Fizyka dla każdego

Powstaje przeważnie tuż po dużych rozbłyskach słonecznych. Pole magnetyczne Ziemi chroni chroni nas przed wiatrem słonecznym. Najbliżej naładowane cząstki emitowane przez Słońce mogą dotrzeć w pobliżu biegunów magnetycznych. Jeżeli jest ich dostatecznie dużo - powodują świecenie górnych warstw atmosfery (~100 km nad Ziemią). Tam, naładowane cząstki zderzają się drobinami, atomami i jonami gazów (głównie tlenu i azotu), tracą swą początkową energię, powodując jonizację i świecenie tych gazów.  Pole magnetyczne Ziemi chroni nas przed wiatrem słonecznym. Źródło: NASA

Zorza polarna na Alasce Źródło: U.S. Air Force

Fotograf Terje Sorgjerd spędził tydzień w najbardziej na północ wysuniętym miejscu Norwegii. Robił zdjęcia aparatem fotograficznym (Canon 5D Mark II, Canon 24mm/1.4, Canon 16-35mm/2.8, Sigma 12-24mm), w niektórych ujęciach przesuwając go jednocześnie pomiędzy poszczególnymi zdjęciami. Po obróbce materiału w programie graficznym powstał piekny film pokazujący zorzę polarną. Polecamy tryb pełnoekranowy.

The Aurora from Terje Sorgjerd on Vimeo.

Oczywiście, nie byłoby zorzy polarnej, gdyby nie było określonych procesów fizycznych w gazach. Takim procesem jest specyficzny, rezonansowy charakter oddziaływania elektronów z tlenkiem azotu (II), NO.

Ten rezonansowy sposób oddziaływania był znany od lat 70-tych XX wieku i wstępnie wyjaśniony jako oddziaływanie rezonansowe przez panie Dominique Teillet-Billy i Françoise Fiquet-Fayard (†) [1]. W latach 80-tych Władek Roznerski (†), Iga Mechlińska-Drewko (†) i Krzysztof Leja na Politechnice Gdańskiej, w badaniach przepływu nisko-energetycznych elektronów w NO, metodą rojową zmierzyli bardzo dziwny kształt zależności prędkości dryfu od pola elektrycznego.

Kształt ten przez wiele lat czekał na wyjaśnienie, dopiero w 2001 roku G. Karwasz ze współpracownikami [2] zaproponował model przekroju czynnego. Wiedząc, że w NO występują co najmniej dwa rezonanse, G. Karwasz w analogii do rezonansów w N₂ i O₂, zob. [NCI] zaproponował dla NO dwa nakładające się rezonanse.

Modelowanie przekrojów przeprowadził Damian Pliszka, a symulacje współczynników dryfu przeprowadziła Lidia Josić, za pomocą kodu Zorana Petrovića.

Nakładające się stany rezonansowe w rozpraszaniu elektronów w NO

Przekroje te zostały wykorzystane przez Micheala Brungera i Micheala Campbella do modelowania zorzy polarnej [3]. 

Modelowe przekroje czynne Karwasza i współpracowników zostały wkrótce później potwierdzone doświadczalnie przez Steve'a Buckmana, Milicę Symul i Radmiłę Panajatović w Australian National University w Camberze [4]. 

Pomiary Michala Allana z Uniwersytetu we Fribourgu (Szwajcaria) za pomocą spektrometru cylindrycznego o nadzwyczajnej rozdzielczości enegetycznej wykazały nie tylko stany rezonansowe, ale trudne do zaobserwowania dla atomów o małych liczbach atomowych sprzężenie spin-orbita [5]. 

Model został też wkrótce potwierdzony przez obliczenia ab-initio przeprowadzone przez Cinzię Trevisan w grupie prof. Rescigno w Kalifornii [6]. Piękne, niebiesko-zielone kolory zorzy wynikają tak z oddziaływania elektronów z NO jak z tlenem [7]. 

[1] D. Teillet-Billy, F. Fiquet-Fayard, The NO^{- 3}Σ^- and ¹Δ resonances: theoretical analysis of electron scattering data, J. Phys. B 10 (1977) L111.
[2] L. Josić, T. Wróblewski, Z. Lj. Petrović, J. Mechlińska-Drewko and G.P. Karwasz, Influence of resonant scattering on electron-swarm parameters in NO, Chem.Phys. Lett. 350 (2001) 318.
[3] Campbell, L., and M. J. Brunger (2007), Electron impact contribution to infrared NO emissions in auroral conditions, Geophys. Res. Lett., 34, L22102, doi:10.1029/2007GL031743
[4] M. Jelisavcic, R. Panajotovic, and S. J. Buckman, Absolute Collision Cross Sections for Low Energy Electron Scattering from NO: The Role of Resonances in Elastic Scattering and Vibrational Excitation, Phys. Rev. Lett. 90, 203201 (2003)
[5] M. Allan, Electron collisions with NO: Elastic scattering, vibrational excitation, and ²P_1/2 <-> ²P_3/2  transitions, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2005, 38, 603
[6] C. S. Trevisan, K. Houfek, Z. Zhang, A. E. Orel, C. W. McCurdy, and T. N. Rescigno, Nonlocal model of dissociative electron attachment and vibrational excitation of NO, Phys. Rev. A 71, 052714 (2005)
[7] Campbell, L., and M. J. Brunger (2010), Modeling of kinetic, ionospheric and auroral contributions to the 557.7-nm nightglow, Geophys. Res. Lett., 37, L22104, doi:10.1029/2010GL045444.

1-IV-2011
Tekst: GK
Opracowanie: Krzysztof Służewski