Северное сияние превращает ночное небо в движущуюся картину из зелёных, красных и фиолетовых полос. Чаще всего его наблюдают в северных широтах, а цвет и яркость могут меняться прямо на глазах. Разберёмся, как возникает северное сияние, почему оно бывает разноцветным, при чём здесь солнечный ветер и где можно увидеть это явление.
Что такое северное сияние
Северное сияние — это свечение, которое возникает в верхних слоях атмосферы Земли. Его появление связано с солнечным ветром — потоком заряженных частиц от Солнца — и магнитным полем нашей планеты.
Когда солнечный ветер взаимодействует с магнитосферой Земли, часть энергии передаётся заряженным частицам внутри неё. Электроны ускоряются и попадают в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с атомами и молекулами газов. В результате появляется свечение, которое мы видим с поверхности.
Научное название северного сияния — Aurora Borealis: Aurora — имя древнеримской богини рассвета, а borealis по-латыни означает «северный». В Южном полушарии возникает Aurora Australis, или южное сияние. Оно образуется по тому же принципу.
Как возникает северное сияние
Чтобы понять, почему оно появляется, проследим путь энергии от Солнца до земной атмосферы. Упрощённо этот процесс можно разделить на три этапа.
Солнечный ветер
Солнце постоянно испускает поток плазмы — заряженных частиц, в основном протонов и электронов. Он движется от солнечной короны во всех направлениях и называется солнечным ветром. Его скорость меняется. Например, при скорости около 400 км/с он преодолевает расстояние от Солнца до Земли примерно за четыре дня. Более быстрые потоки добираются до нашей планеты раньше.
Иногда Солнце выбрасывает в космос огромные облака плазмы и магнитного поля. Такие события называют корональными выбросами массы. Если выброс направлен к Земле, он может вызвать сильные возмущения её магнитного поля — геомагнитную бурю. Во время таких бурь северное сияние часто становится ярче и его можно увидеть гораздо южнее обычного. Но важно не только само событие на Солнце, но и направление выброса и свойства его магнитного поля.
Магнитное поле Земли
Землю окружает магнитосфера — область, в которой важную роль играет магнитное поле нашей планеты. Она отклоняет большую часть солнечного ветра, но при этом взаимодействует с ним и получает часть его энергии. Эта энергия может ускорять электроны в магнитосфере. Затем они движутся вдоль линий магнитного поля к верхним слоям атмосферы. Особенно часто это происходит в высоких широтах.
Поэтому полярное сияние обычно появляется не прямо над Северным полюсом, а в авроральном овале — кольцеобразной области вокруг магнитного полюса. Во время сильных геомагнитных бурь овал расширяется. Тогда сияние можно увидеть намного южнее тех мест, где оно наблюдается обычно.
Столкновение частиц с атмосферой
Ускоренные электроны попадают в верхние слои атмосферы и сталкиваются там с атомами кислорода и молекулами азота. Значительная часть видимого сияния возникает на высоте примерно от 100 до 400 километров.
При столкновении атом или молекула получает дополнительную энергию и переходит в возбуждённое состояние. Оно длится недолго: затем частица возвращается в состояние с меньшей энергией и может испустить фотон — частицу света. Время такого перехода зависит от вещества и конкретного возбуждённого состояния.
Именно множество таких процессов и создаёт свечение в небе. При этом сияние постоянно меняется: появляются дуги, лучи и похожие на занавес полосы. Причина в том, что процессы в магнитосфере и потоки заряженных частиц тоже непрерывно меняются.
Почему северное сияние разноцветное
Цвет этого явления зависит от того, с какими газами сталкиваются заряженные частицы и на какой высоте это происходит. Главную роль здесь играют кислород и азот. Состав и плотность атмосферы меняются с высотой, поэтому разные части сияния могут одновременно быть зелёными, красными, синими или фиолетовыми.
Зелёный и красный: свечение кислорода
Зелёный цвет создают атомы кислорода, которые после столкновения с быстрыми частицами излучают зелёный свет с длиной волны около 557,7 нм. Яркое зелёное свечение часто возникает на высоте примерно 100–200 км, хотя его можно наблюдать и выше.
Кислород отвечает и за красный цвет, но такое свечение обычно появляется выше — примерно от 200 км. Здесь атмосфера более разреженная и столкновения между частицами происходят реже. Благодаря этому возбуждённый атом кислорода успевает испустить красный свет, не потеряв полученную энергию при новом столкновении. Поэтому красное свечение чаще появляется в верхней части северного сияния и может выглядеть более плавным и размытым, чем зелёное.
