Jak fotografować zorzę polarną?
Jak fotografować zorzę polarną?
Fotografia to sztuka, która pozwala nam uchwycić i uwiecznić ulotne momenty piękna, jakie oferuje nam natura. Wśród nich zorza polarna, znana również jako Aurora Borealis, wyróżnia się jako jedno z najbardziej zachwycających widowisk. W niniejszym wstępie zagłębimy się w fascynujący świat fotografowania tych eterycznych świateł tańczących na niebie w okolicach biegunów.
Uchwycenie zorzy polarnej na zdjęciu to nie lada wyzwanie. Wymaga to połączenia wiedzy technicznej, odpowiedniego sprzętu i odrobiny szczęścia. W tym artykule przewodnik po różnych technikach, sprzęcie i ustawieniach niezbędnych do osiągnięcia oszałamiających fotografii tego naturalnego zjawiska.
Obiektyw Samyang 24 mm, f/2, Nikon D810A, 8 sekund, ISO 1600. Islandia, październik 2018. Foto: Marek Substyk.
Zorza polarna, znana również jako Aurora Borealis na północy i Aurora Australis na południu, to jedno z najbardziej spektakularnych naturalnych zjawisk na naszej planecie. To magiczne, niemal niewiarygodne widowisko, które przyciąga miłośników natury i fotografów z całego świata.
Zorza polarna może przyjmować różne formy - od delikatnych, prawie niewidocznych smug światła, po spektakularne, dynamiczne zasłony, które wypełniają całe niebo. Kolory zorzy polarnej mogą się różnić w zależności od typu cząstek atmosferycznych, z którymi zderzają się cząstki słoneczne.
Aby dobrze sfotografować zorzę polarną, należy użyć aparatu typu lustrzanka czy bezlusterkowiec oraz jasnego obiektywu. Wykorzystujemy stabilny statyw, pilot bezprzewodowy lub wężyk programowalny oraz grzałkę, jeżeli miejsce obserwacji będzie wilgotne. Marka aparatu nie ma dużego znaczenia, jednak tak jak w przypadku astrofotografii, ważne jest aby pojedynczy piksel na matrycy był jak największy. Zasada mniej szumów przy dużym pikselu tutaj też obowiązuje.
Zacznijmy więc od sprzętu
Co musimy posiadać, aby skutecznie i z odpowiednią jakością wykonać dobre zdjęcie zorzy polarnej?
W teorii można powiedzieć, że wystarczy nawet smartfon, mocowanie i statyw. I tak i nie. Wyjść wyjdzie, ale co do jakości będziemy mieć dużo zastrzeżeń. Nie polecam takiego rozwiązania.
Co więc musimy posiadać?
● aparat typu lustrzanka czy bezlusterkowiec;
● jasny obiektyw o ogniskowej od 15 do 24 mm i jasności najlepiej w przedziale od f/1,2 do f/1,8. Jeżeli nie spełniamy tych warunków nic się nie stanie
● w miarę możliwe stabilny statyw fotograficzny z głowicą kulową;
● pilot zdalnego wyzwalania lub programowalny;
● zapasowa bateria;
Aby dobrze zrozumieć zależność pomiędzy czasem ekspozycji, przesłoną (światłosiłą) a czułością ISO, musimy wiedzieć jak poszczególne wartości oddziałowują na siebie wzajemnie.
Wyobraź sobie, że fotografujesz zorzę polarną aparatem z obiektywem o jasności f/2,8, przy czułości ISO 800 z czasem naświetlania 5 sekund.
Zmieniając obiektyw z f/2,8 na f/2, skracasz czas naświetlania o połowę i ten sam efekt osiągniesz po zaledwie 2,5 sekundzie. W drugą stronę. Jeśli zastosujesz ciemniejszy obiektyw o światłosile f/4, wydłużysz czas naświetlania o 2 razy do wartości 10 sekund.
Jednocześnie można zauważyć, że zwiększenie czułości ISO z 800 do 1600, skraca czas naświetlania o połowę.
