• Předehra
• Presto con fuoco
• Largo grazioso
• Intermezzo
• Lento maestoso
• Grave
• Přídavek
• Rozbor díla (co tím chtěl autor říci)

I když sleduji dění na Slunci prostřednictvím Internetu dost pravidelně, erupce 18. listopadu unikla mé pozornosti. Toho dne zaznamenaly koronografy kosmické sondy SOHO obrovský koronální výron hmoty - CME (Coronal Mass Ejection). Na animaci z koronografu C3 je patrné, že vyvržený oblak plazmatu se rozlétl do všech směrů, což bylo neklamnou známkou toho, že míří směrem k Zemi. Cesta takového oblaku k Zemi trvá většinou kolem dvou dnů. 20. listopadu 2003 zaznamenává příchod oblaku kosmická sonda ACE (žlutý graf udává rychlost slunečního větru). Oblak je v tomto okamžiku už jen jeden milion kilometrů od Země. Při rychlosti 800 km/s je to k Zemi už jen kousek a k její magnetosféře ještě blíž. Za normálních okolností magnetické pole Země připomíná magnetické pole tyčového magnetu, jehož severní, resp. jižní pól se nachází v místech magnetických pólů Země. Magnetické pole Země nedovolí elektricky nabitým částicím slunečního větru, aby se pohybovaly v okolí Země libovolným směrem. Nabité částice se pohybují po šroubovicích podél siločar a jsou svedeny do oblasti obou zemských pólů. Tam interagují s atomy a molekulami zemské atmosféry a kolem pólů vznikne svítící prstenec polárních září nazývaný v angličtině auroral oval. Tento prstenec je za normálních okolností daleko na severu a je pro nás neviditelný. Pokud bychom se nacházeli třeba na 65° severní šířky, viděli bychom oblohu s polární září častěji než oblohu bez záře. Pokud ovšem dorazí k zemi oblak plazmatu vyvržený ze Slunce, magnetické pole Země se poruší. Projeví se to výrazným rozšířením svítícího prstence směrem k nižším zeměpisným šířkám. Magnetické pole pak již netvoří nepropustný štít proti slunečnímu větru a polární záře se může objevit u nás, v Itálii a nebo dokonce na Sahaře. 20. listopadu 2003 kolem 18. hodiny našeho času svítí již prstenec velmi intenzivně a zasahuje podstatně nižší zeměpisné šířky než normálně.

Pozn.
Dosud se nepodařilo uspokojivě objasnit výbuch, který nastal 12. května roku 1891 v Liptákově. Někteří badatelé soudí, že by mohl souviset s dílem hudebního génia Járy Cimrmana, které on sám ve svých poznámkách nazývá pouze poněkud nejasnou zkratkou CME (asi Cimrmanova Monumentální ..., písmeno E se nepodařilo zatím objasnit). Z tohoto díla se zachoval pouze ohořelý fragment z předehry, na kterém jsou čitelné pouze dva takty a ty naneštěstí obsahují pomlku.

Largo grazioso

Obr. 1-10.   Pohled na sever, 19:06 SEČ, objektiv Pentacon 2.8/29mm, expozice 40 s.

Je asi 19 hodin, stojím společně s oběma dcerami na poli kousek od medláneckého letiště. Je úplně jasno a jen nepatrná mlha. Na listopad je to docela velké štěstí. Polární záře má chladně zelenou barvu a intenzitu, kterou jsem ještě nikdy neviděl. Od severozápadu k severovýchodu se nad obzorem táhne nevýrazný pruh a obloha až k zenitu svítí slabým difuzním světlem. Je možné, že obloha svítí i za zenitem směrem na jih, ale to nemohu posoudit, protože tam svítící Brno spolu s jemnou mlhou nedává záři žádnou šanci. Je to sice polární záře velmi intenzivní, ale jsem zatím přece jen trochu zklamán. Mám v živé paměti polární záři viditelnou u nás v noci z 6. na 7. dubna 2000. Nebyla sice tak intenzivní, ale byla krásně barevná a vytvářela na obloze rychle se měnící struktury. Tato záře se chvílemi projevovala jen jako zelené rozptýlené světlo s maximální intenzitou nad severním obzorem.

