Aurora başka bir deyişle kutup ışıkları Güneş’ten gelen yüklü parçacıklar ve Dünya’nın en üst atmosferi arasındaki etkileşmeler nedeniyle oluşur. Birçok kez kuzey veya güney ışıkları olarak da adlandırılırlar ve bu şekilde adlandırmaların sebebi ise kutup ışıklarının güney ve kuzey kutupta sık sık görülmeleri ile ilişkilidir.
Image: JOSHUA STRANG US AIR FORCE
Kuzey veya güney kutuplarda ya da kutuplara yakın yaşayan insanlar genellikle parlak renkli bu görsel şöleni sık sık yaşarlar. Görsel şölen diyorum çünkü kutuplardan binlerce kilometre uzaklıktaki bizler televizyon ya da internet yolu ile bu görsel şölenin videolarını izlediğimizde keyif alıyoruz, tabir-i caizse büyüleniyoruz bazen de. İşte bu görsel şölen kuzey kutbuna yakın yerlerde görüldüğünde aurora borealis veya kuzey ışıkları, güney kutbun yakınlarında ise aurora australis veya güney ışıkları adını alıyor. Aurora-kutup ışıkları yaygın olarak kutuplarda görülmesine karşın nadir durumlarda ekvatora biraz daha yakın bölgelerde de görülebiliyor. Bu konuyla ilgili bir bahsi jeomanyetik fırtınalar isimli yazımda da ele almıştım, bu yazıda da biraz daha detaylı konuşabiliriz.
Kutup Işıklarının Oluşumu ve Fiziği
Yüksek hızlı enerjik parçacıklar Dünya yüzeyinden yukarı yaklaşık 50 milden birkaç yüz mil yükseklikteki herhangi bir yerde Dünya atmosferindeki atomlar ile çarpışarak kutup ışıklarına neden olurlar. Böyle yüksek hızlı parçacıklar ki genellikle elektronlar özellikle de güneş rüzgarı olmak üzere uzay kaynaklıdırlar.
Uzaydan gelen elektronlar Dünya atmosferindeki bir atom veya molekülü vurduğunda, onlar enerji artışı sağlayarak atomdaki bir elektronu verirler. Bilimsel olarak ifade edersek elektron yüksek bir enerji seviyesine atlar ve atom uyarılmış durumda olur. Bir süre sonra, uyarılmış atomdaki elektron yüksek enerji seviyesine geçmeden önceki orjinal düşük enerji seviyesine geri döner. Auroral ışımaya neden olan ışık olarak bu enerji serbest kalır. Bu süreç emisyon çizgi spektrumunun nedeniyle aynı mekanizmaya sahiptir ve aurora-kutup ışıkları Dünya’nın üst atmosferibdeki atomların emisyon çizgi spektrumu hadisesidir.
Emisyon çizgi spektrumunun rengi kimyasal bileşime bağlıdır ve her bir atomun türü kendisine has renk deseni üretir. Bu nedenle, auroral görüntülerde yani kutup ışıklarında renk dağılımları Dünya’nın atmosferindeki farklı elementlerden kaynaklanmaktadır.
Oksijen molekülleri yeşil auroraya neden olur ve oksijen atomları ise kırmızı renkli. Mavi auroral görüntüler nitrojen moleküllerinin bir sonucu. Moleküler nitrojen ve oksijen Dünya atmosferinin en yaygın bileşenleridi yani bu renkler de en yaygın auroral renklerdir. Atomik oksijen yüksek irtifalarda oluşur, dolayısıyla aurora genellikle yeşil üzerinde kırmızı renge sahiptir. Bu renklerin karışımları diğer renkleri de oluştururlar bir taraftan.
Aurora australis
Renklerin oluşum irtifaları
Dünya’nın üst atmosferine elektronlar giriş yaptıkça onlar Dünya yüzeyinden 20 milden 200 mile kadar yukarıdaki irtifalarda oksijen ve nitrojen (azot) atomlari ile çarpışırlar. Az önce ifade ettiğim gibi kutup ışıklarının rengi atomun yapısına bağlıdır ve oksijen ile nitrojen atomları ise çoğunlukla farklı yükseltilerde/irtifalarda bulunurlar.
