Dlaczego niektóre Perseidy zostawiają na niebie smugę? Wyjaśniamy

konto.spidersweb.pl 2 godzin temu

Perseid znika po sekundzie, ale jego smuga może świecić jeszcze przez bardzo długo. Wyjaśniamy, co wtedy widzimy i dlaczego nie każdy meteor ją zostawia.

Perseid potrafi przeciąć niebo dosłownie w ułamku sekundy i zniknąć, jeszcze zanim zdążymy zareagować. Czasem jednak po jasnym meteorze zostaje cienka świetlista kreska. Nie znika ona razem z nim, ale przez kolejne sekundy, a niekiedy minuty, powoli blednie, rozszerza się i zaczyna wyginać. Wygląda trochę jak dym po fajerwerku, ale to porównanie gwałtownie prowadzi na manowce. To, co obserwujemy, może być przez cały czas świecącym śladem procesów uruchomionych kilkadziesiąt kilometrów nad naszymi głowami.

Perseid zniknął, a kreska przez cały czas jest

Najpierw trzeba rozdzielić tutaj kilka zjawisk, które na zdjęciu mogą wyglądać niemal identycznie, ale są w rzeczywistości zupełnie czymś innym.

Jasny meteor pozostawia za sobą świetlny tor już podczas przelotu. o ile w tym momencie fotografujemy niebo z długim czasem naświetlania, to aparat zapisze bardzo krótki błysk jako długą kreskę. Nie oznacza to jednak, iż taka linia wisiała na niebie przez kilkanaście sekund. Matryca po prostu zbierała światło podczas całej ekspozycji.

Znacznie ciekawszy jest jednak przypadek, w którym meteor już zgasł, a jego ślad wciąż pozostaje widoczny gołym okiem. Takie zjawisko określa się jako meteor train, a szczególnie długo utrzymujący się ślad jako trwały ślad meteorowy. Chodzi o światło lub jonizację pozostawione wzdłuż wcześniejszej trajektorii meteoru już po jego przelocie. Nie jest to więc ogon ciągnący się za wciąż lecącym kawałkiem skały. Źródło meteoru może już nie świecić, a atmosfera przez cały czas pokazuje, którędy przeleciało.

Jest też trzecia możliwość: rzeczywisty pył pozostawiony po przelocie. Taki ślad nie musi wytwarzać własnego światła. Może natomiast stać się widoczny, gdy pada na niego światło Słońca. Właśnie dlatego dwie smugi po meteorze mogą wyglądać podobnie, choć fizycznie są czymś zupełnie innym. Trwały ślad meteorowy świeci sam dzięki procesom zachodzącym w gazie, natomiast pyłowy ślad możemy zobaczyć dzięki rozpraszaniu światła.

Perseidy wpadają w atmosferę z prędkością około 59 km/s

Perseidy zawdzięczamy komecie 109P/Swift-Tuttle. Gdy przemierza ona swoją orbitę, pozostawia po sobie drobiny, a Ziemia każdego roku przechodzi przez rozciągnięty w przestrzeni strumień tego materiału. Cząstki wpadające wtedy w atmosferę poruszają się z prędkością około 59 km/s, czyli ponad 200 tys. km/h. To jeden z powodów, dla których Perseidy należą do tak efektownych rojów i często pozostawiają za sobą wyraźne smugi światła i koloru.

Popularne jest stwierdzenie, iż meteor po prostu pali się od tarcia o powietrze. Jest ono jednak bardzo mocno uproszczone. Przy takich prędkościach sytuacja jest znacznie bardziej brutalna. Gaz przed meteoroidem zostaje gwałtownie sprężony, dochodzi do intensywnych zderzeń cząstek, a powierzchnia drobiny zaczyna tracić materiał w procesie ablacji. Atomy uwolnione z meteoroidu oraz składniki atmosfery są wzbudzane i jonizowane.

To szalenie istotne, bo spadająca gwiazda nie jest po prostu zwykłym, rozgrzanym kamyczkiem, który obserwujemy z ogromnej odległości. Wiele z tego, co widzimy, to świecący gaz oraz materiał uwolniony z meteoroidu wzdłuż jego drogi przez atmosferę. Pozostaje po nim bardzo wąski kanał o adekwatnościach zupełnie innych niż otaczające powietrze. I właśnie ten kanał odpowiada za to, iż widowisko czasem trwa dłużej niż sam meteor.

