Представь себе, дорогой друг: зимняя ночь, вокруг темно, и вдруг небо начинает светиться. Сначала над горизонтом появляется бледная зелёная дуга. Потом она растягивается, изгибается и превращается в огромный светящийся занавес. Кажется, будто кто-то невидимый медленно колышет его над Землёй.
Это северное сияние — одно из самых красивых природных явлений на нашей планете. Но откуда в ночном небе берутся эти зелёные, красные и фиолетовые огни? И почему увидеть их проще на севере, чем, например, возле экватора?
Стартуем с Солнца: откуда вылетает наш путешественник
Если совсем коротко, всё начинается на Солнце.
Солнце постоянно выбрасывает в космос поток заряженных частиц — солнечный ветер. Когда эти частицы достигают Земли, её магнитное поле направляет многие из них к полярным областям. Там частицы сталкиваются с атомами и молекулами газов высоко в атмосфере. Те получают энергию, а затем отдают её в виде света.
Вот этот свет мы и называем полярным сиянием.
Получается удивительная цепочка: Солнце → солнечный ветер → магнитное поле Земли → атмосфера → светящееся небо.
Почему правильнее говорить «полярное сияние»
Мы привыкли к выражению «северное сияние», но учёные используют более общее название — полярное сияние. В Северном полушарии его называют aurora borealis, а в Южном — aurora australis.
То есть сияние существует возле обоих полюсов. Просто человеку, живущему в России, Норвегии, Финляндии или Канаде, гораздо знакомее северный вариант.
150 миллионов километров: летим вместе с солнечным ветром
Между Солнцем и Землёй огромное расстояние — около 150 миллионов километров. Но пространство между ними вовсе не совершенно пустое.
Солнце испускает солнечный ветер — поток плазмы, в которой есть заряженные частицы. Во время сильной солнечной активности поток может особенно сильно воздействовать на окрестности Земли.
Но наша планета не беззащитна. Вокруг неё существует магнитное поле. Область пространства, где оно играет главную роль, называется магнитосферой.
Можно представить магнитосферу как огромный невидимый щит необычной формы. Она отклоняет значительную часть заряженных частиц, однако взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли может направлять энергию и частицы в области вокруг магнитных полюсов.
Финиш путешествия: столкновение в верхней атмосфере
Теперь перенесёмся высоко над поверхностью Земли.
Здесь солнечные частицы взаимодействуют прежде всего с кислородом и азотом земной атмосферы. При столкновениях атомы и молекулы получают дополнительную энергию — переходят в возбуждённое состояние.
Но долго оставаться в таком состоянии они не могут. Возвращаясь в более спокойное состояние, они испускают энергию в виде света.
Поэтому северное сияние — это не прожектор, который светит откуда-то из космоса. Свет рождается в верхних слоях нашей собственной атмосферы.
Почему небесный занавес бывает зелёным, красным и фиолетовым
Самый привычный цвет полярного сияния — зелёный. Его обычно создаёт атомарный кислород на определённых высотах.
Но сияние бывает не только зелёным.
Кислород может давать и красное свечение, особенно выше в атмосфере. Азот участвует в появлении синих, фиолетовых и красноватых оттенков. Поэтому во время яркого сияния небо иногда становится разноцветным: зелёные ленты соседствуют с красным верхним краем и фиолетовыми всполохами.
Цвет зависит от того, с каким газом взаимодействуют частицы и на какой высоте это происходит.
Почему сияние похоже на занавес
Полярное сияние редко выглядит как ровное пятно. Оно образует дуги, полосы, лучи, завитки и огромные колышущиеся «занавесы».
Причина связана с магнитным полем Земли. Заряженные частицы движутся вдоль его силовых линий, поэтому светящиеся области принимают характерные вытянутые формы.
Иногда сияние меняется медленно, а иногда небо буквально оживает: ленты изгибаются, яркость быстро усиливается, возникают новые лучи. Во время мощной магнитной бури картина может изменяться прямо на глазах.
Магнитная развилка: почему путь ведёт к полюсам
Магнитное поле Земли направляет частицы в высокие широты. Поэтому вокруг магнитных полюсов существуют области, где сияния происходят особенно часто. Их называют авроральными овалами.
Именно поэтому за северным сиянием едут далеко на север — например, в районы Кольского полуострова, северной Скандинавии, Аляски, Канады или Исландии.
Но граница не нарисована на небе раз и навсегда. Когда солнечная активность сильна и начинается геомагнитная буря, область видимости сияния может расшириться. Тогда его замечают значительно южнее обычного.
Экспедиция охотника за сиянием: где и когда искать
Да. Россия занимает огромную территорию, и её северные районы прекрасно подходят для наблюдений.
