Северное сияние в ночном небе Квинстауна, Новая Зеландия (Изображение предоставлено: Skyimages / Getty Images)
На прошлой неделе огромная солнечная вспышка отправила в космос волну энергичных частиц с Солнца. В выходные эта волна достигла Земли, и люди по всему миру наслаждались зрелищем необычайно яркого северного сияния в обоих полушариях.
Если обычно северное сияние видно только вблизи полюсов, то в эти выходные оно было замечено на юге до Гавайев в северном полушарии и на севере до Маккая в южном. (1, 2)
Got a needle in a haystack image. It disappeared just as fast. I’m still speechless. Aurora in Hawaii pic.twitter.com/HzKVWTHbnI
— Jacobvandervelde.eth (@JACOBJMV) May 12, 2024
Этот впечатляющий всплеск авроральной активности, похоже, закончился, но не волнуйтесь, если вы его пропустили. Солнце приближается к пику своего 11-летнего цикла солнечных пятен, и периоды интенсивного северного сияния, вероятно, вернутся в течение следующего года или около того. (3)
Если вы видели северное сияние или какую-то из фотографий, вам, возможно, интересно, что именно происходит. Что вызывает свечение и различные цвета? Ответ заключается в атомах, в том, как они возбуждаются и как расслабляются.
Когда электроны встречаются с атмосферой
Авроры возникают из-за того, что заряженные субатомные частицы (в основном электроны) врезаются в атмосферу Земли. Они постоянно испускаются Солнцем, но в периоды повышенной солнечной активности их становится больше.
Большая часть нашей атмосферы защищена от притока заряженных частиц магнитным полем Земли. Но вблизи полюсов они могут проникать внутрь и сеять хаос.
Атмосфера Земли состоит примерно на 20% из кислорода и на 80% из азота, а также некоторых следовых количеств других веществ, таких как вода, углекислый газ (0,04%) и аргон.
Северное сияние, наблюдавшееся в мае 2024 года, было видно и в регионе Эмилия-Романья на севере Италии. CC BY-NC-SA (Изображение предоставлено: Лука Аргалия / Flickr)
Когда высокоскоростные электроны врезаются в молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы, они расщепляют молекулы кислорода (O₂) на отдельные атомы. Ультрафиолетовый свет от Солнца тоже делает это, и образующиеся атомы кислорода могут реагировать с молекулами O₂, производя озон (O₃), молекулу, которая защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения.
Но в случае с северным сиянием образующиеся атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии. Это означает, что электроны атомов расположены нестабильно и могут «расслабиться», отдавая энергию в виде света.
Что создает зеленый свет?
Как вы видите в фейерверках, атомы разных элементов излучают свет разного цвета, когда на них подается энергия.
Атомы меди излучают синий свет, бария – зеленый, а атомы натрия – желто-оранжевый, который вы, возможно, видели в старых уличных фонарях. Эти излучения «разрешены» правилами квантовой механики, что означает, что они происходят очень быстро.
Когда атом натрия переходит в возбужденное состояние, он находится в нем всего 17 миллиардных долей секунды, прежде чем испустить желто-оранжевый фотон.
Но в северном сиянии многие атомы кислорода создаются в возбужденном состоянии, и у них нет «разрешенных» способов расслабиться, излучая свет. Тем не менее природа находит способ.
Aurora australis видна из Оутлендс, Тасмания, 11 мая 2024 года. (Изображение предоставлено: AAP Image / Ethan James)
Зеленый свет, который доминирует в северном сиянии, испускается атомами кислорода, переходящими из состояния, называемого «¹S», в состояние, называемое «¹D». Это относительно медленный процесс, который в среднем занимает почти целую секунду.
На самом деле, этот переход настолько медленный, что обычно не происходит при таком давлении воздуха, какое мы наблюдаем у земли, потому что возбужденный атом теряет энергию, сталкиваясь с другим атомом, прежде чем у него появляется шанс послать прекрасный зеленый фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха ниже и, следовательно, меньше молекул кислорода, у атомов есть больше времени, чтобы столкнуться друг с другом, а значит, и шанс выпустить фотон.
По этой причине ученым потребовалось много времени, чтобы понять, что зеленый свет северного сияния исходит от атомов кислорода. Желто-оранжевое свечение натрия было известно еще в 1860-х годах, но только в 1920-х годах канадские ученые догадались, что зеленый цвет северного сияния обусловлен кислородом. (4)
Что создает красный свет?
Зеленый свет возникает из-за так называемого «запрещенного» перехода, который происходит, когда электрон в атоме кислорода совершает маловероятный прыжок с одной орбитали на другую. (Запрещенные переходы гораздо менее вероятны, чем разрешенные, а значит, для их осуществления требуется больше времени).
Однако, даже испустив зеленый фотон, атом кислорода оказывается в еще одном возбужденном состоянии, в котором нет разрешенной релаксации. Единственный выход – еще один запрещенный переход, из состояния ¹D в состояние ³P, которое излучает красный свет.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
Этот переход, так сказать, еще более запрещен, и состояние ¹D должно просуществовать около двух минут, прежде чем оно сможет нарушить правила и испустить красный свет. Поскольку это занимает так много времени, красный свет появляется только на больших высотах, где столкновений с другими атомами и молекулами мало.
Кроме того, поскольку кислорода там очень мало, красный свет появляется только в интенсивных северных сияниях – таких, как то, что мы только что пережили.
Вот почему красный свет появляется выше зеленого. Хотя оба они возникают в результате запрещенных релаксаций атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет больше шансов быть погашенным в результате столкновений с другими атомами на меньших высотах.
Другие цвета и почему камеры видят их лучше
Хотя зеленый цвет является самым распространенным в северном сиянии, а красный – вторым по распространенности, существуют и другие цвета. В частности, ионизированные молекулы азота (N₂⁺, у которых не хватает одного электрона и которые имеют положительный электрический заряд) могут излучать синий и красный свет. На небольшой высоте это может давать пурпурный оттенок.
Все эти цвета видны невооруженным глазом, если северное сияние достаточно яркое. Однако в объективе фотоаппарата они проявляются с большей интенсивностью.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
На это есть две причины. Во-первых, фотоаппараты имеют преимущество длинной экспозиции, что означает, что они могут потратить больше времени на сбор света для получения изображения, чем наши глаза. В результате они могут делать снимки в более тусклых условиях.
Вторая проблема заключается в том, что цветные сенсоры в наших глазах не очень хорошо работают в темноте, поэтому в условиях недостаточной освещенности мы видим черно-белое изображение. У фотоаппаратов такого ограничения нет.
Однако не стоит беспокоиться. Когда северное сияние достаточно яркое, цвета хорошо видны невооруженным глазом.
Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
