Яркость и цвет полярных сияний
© Alexander Gerst
Яркие сполохи полярных сияний способны завораживать своей красотой и насыщенной цветовой гаммой. За этим процессом скрывается весьма простой физический эффект.
На прошлой неделе мы сообщали о наблюдении полярного сияния с территории Волынской области во время мощной геомагнитной бури. На фотографии было заметно слабое свечение красноватого оттенка. В это же время во многих приполярных регионах небо полыхало яркими красками – от изумрудно зелёного до пурпурного и фиолетового. Чем же вызвано такое многообразие оттенков? Давайте разбираться.
Полярные сияния, они же Северные или Южные в зависимости от того, около какого полюса находится наблюдатель, являются результатом взаимодействия солнечного ветра, магнитного поля Земли и верхних слоев атмосферы нашей планеты. Солнечный ветер, состоящий в основном из высокоэнергетических электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц), дует всё время и во всех направлениях от Солнца. Его скорость в среднем около земной орбиты составляет 500 км/сек, а плотность около 5 частиц на кубический сантиметр. Когда поток солнечного ветра (выброса корональных масс) достигает магнитосферы Земли, то заряженные частицы начинают двигаться по магнитным линиям нашей планеты, которые сходятся в приполярных регионах. Именно туда и устремляются частицы. По этой причине данные сияния и называются полярными - они видны чаще всего в приполярных регионах (в пределах так называемых, авроральных овалов, которые располагаются вокруг геомагнитных полюсов планеты).
Читайте также
Попадая в земную атмосферу, частицы солнечного ветра ударяют по молекулам и атомам нашего воздуха. Как известно, воздух состоит из азота и кислорода (примесями других газов, таких как аргон, водород и гелий можно пренебречь, поскольку их содержание суммарно составляет менее 1%). Эти молекулы возбуждаются (т.е. приобретают дополнительную энергию) и затем довольно быстро (в течение секунды) отдают её в виде излучения строго определенной длины волны (полоски в спектре, строго определенного цвета), см. на схеме. Из представленной гистограммы видно, что большая часть свечения приходится на красный, зелёный и фиолетовый. Это зависит от того, на какой высоте происходит взаимодействие солнечного ветра с частицами воздуха, а также от химического состава (молекула или атом). Поэтому можно все цветовые структуры классифицировать в следующем порядке:
- Красный – свечение атомарного кислорода (О) на высотах 170 – 400 км (реже до 600 км) на длинах волн 630 и 636,4 нм. Также красный цвет в меньшей степени даёт свечение атомов водорода, которые довольно часто встречаются в верхних слоях атмосферы. Красное свечение обычно достаточно тусклое и диффузное (с размытыми формами).
- Зелёный – свечение атомарного кислорода (О) на высотах 100 - 170 км (на длине волны 557,7 нм), а также молекулярного азота, (N2) на длине волны 522,8 нм; это наиболее распространённый цвет сияний. Быстрое уменьшение концентрации атомарного кислорода ниже 100 км обуславливает отчётливые края зелёного свечения.
- Синий / фиолетовый – излучение молекулярного азота на длине волны 428 нм в результате его ионизации на высотах 80 - 120 км (встречается обычно в периоды повышенной солнечной активности, когда солнечный ветер обладает большей энергией и скоростью). Сияние фиолетового оттенка обычно очень динамичное во времени, проявляется в виде пульсаций и имеет явно выраженные очертания.
- Жёлтый, розовый / бледно малиновый – обычно представляет собой результат комбинации красного, зеленого и синего цветов. В зависимости от интенсивности излучения, на небосводе могут проявиться любые оттенки. Приборами фиксируется излучение также в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, которые для человеческого глаза не видимы.
Именно такое распределение цветов в зависимости от высоты определяет, как видят наблюдатели одно и то же сияние на разных широтах. Поскольку красное свечение формируется на значительной высоте, то это объясняет то, что в случае появления сияний на низких широтах (при сильных геомагнитных бурях, как в Волынской области 4 ноября 2021 г.), наблюдатель видит только красноватое свечение (к слову говоря, это наиболее распространённый цвет при наблюдениях в Австралии, Тасмании и Новой Зеландии). И наоборот - в приполярных регионах и в зоне аврорального круга чаще всего заметны именно зелёные и фиолетовые оттенки, поскольку они сияют практически над головой наблюдателя. В любом случае, яркие, разноцветные, динамичные сияния можно наблюдать только в пределах Северного полярного круга (страны Скандинавии, заполярные регионы России, Канада, Исландия и некоторые районы Антарктиды).
