Зимней ночью небо вдруг начинает светиться: над горизонтом возникает зелёная дуга, затем она вытягивается в ленты и будто превращается в огромный занавес. Что такое северное сияние и как оно появляется? Это свет верхней атмосферы Земли, который возникает, когда энергия и частицы, связанные с солнечным ветром, взаимодействуют с магнитосферой и возбуждают атомы и молекулы кислорода и азота.
Что такое северное сияние простыми словами
Северное сияние — это свечение верхних слоёв атмосферы возле полярных областей Земли. Оно возникает не потому, что «светится космос» и не потому, что солнечные лучи отражаются от снега. Свет рождается в нашей атмосфере.
Начинается история далеко отсюда — на Солнце. Оно постоянно посылает в межпланетное пространство поток плазмы, который называют солнечным ветром. Земля окружена магнитным полем, поэтому заряженные частицы не просто летят прямо к поверхности.
Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой передаёт энергию системе вокруг Земли, а часть заряженных частиц затем направляется вдоль магнитных силовых линий к высоким широтам.
Высоко в атмосфере эти частицы сталкиваются с атомами и молекулами газов. Кислород и азот получают дополнительную энергию, а затем отдают её в виде света. Так и возникает сияние.
Если представить процесс как маршрут, получится пять остановок: Солнце → солнечный ветер → магнитосфера → верхняя атмосфера → свет.
Почему северное сияние связано с магнитным полем Земли
Магнитное поле создаёт вокруг планеты огромную область — магнитосферу. Со стороны Солнца она сжата солнечным ветром, а с противоположной стороны вытянута далеко в космос.
Магнитосфера не работает как глухой стеклянный колпак. Она постоянно взаимодействует с солнечным ветром, накапливает и перераспределяет энергию. При определённых условиях часть этой энергии приводит к ускорению заряженных частиц, которые движутся вдоль магнитных силовых линий к полярным областям.
Именно поэтому сияния чаще всего образуют вокруг магнитных полюсов не идеальные круги, а кольцеобразные области — авроральные овалы. Когда геомагнитная активность усиливается, эти овалы могут расширяться, и сияние становится видно значительно южнее обычного.
Почему северное сияние бывает зелёным
Зелёный — самый привычный цвет северного сияния. Обычно его создаёт атомарный кислород примерно на высотах около 100–200 километров. После столкновения с энергичной частицей атом кислорода получает энергию, а затем испускает её в виде фотона зелёного света.
Но северное сияние не обязано быть зелёным. Кислород на больших высотах может давать красное свечение. Азот участвует в появлении синих, фиолетовых и розовых оттенков.
Поэтому цвет зависит сразу от нескольких вещей: какой газ светится, на какой высоте происходит столкновение и сколько энергии несут частицы.
Получается необычная «карта высот»: у яркой зелёной ленты иногда появляется красная верхняя часть, потому что красное свечение кислорода может возникать выше.
Почему северное сияние видно в основном на севере
Правильнее говорить не только «северное», а полярное сияние. В Северном полушарии его называют aurora borealis, а в Южном — aurora australis. Физический механизм у них один и тот же.
Причина привязки к полюсам — магнитное поле Земли. Частицы легче попадают в верхнюю атмосферу в высоких магнитных широтах, поэтому сияния особенно часто наблюдают внутри и около авроральных овалов.
Во время спокойной космической погоды эти области лежат далеко на севере и юге. Во время сильной геомагнитной бури овал расширяется — тогда северное сияние может увидеть человек, живущий гораздо южнее привычной зоны.
Где можно увидеть северное сияние в России
Чем ближе наблюдатель к зоне аврорального овала, тем выше шанс увидеть сияние. В России особенно известна Мурманская область и Кольский полуостров, но полярные сияния наблюдают и в других северных регионах.
Одной географии недостаточно. Нужно тёмное небо, более-менее ясная погода и подходящая геомагнитная обстановка. Облака способны полностью закрыть сияние, даже если над ними в этот момент происходит великолепное космическое представление.
Именно поэтому вопрос «где сегодня увидеть северное сияние?» нельзя решить только картой. Нужно одновременно смотреть прогноз облачности и данные космической погоды.