Sprawdź w tabeli zależność w stosunku do zmiany obiektywu z światłosiłą f/2,8 na inny.
| 5", f/2,8, ISO 800 | czas dla przysłony | zmiana ISO 1600 |
|---|---|---|
| przesłona f/1,2 | 0,77 s | 0,38 s |
| przesłona f/1,4 | 1,30 s | 0,65 s |
| przesłona f/1,8 | 2 s | 1 s |
| przesłona f/2 | 2,5 s | 1,25 s |
| przesłona f/2,4 | 4 s | 2 s |
| przesłona f/2,8 | 5 s | 2,5 s |
| przesłona f/4 | 10 s | 5 s |
| przesłona f/5,6 | 20 s | 10 s |
| przesłona f/8 | 40 s | 20 s |
Najważniejsze ustawienia aparatu
● przełączamy aparat w tryb manualny (M);
● wyłączamy autofokus w obiektywie;
● wyłączamy stablilizację obiektywu i jeśli trzeba matrycy;
● wybieramy format zapisu plików RAW + ew. JPG - jeżeli go potrzebujemy lub do szybkiego podglądu na komputerze;
● wyłączamy dwie absolutnie nie potrzebną funkcję: D-Lighting, Auto Lighting Optimiser.
Ustawiamy ostrość na gwiazdach (o ile już są widoczne). Jeżeli nie, ostrość ustawiamy na jakiś dalekim obiekcie.
Zorza nie jest obiektem, który ma wyraźne zarysy kształtów i jeżeli nawet nie trafimy z ostrością, będzie to widać wyłącznie na gwiazdach. Jeżeli fotografujemy z obiektywem krótkoogniskowym, ustawienie ostrości nie powinno być problemem.
Fotografując zorzę, wykonywane będą pojedyncze różne ekspozycje z czasami do 15 sekund. Czas ten zależny jest od jasności zorzy, jasności obiektywu i ustawionej czułości ISO.
Trzeba zdobyć trochę doświadczenia, aby dobrać je prawidłowo. W obecnych czasach efekt naszej pojedynczej ekspozycji widzimy na wyświetlaczu bezpośrednio po wykonaniu ekspozycji, co ułatwi nam dokonywanie poprawek.
Każde ze zdjęć kadrujemy w dowolny, jednakże ciekawy sposób. Warto w kadrze zostawić trochę horyzontu, często nawet oświetlonego przez lampy czy Księżyc.
Nie bój się kadrów pionowych, jeśli wydaje Ci się, że lepiej wyjdzie zdjęcie.
W tle mogą znaleźć się inne obiekty. Mogą nim być samotne drzewka, skały.
W wielu przypadkach fotografowanie zorzy to szukanie odpowiedniego kadru i przechodzenie ze statywem po okolicznym terenie. Znakomite efekty pojawiają się w przypadku odbicia zorzy w tafli wody, jeziorze czy stawie. Może to też być odbicie do szyby samochodu czy też okna. Wykorzystaj wszystko co przyjdzie Ci do głowy.
Każde zdjęcie powinno zostać wykonane w tzw. "RAW", tak aby za pomocą odpowiedniego programu nadać zdjęciu właściwe nasycenie kolorów czy też wydobyć z ciemnego tła szczegóły.
Obiektyw Samyang 24mm f/1.4, Aparat Nikon D810A, Mozaika 4-panelowa (1 rząd), ekspozycja 8 s na panel, f/2.4, ISO 800. Islandia, październik 2018. Foto: Bartosz Wojczyński.
Ciekawe efekty można uzyskać tworząc jak na powyższym zdjęciu panoramę z kilku pionowych zdjęć.
W tym przypadku musimy szybko wykonać kilka zdjęć (w pokazanym przypadku 4) z tymi samymi ustawieniami, szybko zmieniając kadr tak, aby nieznaczenie nachodził na siebie, obserwując czy zorza zbyt się nie zmieniła.
Inną metodą fotografowania zorzy jest wykonanie timelapse, czyli poklatkowej sekwencji, pokazującej ruch zorzy polarnej.
W tym przypadku musimy mieć pewność, że każdy kadr będzie odpowiednio naświetlony, więc bez nauki pojedynczyć ujęć, się nie obędzie.