Zelená barva je v polárních zářích nejčastější a je způsobena spektrální čárou atomárního kyslíku o vlnové délce 557,7 nm. Světlo této vlnové délky vzniká přeskokem valenčního elektronu kyslíku z druhé na první energetickou hladinu. Tato zelená záře se nachází ve výšce asi tak 90 - 150 km nad zemským povrchem. Níže je plyn příliš hustý a atomy excitované vysokoenergetickými částicemi slunečního větru (nejčastěji elektrony) by nezářily, neboť by s vysokou pravděpodobností ztratily energii srážkou s jiným atomem dříve, něž by ji stačily vyzářit. Střední doba, po kterou zůstává atom kyslíku v excitovaném stavu, je v tomto případě asi 0,7 sekundy. Po dobu excitace se nesmí srazit s jiným atomem či molekulou. Je zde ještě jeden důvod, proč polární záře mají nejčastěji převážně zelenou barvu. Lidské oko má maximum své citlivosti na 555 nm, tedy téměř přesně ve zmíněné spektrální čáře.

Asi v 19:15 se situace začíná měnit. Na severozápadě a později i na severu se objevuje červená záře. I za tuto výrazně sytě červenou záři je převážně zodpovědný atomární kyslík. Tentokrát spektrální čára 630,0 nm. Světlo této vlnové délky vzniká přeskokem valenčního elektronu kyslíku z první hladiny do základního stavu. Střední doba, po kterou zůstává atom kyslíku v excitovaném stavu, je v tomto případě neuvěřitelně dlouhá, a to asi 110 sekund. Aby se atom kyslíku s vysokou pravděpodobností za tak dlouho s ničím nesrazil, vyžaduje to, aby byl plyn extrémně řídký. Červená záře se tedy vyskytuje výše než záře zelená, a to ve výškách 150 - 400 km nad zemským povrchem.

Pohled na oblohu přesně odpovídá teorii. Polární záře se nachází na sever od nás, díváme se na ni tedy z boku a červená záře by tudíž měla být vidět na obloze výše než záře zelená. A ona skutečně je. Tyto fyzikální úvahy umožní člověku, aby nechápal polární záři jen jako obrázek "namalovaný na nebeské sféře", ale aby pochopil její trojrozměrnou strukturu. Pak je z toho samozřejmě fantastický požitek.

Obr. 1-15/16.   Panoramatický snímek zachycující horizontálně asi 110° vznikl složením dvou snímků pořízených v čase 19:15 až 19:16 SEČ. Sever se nachází poněkud vpravo od středu obrázku. Objektiv Pentacon 2.8/29mm, expozice 20-30 s.

Já i moje dvě dcery Hana a Zdena se většinu doby díváme na sever. Má to své racionální důvody. Jsme na severní polokouli, takže polární záře, kterou vidíme, by měla tvořit prstenec kolem severního magnetického pólu, který leží většinou na sever od nás. Navíc na jihu, východě a částečně i na západě intenzivně svítí Brno. Přesto si asi v 19:28 všímáme červené záře nad východním obzorem, která leží pod hvězdokupou Plejády. Vlevo od ní začíná slabý zelený pruh, který prochází zenitem a končí na západě. Polární záře je vidět, i když brněnská čtvrť Královo Pole intenzivně osvětluje východní obzor.

Obr. 1-29.   Pohled na východ, čas 19:28 SEČ, expozice 30 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. Na obrázku je dobře vidět otevřená hvězdokupa Plejády.

V 19:31 nastává zřejmě vrcholný okamžik pozorování z mého prvního pozorovacího stanoviště. Na SSZ se objevuje červená záře a v ní několik paprsků. Ten nejsevernější je zatím nejvýraznější strukturou, kterou jsem toho večera viděl.

Obr. 1-31.   Pohled na sever, čas 19:31 SEČ, expozice 30 s, objektiv Flektogon 2.8/20mm. Na obrázku je dobře vidět Velký vůz.

Červená záře začíná postupně slábnout a kolem 20. hodiny mizí zcela. Severní obzor svítí jen intenzivním zeleným světlem. Začínají potíže. Rosí se mi objektivy a po chvíli přichází mlha. Zpočátku je sice mírná, ale vše nasvědčuje tomu, že podmínky se budou rychle zhoršovat. Pokud se nepřemístím, moc toho již zřejmě neuvidím.

