Aurora seragam gergasi yang dilihat dari tanah pada malam Krismas 2022 telah disahkan sebagai aurora hujan kutub. Ini adalah pemerhatian berasaskan darat pertama aurora hujan kutub. Tidak seperti aurora biasa yang didorong oleh elektron kejadian yang disimpan dalam magnetotail magnetosfera bumi, aurora hujan kutub terbentuk oleh elektron yang bergerak terus dari korona suria ke kawasan kutub bumi di sepanjang garis medan magnet terbuka untuk mencapai kemuncak dalam "kutub. hujan” pemendakan elektron yang menimbulkan pelepasan optik apabila berinteraksi dengan atom oksigen dan nitrogen di atmosfera.
Kisah aurora, pertunjukan cahaya yang mempesonakan berwarna-warni (dipanggil cahaya Utara atau aurora borealis di kawasan kutub utara dan Cahaya Selatan atau Aurora Australis di kawasan kutub selatan) bermula di lapisan koronal atmosfera suria. Suhu lapisan atmosfera suria ini sangat tinggi. Manakala suhu di lapisan fotosfera (yang dianggap sebagai permukaan matahari kerana ini yang boleh kita perhatikan dengan cahaya) adalah kira-kira 6000 Kelvin, suhu purata korona antara 1 hingga 2 juta Kelvin disebabkan oleh 'Coronal Heating Paradox'. Suhu yang begitu tinggi menjadikan korona sebagai lapisan plasma yang terlalu panas. Angin suria yang terdiri daripada zarah bercas elektrik yang sangat bertenaga (seperti elektron, proton, zarah alfa dan ion berat) secara berterusan terpancar dari lapisan koronal ke semua arah termasuk ke arah Bumi.
Perjalanan keluar zarah bercas bertenaga dari matahari ke bumi bukanlah mudah dan mudah. Kebiasaannya, zarah terion dipesongkan oleh medan magnet bumi (magnetosfera) justeru bentuk hidupan dan sistem elektrik di bumi kekal tidak terjejas daripada kesan berbahaya angin suria.
Walau bagaimanapun, sekiranya berlaku lentingan besar-besaran zarah bercas dari matahari seperti dalam kes Coronal Mass Ejection (CMEs), magnetosfera bumi menjadi terharu dan mengakibatkan ribut magnetik. Ribut itu menekankan magnetosfera sehingga ia terpatah kembali melemparkan beberapa zarah bercas ke arah Bumi.
Jalur penarikan balik medan magnet menyeret elektron dalam angin suria ke kawasan kutub di mana aurora diperhatikan 100-300 km di atas permukaan di atmosfera atas. Sumbangan proton dan ion lain dalam angin suria dalam pembentukan aurora adalah diabaikan.
Aurora pada asasnya adalah pelepasan optik daripada atom oksigen dan nitrogen yang dirangsang oleh elektron bertenaga yang memendakan dari magnetosfera di sepanjang garis medan magnet tertutup bumi (kerpasan elektron bertenaga atau EEP merujuk kepada pemendapan tenaga elektron ke atmosfera). Interaksi elektron bertenaga dengan oksigen di atmosfera bertanggungjawab untuk warna hijau dan merah manakala interaksi dengan nitrogen membawa kepada penghasilan warna biru dan merah tua.
Oleh itu, pembentukan aurora didorong oleh elektron kejadian yang disimpan dalam magnetotail (kawasan magnetosfera bumi yang disapu oleh angin suria menjadi ekor yang luas dalam arah menjauhi matahari). Elektron yang disimpan dalam magnetosfera mendapat tenaga oleh angin suria yang memaksa dan kemudian mendakan ke atmosfera dalam letusan di kawasan kutub untuk menimbulkan aurora.
Hujan Kutub Aurora
Walau bagaimanapun, jarang sekali, aurora terbentuk oleh elektron yang bergerak terus dari korona suria ke kawasan kutub bumi di sepanjang garis medan magnet terbuka untuk memuncak dalam pemendakan elektron "hujan kutub". Kerpasan elektron sedemikian didapati menjadi sengit apabila ketumpatan angin suria rendah. Pelepasan optik yang disebabkan oleh elektron tersebut adalah lemah dan aurora yang terbentuk dipanggil "aurora hujan kutub".
Aurora hujan kutub telah diperhatikan beberapa kali dari angkasa oleh satelit. Bagaimanapun, tiada kes pernah dikesan oleh kemudahan berasaskan darat.