Jeżeli zorza będzie jasna, a realizowane czasy naświetlania uda się skrócić do minimum, mamy szansę na wykonanie ciekawego ujęcia filmowego. Pamiętajmy, że jedna sekunda filmu to 25 klatek, czyli 25 zdjęć. Nawet przy krótkim czasie naświetlania wynoszącym np. 2 sekundy, z sekundową minimalną przerwą, to 1 minuta 14 sekund rzeczywistego czasu wykonywania zdjęć. Wydłużając ekspozycję do 4 sekund, czas rośnie do 2 minut i 4 sekund, a w przypadku 6-sekundowych ekspozycji zajmie 2 minuty i 54 sekundy.
Korzystając z odpowiedniego oprogramowania możemy wygenerować dodatkowe klatki pośrednie otrzymując następujący efekt (patrz poniższy film).
Aurora Borealis Iceland 2016 in 4K, 60fps. Islandia, kwiecień 2016. Autor: Marek Substyk.
Zorza, szczęśliwie, nie jest tak ulotna. Festiwal tańczących pasów, kurtyn z różnymi kolorami, trwa długo, często są to długie godziny. Problemem mogą być wyłącznie chmury lub przesuwanie się jej w kierunku, który wybiega poza nasz kadr.
Na rynku znajdziemy również aparaty, które umożliwiają rejestrowanie zorzy w formie gotowego filmu. Używając potężnych ustawień czułości ISO, nawet rzędu 51200 oraz bardzo jasnych obiektywów (ok. f/1,4), możemy rejestrować na żywo to wspaniałe zjawisko. Efekt robi wrażenie, a jakość filmu, jaki możemy zobaczyć, jest zdumiewająca.
Niestety filmów takich nie nagramy na żadnej nawet najlepszej lustrzance DSLR i większości bezlusterkowców.
Kolory zorzy polarnej
Czerwona jest do zaobserwowania na największych wysokościach nad Ziemią. Wzbudzony tlen atomowy emituje przy 630 nm (czerwony) niskie stężenie atomów, a mniejsza wrażliwość oczu przy tej długości fali powoduje, że kolor ten jest widoczny tylko przy intensywniejszej aktywności Zorza słonecznej. Niewielka liczba atomów tlenu i stopniowo zmniejszające się ich stężenie, są odpowiedzialne za słabszą widoczność górnych partii zorzy. Kolor ten widoczny jest również przy obserwacjach z terenu naszego kraju i występuje głównie przy kilkusekundowych ekspozycjach.
Zielona widoczna jest na wyższych szerokościach geograficznych.
Dominuje w nich emisja o długości 557,7 nm (zielona). Wysokie stężenie tlenu atomowego i większa wrażliwość oczu na zieloną barwę sprawiają, że taką najczęściej obserwujemy. Wzbudzony azot cząsteczkowy (azot atomowy jest rzadki ze względu na wysoką stabilność cząsteczki N2) odgrywa tutaj bardzo ważną rolę, ponieważ może przenosić energię przez zderzenie z atomem tlenu, który następnie wypromieniowuje ją na zielono. Czerwony i zielony również mogą się ze sobą mieszać, tworząc różowe lub żółte odcienie. Gwałtowny spadek stężenia tlenu atomowego poniżej wysokości 100 km jest odpowiedzialny za dynamicznie prezentujący się koniec dolnych krawędzi kurtyn. Obie długości fal - 557,7 i 630,0 nm - odpowiadają przejściom tlenu atomowego i związane są z powolnym mechanizmem odpowiedzialnym za stopniowanie rozbłysku i zanikanie.
Niebieska. Na mniejszych wysokościach tlen atomowy jest rzadkością, zaś azot cząsteczkowy i zjonizowany azot cząsteczkowy przejmują kontrolę nad emisją światła widzialnego, promieniując w zakresie długości fal zarówno czerwonych, jak i niebieskich (w częściach widma z dominującą falą o długości 428 nm). Niebieskie i fioletowe emisje zwykle są widoczne przy dolnych krawędziach kurtyn zorzy polarnej i pojawiają się tylko przy dużej aktywności słonecznej.
Żółta i różowa. Mieszanka czerwieni i zieleni lub niebieskiego. W rzadkich przypadkach można zobaczyć inne odcienie czerwieni i pomarańczu oraz żółto-zielonego.
Ponieważ czerwony, zielony i niebieski są podstawowymi kolorami addytywnej (będący wynikiem sumowania składników) syntezy kolorów, teoretycznie każdy kolor jest możliwy.
