Kde se berou barvy airglow v průběhu noci?

Co je airglow?

Stručný princip vzniku airglow, tedy světelného záření atmosféry, by se nedal jednoduše vymyslet, neboť jde o poměrně komplexní řadu reakcí, které se na záření vzduchu ve vysokých výškách v atmosféře podepisují. Za hlavní příčinu se považuje reakce atomů a molekul vzduchu na ultrafialové záření ze Slunce, ale minoritně také na kosmické záření přicházející z vesmíru v době, kdy je sluneční aktivita nízká. Dalším významným hráčem při vzniku airglow je tzv. chemiluminiscence, tedy vyzáření jistého kvanta energie na vlnových délkách viditelného světla při různých chemických reakcích vysoko v atmosféře. V případě airglow jde hlavně o reakce kyslíku a dusíku s hydroxylovými ionty (-OH) ve výškách okolo 250-300 km nad Zemí.

 

Video: Airglow zachycené z paluby ISS
(autor: ISS/NASA)

Projevy airglow na obloze

V některých místech na Zemi je airglow v noci velmi nevýrazné, na jiných místech -  například v jižní Americe kvůli tzv. Jihoatlantické anomálii – dokonce ruší při jinak čistém výhledu do vesmíru. Aby toho nebylo málo, fotografové dokumentují různé odstíny airglow, z nichž majoritní je sytě červený, pocházející právě ze záření při chemických reakcích hydroxylových iontů, a zelená emise – viditelná slabě očima – pocházející od záření atomárního kyslíku ve výšce zhruba 100 km nad zemí.

Kromě samotného různě intenzivního zabarvení noční oblohy lze v airglow pozorovat i různé nehomogenity v podobě pásů či koncentrických vln. Ty jsou způsobeny interakcí hladin, v nichž se airglow vyskytuje, s tzv. atmosférickými gravitačními vlnami (v podstatě hustotní vlny šířící se atmosférou jak horizontálně, tak vertikálně), vyvolanými různými meteorologickými či geofyzikálními procesy - např. aktivitou přestřelujících vrcholů silných konvektivních bouří, výrazným střihem proudění (doprovázejícím např. tryskové proudění, jet stream), prouděním přes výrazné orografické překážky (horské hřebeny či ostrovy v oceánech), nebo sopečnými erupcemi či dokonce tsunami. Není proto úplně neobvyklé, když se objeví na internetu snímek s bouří, příp. i obtížně zachytitelným nadoblačným bleskem, a nad tím se rozkládají vlny airglow proti hvězdnému pozadí.

Co stojí za nečastějšími barvami airglow?

Pro podrobnější vysvětlení barev airglow a jejich variace v průběhu noci i rozlišném výskytu nad různými místy na Zemi jsme oslovili rakouského odborníka na atmosférickou fyziku, Stefana Nolla z Univerzity v Innsbrucku. Otázka byla jednoduchá: Kde se berou nejčastěji pozorované barvy airglow v průběhu noci?

Zdrojem zelené a červené emise airglow jsou atomy kyslíku, které jsou excitovány různými chemickými reakcemi. Zatímco v případě červeného airglow jsou kyslíkové ionty ve výšce okolo 250-300 km zapojeny do složitějších chemických reakcí, jejichž důsledkem je právě červené záření na vlnových délkách 630 a 636 nm, silná zelená záře na vlnové délce 558 nm pochází z emise neutrálního kyslíku v hladině okolo 100 km nad zemí. Právě tyto různé reakce také úzce souvisí s rozložením barev airglow v průběhu noci.

Zelené světelné záření atmosféry je podpořeno určitým rezervoárem atomárního kyslíku, který se vyrábí fotodisociací molekulárního kyslíku během dne. V nadmořské výšce, kde k zelené emisi dochází (okolo 100 km), tento rezervoár přežije i celou noc, protože reakce, které odstraňují atomární kyslík, jsou vzácné. Z tohoto důvodu může být zelená emise silná po celou noc. Pozorované změny v její intenzitě lze vysvětlit především dynamikou vysoké atmosféry, ovlivňující jak vertikální transportní procesy, tak fyzikální parametry hladin výskytu airglow, a tedy i efektivitu samotných procesů podílejících se na airglow. Výsledná noční variabilita zeleného airglow tedy silně závisí na ročním období, resp. na atmosférických procesech v konkrétní zeměpisné šířce.