Obr. 2-08.   Pohled na sever, čas 20:02 SEČ, expozice 35 s, objektiv Flektogon 2.8/20mm. Na obrázku je dobře vidět vrstva mlhy, která se blíží ze severu.

Odvážím tedy dcery domů a já jedu znovu na hvězdárnu na Kraví hoře. Tam mlha asi ještě nebude, ale bude tam přesvětlená obloha, protože Kraví hora se nachází poblíž středu města. Moc si od přesunu neslibuji.

---

Intermezzo

Kolem 20:45 přijíždím na Kraví horu. Mlha tu skutečně není, ale na pouličním osvětlením zdevastované obloze není ani mohutná polární záře nic moc. Pořizuji náladový snímek s kopulí brněnské hvězdárny, nad kterou se táhne červený pruh. I na přesvětlené městské obloze je patrné, že severní část oblohy má zvláštní chladně zelenou barvu. Nad jihozápadním obzorem si všímám několika paprsků. Na severozápadě je slabá červená skvrna. Ona je asi ve skutečnosti možná docela intenzivní, ale chtělo by to tmu.

Obr. 2-11.   Brněnská hvězdárna, Kraví hora, čas asi 20:50 SEČ, expozice 40 s, objektiv Flektogon 2.8/20mm.

Je mi jasné, že musím pryč z města, a tak dělám riskantní rozhodnutí. Pojedu na Vysočinu na své oblíbené místo na kopci Stanovisko. Je to asi 30 km. Riskuji, že záře zatím skončí nebo že tam bude mlha. Moje žena právě skončila přednášku v sále planetária. Nasedáme do auta a vyrážíme. Cestou vysazuji ženu doma v Komíně a pokračuji přes Jinačovice, Kuřim, Čebín, Drásov a Všechovice. Již před Jinačovicemi vjíždím do husté mlhy. Vypadá to dost depresivně. Místy musím jet třicítkou, protože nic nevidím. Mlha začíná slábnout teprve po průjezdu Všechovicemi, když začínám stoupat na kopec Stanovisko. Jsem již skoro nahoře a před reflektory auta se stále převalují chuchvalce mlhy. Už mám skoro pocit, že jsem jel zbytečně, nakonec mám ale štěstí. Několik desítek výškových metrů pod mým pozorovacím místem mlha definitivně končí a je dokonale jasno.

---

Lento maestoso

Tato věta je díky své majestátnosti vrcholem celého koncertu pro sluneční vítr. Vyzařuje z ní klid. Pomalu se měnící motivy přímo hýří kompozičními nápady. Jsem strašně rád, že tuto větu jsem nezmeškal.

Je 22 hodin. Stojím kousek pod vrcholem kopce Stanovisko. Na místní poměry a měsíc listopad je dokonalá noc, nikde ani mráček. Jsem fascinován. Rozdíl oproti brněnské městské obloze je obrovský. Uvědomuji si triviální fakt, že pozorovat polární záři v Brně je asi tak stejné jako poslouchat komorní koncert ve zkušebně kvality ručních granátů za plného provozu.

Obr. 2-14.   Pohled na severovýchod, čas asi 22:00 SEČ, expozice 40 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. Vpravo nahoře je patrná slábnoucí difuzní skvrna, která dosáhla maxima jasu těsně před expozicí. Ke konci expozice již téměř zmizela.

Nejzajímavější se mi zatím jeví severovýchodní část oblohy a té věnují také své první snímky. Již po několika minutách si všímám zvláštních bílo-zelených skvrn. Tyto skvrny jsou vidět asi tak 20 sekund a rychle mizí. Nic podobného jsem zatím při předešlých polárních zářích, které jsem doposud viděl, nepozoroval.

Obr. 2-15.   Pohled na severoseverovýchod, čas asi 22:02 SEČ, expozice 30 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

Obr. 2-16.   Pohled na severovýchod, čas asi 22:05 SEČ, expozice 30 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. V pravé části obrázku se mi podařilo zachytit oválnou skvrnu v maximu její jasnosti. Skvrna byla vidět asi 20 až 30 sekund.

Obr. 2-18.   Pohled na severovýchod, čas asi 22:08 SEČ, expozice 40 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. Obrázek je sice pořízen z poněkud jiného místa než předešlý snímek, zachycuje však téměř tutéž část oblohy. Je patrné, že paprsky zůstaly po třech minutách téměř nezměněny, zatímco oválná skvrna již dávno zmizela.

