Если совсем коротко: северное сияние — это свечение самого воздуха. Высоко над землёй, там, где атмосфера постепенно переходит в космос, по атомам газа бьёт поток частиц, прилетевший от Солнца. Атомы на мгновение «загораются» и гаснут — и мы видим на небе зелёные, красные и фиолетовые ленты. Магнитное поле Земли работает воронкой: оно сгребает эти частицы к полюсам, поэтому сияние чаще всего и видно на севере (а зеркально — и на юге). А цвет зависит от того, какой именно газ светится и на какой высоте.
Привет, это канал «Обо всём». Мы любим вопросы, на которые вроде бы «все знают ответ», а начнёшь копать — и внутри обнаруживается целый механизм. Северное сияние — ровно такой случай. Давайте разберёмся по-честному: откуда у Солнца «ветер», почему он сворачивает к полюсам, как из этого рождается свет и почему он разного цвета. А заодно переберём мифы, которые звучат красиво, но неверны.
Откуда у Солнца «ветер»
Солнце не просто светит — оно ещё и постоянно «сдувает» с себя вещество. Его внешняя оболочка, корона, настолько раскалена, что частицы (в основном электроны и протоны) разгоняются и улетают в космос сплошным потоком. Это и есть солнечный ветер — непрерывный выброс заряженных частиц в Солнечную систему, как описывает его NASA. Он дует всегда и во все стороны, а до Земли долетает за несколько суток.
Скорость у этого потока приличная: сотни километров в секунду в спокойном состоянии. Звучит страшно, но плотность солнечного ветра крошечная — это не ураган, а скорее очень разреженный, но бесконечный сквозняк заряженных частиц. Сам по себе он почти неощутим, и именно поэтому Земля с её защитой спокойно под ним живёт миллиарды лет.
Иногда на Солнце случаются вспышки и корональные выбросы массы — огромные пузыри плазмы, которые срываются с короны. Тогда поток резко усиливается и уплотняется; самые быстрые выбросы, по данным NASA, добегают до Земли всего за 15 часов. Именно эти «порывы» и устраивают сильные сияния. И да, солнечный ветер — не абстракция: на нём в принципе можно летать, если поймать его парусом. Про это у нас есть отдельный разбор — солнечный парус и как он работает.
Почему частицы сворачивают к полюсам
Вот первый неочевидный поворот. Если Солнце дует во все стороны, почему же сияние не висит равномерно над всей планетой? Потому что у Земли есть магнитное поле. Оно окружает планету невидимым коконом — магнитосферой — и работает как щит: большую часть солнечного ветра просто отклоняет, заставляя обтекать Землю стороной.
Но заряженная частица в магнитном поле не может лететь как ей вздумается — её траектория закручивается вдоль силовых линий. А силовые линии земного магнита сходятся к двум точкам, у магнитных полюсов. Получается воронка: часть частиц, пойманных магнитосферой, скатывается по этим линиям вниз — к северу и к югу. Поэтому сияние и «живёт» двумя кольцами (их называют авроральными овалами) вокруг полюсов, а не сплошной шапкой над планетой.
Важный нюанс: энергия для яркого сияния берётся не прямо из «удара» солнечного ветра по дневной стороне. С ночной стороны магнитосфера вытянута в длинный хвост, и когда магнитное поле Солнца и Земли стыкуются «навстречу», линии в этом хвосте рвутся и схлопываются заново. При этом копившаяся энергия разом выстреливает — и гонит частицы вниз, к полюсам. Поэтому самые эффектные вспышки сияния часто приходят рывками, а не ровным светом: это магнитосфера сбрасывает накопленное.
Как воздух загорается
Теперь — главное «ага». Что именно светится на небе? Не частицы от Солнца. Светится воздух.
Когда разогнанная частица врывается в верхние слои атмосферы (это примерно 100–300 км над землёй), она сталкивается с атомами и молекулами газа и передаёт им часть своей энергии. Атом на мгновение переходит в «возбуждённое» состояние — его электроны перескакивают на уровень повыше. Долго так держаться атом не может: он сбрасывает лишнюю энергию обратно, причём сбрасывает её в виде порции света. Миллиарды таких микровспышек разом — и всё небо светится.
Проще всего представить это как гигантскую неоновую лампу. В неоновой трубке ток разгоняет электроны, они бьют по газу, газ светится. Здесь всё то же самое, только газ — это обычный воздух, «трубка» — вся верхняя атмосфера планеты, а вместо тока из розетки — поток частиц от Солнца. Не случайно специалисты по космической погоде NOAA прямо сравнивают свечение авроры с работой неоновой лампы. По их же данным, эта «лампа» зажигается в слое примерно от 80 до 500 км над поверхностью.
Почему сияние разноцветное
Раз светится воздух, то и цвет задаёт воздух — точнее, то, какой газ светится и на какой высоте. Это вторая развилка, и она объясняет всю палитру.
Главный художник здесь — кислород. Возбуждённый атом кислорода умеет отдавать энергию двумя разными «порциями»: одна даёт зелёный свет, другая — красный. Зелёный рождается пониже, примерно на 100–200 км, и это самый частый цвет сияния — его чаще всего и фотографируют. Красный получается выше 200 км, где воздух совсем разрежён: там атому кислорода нужно больше времени, чтобы «выстрелить» красным, и на такой высоте ему никто не мешает — столкновения редки.
