Чому полярні сяйва бувають різних кольорів
Сонце наближається до піку свого 11-річного циклу сонячних плям, і періоди інтенсивного полярного сяйва ще повернуться
Минулого тижня величезний сонячний спалах спричинив хвилю енергійних частинок по напрямку від Сонця, що пронеслася крізь космос. На вихідних ця хвиля досягла Землі, і люди по всьому світу насолоджувалися незвично яскравим полярним сяйвом в обох півкулях, пише LiveScience.
Зазвичай полярне сяйво можна побачити лише поблизу полюсів, але цими вихідними воно було помічене набагато далі від них. Цей вражаючий сплеск авроральної активності, схоже, закінчився, але не хвилюйтеся, якщо ви щось пропустили. Сонце наближається до піку свого 11-річного циклу сонячних плям, і періоди інтенсивного полярного сяйва, ймовірно, повернуться протягом наступного року.
Коли електрони зустрічаються з атмосферою ...
Полярні сяйва виникають, коли заряджені субатомні частинки, переважно електрони, врізаються в атмосферу Землі. Вони випромінюються Сонцем постійно, але під час підвищеної сонячної активності їх стає більше. Більша частина нашої атмосфери захищена від припливу заряджених частинок магнітним полем. Але поблизу полюсів вони можуть проникати всередину.
Атмосфера Землі складається приблизно на 20% з кисню і на 80% з азоту, з незначними домішками води, вуглекислого газу і аргону. Коли високошвидкісні електрони вдаряються в молекули кисню у верхніх шарах атмосфери, вони розщеплюють молекули кисню на окремі атоми. Ультрафіолетове світло від Сонця робить те саме, і утворені атоми кисню можуть реагувати з молекулами O₂, утворюючи озон - O₃ - молекулу, яка захищає нас від шкідливого ультрафіолетового випромінювання.
Але у випадку полярного сяйва атоми кисню, що утворюються, перебувають у збудженому стані. Це означає, що електрони атомів розташовані нестабільно і можуть "розслабитися", випромінюючи енергію у вигляді світла.
Як утворюється зелене світло
Як ви бачите у феєрверках, атоми різних елементів випромінюють різні кольори світла, коли вони знаходяться під напругою. Атоми міді дають синє світло, барію - зелене, а атоми натрію - жовто-оранжеве, яке ви також могли бачити у старих вуличних ліхтарях. Ці випромінювання відбуваються дуже швидко. Коли атом натрію перебуває у збудженому стані, він залишається в ньому лише близько 17 мільярдних часток секунди, перш ніж випустити жовто-помаранчевий фотон.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
Але в полярному сяйві багато атомів кисню перебувають у збудженому стані, не маючи "дозволених" способів розслабитися, випромінюючи світло. Проте природа знаходить спосіб. Зелене світло, яке домінує в полярному сяйві, випромінюється атомами кисню, що релаксують зі стану, який називається ¹S, в стан, який називається ¹D. Це відносно повільний процес, який в середньому займає майже цілу секунду.
Насправді, цей перехід настільки повільний, що зазвичай не відбувається за такого тиску повітря, який ми спостерігаємо на рівні землі, оскільки збуджений атом втратить енергію, зіткнувшись з іншим атомом, перш ніж матиме шанс випустити прекрасний зелений фотон. Але у верхніх шарах атмосфери, де тиск повітря нижчий, а отже, молекул кисню менше, вони мають більше часу, перш ніж зіткнутися одна з одною. А отже, мають шанс випустити фотон.
З цієї причини вченим знадобилося багато часу, щоб з'ясувати, що зелене світло полярного сяйва походить від атомів кисню. Жовто-оранжеве світіння натрію було відоме ще в 1860-х роках, але лише в 1920-х роках канадські вчені з'ясували, що зелений колір полярного сяйва зумовлений киснем.
Що спричиняє червоне світло
Зелене світло походить від так званого "забороненого" переходу, який відбувається, коли електрон в атомі кисню здійснює малоймовірний стрибок з однієї орбіти на іншу. Заборонені переходи набагато менш імовірні, ніж дозволені, а отже, вони відбуваються довше. Однак навіть після випромінювання зеленого фотона атом кисню опиняється у ще одному збудженому стані, який не має можливості релаксації. Єдиний вихід - це ще один заборонений перехід, зі стану ¹D в стан ³P, який випромінює червоне світло.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
Цей перехід є ще більш "забороненим", так би мовити, і стан ¹D повинен проіснувати близько двох хвилин, перш ніж він зможе нарешті порушити правила і випромінювати червоне світло. Через те, що це займає так багато часу, червоне світло з'являється лише на великих висотах, де зіткнень з іншими атомами і молекулами мало.
Крім того, оскільки там дуже мало кисню, червоне світло має тенденцію з'являтися лише в інтенсивних полярних сяйвах - таких, як те, що ми щойно спостерігали. Ось чому червоне світло з'являється над зеленим. Хоча вони обидва виникають внаслідок забороненої релаксації атомів кисню, червоне світло випромінюється набагато повільніше і має більше шансів бути погашеним через зіткнення з іншими атомами на менших висотах.
Інші кольори, й чому камери бачать їх краще
Хоча зелений - найпоширеніший колір полярного сяйва, а червоний - другий за поширеністю, існують й інші кольори. Зокрема, іонізовані молекули азоту N₂⁺, які не мають одного електрона і мають позитивний електричний заряд, можуть випромінювати синє і червоне світло. Це може створювати пурпурний відтінок на низьких висотах.
Усі ці кольори можна побачити неозброєним оком, якщо полярне сяйво достатньо яскраве. Однак в об'єктиві фотоапарата вони проявляються з більшою інтенсивністю. На це є дві причини. По-перше, камери мають перевагу довгої експозиції, а це означає, що вони можуть витрачати більше часу на збір світла для створення зображення, ніж наші очі. Як наслідок, вони можуть створювати зображення в більш тьмяних умовах.
Got a needle in a haystack image. It disappeared just as fast. I’m still speechless. Aurora in Hawaii pic.twitter.com/HzKVWTHbnI
— Jacobvandervelde.eth (@JACOBJMV) May 12, 2024
Друга причина полягає в тому, що датчики кольору в наших очах не дуже добре працюють у темряві - тому ми, як правило, бачимо чорно-біле зображення в умовах низької освітленості. Камери не мають цього обмеження. Але не варто хвилюватися. Коли полярне сяйво досить яскраве, всі кольори добре видно неозброєним оком.
Підписуйтесь на наш Telegram-канал, щоб не пропустити важливих новин. Підписатися на канал у Viber можна тут.