Asi po deseti minutách pozorování, kdy nejzajímavější jevy se odehrávaly na severovýchodě, se začíná červená záře výrazně projevovat i na severu. Z počátku je tam vidět několik slabých paprsků, které postupně zesilují a zvětšuje se jejich počet. Je asi čtvrt na jedenáct a nad severním obzorem jsou krásné jemné červené záclony.

Obr. 2-19.   Pohled na severovýchod, čas asi 22:11 SEČ, expozice 30 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. Obrázek ukazuje pravý konec zeleného pásu nad severním obzorem.		Obr. 2-20.   Pohled na sever, čas asi 22:12 SEČ, expozice 40 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. Na obrázku je dobře vidět Velký vůz. Polárka je vlevo nahoře. Tmavší pruh dole je mlha v údolí.

Výrazné barevné paprsky se objevují i na severozápadě a chvílemi dokonce i v zenitu. Co do krásy a zajímavosti nabývá záře zřejmě svého vrcholu.

Obr. 2-22.   Pohled na severozápad, čas asi 22:13 SEČ, expozice 30 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

Obr. 2-23.   Pohled na severozápad, čas asi 22:14 SEČ, expozice 35 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

Obr. 2-25.   Pohled na severozápad, čas asi 22:16 SEČ, expozice 35 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

Obr. 2-26.   Pohled na severovýchod, čas asi 22:18 SEČ, expozice 35 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

Obr. 2-27.   Pohled na SVV, čas asi 22:20 SEČ, expozice 35 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. Snímek zachycuje nejintenzivnější strukturu záře, kterou jsem 20. listopadu 2003, viděl.

Obr. 2-28.   Pohled téměř do zenitu, čas asi 22:20 SEČ, expozice 25 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm. Na snímku je vidět otevřená hvězdokupa Plejády. Červená záře v pozadí paprsků byla natolik slabá, že jsem ji okem nepostřehl.

Obr. 2-29.   Pohled na severovýchod, čas asi 22:22 SEČ, expozice 35 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

Obr. 2-30.   Pohled na severovýchod, čas asi 22:27 SEČ, expozice 35 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

---

Grave

Po půl jedenácté začíná aktivita postupně klesat. Především ubylo červených míst a kolem jedenácté hodiny zůstal okem viditelný pouze zelený difuzní pruh táhnoucí se nad obzorem od severozápadu k severovýchodu. Začíná mi být pekelná zima, a proto na chvíli zalézám do auta. Ani tady to není o moc lepší. Řídká mlha velmi pomalu, ale trvale stoupá a již je jen kousek pode mnou.

Obr. 2-32.   Pohled na sever, čas asi 23:00 SEČ, expozice 1 min., objektiv Flektogon 2.8/20mm. Na snímku je nepřehlédnutelný Velký vůz. Vlevo dole v údolí je pruh husté přízemní mlhy a nad celým obzorem pruh jemné mlhy, která zatím naštěstí byla pode mnou. Jednominutová expozice již značně překonává to, co vidí lidské oko. Červená záře nad zeleným pásem nebyla okem viditelná.

Vše nasvědčuje tomu, že koncert pro sluneční vítr a nebeský orchestr pomalu končí. Končí ve velmi pomalém tempu a velmi jemnými tóny. Stále je však pohled na sever velice zvláštní.

---

Přídavek

Za chvíli bude půlnoc a já se rozhoduji, že to sbalím a vyrazím k domovu. Zelený pruh nad severním obzorem téměř zmizel a za chvíli tu stejně bude mlha. Pak si však všímám nápadné skvrny nad východním obzorem, která asi po 20 sekundách mizí. Další se objevuje v zenitu. Je to velmi zajímavé. Na první pohled se zdá, že období výrazné aktivity už skončilo, jenže skvrny, které mne překvapily již ihned po příjezdu na kopec Stanovisko, se objevují znovu. Objevují se vždy jen asi na 20 až 30 sekund, pak zmizí. Po několika minutách se objevují znovu přibližně na stejném místě. Asi desetiminutovým pozorováním jsem zjistil, že jejich výskyt se posouvá velmi pomalu z východu přes zenit na jihozápad. Teprve dodatečně doma jsem prohlédnutím vyvolaného negativu zjistil, že záře celkově zcela nezmizela. Na snímcích pořízených expozicí 20 sekund je jasně vidět, že obloha není zcela černá, ale červená.