Азот добавляет холодные тона. Его молекулы дают сине-фиолетовые оттенки на тех же средних высотах, а у самой нижней кромки сияния, ниже 100 км, подкрашивают её розовато-красным. При этом цвета, как объясняет NASA, часто накладываются друг на друга — поэтому вживую небо нередко выглядит пурпурным, розовым или почти белым, а не разложенным по чистым полоскам. Если хочется прочувствовать, почему высота и состояние воздуха так меняют картинку, загляните в наш разбор про то, почему звёзды мерцают, а планеты — нет: там тоже всё решает атмосфера, сквозь которую мы смотрим.
Почему же зелёный встречается чаще всего? Тут складываются две причины. Во-первых, кислорода много как раз на «зелёной» высоте, и условия там удобные для этого свечения. Во-вторых, человеческий глаз в темноте чувствительнее всего именно к зелёному — тот же красный физически есть, но глазу он кажется тусклее и ловится хуже, особенно слабое сияние. Так что палитру на небе задаёт не только физика газа, но и устройство нашего зрения.
Почему у сияния форма занавеса
Сияние почти никогда не висит ровным пятном — оно складками, лентами, «занавесом». И это прямое следствие механизма. Частицы спускаются не беспорядочно, а вдоль силовых линий магнитного поля, как бусины по натянутым нитям. Там, где поток частиц идёт плотной «стеной», светится вертикальная полоса; соседние линии рисуют соседние складки. Получается та самая драпировка, которая колышется на ветру.
А «колышется» она потому, что сама картина потоков в магнитосфере живая и меняется за секунды. Чуть сместился поток частиц — и занавес поехал, вспыхнул ярче, распался на лучи. Нижний край сияния обычно резкий (там частицы окончательно «тормозятся» о плотный воздух), а верхний размыт и уходит вверх, в разреженные слои. Поэтому на фотографиях у лент часто розовая или зелёная чёткая кромка снизу и мягкое красноватое свечение сверху.
Когда сияние видно — и почему не только на севере
Сияние над полярным кругом бывает чуть ли не каждую ясную ночь — просто потому, что авроральный овал проходит как раз там. А вот яркие вспышки на полнеба, которые видно гораздо южнее, зависят от настроения Солнца.
У Солнца есть свой ритм — примерно 11-летний цикл активности, который считают по числу пятен на его поверхности. На пике цикла (его называют солнечным максимумом) вспышек и выбросов больше, магнитные бури — сильнее, а значит, и сияния чаще и ярче. В сильную бурю авроральные овалы раздуваются и сползают от полюсов к экватору — тогда сияние ловят даже в средних широтах, где его не видели годами.
Отсюда простой практический вывод для охотников за сиянием. Смотреть надо не прогноз погоды, а прогноз космической погоды: службы вроде NOAA публикуют ожидаемый уровень геомагнитной активности (его маркируют индексом Kp — чем выше, тем южнее сдвигается овал). Дальше нужна банальная удача: ясное небо, тёмное место подальше от городской засветки и терпение. Сияние не включается по расписанию — оно идёт волнами, то разгораясь, то почти пропадая.
И да — сияние бывает не только на севере. На юге есть его полное зеркало, aurora australis, южное полярное сияние. Механизм тот же самый, просто это второй конец всё той же магнитной воронки. Снимают его реже лишь потому, что вокруг южного полюса почти нет ни суши, ни людей. Если тема «почему небо выглядит так, а не иначе» вам зашла, у нас есть ещё один сосед по полке — почему космос чёрный.
Мифы, в которые легко поверить
«Это отражение снега и льда». Красиво, но нет. Снегу нечего отражать: сияние рождается в десятках и сотнях километров над поверхностью, в разреженном воздухе, и прекрасно наблюдается там, где внизу вообще нет снега.
«Это солнечный свет, который как-то загибается к полюсам». Тоже нет. Солнце поставляет не свет, а частицы. Свет рождается уже здесь, в нашей атмосфере, когда эти частицы бьют по газу. Сияние вообще видно ночью — то есть тогда, когда прямого солнечного света на этом участке неба нет.
«Сияние бывает только на Северном полюсе». Нет: есть зеркальное южное, а в сильные бури полярное сияние заходит и в средние широты. «Северное» — это привычка речи, а не география.
«Оно появляется от сильного холода». Связь есть, но случайная. Холод не вызывает сияние. Просто ясные морозные ночи в высоких широтах — это и есть лучшие условия, чтобы его разглядеть: нет облаков, долгая тёмная ночь. Мороз здесь не причина, а попутчик.
Коротко
— Северное сияние — это свечение самого воздуха высоко над землёй, а не отражение и не прямой свет Солнца.
— Солнце постоянно выбрасывает поток заряженных частиц (солнечный ветер); магнитное поле Земли большую часть отклоняет, а часть направляет воронкой к полюсам.
— На высоте примерно 100–300 км частицы бьют по атомам газа, те возбуждаются и, успокаиваясь, излучают свет — как в неоновой лампе.
— Цвет задаёт газ и высота: кислород — зелёный (пониже) и красный (повыше), азот — сине-фиолетовый и розовую кромку снизу.
— Активность растёт в магнитные бури и к пику 11-летнего солнечного цикла; на юге есть полное зеркало — aurora australis.
Пока нет комментариев