Яскравість та колір полярних сяйв
© Alexander Gerst
Яскраві сполохи полярних сяйв здатні заворожувати своєю красою та насиченою кольоровою гамою. За цим процесом ховається простий фізичний ефект.
Минулого тижня ми повідомляли про спостереження полярного сяйва з території Волинської області під час потужної геомагнітної бурі. На фотографії було помітно слабке світіння червоного відтінку. У цей же час у багатьох приполярних регіонах небо палахкотіло яскравими фарбами – від смарагдово зеленого до пурпурового та фіолетового. Чим же викликано таке різноманіття відтінків? Давайте розумітися.
Полярні сяйва, вони ж Північні чи Південні залежно від того, біля якого полюса знаходиться спостерігач, є результатом взаємодії сонячного вітру, магнітного поля Землі та верхніх шарів атмосфери нашої планети. Сонячний вітер, що складається переважно з високоенергетичних електронів, протонів і ядер гелію (альфа-частинок), дме весь час і в усіх напрямках від Сонця. Його швидкість у середньому близько земної орбіти становить 500 км/сек, а густина близько 5 частинок на кубічний сантиметр. Коли потік сонячного вітру (викиду корональних мас) досягає магнітосфери Землі, то заряджені частинки починають рухатися магнітними лініями нашої планети, які сходяться в приполярних регіонах. Саме туди й прямують частинки. З цієї причини дані сяйва і називаються полярними - їх найчастіше видно в приполярних регіонах (у межах так званих, авроральних овалів, які розташовуються навколо геомагнітних полюсів планети).
Також читайте
Потрапляючи в земну атмосферу, частки сонячного вітру вдаряють по молекулам та атомам нашого повітря. Як відомо, повітря складається з азоту та кисню (домішками інших газів, таких як аргон, водень та гелій можна знехтувати, оскільки їх вміст сумарно становить менше 1%). Ці молекули збуджуються (тобто набувають додаткову енергію) і потім досить швидко (протягом секунди) віддають її у вигляді випромінювання строго певної довжини хвилі (смужки в спектрі, строго певного кольору), див. на схемі. З представленої гістограми видно, що більшість світіння припадає на червоний, зелений і фіолетовий. Це від того, на якій висоті відбувається взаємодія сонячного вітру з частками повітря, і навіть від хімічного складу (молекула чи атом). Тому можна всі структури кольорів класифікувати в наступному порядку:
- Червоний - свічення атомарного кисню (О) на висотах 170 - 400 км (рідше до 600 км) на довжинах хвиль 630 і 636,4 нм. Також червоний колір меншою мірою дає свічення атомів водню, які часто зустрічаються у верхніх шарах атмосфери. Червоне світіння зазвичай досить тьмяне та дифузне (з розмитими формами).
-
Зелений – свічення атомарного кисню (О) на висотах 100 – 170 км (на довжині хвилі 557,7 нм), а також молекулярного азоту (N2) на довжині хвилі 522,8 нм; це найпоширеніший колір сяйв. Швидке зменшення концентрації атомарного кисню нижче 100 км. зумовлює виразні краї зеленого свічення.
-
Синій / фіолетовий – випромінювання молекулярного азоту на довжині хвилі 428 нм внаслідок його іонізації на висотах 80 – 120 км (зустрічається зазвичай у періоди підвищеної сонячної активності, коли сонячний вітер має більшу енергію та швидкість). Сяйво фіолетового відтінку зазвичай дуже динамічне в часі, проявляється у вигляді пульсацій і має явно виражені контури.
-
Жовтий, рожевий / блідо малиновий - зазвичай є результатом комбінації червоного, зеленого і синього кольорів. Залежно від інтенсивності випромінювання, на небосхилі можуть проявитися будь-які відтінки. Приладами фіксується випромінювання також в інфрачервоному та ультрафіолетовому діапазонах, які для людського ока не видно.
Саме такий розподіл кольорів залежно від висоти визначає, як бачать спостерігачі одне й те саме сяйво на різних широтах. Оскільки червоне свічення формується на значній висоті, то це пояснює те, що у разі появи сяйв на низьких широтах (при сильних геомагнітних бурях, як у Волинській області 4 листопада 2021 р.), спостерігач бачить тільки червоне свічення (до речі, це найбільше поширений колір при спостереженнях в Австралії, Тасманії та Новій Зеландії). І навпаки – у приполярних регіонах та в зоні аврорального кола найчастіше помітні саме зелені та фіолетові відтінки, оскільки вони сяють практично над головою спостерігача. У кожному разі, яскраві, різнокольорові, динамічні сяйва можна спостерігати лише у межах Північного полярного кола (країни Скандинавії, заполярні регіони Росії, Канада, Ісландія та деякі райони Антарктиди).