Obr. 2-34.   Pohled na východ, čas asi 23:50 SEČ, expozice 20 s, objektiv Pentacon 2.8/29mm.

Je půlnoc, mlha se zvedla a začíná se přelévat přes vrchol kopce, na kterém stojím. Ještě chvíli čekám, ale je jasné, že zlepšení nenastane. Sedám do auta a sjíždím z kopce dolů. Postupně mlha houstne až do podoby, kterou jsem jako řidič snad ještě nezažil. O mimořádné hustotě mlhy svědčí to, že za mým 33 let starým Wartburgem více než půl hodiny vydrželo jet luxusní BMW. Pravděpodobnost takového jevu je rozhodně řádově nižší, než že v Brně bude jasná polární záře a je srovnatelná s pravděpodobností, že mne cestou do práce trefí meteorit.

---

Rozbor díla (co tím chtěl autor říci)

Při pozorování jsem si uvědomil, že polární záře, na kterou se dívám, se skládá ze čtyř stavebních prvků - struktur, které se výrazně liší vzhledem a hlavně dobou existence. Analýzou snímků, které jsem pořídil, se dá zjistit řada zajímavých věcí. Klíčem k jejich pochopení je rozklad barevných obrázků na červenou, zelenou a modrou složku.

Rozložíme takto obrázek 2-16, na kterém se mi podařilo zachytit najednou všechny čtyři stavební prvky polární záře, a pokusíme se je pochopit.

Snímek 2-16, který byl rozložen na červenou, zelenou a modrou složku (zleva doprava).

1. Zelený pás táhnoucí se horizontálně nad obzorem od severozápadu až na severovýchod.
   Tento pás postupně přecházel v difuzní zelenou záři, která postupně slábla se vzrůstající výškou nad obzorem. Pás byl viditelný po celou dobu mého pozorování záře. Měnil se jen velice pomalu. Tento pás byl zřejmě svítící prstenec kolem severního pólu, který se nacházel po celou dobu pozorování záře na sever od České republiky, jak je patrné z animace sestavené z dat družic NOAA 14,15,16,17. My jsme tento prstenec, který má maximum jasu asi ve výšce 140 km nad zemským povrchem, mohli vidět nízko nad obzorem. Jeho nejjasnější část mohla být skryta pod obzorem nebo výrazně zeslabena průchodem světla hustými vrstvami atmosféry. Za jeho zelenou barvu je zodpovědná převážně čára atomárního kyslíku na vlnové délce 557,7 nm, o které již byla výše řeč. Tuto zelenou barvu bych označil za sytě hráškově zelenou nebo skoro žluto-zelenou. Pohled na oblohu tomu však příliš neodpovídal. Okem se mi tato barva jevila jako nevýrazně bledě zelená. Oko samozřejmě nevidí při nízkých intenzitách správně barvy, a proto na tento dojem nelze příliš spoléhat. Analýzou obrázků se dá ale ukázat, že můj dojem byl zcela správný.

   	Zleva doprava: 557.7nm, 427.8nm, 557.7nm a 427.8nm v poměru 1:1, 557.7nm a 427.8nm v poměru 3:2

