a legtöbb fény a felszín felett 90 és 150 km között keletkezik, és néha több mint 1000 km-re is elnyúlnak.
Zöld szín általában 240 km-es magasságban keletkezik, a vörös efölött, a kék általában 100 km alatt jön létre, a lila pedig fölötte.space.com: Aurora Borealis: What Causes the Northern Lights & Where to See Them
Leírása Nevét a római hajnalistennő, Aurora nevéből alkották, de északi fény néven is ismert (a borealis jelentése északi, az australis pedig déli).
A töltött részecskék túlnyomóan a Napból származnak (napszél), kisebb hányadukat a Naprendszeren kívülről érkezett részecskék teszik ki. A töltött részecskéket a földi magnetoszféra nagyrészt eltéríti, a mágneses pólusok körüli tartományban azonban bejutnak a légkörbe.
Színek A részecskék ütköznek a légkör atomjaival, ionizálják és gerjesztik az atomokat, a gerjesztett atomok pedig fénykisugárzással térnek vissza alapállapotukba. A kibocsátott fény az atomra vagy molekulára, illetve az ütközés magasságára jellemző színű. A színkép látható tartományában elsősorban az oxigén világoszöld, sárgás, ritkábban vörös; a nitrogénmolekulák kék és ibolya színben jelentkeznek, de a sarki fény az ultraibolya tartományban is erős lehet. A jelenség 80–1000 km magasságban fordul elő, de leggyakrabban 100 km körüli magasságban figyelhető meg.
A színek közül leggyakoribb a világoszöld és a lilás szín. A sarki fény ritkábban megjelenhet vöröses, sárga, zöld, kék és ibolya színekben is.
Vörös bélyegkép|Aurora asutralis az ISS-en 2011 szeptember 17-én készült felvételen.
Jól látszik a felső halvány vörös rész, ami lefelé erősödik, illetve alatta a jóval fényesebb zöld rész, éles alsó határral. A légkör legfelső részében (akár 300km magasságban is) jelen levő atomos oxigén, gerjesztve 630 nm-en (vörös) bocsát ki fényt. A légkör itt nagyon ritka, így benne alacsony a fényt kibocsájtó oxigénatomok koncentrációja, így az általuk kibocsájtott összes fény mennyisége is. Ráadásul a szemünk érzékenysége is alacsonyabb ezen a hullámhosszon, ezért ezt a szín csak erős naptevékenység esetén látható, ha más, erősebb színek nem nyomják el és a vörös "fényfüggönyök" felső széle halványabb, mint az alsó részei.
Ritkábban teljesen piros sarki fény is előfordul, ez erősebb naptevékenység idején, nagy magasságban lévő oxigén által jön létre, aminek magassága akár 300 km is lehet. A nitrogén kékes vagy lilás-piros sarki fényt hoz létre. A 630 nm hullámhosszú vörös fényt atomos oxigén bocsátja ki. Halványsága és ritka előfordulása az atomos oxigén ritka voltának köszönhető. Több piros színárnyalat is megfigyelhető.
Zöld Alacsonyabb magasságokon, 100 km környékén (itt húzódik a Kármán-vonal) a sűrűbb légkörben a gázrészecskék gyakrabban ütköznek és elnyomják a 630 nm-es (vörös) módot: inkább az 557,7 nm-es emisszió (zöld) dominál. Az atomos oxigén meglehetősen magas koncentrációja és az, hogy a zöld színre a legérzékenyebb a szemünk, együtt okozzák azt, hogy zöld sarki fényt látnak a leggyakrabban. Létrejöttében nitrogén molekulák játszanak szerepet (az atomos nitrogén ritka, mert a stabil N2 molekula atomokra bontásához sok energia kell). Amikor a napszél részecskéi által felgyorsított N2 egy oxigénatommal ütközve gerjeszti azt, és az így felvett energiát az oxigénatom, zöld hullámhosszon kisugározva tér vissza alapállapotába. Az atomos oxigén koncentrációja 100 km magasság alatt gyorsan csökken, emiatt ér hirtelen véget a zöld sarki fény alja. Az 557,7 nm-es és a 630,0 nm-es hullámhossz az atomos oxigén tiltott átmeneteihez tartoznak. Emiatt, a gerjesztett oxigénatom lassan (a zöld hullámhosszon 0,7 másodperc alatt, míg a vörös hullámhosszon 107 másodperc alatt) tér vissza a (nem gerjesztett) alapállapotába. Emiatt változik látványosan a zöld sarki fény erőssége, lángol fel és halványul el. A vörös és a zöld sarki fény keveredve rózsaszín vagy sárga árnyalatokat is létrehozhat.