Zorza polarna emituje również promieniowanie ultrafioletowe i podczerwone. Nie są one widoczne dla ludzkiego oka. Są jednak możliwe do zarejestrowania przy użyciu odpowiednio przygotowanego aparatu (bez filtrów).
Obiektyw Sigma Art 18-35 f/1.8, Aparat Nikon D5300, 1 x 5 s, f/1.8, ISO 800. Islandia, marzec 2017. Foto: Marek Substyk.
Kilka słów o samym zjawisku
Zorza, to jedno z najpiękniejszych zjawisk atmosferycznych, jakie możemy zobaczyć. Przepiękne zielone pasy i wstęgi, kurtyny dynamicznie poruszające się po niebie, przypominają
o potędze Słońca, które je napędza.
Zorza polarna jest wynikiem zaburzeń w magnetosferze, wywołanych wiatrem słonecznym. Zaburzenia są często na tyle silne, aby zmienić trajektorię naładowanych cząstek zarówno w wietrze słonecznym, jak i w plazmie magnetosferycznej. Cząsteczki te (głównie elektrony i protony) wytrącają się w górnych warstwach atmosfery.
Następująca jonizacja i wzbudzenie składników atmosferycznych emituje światło o różnym kolorze i stopniu złożoności. Forma zorzy polarnej, występująca w pasmach wokół obu regionów polarnych, zależy również od wielkości przyspieszenia nadawanego wytrącającym się cząstkom.
Większość zórz polarnych występuje w paśmie znanym jako strefa zorzy polarnej, która zazwyczaj ma szerokość od ok. 3° do 6° (ok. 350-700 km) i znajduje się od 10° do 20° od biegunów geomagnetycznych. Region, w którym obecnie występuje zorza polarna, nazywany jest owalem zorzy polarnej, czyli pasmem przesuniętym w kierunku “nocnej” strony Ziemi.
Północna strefa zorzy polarnej to pas rozpościerający się przez północną Norwegię, Szwecję i Finlandię, Islandię, południową Grenlandię, północną Kanadę (prowincja Québec, terytorium Nunavut, terytorium Północno-Zachodnie i Yukon), Alaskę należącą do Stanów Zjednoczonych oraz prawie całą północną Rosję.
Na terytoriach tych zorza określana jest jako Aurora Borealis.
Południowa strefa zorzy polarnej jest mniej dostępna dla turystów i obejmuje swoim zasięgiem dużą część Antarktydy, wraz z geograficznym biegunem południowym. Zorza obserwowana na południowym niebie zwana jest Aurora Australis.
Warto wiedzieć, że w tzw. owalu szansa na wystąpienie zorzy polarnej nie jest identyczna dla wewnętrznych i zewnętrznych jego obszarów. Wewnątrz północnego owalu szanse stopniowo maleją i już 1000 km na północ wynoszą 60%. Kierując się w drugą stronę, wygląda to zgoła odmiennie i 1000 km na południe szansa spada do 1%. Dlatego właśnie w Polsce tak rzadko obserwujemy zorzę polarną. Jeżeli jest widoczna, to tylko w jej najwyższej części, która u nas dostrzegalna jest nisko nad północnym horyzontem.
Biegun geomagnetyczny nie jest tożsamy z biegunem geograficznym. Północny znajduje się na wyspie Ellesmere w kanadyjskim terytorium Nunavut; w 2020 roku miał on współrzędne 80,65° N i 72,68° W, natomiast południowy znajduje się na Antarktydzie, w miejscu o współrzędnych 80,65° S i 107,32° E.
Ponieważ rzeczywiste pole magnetyczne Ziemi nie jest dokładnym dipolem, północne i południowe bieguny geomagnetyczne nie pokrywają się z północnymi i południowymi biegunami magnetycznymi. Gdyby pola magnetyczne Ziemi były dokładnie bipolarne, biegun północny igły kompasu magnetycznego wskazywałby bezpośrednio na północny biegun geomagnetyczny.
W praktyce tak się nie dzieje, ponieważ pole geomagnetyczne powstające w jądrze Ziemi ma bardziej złożoną część niebipolarną, a anomalie magnetyczne w skorupie ziemskiej również przyczyniają się do zaburzeń pola lokalnego.
