Северное сияние: почему небо светится
Северное сияние возникает, когда частицы в верхней атмосфере получают энергию и испускают свет. Это явление связано с солнечным ветром и магнитным полем Земли; в Южном полушарии его называют южным сиянием.
В тёмном небе появляется бледная дуга. Затем она превращается в складчатую ленту, и по её краю пробегает свет. Такое зрелище похоже на движение огромной занавески, но ткань здесь не нужна: светится разреженная верхняя атмосфера, взаимодействующая с частицами из космического окружения Земли.
1Что это
Полярное сияние находится значительно выше обычных облаков. Поэтому облачный покров может закрыть его, хотя сам не участвует в создании светящихся лент. Наблюдатель видит свечение атомов и молекул атмосферы, которые получили дополнительную энергию. Возвращаясь к состояниям с меньшей энергией, они испускают свет.
Северное и южное сияния имеют одну физическую природу. Разные названия относятся к полушариям, где их наблюдают. Это не два независимых небесных механизма. В обоих случаях важны магнитное поле планеты, движение заряженных частиц и состав верхней атмосферы.
Свечение может принимать вид спокойной полосы, лучей, дуг или быстро меняющихся складок. Иногда оно почти незаметно глазу, иногда занимает большую часть неба. Впечатление зависит от яркости, состояния атмосферы, освещения вокруг наблюдателя и положения светящейся области относительно него.
По одному красивому рисунку в небе трудно восстановить весь процесс, который его создал. Видимая лента — лишь итог цепочки взаимодействий. Учёные изучают эту цепочку одновременно с земли и с помощью приборов в космосе, сопоставляя изображения с измерениями частиц и магнитных полей.
2Солнечный ветер
Солнце испускает не только свет. Из его внешней атмосферы постоянно уходит поток заряженных частиц — солнечный ветер. Достигнув окрестностей Земли, он взаимодействует с её магнитосферой. Так называют область, где магнитное поле планеты существенно определяет поведение заряженных частиц.
Магнитосфера не похожа на жёсткую стеклянную оболочку. Её форма меняется под действием солнечного ветра. С обращённой к Солнцу стороны она сжата, а с противоположной вытянута в длинный хвост. В этой системе энергия может накапливаться, перераспределяться и передаваться частицам.
Магнитное поле влияет на движение заряженных частиц, направляя их вдоль своих линий. При определённых условиях частицы, прежде всего электроны, ускоряются и попадают в верхнюю атмосферу. Там они сталкиваются с её атомами и молекулами. Именно эти столкновения запускают свечение.
Нельзя свести весь процесс к картине, где частицы летят от Солнца по прямой и сразу рисуют полосы над городом. Между солнечным ветром и атмосферой действует сложная система магнитных взаимодействий. Часть частиц, вызывающих сияние, уже находится в магнитосфере и получает энергию внутри неё.
При усилении солнечных возмущений сияния могут становиться ярче и распространяться дальше от полярных областей. Однако не каждая солнечная вспышка приводит к заметному сиянию в конкретном месте. Важны направление распространения возмущения, свойства солнечного ветра и состояние магнитного поля в окрестностях Земли.
3Почему цвета разные
Цвет зависит от того, какие частицы атмосферы излучают свет и в каких условиях это происходит. Кислород связан с характерным зелёным свечением, а также с красным. Азот участвует в появлении синих, фиолетовых и красноватых оттенков. Итоговая картина может смешивать несколько видов излучения.
Высота играет большую роль. С плотностью воздуха меняется вероятность столкновений, а значит, и возможность испустить свет определённого цвета. Некоторые переходы происходят сравнительно медленно: если до излучения случится другое столкновение, энергия может уйти иначе. Поэтому один и тот же кислород даёт разные заметные оттенки на разных высотах.
| Цвет | Основная связь |
|---|---|
| Зелёный | Излучение возбуждённых атомов кислорода |
| Красный | В том числе излучение кислорода в более высоких слоях |
| Синий и фиолетовый | Излучение, связанное с азотом |
| Смешанные оттенки | Наложение разных составляющих свечения |
Поэтому бледная серая полоса на глаз и зелёная лента на снимке могут оказаться одним явлением. Различие не обязательно означает ошибку. При этом обработка фотографии тоже влияет на насыщенность, так что изображение следует оценивать вместе с условиями съёмки.
4Где и когда видно
Чаще всего сияния возникают в областях, связанных с магнитными полюсами Земли. Они образуют подвижные зоны, которые называют авроральными овалами. Магнитные и географические полюса не совпадают, поэтому простое правило «чем севернее, тем лучше» описывает ситуацию лишь приблизительно.
При сильных возмущениях область наблюдаемого сияния расширяется. Тогда его могут заметить там, где оно обычно редкость. Но широта сама по себе не гарантирует зрелища. Требуются одновременно подходящая активность, тёмное небо и достаточная прозрачность воздуха в направлении наблюдения.
Для видимости удобны длинные тёмные ночи. Это не означает, что летом физический процесс прекращается: яркое небо просто мешает его различить. В северных районах летняя ночь может быть слишком светлой. Зимой же главным препятствием нередко становятся облака.
5Как наблюдать
Слабое сияние легче различить вдали от яркого уличного освещения. Полезен открытый обзор неба: здания, деревья и холмы могут закрывать низкие дуги. Лунный свет также влияет на заметность слабых деталей, хотя яркое сияние бывает видно и при освещённом небе.
Прогнозы космической погоды показывают условия, при которых вероятность сияния повышается. Они не обещают точное время появления ленты над выбранным местом. Общий уровень магнитной активности нужно рассматривать вместе с местной облачностью, продолжительностью темноты и географическим положением.
Наблюдение может потребовать ожидания, поскольку яркость и форма меняются. При выезде за город важны обычные условия безопасности: погода, тёплая одежда, доступная дорога и возможность вернуться. Ради открытого горизонта не требуется выходить на лёд, приближаться к обрывам или выбирать труднодоступные места.
Сияние интересно и без ярких красок на фотографии. Даже спокойная дуга показывает связь ближайшей звезды с магнитным окружением нашей планеты. Небольшие изменения света позволяют увидеть последствия процессов, которые идут далеко за пределами привычной погоды у поверхности Земли.