   Na obr. 2-16 rozloženém na jednotlivé barevné složky - červenou, zelenou a modrou - odpovídající jednotlivým citlivý vrstvám filmu je zelený pás (vlevo dole) sice nejjasnější na záznamu v zelenocitlivé vrstvě, ale je dobře patrný i na záznamu v modrocitlivé vrstvě. Pokud se podíváme na spektrální citlivosti vrstev použitého filmu Konica Centuria Super 1600, které jsem získal z materiálů poskytnutých výrobcem filmu, zjistíme, že záření o vlnové délce 557,7 nm nemůže vytvořit žádný záznam v modrocitlivé vrstvě filmu. I tento záznam má své vysvětlení. Obvykle třetí nejsilnější spektrální čárou ve spektrech polárních září, po zmíněných dvou čarách atomárního kyslíku, je čára dusíku na vlnové délce 427,8 nm. Její vznik je však poněkud jiný než u kyslíku. Nezáří totiž atom dusíku, ale jeho dvouatomová molekula, která ztratila jeden elektron, tj. N₂⁺. Srazí-li se molekula s elektronem slunečního větru o vysoké energii, může přijít o elektron. Při návratu do původního stavu dojde k vyzáření fotonu o vlnové délce 427,8 nm. Střední doba potřebná k návratu je pod 0,001 s. Proto může vznikat toto záření ještě níže (asi do 60 km), než zelené záření kyslíku. Nyní se pokusíme namíchat barvu, kterou má světlo skládající se z vlnových délek 557,7 nm a 427,8 nm. Vzhledem k tomu, že spektrální citlivost oka je přesně známa, stejně tak jako vlastnosti RGB složek počítačových monitorů, můžeme výslednou barvu namíchat téměř dokonale. Výsledek mne značně překvapil. Pokud bychom smíchali obě světla v poměru 1:1, dostaneme téměř dokonale šedou barvu, lidské oko by tedy nebylo schopné rozeznat směs těchto dvou světel od slunečního světla! Pokud zvětšíme podíl zelené čáry kyslíku, vznikne bledě zelená, přesně taková, jakou jsem viděl. Ještě jednu na první pohled nelogickou věc je nutné vysvětlit. Z výše uvedeného vyplývá, že nižší části pásu by měly obsahovat větší podíl modré čáry dusíku než části horní. Porovnáním zelené a modré složky snímku (je to dobře patrné i na barevném snímku) zjistíme, že je tomu přesně naopak. Vysvětlení je jednoduché. Zemská atmosféra účinně filtruje krátkovlnnou část viditelného spektra a nad obzorem prochází světlo po nejdelší dráze hustými vrstvami atmosféry. Modrá čára dusíku je tedy zeslabena daleko více než zelená čára kyslíku.

2. Slabá červená záře bez výrazné struktury nacházející ze nad zeleným pásem a sahající minimálně k zenitu.
   

   	630,0 nm

   Tato záře jednoznačně patří červené čáře kyslíku 630,0 nm. Jak již bylo vysvětleno výše, tato záře vzniká jen ve velmi vysokých výškách nad povrchem Země, asi nad 150 km, a může sahat velmi vysoko, snad až do výšek kolem 1000 km. Na obloze musí tedy ležet nad zeleným pásem a je jeho pokračováním směrem nahoru. Tato záře byla v zenitu často již tak slabá, že jsem ji okem neviděl. Na snímcích exponovaných již jen 20 sekund je ale velmi dobře patrná. Proč nejsou v této záři viditelné žádné výrazné struktury - je prostě rozmazaná, vysvětlím později. Pro ilustraci jsem, v rámci technickým možností, přesně nasimuloval na monitoru její barvu.

3. Výrazné paprsky červeno-oranžové barvy
   Barva těchto paprsků vzniká převážně složením dvou nejjasnějších spektrálních čar 557,7 nm a 630,0 nm patřících kyslíku. Tyto paprsky zřejmě vznikají tak, že v magnetickém štítu Země, který za normálních okolností nedovolí, aby pronikl sluneční vítr do vysoké atmosféry v našich zeměpisných šířkách, vznikne díra. Tou po jistou dobu může pronikat proud slunečního větru, který excituje atomy ve vysoké atmosféře, které pak září jako paprsek vyznačující na obloze tento proud. Při pohledu na rozložený snímek 2-16 je dobře patrné, že na červené složce snímku jsou paprsky zřetelně rozmazané v porovnání se zelenou i modrou složkou. Podstatně lépe je tato skutečnost patrná na snímku 2-28, který míří téměř do zenitu a paprsky jsou k pozorovateli tedy podstatně blíže. Následující obrázek ukazuje pro srovnání zelenou a červenou složku snímku 2-28.