Почему северное сияние иногда видно почти белым
Вот неожиданный поворот: камера иногда показывает сияние ярко-зелёным, хотя человек на том же месте видит бледно-серую или почти белую полосу.
Причина не в том, что фотоаппарат «придумывает» сияние. В темноте человеческий глаз хуже различает цвет слабых объектов. Камера способна накапливать свет при более длинной выдержке, а её сенсор может увереннее зарегистрировать слабые зелёные, красные и фиолетовые оттенки.
Поэтому фотографии часто выглядят красочнее того, что наблюдатель видел невооружённым глазом. При очень ярком сиянии цвета, конечно, хорошо различимы и без камеры.
Почему сияние похоже на занавес и движется
Заряженные частицы движутся в магнитной среде не хаотично. Светящиеся области выстраиваются вдоль магнитных структур, поэтому сияние образует дуги, лучи, полосы и длинные складчатые занавесы.
Магнитосфера при этом постоянно меняется. Потоки энергии усиливаются и ослабевают, поэтому сияние может спокойно висеть над горизонтом, а через минуту начать изгибаться, вспыхивать и перестраиваться прямо на глазах.
С орбиты особенно хорошо видно ещё одну важную вещь: сияние — не «краска на звёздном небе», а тонкий светящийся слой высоко над поверхностью планеты.
Почему примерно раз в 11 лет о сияниях говорят чаще
У Солнца есть цикл активности продолжительностью примерно 11 лет. Вблизи солнечного максимума на Солнце обычно больше активных областей и чаще происходят события космической погоды, способные сильно возмущать магнитосферу Земли.
Но фраза «северное сияние появляется раз в 11 лет» неверна. Сияния происходят каждый год. Одиннадцатилетний цикл лишь меняет общую вероятность сильной солнечной активности; конкретное сияние зависит от того, что именно произошло на Солнце и как солнечный ветер взаимодействует с магнитосферой Земли.
Опасно ли северное сияние
Само видимое свечение не представляет опасности человеку, который стоит на земле и смотрит на небо. Оно происходит очень высоко в атмосфере.
Однако сильные геомагнитные бури — другое дело. Они могут влиять на спутники, радиосвязь, навигационные системы и в отдельных случаях на работу энергетической инфраструктуры. Поэтому специалисты следят не только за красивым светом, но и за всей космической погодой, которая его сопровождает.
Важно не путать это с обычной грозой. При грозе электрический разряд происходит в атмосфере сравнительно близко к нам, а полярное сияние рождается совсем по другому механизму и на гораздо больших высотах.
Проследи путь одной частицы
Попробуй восстановить всё расследование без подсказки. Частица и энергия приходят к Земле из солнечной среды. Магнитосфера меняет их путь и перераспределяет энергию. Возле полярных областей частицы попадают в верхнюю атмосферу и сталкиваются с кислородом или азотом. Газ получает энергию, а затем испускает свет.
Теперь попробуй объяснить северное сияние четырьмя словами: Солнце, частицы, магнитное поле, атмосфера. Если из этих четырёх подсказок получается целая история, механизм уже понятен.
Главная разгадка
Северное сияние — это один из редких случаев, когда взаимодействие Земли с космосом можно увидеть своими глазами. Зелёный занавес над лесом — финал процесса, который начался с солнечного ветра, прошёл через магнитосферу и закончился свечением атомов и молекул высоко в атмосфере.
Зная механизм, можно смотреть на сияние иначе. Зелёный цвет подсказывает, какой газ светится; красная верхушка — на какой высоте идёт процесс; расширившийся авроральный овал говорит о сильной геомагнитной активности. Красивое небо превращается в огромный природный прибор, который показывает, что происходит между Солнцем и Землёй.
Источники
- NASA Science — Auroras: механизм образования сияний, цвета, высоты и полярные области.
- NASA Science — Guide to Finding and Photographing Auroras: наблюдение сияния и различия между тем, что видит глаз и камера.
- NASA / NOAA — 11-year Solar Cycle: солнечный цикл и рост активности около максимума.
- NOAA Space Weather Prediction Center: данные и прогнозы космической погоды и полярных сияний.