Что такое северное сияние с точки зрения физики
Северное сияние
В Красноярском крае северное сияние можно наблюдать на территории Таймыра.
Яркие снопы света пронзали небо над скалистыми морскими берегами и ущельями. Фото: Сергей Малинин. Источник: сайт nat-geo Яркие снопы света пронзали небо над скалистыми морскими берегами и ущельями. Фото: Сергей Малинин. Источник: сайт nat-geo
Северное сияние — физическое явление, обусловленное столкновением заряженных частиц плазменного слоя Солнца с верхней атмосферой Земли, которое можно наблюдать в ночное время вблизи магнитных полюсов. При этом происходит возбуждение атомов и молекул газов, их излучение в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние.
Полярные сияния в северном полушарии обычно движутся на запад со скоростью примерно 1 км/с. Верхние слои атмосферы в области сияний заметно нагреваются, что приводит к появлению восходящих потоков газа. В результате на больших высотах увеличивается плотность газовой среды. Последнее вызывает дополнительное торможение искусственных спутников Земли в этой области. Сияния также сопровождаются сильными вихревыми токами в огромных областях пространства. В результате индуцируются сильные магнитные поля и развиваются так называемые магнитные бури. Яркие вспышки сияния могут сопровождаться звуками, похожими на треск. Сильные изменения в ионосфере вызывают ухудшение качества радиосвязи.
Минимальная высота северного сияния — 60 км, а максимальная — 1 130 км. В видимом световом спектре оно возникает на высоте от 90 до 200 км над поверхностью Земли.
Цвет северного сияния зависит от состава атмосферы, а именно — от частиц газа, с которыми произошло взаимодействие. На разных высотах северное сияние имеет разные цвета. Так, красное свечение кислорода наблюдается на высотах 150—400 км, совместное зеленое или желто-зеленое свечение азота и кислорода — на высоте 120—150 км, а фиолетово-синее свечение азота — на высоте ниже 120 км.
Основной цвет северного сияния — зеленый с оттенками розового по краям и фиолетового в центре. Кроме того, состав атмосферы влияет и на форму полярного сияния — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.
Обычно северное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба, но иногда и в виде движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Эти цветные ленты имеют ширину до 160 км, и длину до 1 500 км. Длительность полярных сияний составляет от нескольких минут до нескольких суток.
По яркости сияния разделяются на четыре класса: в первый класс попадают еле заметные сияния, сходные по своей яркости с Млечным Путем. Сияния четвертого класса по яркости можно сравнить с полной Луной.
Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии.
В Северном полушарии полярное сияние называют «авророй бореалис», или «северным сиянием», тогда как в Южном полушарии это явление имеет название «аврора аустралис», или «южное сияние».
На русском Севере полярные сияния называли пазорями или сполохами. Первое из этих слов указывает на сходство рассматриваемого явления с зорями, а второе происходит от слова «полошить», то есть тревожить, беспокоить, поднимать тревогу, так как во время полярных сияний небо может стать красным, как на пожаре.
С cеверным сиянием связанно множество мифов и легенд. Наши предки и предки коренных северных народов, не понимая природы некоторых явлений, связывали их с чем-то мифическим, порой божественным.
Например, эвенки считали, что птицы отдали свои разноцветные перья северному сиянию в обмен на удивительные песни. И теперь северное сияние переливается цветной радугой, а птицы севера, несмотря на невзрачный окрас, радуют музыкальностью своих трелей.
По поверьям ненцев, северное сияние возникает, когда духи небесных людей стреляют, а стрелы замерзают в море. Или в северном сиянии проявляется дыхание гигантского быка севера, который посылает холод.
Кеты считали северное сияние огнем Еся — единственного Бога, управляющего мирозданием. Другие народности Таймыра считают северное сияние отражением в небе морских волн, бывающих во время хода рыбы, или северным рогом огромного оленя, которого создали Белый бог вместе с Матерью-богиней.
Северное сияние
Полярное сияние или аврора (Aurora Borealis) это естественное свечение (люминесценция) неба, которое хорошо видно, особенно, в высоких широтах, оно вызвано столкновением заряженных частиц с атомами в верхних слоях атмосферы (термосферы).