Meteor przeleciał. Atmosfera wciąż pamięta, iż tu był

Perseid pokonuje obserwowany przez nas fragment swojej drogi błyskawicznie, ale pozostawia za sobą elektrony, jony, wzbudzone atomy atmosferyczne i materiał pochodzący z rozpadającej się drobiny. Nie wszystko wraca do zwykłego stanu dokładnie w chwili, gdy meteor znika nam z oczu.

Pierwszy etap świecenia pozostałego śladu jest bardzo krótki. Wzbudzone podczas przelotu atomy oddają energię, emitując światło. Taka poświata po meteorze może utrzymywać się choćby przez kilka sekund. W jego widmie mogą być widoczne m.in. atomy sodu, magnezu, potasu, wapnia, chromu, manganu i żelaza, a także emisja tlenu atmosferycznego.

Później coraz większą rolę zaczynają odgrywać procesy rekombinacji. Jony i elektrony ponownie się łączą, a część uwalnianej przy tym energii także może pojawić się w postaci promieniowania. Ten etap może trwać dziesiątki sekund.

Najbardziej fascynujące zaczyna się jednak dopiero później. Smuga potrafi przez cały czas być widoczna, choć bardzo gorące środowisko powstałe bezpośrednio po przelocie meteoru zdążyło już mocno ostygnąć. Nie patrzymy więc przez kilka minut na rozgrzany tunel powietrza. W grę zaczyna wchodzić po prostu chemia.

To nie dym. Smuga może wytwarzać własne światło

Kluczowym pojęciem jest tu chemiluminescencja. Reakcja chemiczna uwalnia energię, a część tej energii opuszcza układ w postaci światła. Meteoroid podczas ablacji wprowadza do górnej atmosfery atomy różnych metali. Atmosfera zapewnia natomiast własny zestaw reagentów. Szczególne znaczenie mają znajdujące się tam tlen atomowy i ozon.

Dobrym przykładem jest tutaj żelazo. Może ono reagować z ozonem, tworząc wzbudzony tlenek żelaza, czyli FeO. W trakcie przechodzenia do niższego stanu energetycznego pojawia się charakterystyczna szeroka emisja obejmująca pomarańczową część widma. FeO jest jednym z najważniejszych kandydatów odpowiadających za światło w późnej fazie trwałych śladów meteorowych.

Żelazo nie działa jednak tam samotnie. W widmach takich smug obserwuje się m.in. sód, magnez, wapń, tlen oraz różne składniki cząsteczkowe. Szczególnie charakterystyczne są linie sodu w okolicach 589 nm. W tym przypadku też nie chodzi jedynie o atom, który został rozgrzany i po chwili zgasł. Reakcje sodu z ozonem i tlenem atomowym mogą tworzyć cały cykl chemiczny prowadzący do dalszej emisji.

Po przelocie Perseida na krótko powstaje więc coś w rodzaju niezwykle cienkiego laboratorium rozciągniętego na dziesiątki kilometrów w górnej atmosferze. Nie znaczy to, iż każdy szczegół został już rozwiązany. Skład światła zmienia się wraz z kolejnymi etapami życia smugi, a udział poszczególnych związków może być różny w zależności od meteoru. FeO ma mocne podstawy obserwacyjne, ale nie odpowiada sam za całą emisję. Badania przez cały czas próbują ustalić, jakie dokładnie procesy dominują w najbardziej długotrwałej fazie zjawiska.

Dlaczego więc tylko niektóre Perseidy zostawiają trwałą smugę?

Dlaczego zatem niektóre Perseidy zostawiają trwałą smugę? Nasza intuicja podpowiada, iż są one po prostu największe i najjaśniejsze. Faktycznie bardzo jasny meteor ma większą szansę stworzyć ślad, który dostrzeżemy bez specjalistycznej kamery. Okazuje się jednak, iż samo stwierdzenie, iż im jaśniejszy, tym lepiej nie wystarcza.

W szeroko zakrojonym badaniu przeanalizowano aż 4726 meteorów, które zostały jednocześnie zarejestrowane przez kamerę przeznaczoną do poszukiwania trwałych śladów meteorowych oraz Global Meteor Network. W 636 przypadkach wykryto pozostający po meteorze ślad. I pojawiła się niespodzianka: trwałe smugi zostawiała także spora grupa meteorów stosunkowo słabych i wolnych. Nie znaleziono prostego progu jasności, po którego przekroczeniu meteor zaczyna automatycznie produkować trwały ślad meteorowy. Znacznie ważniejszy okazał się inny parametr: wysokość, na której meteor kończył świecić.