   Snímek 2-28 rozložený na zelenou (vlevo) a červenou (vpravo) složku

   Rozmazání červeného obrazu v porovnání s obrazem zeleným lze vysvětlit takto: Atomy kyslíku se pohybují ve výškách 100 až 300 kilometrů nad zemským povrchem vysokými rychlostmi. Teplota se v těchto výškách může pohybovat asi tak v rozmezí 200 K - 1500 K (je velmi proměnlivá). Pokud se přidržíme spíše v dolní části tohoto intervalu, vyjde nám střední hodnota rychlosti atomu kyslíku asi tak 1 km/s. To jsem odvodil ze skutečnosti, že rozložení rychlostí částic v ideálním plynu má Maxwellovo-Boltzmanovo rozložení. Střední doba, po kterou zůstává atom kyslíku v excitovaném stavu, je pro zelenou čáru 557,7 nm asi 0,7 s. Budeme předpokládat, že zelená záře svítí přibližně ve výšce 130 km, což je teoreticky výška, kde by vyzařování mělo být maximální. V této výši zobrazuje snímek 2-28 obdélník o rozměrech 156 km horizontálně a 104 km vertikálně. Rozmazání obrázku v důsledku toho, že atomy jsou excitovány v jiném místě, než kde dojde k vyzáření fotonu, je tedy poměrně malé. Mírné rozmazání paprsku je způsobeno i tím, že během dvacetisekundové expozice se poloha paprsku mohla mírně změnit. Pro červenou čáru kyslíku 630,0 nm je situace velice rozdílná. Střední doba existence excitovaného stavu je 110 s. Při střední rychlosti kolem 1 km/s většina atomů vyzáří foton velice daleko od místa excitace. Maximum vyzařování kyslíku na 630,0 nm je asi ve výšce 260 km. Obrázek 2-28 v této výši reprezentuje obdélník a stranách 312 km a 208 km. Je tedy zřejmé, že atom kyslíku, který by náhodou letěl kolmo ke směru, kterým se díváme, a pohyboval by se střední rychlostí, kterou jsme odhadli, a vyzářil by foton právě po uplynutí střední hodnoty doby excitace, by přeletěl asi 1/3 horizontální délky obrazu. Proces vyzařování je nejjednodušší si představit po nějakém krátkém časové kroku, nejlépe 1 sekunda, a za předpokladu, že k excitaci došlo v jednom místě a u všech atomů současně. V první sekundě po excitaci zazáří 1/110 všech excitovaným atomů. Ve druhé sekundě zazáří opět 1/110 všech zbylých excitovaným atomů atd. Protože atomy se rozlétají do všech stran rychlostmi s Maxwellovým-Boltzmanovým rozložením se střední hodnotou rychlosti asi 1 km/s, vznikne postupně se rozšiřující zářící koule, jejíž jas postupně slábne. Ve skutečnosti nedojde k excitaci současně, ale proces excitace začne s objevením paprsku - otevřením díry, kterou proudí sluneční vítr. Po nějakou dobu proces excitace probíhá a skončí s uzavřením této díry. Zatímco zelené světlo se objeví téměř současně se vznikem paprsku a skončí s jeho zánikem, červené světlo se postupně rozsvěcuje a nějaké době nastane prakticky rovnovážný stav. Po zániku paprsku červená záře ještě nějakou dobu pohasíná. Paprsky na obrázku 2-28 se všechny zdánlivě sbíhají do jednoho bodu. Je to způsobeno perspektivou. Ve skutečnosti jsou téměř rovnoběžné. Je to stejný efekt, který způsobuje, že meteory z jednoho meteorického roje vylétají zdánlivě ze stejného místa na obloze - radiantu. Na první pohled je ale podivné, že jednotlivé paprsky na červeném snímku jakoby perspektivu ignorují. Paprsky by se měly postupně rozšiřovat a ve spodní části by měl být paprsek výrazně širší než části horní. Na obrázku jsou však paprsky po celé své délce téměř stejně široké. Je to tím, že v hustějších - nižších vrstvách atmosféry je vyšší pravděpodobnost de-excitace atomu srážkou z jiným atomem. Tím klesá pravděpodobnost, že se atomy dostanou daleko od místa excitace. Ve výšce kolem 160 km proto červená záře již téměř uhasne, neboť podstatná většina atomů kyslíku, jejichž valenční elektron se nachází na první energetické hladině, nestihne vyzářit foton. Zbývá ještě vysvětlit, proč na červeném snímku je kromě silně rozmazané stopy paprsku vidět slabě ostrý obraz paprsku téměř shodný se snímkem v zelené barvě. V červené části spektra leží kromě velmi výrazné čáry kyslíku 630,0 nm i několik slabších čar atomárního dusíku a někdy poměrně výrazná čára atomárního vodíku 656,3 nm (H-alpha, přeskok elektronu ze třetí na druhou energetickou hladinu). Kromě čáry kyslíku 630,0 nm mají všechny ostatní zmíněné spektrální čáry odpovídající střední dobu existence excitovaného stavu atomu výrazně pod jednou sekundou. Atomy tedy září s vysokou pravděpodobností blízko místa excitace a vytvoří poměrně ostrou stopu podobnou zelené stopě kyslíku 557,7 nm a navíc ležící přibližně ve stejné výšce.

