Северное сияние: почему оно возникает, откуда берутся цвета и когда его ждать
Северное сияние (полярная аврора) возникает из-за энергии солнечного ветра, которую магнитное поле Земли направляет к полярным областям. Там электроны, ускоренные вдоль силовых линий, сталкиваются с кислородом и азотом верхней атмосферы, обычно на высоте от 80 до 500 км, и возбуждённые атомы отдают энергию светом: зелёным и красным у кислорода, синим и фиолетовым у азота.
Когда спрашивают, северное сияние почему возникает, честный ответ включает трёх участников: Солнце, магнитное поле Земли и разреженный воздух высоко над головой. Здесь мы проследим путь энергии от одного к другому, объясним цвета с настоящими длинами волн, покажем, как индекс Kp подсказывает, как далеко от полюса его искать, и дадим короткий список того, что помогает его действительно увидеть.
Главные идеи
- Солнце постоянно излучает солнечный ветер, обычно около 400 км/с, а порой и выбросы; магнитное поле Земли направляет часть этой энергии к полюсам.
- Светится сам воздух: электроны сталкиваются с атомами и молекулами кислорода и азота, и те отдают энергию светом, как неоновая лампа.
- Кислород даёт привычный зелёный цвет (557,7 нанометра, чаще на высоте 100–150 км) и красное свечение выше; азот даёт синий и фиолетовый.
- Сияние лежит двумя овалами вокруг магнитных полюсов; индекс Kp от 0 до 9 показывает, насколько они расширились, а при экстремальных бурях овалы доходят до юга Европы и юга США.
- Это не отражение солнечного света ото льда, а на земле сияние безопасно для человека, хотя те же бури могут мешать спутникам, радиосвязи и электросетям.
Короткий ответ: ветер Солнца встречает магнит
Солнце непрерывно выдувает тонкий поток заряженных частиц, в основном протонов и электронов, — солнечный ветер. Обычно он течёт со скоростью около 400 км/с, а быстрые потоки — до 800 км/с. До Солнца примерно 150 млн км, поэтому ветру со скоростью 400 км/с нужно 150 000 000 ÷ 400 = 375 000 секунд, то есть чуть больше 4 суток. Мощные выбросы вещества, корональные выбросы массы, могут добраться за один-три дня.
Земля — это магнит, и её поле образует пузырь, магнитосферу, которая отклоняет большую часть солнечного ветра вокруг планеты. Но часть энергии ветра всё же проникает внутрь, и магнитосфера ускоряет электроны вдоль силовых линий к полюсам. Как описывает NOAA, они сталкиваются с атомами и молекулами кислорода и азота, передают им энергию, и те светятся при возвращении в обычное состояние.
Поэтому полярное сияние — не солнечный свет, отражённый снегом или льдом. Это свечение самой верхней атмосферы, как светится неоновая лампа, когда ток возбуждает газ внутри. Поэтому же для сияния не нужен солнечный свет в вашем месте — нужна только темнота, чтобы его увидеть.
Почему сияние держится у полюсов: овал и индекс Kp
Силовые линии земного магнита входят в атмосферу вблизи двух магнитных полюсов, поэтому ускоренные электроны попадают в кольцо вокруг каждого полюса — авроральный овал. Лучшее место для наблюдений — под овалом, примерно между 60 и 75 градусами широты: по данным NOAA, там сияние видно больше чем в половину ночей года.
Размер овала зависит от того, насколько сильно давит солнечный ветер. Это измеряют планетарным индексом K, Kp, от 0 до 9. NOAA приводит правило в геомагнитной широте: при Kp 0 край овала со стороны экватора лежит примерно на 66 градусах и смещается к экватору примерно на 2 градуса с каждой ступенью Kp, доходя до 48 градусов при Kp 9. Шкала приблизительная, а числа — средние.
Южное сияние, аврора австралис, образуется в таком же овале вокруг южного магнитного полюса. Два сияния часто возникают примерно одновременно и выглядят похоже.
Откуда берутся цвета
Каждый газ светится своими цветами. Возбуждённые атомы кислорода дают привычный зелёный цвет с длиной волны 557,7 нанометра, чаще всего на высотах 100–150 км. Выше, примерно от 200 км, кислород даёт глубокий красный. Красному свечению нужно около двух минут на излучение, поэтому оно возникает там, где воздух так разрежен, что атомы редко успевают столкнуться раньше.
Азот даёт синий и фиолетовый свет, а иногда розовую или красную кайму у нижнего края «занавеса». По данным NOAA, сияние обычно возникает на высоте от 80 до 500 км над поверхностью, то есть намного выше самолётов и погоды и заметно ниже Международной космической станции, поэтому космонавты видят его сверху.
В темноте глаз плохо различает слабые цвета, и многим сияние кажется бледно-зелёным или серым. Камера телефона собирает свет несколько секунд и часто показывает больше цвета, чем вы видели, в том числе розовый и красный.