Синий, фиолетовый и розовый: свечение азота
За синие и фиолетовые оттенки в основном отвечают молекулы азота и их ионы. Такое свечение чаще появляется в нижней части сияния, примерно на высоте 100 км.
Розовые и пурпурные оттенки могут возникать, когда одновременно видны разные виды свечения — например, синее или фиолетовое излучение азота и зелёное свечение кислорода. Поэтому нижний край зелёных полос иногда окрашивается в розовый или пурпурный цвет.
Где и когда увидеть северное сияние
Чаще всего это астрономическое явление можно увидеть в высоких широтах, в пределах аврорального овала. Во время сильных геомагнитных бурь эта область расширяется к югу, поэтому сияние иногда появляется и там, где обычно его не наблюдают.
Лучшие места для наблюдения в России
В России северное сияние регулярно наблюдают в Мурманской области, Карелии, Якутии и на Чукотке. Одно из самых популярных направлений — Мурманская область: она расположена достаточно далеко на севере, при этом до многих мест здесь относительно легко добраться.
Увидеть северное сияние в Москве тоже можно, но гораздо реже. Обычно это происходит во время сильных геомагнитных бурь, когда область сияния расширяется далеко на юг. Предсказать, сколько таких событий произойдёт за год или десятилетие, нельзя: их частота зависит от солнечной и геомагнитной активности.
Когда лучше наблюдать северное сияние
Северное сияние может возникать в любое время года, но для наблюдения нужны темнота и ясная погода. Поэтому на севере лучший сезон длится примерно с осени до весны. Летом белые ночи и полярный день мешают увидеть свечение. Место лучше выбирать вдали от городской засветки.
Оценить вероятность сияния помогает Kp-индекс — показатель геомагнитной активности по шкале от 0 до 9. Чем он выше, тем больше шансов увидеть сияние на более низких широтах. Однако одного Kp-индекса недостаточно: стоит также проверить прогноз аврорального овала и облачность. Данные о геомагнитной активности публикует Центр прогнозирования космической погоды NOAA.
Сияние может быстро меняться: спокойная дуга за несколько минут превращается в движущиеся полосы и световые «занавесы», а затем снова ослабевает. Активная фаза может длиться десятки минут, а всё событие — несколько часов.
Интересные факты о северном сиянии
Бывает ли северное сияние на других планетах
Полярные сияния наблюдали на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. Авроральные явления обнаружены и на Марсе, хотя его магнитное поле сильно отличается от земного.
Общий принцип похож: заряженные частицы передают энергию газам в верхних слоях атмосферы, и те начинают излучать свет. Но источники частиц на разных планетах могут отличаться. Например, на Юпитере важную роль играет Ио — его вулканически активный спутник. Ио выбрасывает в космос вещество, часть которого становится заряженными частицами и попадает в магнитосферу Юпитера.
Правда ли, что северное сияние издаёт звуки
Люди давно рассказывают о потрескивании, щелчках и шорохах, которые слышны во время северного сияния. Исследователям действительно удавалось записывать звуки, связанные по времени с геомагнитной активностью. Но их происхождение до сих пор изучается. Само сияние возникает на высоте около 100 км и выше. Звук оттуда не мог бы достичь наблюдателя одновременно с изменениями сияния: ему потребовалось бы несколько минут.
Финский исследователь Унто Лайне предложил другое объяснение. По его гипотезе, звуки могут возникать гораздо ближе к поверхности Земли из-за электрических разрядов в атмосфере. В одном из исследований их источник находился примерно на высоте 70 метров. Пока эта гипотеза не считается доказанной. Поэтому точнее говорить не о «звуке северного сияния», а о звуках, которые могут быть связаны с условиями во время геомагнитной активности.
Главное
Северное сияние — один из самых наглядных примеров того, как процессы на Солнце могут проявляться на Земле. Его форма, яркость и цвет зависят от солнечной активности, магнитного поля нашей планеты и состава атмосферы.
Сегодня учёные хорошо понимают физику этого явления и могут прогнозировать условия для его появления. Но от этого северное сияние не становится менее впечатляющим: каждая вспышка в небе — видимое проявление процессов, которые связывают Солнце, космическое пространство и Землю.