Особенно известны сияниями Мурманская область и другие территории высоких широт. Но даже там нельзя приехать в определённый час и потребовать у природы включить небесную иллюминацию.
Нужны сразу несколько условий: достаточная геомагнитная активность, тёмное небо, отсутствие плотной облачности и желательно как можно меньше городского света.
Летом на Крайнем Севере наблюдать сияние мешают белые ночи и полярный день. Поэтому сезон тёмных ночей гораздо удобнее.
Опасно ли северное сияние
Само свечение для человека на земле не опасно. Оно происходит высоко в атмосфере.
Но сильные геомагнитные бури, с которыми бывают связаны особенно заметные сияния, могут влиять на технологии. Они способны создавать помехи радиосвязи и навигации, воздействовать на спутники и электрические системы.
Так что для человека, который стоит в снегу и смотрит вверх, сияние — прекрасное зрелище. А для инженеров и операторов космической техники сильная космическая погода — вполне серьёзное событие.
Можно ли услышать северное сияние
Рассказы о звуках полярного сияния существуют давно. Люди описывали тихое потрескивание, шорох или щелчки во время особенно ярких событий.
Однако здесь важно не превращать красивую историю в доказанный факт. Само сияние возникает настолько высоко, что обычный звук оттуда не смог бы одновременно с видимым светом быстро дойти до наблюдателя. Исследователи обсуждали возможные механизмы звуков, возникающих ближе к поверхности Земли при определённых атмосферных условиях, но вопрос остаётся значительно сложнее школьной формулы «сияние трещит».
Поэтому увидеть полярное сияние гораздо проще, чем уверенно сказать, что ты его услышал.
Что искать в небе, когда знаешь механизм
- Полярные сияния бывают не только на Земле. Их наблюдали и на других планетах, обладающих подходящей атмосферой и магнитной средой, например на Юпитере и Сатурне.
- Сияние происходит очень высоко. Светящиеся области могут находиться на высотах в десятки и сотни километров над поверхностью Земли.
- Красное сияние часто возникает выше зелёного. Поэтому у яркой зелёной «занавески» иногда появляется красноватая верхушка.
- Южное сияние — не другое природное явление. Это тот же физический процесс в Южном полушарии.
- Во время сильных геомагнитных бурь сияние можно увидеть намного дальше от полюсов, чем обычно.
- Фотокамера иногда показывает больше цветов, чем видит глаз. При слабом сиянии человеческое зрение может воспринимать его почти сероватым, тогда как камера при длинной выдержке уверенно записывает зелёный цвет.
Финал: когда космос становится видимым
Теперь мы знаем физику: заряженные частицы, магнитосфера, кислород, азот, возбуждённые атомы. Кажется, никакой загадки не осталось.
Но знание механизма не делает явление менее удивительным. Наоборот: зелёная лента над заснеженным лесом оказывается видимым следом событий, начавшихся на Солнце и продолжившихся после путешествия частиц через межпланетное пространство.
Миссия: проведи одну частицу от Солнца до зелёного неба
Представь, что ты — заряженная частица, выброшенная Солнцем. Сначала вокруг почти пустое межпланетное пространство. Затем впереди появляется магнитосфера Земли. Прямо лететь не получается: магнитное поле меняет путь. Тебя направляет в сторону полярных областей, и высоко в атмосфере происходит столкновение с частицами газа. Они получают энергию — а потом возвращают её светом.
Попробуй рассказать этот маршрут как историю из пяти остановок: Солнце → космос → магнитосфера → полюс → свет. Если на любой остановке убрать одно звено, подумай, что изменится.
Дневник охотника за сиянием
Если когда-нибудь окажешься в месте, где сияние возможно, не ограничивайся фотографией. Запиши время, облачность, направление, цвет и форму: дуга, лучи, занавес или пятна. Даже если сияние не появится, это всё равно настоящее наблюдение: природа не обязана включаться по расписанию.
Когда ты смотришь на полярное сияние, ты буквально видишь взаимодействие Земли с космосом.
Задание юному исследователю
Возьми лист бумаги и нарисуй Землю, Солнце и путь частиц между ними. Вокруг Земли обозначь магнитное поле, а возле полюсов нарисуй две светящиеся области.
А теперь попробуй без подсказки объяснить кому-нибудь дома северное сияние всего четырьмя словами-подсказками: Солнце, частицы, магнитное поле, атмосфера.
Если получилось — механизм ты уже понял.
Источники
- NASA Space Weather / Auroras
- NOAA Space Weather Prediction Center — Aurora
- NASA Science — Auroras on other planets