Červené světelné záření atmosféry pochází z rezervoáru ionizovaných atomů kyslíku, který se vytváří během dne procesem zvaným „fotoionizace“. Kyslíkové ionty velmi efektivně reagují s neutrálními molekulami a atomy. Tím se ovšem velmi rychle snižuje jejich hustota po západu Slunce. Pouze v nadmořské výšce několika stovek kilometrů, kde je hustota vzduchu obecně velmi nízká, ionty mohou přežít i podstatně delší část noci. Proto bývá rudé airglow častěji pozorované především po západu Slunce či v první polovině noci, zatímco zelené lze zaznamenat v podstatě v kteroukoliv část noci.

Poněkud samostatnou kapitolou jsou pak pozorování airglow v Chile, zejména pak na observatoři ESO Paranal ve vysokohorské poušti Atacama. Relativně vysoké intenzity červeného airglow na Cerro Paranal lze vysvětlit tzv. „rovníkovou fontánou“, kde jsou ionty vytaženy do velmi vysokých nadmořských výšek podél magnetického rovníku (většinou k tomu dochází během dne) a posléze padají do nízkých magnetických šířek (ve kterých se nachází právě observatoř Paranal). Tam pak červenou záři v noci emitují zmíněnou chemiluminiscencí. Ionty leží opravdu vysosko – až 300 km nad Zemí – kde značně déle přežívají.  Z tohoto důvodu má nad observatoří Paranal běžně detekvatelné rudé airglow mnohem delší trvání než jinde.

Stefan Noll, Univerzita v Innsbrucku

Svítí i kosmický prach

Dalším příspěvkem k záření airglow je žlutooranžová emise sodíku na vlnové délce 580 a 589 nm. Nachází se obvykle ve výšce mezi 80-105 kilometry. Sodík jako takový se v těchto atmosférických výškách nevyskytuje zcela přirozeně, jeho zdrojem je však meziplanetární prach, tedy pozůstatky po meteoroidech při průletu atmosférou. Ty se sice (většinou) odpaří, ale zanechají za sebou mikroskopický popílek, který obsahuje právě sodíkové složky. Popílek se pak rozmělní v těch výškách, ve kterých sledujeme tuto složku airglow.

Fluorescence sodíku může být mnohem jasnější než typické zelené a červené emise kyslíku, ale zaznamenatelná je jen desítky minut před východem či po západu Slunce. Mnoho lidí si tak mylně myslí, že je svědky záření sodíku, ovšem pouze si jej zaměňuje za optické sloučení barev červeného a zeleného airglow, které se nachází nad sebou. Skutečná emise sodíku je způsobena absorpcí slunečního záření a následnou rychlou opětovnou emisí v libovolném směru. V zásadě může být tento druh záření také interpretován jako rozptýlené sluneční záření. Často bývá zaznamenáváno z paluby ISS, kde se astronauté dívají na vrstvu atmosféry se Sluncem za zemským obzorem s velmi čistým průhledem - nebrání jim prach či oblačnost.

Fyzická emise sodíku probíhá v noci také, ale už je slabá. Je způsobena chemiluminiscencí, jako je tomu v případě zelené a červené záře kyslíku. Dochází k ní ve dvou krocích: Nejprve sodík (Na) reaguje s ozonem (O₃) za vzniku NaO a O₂. Pak NaO reaguje s atomárním kyslíkem (O) za vzniku samostatného sodíku (Na) a molekulárního kyslíku (O₂). Výsledný atom sodíku je excitovaný a neutralizuje se emisí světelného záření ve zmíněné žlutooranžové barvě. Tato zář sodíku probíhá po celou noc, nicméně obvykle je přezářena zelenou září kyslíku. V důsledku toho je tato emise v noci prakticky nezachytitelná.