Pada 25th-26th Disember 2022, aurora atipikal telah ditangkap oleh kamera berasaskan darat di rantau Artik apabila angin suria hampir hilang. Aurora yang diperhatikan adalah seragam dan bersaiz gergasi. Ia tidak kelihatan seperti aurora biasa. Aurora topi kutub biasa ialah pertunjukan cahaya yang mempesonakan berwarna-warni yang memaparkan corak dinamik lampu seperti pelangi. Ia mungkin kelihatan sebagai langsir, sinar, lingkaran atau sebagai kelipan yang berubah-ubah. Theta aurora kelihatan seperti huruf Yunani theta (bujur dengan garisan melintasi tengah) apabila diperhatikan dari atas oleh satelit. Theta aurorae juga dirujuk sebagai 'arka transpolar' kerana rupa arka berskala besar apabila dilihat dari atas. 'Lengkok sejajar matahari.' ialah arka auroral yang kecil dan malap yang diperhatikan dari balai cerap berasaskan tanah. Satu hujung lengkok diarahkan ke Matahari oleh itu dipanggil 'Lengkok sejajar matahari'.
Aurora yang diperhatikan pada malam Krismas pada tahun 2022 adalah licin, meresap dan bersaiz gergasi. Ia tidak kelihatan seperti aurora biasa oleh itu ia dianggap sebagai aurora hujan kutub. Untuk mengesahkan ini, penyelidik menyiasat perkara ini menggunakan data berasaskan satelit dan berasaskan darat.
Imej satelit menunjukkan bahawa kawasan penutup kutub adalah kosong sepenuhnya pada mulanya. Tudung kutub mula dipenuhi dengan aurora meresap samar pada 25th Disember. Selepas itu, hampir keseluruhan kawasan penutup kutub tidak lama lagi diliputi oleh pelepasan yang sengit tetapi kurang berstruktur. Pengisian besar-besaran penutup kutub oleh aurora meresap ini berterusan selama kira-kira 28 jam. Pelepasan sengit di dalam topi kutub mula pudar pada 26 pagith Disember dan dalam beberapa jam, struktur aurora telah kembali kepada taburan normal dan topi kutub kosong semula.
Kerpasan elektron hujan kutub biasanya berlaku hanya dalam satu hemisfera bergantung pada orientasi medan magnet antara planet (IMF). Imej satelit serentak menunjukkan pengisian lengkap penutup kutub di Hemisfera Utara manakala penutup kutub Hemisfera Selatan kosong. Asimetri interhemisfera yang diperhatikan ini dan orientasi jangkaan IMF sangat mencadangkan bahawa aurora berskala besar yang dikesan di dalam topi kutub Hemisfera Utara adalah aurora hujan kutub. Asimetri interhemisfera juga dilihat dalam data elektron. Juga, korelasi antara masa kehilangan angin suria dan pengisian penutup kutub adalah sangat baik.
Pengukuran optik dari kemudahan berasaskan tanah di bandar Artic Longyearbyen pada 25th -26th Disember menunjukkan bahawa elektron tenaga tinggi (>1 keV) membentuk komponen utama pemendakan elektron. Kemasukan elektron tenaga tinggi juga diperhatikan oleh satelit. Akibatnya, aurora kelihatan dari tanah sebagai pancaran kehijauan terang.
Dalam kajian terdahulu, telah ditunjukkan bahawa aurora hujan kutub bergerak anti-matahari pada 150 meter/saat. Dalam kes aurora atipikal yang dilihat pada malam Krismas 2022, analisis data optik keratan rentas menunjukkan bahawa aurora merambat dalam arah anti-matahari namun kelajuan aurora yang dilihat dari tanah adalah dua hingga tiga kali lebih pantas.
Oleh itu, aurora seragam gergasi yang kelihatan dari tanah pada malam Krismas pada tahun 2022 adalah aurora hujan kutub. Ini adalah pemerhatian berasaskan darat pertama aurora hujan kutub, aspek unik sambungan Matahari-Bumi yang kompleks.
***
Rujukan:
- Hosokawa, K. et al 2024. Aurora yang sangat besar dalam penutup kutub pada hari apabila angin suria hampir hilang. KEMAJUAN SAINS. 21 Jun 2024. Vol 10, Isu 25. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5276
- SWPC, NOAA. Aurora. Boleh didapati di https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/aurora
***