- Yeşil renk, oksijen moleküllerine ait ve yerden 150 mile kadar olan irtifada
- Kırmızı renk, oksijen atomuna ait ve yerden 150 milden yukarısında olan irtifada
- Mavi renk, nitrojen moleküllerine ait ve yerden 60 mile kadar olan irtifada
- Mor/morötesi, nitrojen atomuna ait ve yerden 60 milden yukarısında olan irtifada
Kutup Işıklarının Dansı
Bütün manyetik ve elektriksel kuvvetler sürekli değişen kombinasyonlar içinde birbiri ile etkileşim içindedirler. Bu kombinasyonlar sonucu oluşan akışlar ve kaymalar kutup ışıklarının dansı olarak görülebilir, atmosferik akımlar ile birlikte 50.000 Volt’ta 20 milyon Amper’e ulaşabilirsiniz. Bununla ilgili ilginç bir olayı da paylaşmak isterim. Bu başlık altında manyetik ve elektriksel kuvvetlerin sürekli değiştiğinden bahsettim. Fizik öğrencilerinin çoğunun bileceği gibi Maxwell’in harika denklemlerinden Ampére-Maxwell yasası bize değişen manyetik alanın hem iletim akımlarını hem de değişken elektrik alanları oluşturabildiğini söyler. Nitekim bu yasanın doğadaki karşılığını burada görmüş oluyoruz. İlginç olaya gelince de 1859 ve 1862 yılları arasında büyük bir Güneş aktivitesi koronal kütle püskürmesi sonucu yoğun bir aurora olayları oluşur. Böyle yoğun bir aurora aktivitesi sonucu 201 bin kilometrelik telgraf tellerinin büyük bir kısmı bozulmuş ancak ilginç olarak yaşanan şeyse bir kısım telgraf tellerin bu aurora olayı sonucu yani Ampére-Maxwell yasasının ifade ettiği manyetik alandan kaynaklanan bu aurora akımına uyum sağlaması oldu. Hatta bu akımlar ile haberleşme bile sağlandı. İşte o haberleşme 2 Eylül 1859 gecesi Amerikan Telgraf Hattı’nın Boston ve Portland’daki iki operatörü arasında şu şekilde gerçekleşti [3]:
Boston telsizi (Portland telsizine): “Lütfen, 15 dakika süresince pillerin gücünü tamamen kesin.”
Portland telsizi: “Öyle yapacağım. Şimdi bağlantı kesildi.”
Boston: “Benimki de kesik ve aurorasal akımla çalışıyoruz. Yazdıklarımı nasıl alıyorsun?”
Portland: “Pillerden daha iyi. – Akım yavaş yavaş gidip geliyor.”
Boston: “Şu an bendeki akım çok güçlü ve piller olmadan daha iyi çalışıyor. Aurora role manyetiğimiz için akımı çok güçlü yaparak pillerin akımını nötrlüyor ve artırıyor gibi. Farz et ki, bu sorundan etkilendiğimizden, piller olmadan çalışıyoruz.”
Portland: “Harika. Yeni bir iş mi kursam ne!”
Boston: “Evet. Başlayabilirsin.”
Bu görüşmenin aurora akımlarının kullanılarak iki saat sürdüğü söyleniyor[3].
Dünya’nın Manyetik Alanı ve Kutup Işıkları
Dünya'nın manyetik alanı. Mavi çizgiler Dünya'nın kuzey kutbuna yönelen manyetik alan çizgilerini gösterirken sarı çizgiler güney kutba yönelen manyetik alan çizgilerini gösterir.
NetBilim’in 15.sayısında yayınlanacak. Takip etmek için ücretsiz abone olabilirsiniz.
Aurora Neden En Çok Kutuplarda Görülür?