4. Bílé nebo bílo-zelené skvrny
   Nejpodstatnější rysem těchto skvrn je jejich krátká životnost - kolem 20 sekund. Představuji si to tak, že obláček slunečního plazmatu pronikne nějakým zeslabeným místem v magnetickém štítu Země, zasvítí a pohasne. Není to tedy po jistou dobu kontinuální proces excitace jako u paprsků. Této představě celkem dobře odpovídá analýza snímků. Na rozloženém snímku 2-34 je patrné, že obláček je vidět jen v zelené a modré části spektra. V červené části ve vidět jen difuzní červená záře ve vysoké atmosféře popsaná již výše. Odpovídající červený obláček na vlnové délce 630,0 nm není vidět nikde na fotografiích ani jsem jej nepozoroval okem. Ve skutečnosti zřejmě existuje. Ale za krátkou dobu existence se nestačí červená záře rozzářit. Jak již bylo vysvětleno, dlouhá střední doba existence excitovaného stavu atomu kyslíku pro čáru 630,0 nm způsobí, že záření vzniklé excitací v jediném časovém okamžiku se vyzařuje postupně po velmi dlouhou dobu. Pokud tedy excitace není kontinuální, je záření velmi slabé.

   Snímek 2-34 rozložený na červenou (vlevo), zelenou (uprostřed) a modrou (vpravo) složku

Historická poznámka
V učebnicích fyziky se lze dočíst, že první, kdo správně vysvětlil podstatu polární záře, byl norský fyzik Kristian Birkeland. Bylo to v roce 1896. Méně známá je bohužel role českého vědce Járy Cimrmana. Když se v roce 1895 nad Liptákovem objevila jasná polární záře, zděšení obyvatelé zavolali hasiče v domnění, že hoří blízký les. Jára Cimrman okamžitě rozpoznal nebezpečí, jaké by hrozilo, kdyby někde současně s polární září hořelo doopravdy. Rozhodl se okamžitě jednat a poučit o polárních zářích místní občany. Použil k tomu svou, v té době již proslavenou techniku živých obrazů. V místní hospodě pověsil velké plátno, na které nakreslil siluetu Liptákova a nad ní udělal olejem na plátně několik průsvitných míst. Najatí spolupracovníci pak na povel v setmělém sále za plátnem zažehli lucerny opatřené některé červeným a jiné zase zeleným sklem. Průvan v místnosti pak lehce pohyboval plátnem a věrohodně simuloval vlnění polární záře na obloze. Do současnosti se dochovalo svědectví liptákovského rodáka Ferdinanda Vopičky, který svítil při všech přestaveních červenou lucernou. Trpce si stěžoval, že mu vždy před představením Cimrman dal navlhlé zápalky a jak v době, kdy jeho kolegové již svítili zelenými lucernami, po hospodě sháněl zápalky. Toto svědectví přesvědčivě vysvětlil až v nedávné době rakouský fyzik a velký znalec Cimrmanova díla Helmut Kukacka. Ověřil totiž, že střední doba shánění zápalek v průměrně zakouřené hospodě je něco málo pod dvěma minutami. To je ve vynikající shodě s hodnotou 110 sekund, což je střední hodnota doby, po které vyzáří excitovaný atom kyslíku červené světlo. Navlhlé zápalky nebyly tedy důsledkem Cimrmanovy škodolibosti, ale jeho vytříbeného smyslu pro detail, což fyzikálně nevzdělaný podučitel dějepisu Ferdinand Vopička zjevně pochopit nemohl.

Trochu technických dat na konec

Pokud se ve vašem prohlížeči nezobrazila animace ve formátu MNG v části Předehra, zde je návod jak tento problém snadno odstranit.