Kék Még alacsonyabb magasságokban az atomos oxigén már ritka és a nitrogén molekulák és az ionizált nitrogén molekulák bocsájtják ki a legtöbb látható fényt. Ezek a molekulák a spektrum vörös és kék részén, számos hullámhosszon sugároznak, a 428 nm (kék) a legerősebb. A kék és lila színű sugárzás jellemzően a legerősebb naptevékenység esetében látható és az előbbiek miatt a "fényfüggönyök" alsó szélein jelenik meg. Ezek az átmenetek sokkal gyorsabbak, mint az atomos oxigén átmenetei, így a kék szín fényesség nem változik olyan lassan.theaurorazone.com: Why are the Northern Lights sometimes coloured differently?
Fehér/folytonos spektrumú Fehér sarki fénykibocsájtást figyeltek meg a STEVE színspektrumában. A fehér szín a látható tartomány minden színében (hullámhosszán) emissziót tartalmaz, spektruma folytonos, nem különálló vonalakból áll, melyet különféle spektrográf eszközökkel is megfigyeltek.
Ultraibolya Ez szemmel nem látható (lilánál is rövidebb hullámhosszú) fény, ezért csak műszerekkel mutatható ki. Az oda küldött szondákkal megfigyeltek már ultraibolya sarki fényt a Marson, Jupiteren és a Szaturnuszon.
Infravörös Szemmel nem látható fény, a vörösnél is rövidebb hullámhosszal. Ez is csak műszerrel mutatható ki, sarki fényekben ez is előfordul.
Sárga, lilás (pink) A sárga és pink színű sarki fényeket a vörös, zöld és kék összetevők keveréke hozza létre. Erős naptevékenység idején fordulnak elő, ritkán narancs és arany színek is megjelennek. A három fő színösszetevő különböző arányokban sokféle szín érzetét keltheti, ahhoz hasonlóan, ahogy az elektronikus képmegjelenítők (például ez a képernyő, amelyen ezt a szócikket olvassuk) az RGB (vörös, zöld, kék) komponensek megfelelő keverékével létrehozzák a mutatni kívánt színeket.
Nem fény jellegű sugárzás Nemcsak a fénynek megfelelő hullámhossztartományban érzékelhető elektromágneses sugárzás a sarki fényben. 1972-ben felfedezték a kilométeres hullámhosszú sarki fény sugárzást, ami egy 150 kHz-es frekvenciájú rádióhullám. Mivel ezt a sugárzást az ionoszféra elnyeli, ezért csak az űrből észlelhető. Az elektromágneses spektrum másik széléről, röntgensugárzást is detektáltak már a sarki fénnyel összefüggésben.
Megjelenési formái
A sarki fény formája változatos, állandóan változik, gyakran függönyre, ívelt szalagra emlékeztet vagy sugaras szerkezetű. Műholdról készült felvételek tanúsága szerint a jelenség fénygyűrűként, glóriaként veszi körül a mágneses pólust. Összefüggést találtak a déli és az északi pólusnál fellépő fényjelenségek között. Egyes alakzatok folyamatosan változnak, ezek az aktív sarki fények.
A sarki fénynek 5 formája ismert:
folt-forma: kis méretű fényjelenség ív-forma: enyhén görbülő szalag sáv-forma: csomós vagy ráncos alakú sugár-forma: egyenes fénynyaláb, amely a Föld mágneses erővonalait követi fátyol-forma: diffúz, nagy kiterjedésű fénylés
Közelről nézve közvetlenül a megfigyelő feje fölött világíthat, távolról nézve bevilágítja a horizontot a pólus felé, zöld vagy halványvörös színben, mintha a Nap kelne fel. Alkothat alig látható, diffúz íveket vagy foltokat. Megjelenhet a szemlélő fölött koronaként, egy távoli középpontból sugarakként kifelé irányulva; ez a perspektívából adódik. Az elektronok spirális mozgásának irányát az határozza meg, hogy az elektron iránya milyen a mágneses térhez képest. Ezt a szöget angolul úgy is nevezik, mint "pitch angle"; az elektron távolsága a Larmor-sugár. A pitch angle nő, ahogy az elektron az atmoszférában lejjebb mozogva nagyobb térerőbe jut. Emiatt egyes részecskék visszaverődhetnek. A többi részecske az atmoszférában befelé halad, és különböző magasságokban részt vesz a sarki fény kialakításában.
Az űrből megfigyelve láthatók pólus irányú ívek, amelyek a pólus süvegén keresztül a Nap felé nyúlnak; a théta sarki fény, és déltájban a nappali ívek. Ezek viszonylag ritkák, így nem tudunk róluk sokat. Előfordulnak más hatások is, például vibrálás, alig látható vörös ívek, illetve fekete sarki fény, ami az alig látható diffúz sarki fény sötétebb területe. Mindezek mellett halvány izzás figyelhető meg a mágneses sarkok környékén, többnyire vörös színben.