Bir manyetik alanda, elektronlar ve diğer yüklü parçacıklar bir düz çizgide hareket etmezler. Bunun yerine manyetik kuvvet manyetik alan çizgileri etrafında bir spiral yolda elektronların hareket etmesine neden olur. Elektronlar böylelikle Dünya’nın atmosferine kuzey ve güney manyetik kutupların yakınında girerler. Bu nedenle aurora, kutup bölgeleri yakınında en çok görünür. Onlar sadece Dünya’ya doğru Güneş’ten gelen elektronlar için Güneş aktivitesinin yüksek seviyelerde olduğu zamanlarda daha düşük enlemlerde görülebilirler. Bu da jeomanyetik fırtınalara ilişkin yazımızda işlediğimiz bir konuydu.
Kutup Işıkları Ne Zaman Sık Görülür?
Kutup ışıklarını görebilmemiz için hava karanlık olmalı, sonra onlar gecelerin uzun olduğu kış ayları sırasında daha çok görülebilirler. Bu etki yüksek enlemlerde büyüktür. Yaz aylarında, gece karanlığı kutup enlemlerinde yok denecek kadar azdır yani aurorayı yaz aylarında görmek onlar gökyüzünde oluşsa bile oldukça zordur.
Aurora ayrıca uzay havası aktivitesi ile ilişkilidir. Güneş daha fazla aktif olduğunda Dünya’ya doğru daha fazla sayıda elektronu fırlatmaktadır. Olağanüstü güneş fırtınaları ya da jeomanyetik fırtınalar genellikle aşırı auroral görüntülere yani kutup ışıklarına neden olur. Bu aşırı kutup ışıklarının daha düşük enlemlerde görülmesine olanak verir.
Güneş aktivitesi 11 yıllık bir döngüyü genellikle takip eder, bu nedenle aurora da bu döngünün pik dönemleri sırasında sık görülür ve bu güneş aktivite döngüsünün vadi dönemlerinde (aktivitenin azaldığı zamanlarda) nadiren görülmeye başlar. 2008 ve 2009 yılları yeni bir döngünün başlangıcı olurken bu döngünün pik dönemi 2013 yılı içerisinde olacak ve bazı bilim insanlarına göre aşırı güneş aktiviteleri ve bunun sonucunda jeomanyetik fırtınalarının şiddetlenmesi bekleniyor. Şiddeti artan jeomanyetik fırtınalar sonucunda kutup ışıklarının da görülme sıklığı olağanüstü bir şekilde artabilir. Diğer taraftan kutuplardan düşük enlemlerde yani ekvatora doğru kutup ışıklarının görülme olasılığı da artacağa benziyor.
Yüksek enlemlerde yaşayan insanlar yılın birçok döneminde bu olaya şahitlik ediyorlar. Diğer taraftan da tatil yapan turistler geceleri bu eşsiz manzara karşısında tatillerinin keyiflerini çıkarıyor olabilirler, kim bilir? Güney ve kuzey ışıkları doğanın en etkileyisi görüntüleri arasında yer alıyor şüphesiz. Başka gezegenlerde de bu olayın yaşandığını da son olarak ifade etmek isterim, ayrıntılar dergide!
Bu yazı burada bitmiyor, ücretsiz bilim e-dergimiz NetBilim‘in 15.sayısında yani Ağustos 2012 sayısında burada yer vermediğim bir çok meseleyi, bu olayın fiziğini yani ardındaki bilimini de ele alacağım. Farklı yönleriyle daha geniş ve ayrıntılı bir yazı için sizleri dergimize ücretsiz olarak abone olmaya davet ediyorum.
Gökhan Atmaca, MSc – facebook.com/anadoluca / twitter.com/kuarkatmaca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kaynaklar:
- http://suite101.com/article/what-causes-northern-and-southern-lights-a134273
- http://science.howstuffworks.com/nature/climate-weather/atmospheric/question471.htm
- http://tr.wikipedia.org/wiki/Kutup_%C4%B1%C5%9F%C4%B1klar%C4%B1
- http://sciexplorer.blogspot.com/2011/04/northern-lights.html
- http://www.kuark.org/2012/07/jeomanyetik-firtinalar/
Facebook’ta Kutup Işıkları ile ilgili fotoğraf albümüz için tıklayabilirsiniz.