Výrazné airglow a hustotní vlny nedávno nad Alpami

Jedním z mnoha případů airglow pozorovaného v Evropě je i ten, který popisuje Martin Gembec nad rakouskými Alpami v noci 29./30. října 2016 na Edelweißspitze ve výšce 2570 metrů nad mořem. Po dobu téměř hodinu a půl v kuse pořizoval snímky oblohy, na kterých jsou změny v airglow dobře patrné. Sestříhal vše do videa, které ukazuje tři úseky z různé doby, začátek 29. 10. 2016 od 22:30 do 22:45 SEČ, druhá série od 23:00 do 23:38 SEČ a třetí od 23:50 do 00:20 SEČ. Animace je zrychlena tak, aby si divák snáze všiml změn. V animaci si můžete všimnout hustotních vln v airglow, oranžového zbarvení (patrně kombinace zeleného a červeného, které jsou nad sebou, ale rovněž lze připustit emisi sodíku) a v druhé půli noci se nad severním obzorem (nahoře) objevuje čistě zelená záře. To koresponduje s vysvětlením Stefana Nolla.

Video: Airglow a hustotní vlny 29./30. října 2016 nad Rakouskem
(autor: Martin Gembec)

Airglow očima neotřelé družice

Na airglow se můžete podívat očima družice Suomi-NPP (National Polar-orbiting Partnership). Jde o prototyp amerických meteorologických družic nové generace, společně provozovaných organizacemi NOAA a NASA. Zároveň je první družicí programu JPSS (Joint Polar Satellite System), který postupně nahradí dosavadní systém polárních družic NOAA-POES, jejichž série byla zakončena družicí NOAA-19. Pro úplnost budiž poznamenáno, že název družice nemá nic společného s Finskem, družice byla takto pojmenována na počest Vernera E. Suomiho, zakladatele družicové meteorologie na Wisconsinské Universitě v Madisonu.

Jedním z několika přístrojů družice Suomi-NPP (a budoucích družic JPSS-1 a JPSS-2) je radiometr VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite), snímající zemský povrch a atmosféru v 16 spektrálních kanálech s rozlišením 750 metrů, 5 kanálech s rozlišením 375 metrů, a jedním speciálním kanálem pro snímání v noci, Day/Night Band (DNB), s rozlišením 750 metrů. Specialitou kanálu DNB je mimořádně vysoká citlivost, umožňující zachytit nejen světla měst či oblačnost nasvícenou Měsícem (podobně jako starší americké vojenské družice DMSP, ale s lepším rozlišením - jak geometrickým, tak radiometrickým), ale i výrazně slabší jevy - jako např. polární záře či právě airglow. Ostatně, po příklad schopnosti kanálu zachytit airglow viz na stránkách EUMETSATu (anglicky).

Každý snímek se počítá!

Pochopitelně úhlavním nepřítelem pozorování a hlavně detekce airglow – ať už pozemské či družicové – je škodlivé světelné znečištění z měst. Přesto se ale úspěšně, byť pomaleji, daří princip formování airglow chápat. Nemalou měrou tomu napomáhají právě nadšení astrofotografové, kteří se věnují sekvenčnímu snímání oblohy a při úpravách fotek dbají na korektní zachování nasnímaných barev s ohledem na barevnou citlivost svého fotoaparátu. Snímky a hlavně časosběry zachycující airglow tak mají stále vysokou vědeckou hodnotu; zejména ty, které se váží k nějaké významné události (např. extrémní UV záblesk na Slunci) a mohou být provázané i se snímky z družic.

 

 

 

Video: ESOcast o Airglow
(autoři: ESO a Petr Horálek; nezapomeňte si přepnout na české titulky)

Na článku spolupracovali Martin Gembec (Klub astronomů Liberecka), Stefan Noll (Univerzita v Innsbrucku) a Martin Setvák (Český hydrometeorologický ústav).

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Atmospheric optics: Airglow
[2] Earthobservatory.nasa.gov: Waves in airglow
[3] Klub astronomů Liberecka: Setkání s airglow
[4] Wikipedia: Airglow
[5] Space Weather Phenomena: Red sprites and gravity waves
[6] Wikipedia: South Atlantic Anomaly