Почему полярные сияния бывают разных цветов
Солнце близится к пику своего 11-летнего цикла солнечных пятен, и периоды интенсивного полярного сияния вернутся
На прошлой неделе огромная солнечная вспышка повлекла за собой волну энергичных частиц по направлению от Солнца, пронесшейся сквозь космос. На выходных эта волна достигла Земли, и люди по всему миру наслаждались необычно ярким полярным сиянием в обоих полушариях, пишет LiveScience.
Обычно полярное сияние наблюдается только вблизи полюсов, но в эти выходные оно было замечено гораздо дальше от них. Этот поразительный всплеск авроральной активности, похоже, закончился, но не беспокойтесь, если вы что-то пропустили. Солнце близится к пику своего 11-летнего цикла солнечных пятен, и периоды интенсивного полярного сияния, вероятно, вернутся в течение следующего года.
Когда электроны встречаются с атмосферой...
Полярные сияния появляются, когда заряженные субатомные частицы, в основном электроны, врезающиеся в атмосферу Земли. Они излучаются Солнцем постоянно, но при повышенной солнечной активности их становится больше. Большая часть нашей атмосферы защищена от притока заряженных частиц магнитным полем. Но вблизи полюсов они могут проникать внутрь.
Атмосфера Земли состоит примерно на 20 % из кислорода и на 80 % из азота, с незначительными примесями воды, углекислого газа и аргона. Когда высокоскоростные электроны ударяются по молекулам кислорода в верхних слоях атмосферы, они расщепляют молекулы кислорода на отдельные атомы. Ультрафиолетовый свет от Солнца делает то же самое, и образовавшиеся атомы кислорода могут реагировать с молекулами O₂, образуя озон – O₃ – молекулу, защищающую нас от вредного ультрафиолетового излучения.
Но в случае полярного сияния образующиеся атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии. Это означает, что электроны атомов расположены нестабильно и могут расслабиться, излучая энергию в виде света.
Как образуется зеленый свет
Как вы видите в фейерверках, атомы разных элементов излучают разные цвета света, когда они находятся под напряжением. Атомы меди дают синий свет, бария – зеленый, а атомы натрия – желто-оранжевый, который вы также могли видеть в старых уличных фонарях. Эти излучения происходят очень быстро. Когда атом натрия находится в возбужденном состоянии, он остается в нём всего около 17 миллиардных долей секунды, прежде чем выпустить желто-оранжевый фотон.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
Но в полярном сиянии многие атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии, не имея «разрешенных» способов расслабиться, излучая свет. Однако природа находит способ. Зелёный свет, который доминирует в полярном сиянии, излучается атомами кислорода, релаксирующим из состояния, которое называется ¹S, в состояние, которое называется ¹D. Это относительно медленный процесс, в среднем занимающий почти целую секунду.
На самом деле этот переход настолько медленный, что обычно не происходит при таком давлении воздуха, которое мы наблюдаем на уровне земли, поскольку возбужденный атом потеряет энергию, столкнувшись с другим атомом, прежде чем будет иметь шанс выпустить прекрасный зеленый фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха ниже, а значит, молекул кислорода меньше, у них больше времени, прежде чем столкнуться друг с другом. Следовательно, они имеют шанс выпустить фотон.
По этой причине учёным понадобилось много времени, чтобы выяснить, что зеленый свет полярного сияния происходит от атомов кислорода. Желто-оранжевое свечение натрия было известно еще в 1860-х годах, но только в 1920-х годах канадские ученые выяснили, что зеленый цвет полярного сияния обусловлен кислородом.
Что образует красный свет
Зеленый свет происходит от так называемого запретного перехода, который происходит, когда электрон в атоме кислорода совершает маловероятный скачок с одной орбиты на другую. Запрещенные переходы гораздо менее вероятны, чем разрешенные, а значит, они происходят дольше. Но даже после излучения зеленого фотона атом кислорода оказывается в еще одном возбужденном состоянии, не имеющем возможности релаксации. Единственный выход – это еще один запрещенный переход, из состояния ¹D в состояние P, который излучает красный свет.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
Этот переход является еще более «запретным», так сказать, и состояние D должно просуществовать около двух минут, прежде чем он сможет наконец нарушить правила и излучать красный свет. Так как это занимает так много времени, красный свет появляется только на больших высотах, где столкновений с другими атомами и молекулами мало.
Кроме того, поскольку там очень мало кислорода, красный свет имеет тенденцию появляться только в интенсивных полярных сияниях – таких, как мы только что наблюдали. Вот почему красный свет появляется над зеленым. Хотя они оба возникают в результате запрещенной релаксации атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет больше шансов быть погашенным из-за столкновения с другими атомами на меньших высотах.
Другие цвета, и почему камеры видят их лучше
Хотя зеленый – самый распространенный цвет полярного сияния, а красный – второй по распространенности, существуют и другие цвета. В частности, ионизированные молекулы азота N₂⁺, не имеющие одного электрона и имеющие положительный электрический заряд, могут излучать синий и красный свет. Это может создавать пурпурный оттенок на низких высотах.
Все эти цвета можно увидеть невооруженным глазом, если полярное сияние достаточно яркое. Но в объективе фотоаппарата они появляются с большей интенсивностью. Этому есть две причины. Во-первых, камеры имеют преимущество длинной экспозиции, то есть что они могут тратить больше времени на сбор света для создания изображения, чем наши глаза. Как следствие они могут создавать изображения в более тусклых условиях.
Got a needle в haystack image. Это неудачно как fast. I'm still speechless. Aurora в Hawaii pic.twitter.com/HzKVWTHbnI
- Jacobvandervelde.eth (@JACOBJMV) May 12, 2024
Вторая причина состоит в том, что датчики цвета в наших глазах не очень хорошо работают в темноте – поэтому мы, как правило, видим черно-белое изображение в условиях низкой освещенности. Камеры не имеют этого ограничения. Но не стоит беспокоиться. Когда полярное сияние достаточно яркое, все цвета хорошо видны невооруженным глазом.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить важные новости. За новостями в режиме онлайн прямо в мессенджере следите на нашем Telegram-канале Информатор Live. Подписаться на канал в Viber можно здесь.