Kiedy zobaczysz zorzę polarną?
Wbrew pozorom jeżeli znajdujesz się w pasie występowania zorzy polarnej i w rejonie tym nie na akurat dnia polarnego, szansa na jej obserwacje jest wysoka. Podróżując do Norwegii czy na Islandię w ramach Wielkich Wypraw PTMA, nigdy nie zdarzyło się nam, aby jej nie zobaczyć i nie sfotografować. Mając szczęście, zorzę można było obserwować nawet w samolocie (nad Kanadą w drodze powrotnej z zaćmienia Słońca w Stanach Zjednoczonych w 2017).
Większy problem stanowi pogoda, która w rejonach koła podbiegunowego nie jest zazwyczaj łaskawa.
Na obserwację zorzy najlepiej wybrać się w okolicach równonocy, około 20 marca lub 22 września.
Należy zaplanować wyjazd w taki sposób, aby wkomponować się w okres pomiędzy ostatnią kwadrą Księżyca a nowiem (plus kilka dni). Zdjęcia zorzy z Księżycem mogą również być interesujące, ponieważ sam Księżyc potrafi doświetlić pierwszy plan. Niestety, wraz z coraz większą fazą Księżyca tracimy kontrast i na coraz jaśniejszym tle znikają szczegóły zorzy.
Intensywna zorza może pojawić się jeszcze na ciemnobłękitnym niebie i może trwać w zasadzie całą noc bez przerwy do samego rana, kończąc się również na jasnym porannym niebie.
Prognoza według modelu Ovation (Oval Variation, Assessment, Tracking, Intensity, and Online Nowcasting) to empiryczny model intensywności zorzy polarnej opracowany na Johns Hopkins University. Model wykorzystuje głównie prędkość wiatru słonecznego i międzyplanetarne pole magnetyczne zmierzone na orbicie w punkcie Lagrange’a 1 (L1), w odległości 1,6 miliona kilometra od Ziemi w kierunku Słońca.
Dane wejściowe stanowią trzy wartości rodzajowych wytrącań elektronów i protonów, które są silnie skorelowane ze zorzą polarną.
Oszacowanie prawdopodobieństwa oglądania zorzy polarnej można uzyskać, zakładając liniową zależność od intensywności zorzy polarnej. Zależność ta została potwierdzona przez porównanie z danymi z instrumentu Ultraviolet Imager (UVI) oraz instrumentu wchodzącego w skład misji NASA Polar Mission.
Prognoza dostępna na stronie: https://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast
K-Index
Indeks Kp jest miarą zakłóceń geomagnetycznych i jest używany do klasyfikacji burz geomagnetycznych. Jest to jedno z narzędzi używanych do monitorowania i prognozowania przestrzeni pogodowych.
Indeks Kp jest globalną miarą aktywności geomagnetycznej, obliczaną co 3 godziny na podstawie danych z wielu stacji magnetycznych na całym świecie. Skala indeksu Kp wynosi od 0 do 9, gdzie 0 oznacza bardzo spokojne warunki, a 9 oznacza ekstremalną burzę geomagnetyczną.
Burze geomagnetyczne, które są monitorowane za pomocą indeksu Kp, mogą mieć wpływ na wiele technologii, w tym na satelity, systemy GPS, sieci energetyczne, a także mogą prowadzić do zjawisk takich jak zorza polarna.
Jest to informacja ilościowa o poziomie zaburzenia pola magnetycznego, który przedstawia się w zakresie 0-9, gdzie 0-1 oznacza spokojne, a 5 lub więcej wskazuje na burzę geomagnetyczną. Jest on wyliczany z maksymalnych fluktuacji składowych poziomych, obserwowanych na magnetometrze w ciągu ostatnich trzech godzin, przy użyciu danych z następujących magnetometrów naziemnych: Sitka na Alasce; Meanook i Ottawa w Kanadzie; Fredericksburg w Stanach Zjednoczonych, Hartland w Wielkiej Brytanii, Niemegk i Wingst w Niemczech, oraz Canberra w Australii. Wszystkie one znajdują się między 44° a 60° szerokości geograficznej północnej lub południowej.