W analizowanym zbiorze obiekty kończące zjawisko powyżej około 93,5 km rzadko pozostawiały obserwowalne trwały ślad meteorowy Same trwałe smugi pojawiały się w znacznie węższym zakresie wysokości niż ogólna populacja meteorów. Co ciekawe, obszar ten dobrze pokrywa się z występującym nocą w górnej mezosferze lokalnym maksimum koncentracji ozonu w okolicach 90 km.

I nagle ta cała chemia zaczyna układać się tutaj w całość. Nie wystarczy dostarczyć atomów metali. Trzeba jeszcze dostarczyć je do warstwy atmosfery, w której istnieją odpowiednie warunki i reagenty, aby podtrzymywać kolejne reakcje.

Na szansę powstania trwałego śladu wpływają więc jednocześnie masa meteoroidu, jego prędkość, kąt wejścia, skład, wytrzymałość, sposób fragmentacji i wysokość, na której traci materiał. W analizie statystycznej wysokość końcowa okazała się zdecydowanie ważniejszym predyktorem wystąpienia smugi po meteorze niż sama jasność czy średnia prędkość meteoru.

Paradoks szybkiego Perseida

To wszystko prowadzi do dość zaskakującego wniosku. Perseidy poruszają się bardzo szybko, a mimo to duża prędkość sama w sobie nie gwarantuje długiej smugi.

Niewielka, bardzo szybka drobina może zacząć gwałtownie tracić materiał już bardzo wysoko i zgasnąć, zanim w ogóle dotrze do warstwy szczególnie korzystnej dla rozwoju smug po meteorze. Większa albo bardziej odporna cząstka może zejść głębiej i dostarczyć materiał dokładnie tam, gdzie chemia atmosfery sprzyja dalszemu świeceniu.

W badanym zbiorze wolniejsze meteory miały choćby większy udział trwałych śladów niż szybsze. Jednym z wyjaśnień jest właśnie to, iż łatwiej docierały do odpowiedniego zakresu wysokości. Autorzy zwracają przy tym uwagę, iż rzeczywista widoczność smug zależy również od czułości kamery, jasności nieba czy zachmurzenia, więc nie należy traktować obserwowanej częstości jako uniwersalnej wartości dla ludzkiego oka.

Czyli można trafić na bardzo jasnego Perseida, który zgaśnie niemal bez śladu, a innym razem mniej spektakularny meteor pozostawi po sobie coś widocznego jeszcze długo po przelocie.

Smuga była prosta, a po chwili wygląda jak wąż

Długotrwała smuga po meteorze ma jeszcze jedną adekwatność, dzięki której łatwo odróżnić ją od zwykłej kreski utrwalonej na pojedynczym zdjęciu. jeżeli pozostaje widoczny odpowiednio długo, zaczyna się zmieniać. Początkowo prosty ślad może się rozszerzać, wyginać, miejscami tworzyć fale, łuki, a choćby skomplikowane pętle. Nie oznacza to oczywiście, iż Perseid zakręcał podczas lotu. Meteor dawno już zniknął. To atmosfera przesuwa jego ślad.

Na wysokości około 90 km powietrze jest bardzo rozrzedzone, ale nie jest nieruchome. Warstwy znajdujące się na nieco różnych wysokościach mogą przemieszczać się z innymi prędkościami, a choćby w innych kierunkach. Jedna część świetlistej kreski zaczyna więc uciekać w jedną stronę, druga w inną, a pierwotnie prosty kanał zostaje rozciągnięty i poskręcany.

W jednym szczegółowo obserwowanym przypadku jasnego Perseida ruch poziomy poszczególnych części jego trwałej smugi odpowiadał prędkościom od około 27 do 81 m/s, zależnie od miejsca i momentu pomiaru. Zarejestrowano również pionowe przemieszczanie się śladu.

Niektóre smugi znikają po sekundach. Inne potrafią zostać na długo

Nie istnieje jedna typowa długość życia smugi po meteorze. Początkowe świecenie może zniknąć po kilku sekundach. Kolejne procesy potrafią podtrzymać widoczność śladu przez dziesiątki sekund, a trwały ślad meteorowy mogą utrzymywać się przez wiele minut.