Когда и как его увидеть
Число солнечных пятен меняется с периодом около 11 лет, и сильная активность Солнца делает яркие сияния вероятнее. 25-й цикл приблизился к максимуму около 2024 года. 10–11 мая 2024 года экстремальная буря уровня G5 по шкале NOAA, высшего на этой шкале, оказалась самой сильной за более чем двадцать лет, и сияние видели там, где его почти не бывает: на юге Европы, во Флориде и в Мексике. В 1859 году буря Кэррингтона сделала сияние видимым вплоть до Карибского моря.
Совет NOAA сводится к четырём пунктам: геомагнитная активность (смотрите прогноз Kp), место (двигайтесь к магнитному полюсу и найдите открытый вид на север, а в Южном полушарии — на юг), темнота (вдали от городских огней и Луны и не в полярный день) и ясное небо. Затем наберитесь терпения, ведь картина может измениться за минуты.
На земле сияние безопасно для человека. Риск грозит технике: такая буря, как в 1859 году, сегодня могла бы повредить спутники и электросети, и поэтому NOAA постоянно следит за Солнцем.
Как это показывает VJOURNAL SMART BOOK
Глава «Полярное сияние» бесплатной книги SMART BOOK «Всё обо всём», том II, на VITON13 SCHOOL прослеживает путь энергии в пяти коротких моментах. Рядом с текстом — живая 3D-картинка, которую можно вращать пальцем или мышью: частицы тонкими струями вылетают из Солнца.
Под картинкой есть песочница, где вы двигаете индекс Kp и видите, как меняется авроральный овал. В главе также рассказано о буре 1859 года и о мае 2024-го, показаны сияния на Юпитере и других планетах, а в конце — тест из трёх вопросов с объяснениями и источники, которые можно открыть.
Простыми словами
Представьте, что Солнце дует ровным слабым ветром, а Земля — магнит, который часть этого ветра направляет к полюсам. Направленные частицы попадают в разреженный воздух наверху, и он светится, как газ в неоновой вывеске под током.
Попробуйте сами
Используйте правило NOAA для края аврорального овала в геомагнитной широте: 66° минус 2° за каждую ступень Kp. Найдите край овала для Kp 0, 3, 5, 7 и 9.
Ожидаемый результат
Получится 66°, 60°, 56°, 52° и 48°. Чем выше Kp, тем дальше овал расходится от полюса, а при Kp 9 он доходит до широт юга Европы и юга США.
Проверьте себя: Город лежит на 54° геомагнитной широты. При каком Kp по этому правилу край овала окажется над ним?
(66 − 54) ÷ 2 = 6, то есть примерно при Kp 6. Правило приблизительное, поэтому ясное тёмное небо и хороший вид на север по-прежнему важны.
Вопросы и ответы
Северное и южное сияние — это одно и то же?
Да. Аврора бореалис — северное, аврора австралис — южное. Они образуются одинаково вокруг двух магнитных полюсов и часто возникают примерно одновременно.
Почему северное сияние зелёное?
Возбуждённые атомы кислорода излучают зелёный свет с длиной волны 557,7 нанометра, чаще на высоте 100–150 км, а наши глаза особенно чувствительны к зелёному. Кислород выше даёт красный, а азот — синий и фиолетовый.
Что значит индекс Kp для наблюдения сияния?
Kp меняется от 0 до 9 и измеряет геомагнитную активность. Чем выше Kp, тем ярче сияние и тем дальше от полюсов оно распространяется; в шкале бурь NOAA Kp 9 соответствует экстремальной буре G5.
Можно ли увидеть северное сияние вдали от Арктики?
Только во время сильных бурь. При экстремальной буре мая 2024 года сияние отмечали на юге Европы, во Флориде, в Мексике, а в южном полушарии — в Австралии и Новой Зеландии.
Опасно ли северное сияние?
Для людей на земле — нет. Сильные геомагнитные бури могут мешать спутникам, радиосвязи и электросетям, и поэтому такие агентства, как NOAA, следят за Солнцем.
Сияние — это солнечный свет, отражённый от полярного льда?
Нет. Это свет, который излучают кислород и азот верхней атмосферы после возбуждения электронами, и для него не нужен солнечный свет там, где вы стоите.
Запомните цепочку: солнечный ветер, магнитное поле Земли, электроны, бьющие по кислороду и азоту, затем свет, а индекс Kp подсказывает, как далеко от полюса искать. После этого откройте главу и сами подвигайте Kp, чтобы увидеть, как растёт овал.
Источники и дальнейшее чтение
- NOAA Space Weather Prediction Center: Aurora ↗Источники проверены:
- NOAA Space Weather Prediction Center: Tips on viewing the aurora (Kp and the auroral oval) ↗Источники проверены:
- NOAA Space Weather Prediction Center: Solar wind ↗Источники проверены:
- NOAA Space Weather Prediction Center: Planetary K-index ↗Источники проверены:
- NOAA Space Weather Scales (G1 to G5 geomagnetic storms) ↗Источники проверены: