Полярное сияние, более известное как северное сияние, — это естественное световое явление на небе Земли, которое в основном происходит в высокоширотных регионах. Полярные сияния являются результатом возмущений в магнитосфере, вызванных солнечным ветром. Эти возмущения направляются магнитным полем Земли в атмосферу, вызывая ионизацию и возбуждение атмосферных компонентов и испуская свет различного цвета и сложности. Цвет полярного сияния определяется тем, какие атмосферные газы сталкиваются с заряженными частицами. Зеленые полярные сияния вызваны излучением света молекулами кислорода, расположенными примерно в 60 милях над землей.
Полярные сияния вызваны взаимодействием заряженных частиц, испускаемых солнцем, называемых солнечным ветром, и газообразных частиц в атмосфере Земли. Когда солнечный ветер приближается к Земле, магнитное поле планеты направляет электрически заряженные частицы к магнитным полюсам. Магнитосфера действует как защитный экран для Земли, отклоняя большую часть частиц солнечного ветра. Однако некоторые из них преодолевают защиту магнитосферы вблизи полюсов и взаимодействуют с атомами газа в верхних слоях атмосферы, заставляя атомы светиться. Кислород излучает зеленовато-белый свет в нижних слоях атмосферы, где чаще всего можно увидеть полярные сияния.
Солнце проходит 11-летний цикл солнечной активности со множеством небольших изменений между ними. Во время солнечного максимума на солнце увеличивается количество солнечных пятен, и оно выбрасывает больше вещества и излучения. Это может привести к более частым и сильным полярным сияниям. Противоположное происходит во время солнечного минимума, когда полярные сияния случаются реже и слабее. В настоящее время солнце движется к другому солнечному максимуму, пик которого придется на 2025 год.
Зеленый цвет полярных сияний создается атомами кислорода, расположенными примерно в 60 милях над поверхностью Земли. Когда заряженные частицы солнечного ветра врезаются в атмосферу, они возбуждают атомы кислорода, заставляя их светиться. Цвет полярного сияния зависит от того, какой атмосферный газ сталкивается с заряженными частицами. Вот разбивка цветов:
Зеленый — самый распространенный цвет, поскольку кислород — самый распространенный газ в нижних слоях атмосферы, где обычно видны полярные сияния. Атомы кислорода излучают зеленоватый свет с длиной волны 557,7 нм (нанометров), когда они возвращаются в свое нормальное состояние после возбуждения. Другие цвета, такие как розовый, желтый и фиолетовый, также можно наблюдать, когда зеленый полярный свет смешивается с красным кислородом, излучаемым с больших высот.
Высота над землей — еще один фактор, определяющий цвета полярного сияния. В полярных сияниях на более низких высотах, происходящих на высоте около 60-150 миль над поверхностью Земли, преобладает зеленый цвет. По мере увеличения высоты красный цвет становится более заметным, поскольку частицы с более высокой энергией взаимодействуют с менее плотными атомами кислорода. Вот таблица, показывающая различные цвета и их высоты:
| Высота (мили) | Цвет |
|---|---|
| 60-150 | Зеленый |
| Выше 150 | Красный |
| Более 200 | Синий |
Итак, подведем итог: зеленые полярные сияния возникают на более низких высотах в плотной, богатой кислородом атмосфере, в то время как красные, фиолетовые и синие полярные сияния возникают на более высоких высотах. Зеленый кислород, испускаемый ниже 150 миль, доминирует в визуальном проявлении полярного сияния с земли.
Давайте подробнее рассмотрим химические реакции, вызывающие зеленое излучение атомов кислорода:
Эта зеленая линия спектра излучения на 557,7 нм образуется, когда электрон переходит внутри атома кислорода из состояния с более высокой энергией в основное состояние с более низкой энергией. Этот переход конкретно включает переход электрона между атомными орбиталями, известными как 3s-орбиталь и 3p-орбиталь. Фотон, испускаемый при этом падении энергии, напрямую соответствует зеленому цвету, который мы наблюдаем в полярном сиянии.
Полярные сияния возникают в кольцах, сосредоточенных вокруг северного и южного магнитных полюсов Земли. Итак, лучшие места для наблюдения за северным сиянием находятся в высокоширотных регионах, включая:
В северном полушарии овал полярных сияний сосредоточен примерно вокруг широты от 65 до 72 градусов северной широты. В периоды повышенной солнечной активности и геомагнитных бурь овал полярных сияний расширяется дальше на юг на 5-10 градусов, расширяя область наблюдения.
Идеальные условия наблюдения требуют чистого темного неба вдали от светового загрязнения в городах и городских районах. Лучшее время для наблюдения за полярным сиянием — около полуночи по местному времени. И, конечно же, периоды вокруг осеннего и весеннего равноденствия обеспечивают более длительные часы темноты по сравнению с летним сезоном.
Подводя итог, можно сказать, что зеленый свет полярного сияния испускается возбужденными атомами кислорода, расположенными на высоте 60-150 миль над Землей. Заряженные частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами кислорода, заставляя их переходить в возбужденное состояние. Когда кислород возвращается в свое основное состояние, он испускает фотоны в зеленой части видимого спектра света на длине волны 557,7 нм. Это зеленое излучение доминирует в визуальном проявлении полярных сияний из-за высокой концентрации кислорода в нижних слоях атмосферы. Так что в следующий раз, когда вам посчастливится стать свидетелем чуда северного сияния, знайте, что это кислород в воздухе заставляет небо светиться зеленым!