Космическая симфония: как частицы солнечного ветра зажигают северное сияние
Отгадайте загадку: горит без огня, танцует без музыки и меняет цвет без красок? Чтобы увидеть это чудо — полярное сияние, — каждый год на север отправляются тысячи людей. Что заставляет ночное небо вспыхивать зелеными, красными и фиолетовыми огнями? Ответ кроется за миллионы километров от Земли — на Солнце.
Как загораются полярные огни
Все начинается на поверхности ближайшей к нам звезды. Солнце постоянно выбрасывает в космос заряженные частицы — атомы или молекулы, которые потеряли или приобрели электроны, несут электрический заряд и двигаются под действием магнитных полей. Это называется солнечным ветром. Он мог бы обрушиться на Землю, если бы не ее невидимый щит — магнитное поле. Оно направляет частицы к полюсам, где они взаимодействуют с газами атмосферы.
Северные народы много веков наблюдали полярные сияния и пытались объяснить их появление. Эта идея нашла отражение и в славянских сказках. Образы Змея Горыныча, Огненной реки и героев-змееборцев могут быть отголосками древних наблюдений за сполохами: яркие вспышки напоминали змееподобные вихри огня, а в бурных «сражениях» световых волн наши предки, возможно, видели битву добра и зла.
Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с молекулами кислорода и азота атмосферы, те получают дополнительную энергию и переходят в возбужденное состояние, а затем отдают ее в виде света и возвращаются в исходное. Это схоже с игрой на натянутой струне: если по ней ударить, она сохранит полученную энергию в виде вибрации, а потом эта энергия перейдет в звук.
Удивительно, но во время полярного сияния молекулы газов не только светятся, но и «звучат». Ученые зафиксировали слабые звуки, похожие на потрескивание или шипение. Предполагается, что они возникают из-за электрических разрядов в верхних слоях атмосферы.
Почему у сияния разный цвет
Как гитарные струны вибрируют с разной частотой, издавая различные звуки, так и молекулы в атмосфере излучают свет каждый со своей частотой спектра. Зеленый — самый частый цвет полярного сияния. Он получается, когда заряженные частицы встречаются с высокой концентрацией молекул кислорода на высоте около 100 километров от поверхности. Там молекулы часто сталкиваются друг с другом, что ускоряет процесс отдачи энергии. Возбужденные молекулы испускают свет длиной волны 557,7 нанометров, который мы видим как насыщенное зеленое свечение.
На высотах выше 200 километров воздух разрежен — молекулы почти не сталкиваются. Здесь возбужденные частицы кислорода удерживают полученную энергию до двух минут, прежде чем отдать ее в виде красного света — с длиной волны 630 нанометров. Красным окрашивается верхняя часть полярных огней, а во время сильных магнитных бурь огненные всполохи спускаются ниже.
Полярные сияния есть на Юпитере, Сатурне, Нептуне и Марсе. Они выглядят иначе: на Юпитере они светятся в ультрафиолете, а на Сатурне — в инфракрасном спектре. Полярные сияния происходят и в далеких звездных системах. Благодаря излучаемым ими радиоволнам ученые открывают планеты.
Азот — еще одна «струна» в оркестре полярного сияния. В атмосфере он встречается в виде молекул и отдельных атомов. При столкновении с частицами солнечного ветра молекулы испускают голубой и фиолетовый свет, а атомы дают розоватые оттенки. Эти цвета заметны в нижних слоях сияния, на расстоянии 80–100 километров от земли.
Изредка северное сияние кажется белесым или желтоватым — это результат наложения разных цветов. Например, если красное свечение верхних слоев смешивается с зеленым из нижних, глаз воспринимает его как мягкий желтый или белый оттенок.
Где посмотреть
Северное сияние чаще появляется в полярных широтах — над севером России, Норвегией, Канадой, Аляской. Это связано с формой магнитного поля Земли: его линии идут не параллельно поверхности, а образуют у северного и южного полюсов своеобразные «ворота». В этих местах частицы солнечного ветра могут беспрепятственно проникать в верхние слои атмосферы.
Я видел северное сияние по телевизору. В реальности оно другое: яркое, все небо — зелено-желтого цвета. Светло и очень красиво! Чаще всего сияние видно в середине осени, когда днем плюсовая температура, а вечером — минусовая. При таких перепадах оно самое яркое.
Денис Генералов
Начальник арктического промысла «Газпром нефти»
Когда на Солнце происходят мощные вспышки, Землю накрывает сильный поток заряженных частиц. В такие моменты магнитное поле планеты временно деформируется — его линии растягиваются и смещаются, а области, где происходит сияние, расширяются. Тогда северное сияние может наблюдаться значительно южнее обычных мест. Например, в 1859 году, во время так называемого Каррингтонского события — самой мощной солнечной бури из зафиксированных — сияние было даже над Колумбией!