W wyjątkowych przypadkach obserwowano je choćby około godziny lub dłużej. W jednym z przykładów udokumentowanych podczas wieloletnich obserwacji smuga pozostawała wykrywalna co najmniej 22 minuty, po czym została wyniesiona poza pole widzenia kamery. Nie wiadomo więc nawet, jak długo świeciła w rzeczywistości.

To ogromna różnica skali. Sam meteor może być dla nas zdarzeniem trwającym sekundę, a zmiany, które wywołał wysoko w atmosferze, pozostają obserwowalne setki razy dłużej. Z czasem smuga blednie. Materiał meteoryczny rozprasza się, związki chemiczne są zużywane, świeże powietrze miesza się z kanałem, a wiatr rozciąga całość na coraz większej powierzchni. W końcu emisja staje się zbyt słaba, by odróżnić ją od nocnego nieba.

To sprawia, iż pozostałość po meteorze jest dla badaczy czymś więcej, niż tylko ładnym dodatkiem do zdjęcia. Jej deformację można wykorzystać do obserwowania dynamiki górnych warstw atmosfery. Perseid potrafi na kilka minut narysować nam wiatr, którego normalnie w ogóle nie widzimy.

Zielony Perseid nie musi być z magnezu

Przy okazji warto rozprawić się z jeszcze jednym bardzo kuszącym uproszczeniem. W internecie łatwo znaleźć kolorowe ściągawki sugerujące, iż wystarczy spojrzeć na barwę meteoru, żeby natychmiast powiedzieć, z czego był zbudowany. Rzeczywistość jest znacznie mniej spektakularna.

W świetle meteoru i jego późniejszej smugi nakładają się emisje materiału meteoroidu oraz ziemskiej atmosfery. W pierwszej fazie widoczne mogą być linie sodu, magnezu, żelaza, wapnia i innych metali, ale jednocześnie świecą też składniki atmosferyczne. Zielona linia tlenu o długości fali 557,7 nm może pojawiać się właśnie dzięki wzbudzonym atomom tlenu obecnym w atmosferze. W późniejszych fazach zwiększa się znaczenie emisji cząsteczkowej, w tym wspomnianego tlenku żelaza.

Do tego dochodzi sposób, w jaki barwy rejestruje aparat, czułość naszego oka, jasność zjawiska i warunki obserwacji. Kolor jest więc ciekawą informacją, ale nie daje podstaw, żeby po sekundowym zielonym błysku oznajmić, iż ten Perseid był z magnezu. Do porządnej odpowiedzi potrzebne jest widmo, a nie tylko nasze wrażenie kolorystyczne.

Zobaczysz jasnego Perseida? Nie odrywaj od razu wzroku

Podczas maksimum roju łatwo zrobić dokładnie odwrotnie. Meteor znika, więc natychmiast przenosimy wzrok w inny fragment nieba i czekamy na następny. Po wyjątkowo jasnym Perseidzie warto zostać przy tym samym miejscu jeszcze przez chwilę.

Jeżeli powstał trwały ślad meteorowy, to można zobaczyć, jak początkowo cienka kreska stopniowo blednie i się rozszerza. Przy dłuższym śladzie zaczynają być widoczne deformacje wywoływane przez ruch atmosfery. o ile mamy pod ręką telefon lub aparat, seria zdjęć wykonanych w odstępie kilkunastu czy kilkudziesięciu sekund może pokazać coś, czego nie widać na pojedynczym ujęciu: ewolucję całej struktury.

Zobacz także:

A jeżeli sam meteor był wyjątkowo jasny, warto dodatkowo zapamiętać dokładny czas, kierunek lotu i miejsce obserwacji. Taka relacja może przydać się również przy zgłoszeniu bolidu do międzynarodowej bazy obserwacji.

Nie każdy Perseid zostawi po sobie trwałą smugę i choćby bardzo jasny meteor nie daje takiej gwarancji. Właśnie to jest w tym zjawisku najciekawsze. O tym, czy po sekundowym błysku zostanie coś na dłużej, decyduje spotkanie konkretnej drobiny z konkretną warstwą ziemskiej atmosfery.

Sam Perseid może zniknąć, zanim dobrze zdążymy mu się przyjrzeć. Jego ślad potrafi jednak zostać wystarczająco długo, by odsłonić przed nami coś zupełnie innego: chemię i ruch powietrza około 90 km nad naszymi głowami.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Mordolff, Getty Images Signature, Canva Pro

Idź do oryginalnego materiału