Общая информация
Как образуется полярное сияние? Заряженные частицы магнитосферы, которые она захватывает из солнечного ветра, направляются магнитным полем Земли в атмосферу. Большинство сияний происходят в регионах, известных как зоны полярных сияний, которые, как правило, располагаются на удалении 10-20 градусов от магнитного полюса, определяемого осью магнитного диполя Земли. Во время геомагнитной бури, эти зоны расширяются до более низких широт, так что появляется возможность увидеть полярное сияние в Москве.
Классификация
Северное сияние над озером
Полярное сияние как природное явление классифицируются на диффузное и точечное (дискретное). Диффузное выглядит как безликое свечение в небе, которое может быть не видно невооруженным глазом, даже в темную ночь. Точечные — различаются по яркости, от едва видимых невооруженным глазом, до достаточно ярких, настолько, чтобы читать газету в ночное время. Точечное северное сияние можно увидеть только на ночном небе, потому что оно не настолько яркое, чтобы стать заметным и днем. Полярное сияние на севере России известно, как северное полярное сияние.
Сияние в Центральном Иллинойсе
Северное сияние причины возникновения
Северное сияние возникает в стратосфере вблизи магнитного полюса, оно видно в виде зеленоватого свечения, иногда с примесями красного. Точечные полярные сияния часто демонстрируют линии магнитного поля, и могут изменять свою форму от нескольких секунд до нескольких часов. Когда можно увидеть северное сияние? Оно чаще всего происходит вблизи равноденствия.
Магнитное поле Земли и сияния тесно связаны. Магнитное поле Земли захватывает частицы солнечного ветра, многие из которых затем перемещаются по направлению к полюсам, где и сталкиваются с атмосферой Земли. Столкновения между этими ионами, атмосферными атомами и молекулами и приводит к выбросам энергии в виде свечения атмосферы, появляющихся в виде больших кругов вокруг полюсов. Аврора более яркая во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда выбросы корональной массы многократно увеличивают интенсивность солнечного ветра. Полярное сияние на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне можно посмотреть в этой статье.
Южный полюс
Есть ли северное сияние на южном полюсе? Да, полярное сияние на южном полюсе, имеет те же особенности, которые почти идентичны северному. Есть ли северное сияние в Антарктиде, спросите вы? Да, их видно из высоких южных широт Антарктики, Южной Америки, Новой Зеландии и Австралии.
Как образуется северное сияние
Оно является результатом высвобождения фотонов в верхней части земной атмосферы, на высоте примерно 80 км. Молекулы азота и кислорода под действием заряженных солнечных частиц переходят в возбужденное состояние, а при переходе в основное состояние восстанавливается электрон и излучается квант света. Различные молекулы и атомы дают разный цвет свечения, например: кислород — зеленый или коричневато-красный, в зависимости от количества поглощенной энергии, азот синий или красный. Синий цвет азота возникает, если атом восстанавливает электрон ионизации, красный — при переходе в основное состояние из возбужденного.
Роль кислорода
Кислород является необычным элементом с точки зрения его возвращения в основное состояние: этот переход может занимать ¾ секунды, а излучать зеленый свет до двух минут, после чего он становится красным. Столкновения с другими атомами или молекулами поглощают энергию возбуждения и предотвращают излучение света. В верхних частях атмосферы процент кислорода низкий и такие столкновения достаточно редки, что дает время кислороду излучать красный квант света. Столкновения становятся более частыми по мере продвижения вглубь атмосферы, так что ближе к поверхности красное излучение не успевает образоваться, а у поверхности даже зеленое свечение прекращается.
Галерея изображений
Изображения авроры сегодня встречаются значительно чаще, в связи с ростом качества и доступности цифровых камер, которые имеют достаточно высокую чувствительность. Ниже представлена галерея наиболее впечатляющих снимков.
Солнечный ветер и магнитосфера
Земля постоянно погружена в потоки солнечного ветра — разреженного потока горячей плазмы (газ из свободных электронов и положительных ионов), испускаемых Солнцем во всех направлениях, который образуется в результате воздействия двух миллионов градусов тепла Солнечной короны.
Солнечный ветер, как правило, достигает Земли со скоростью около 400 км/с, плотностью около 5 ионов/см3 и напряженностью магнитного поля 2-5 нТл (Напряженность магнитного поля Земли измеряется в Теслах и у поверхности Земли, она как правило, составляет 30,000-50,000 нТл). Во время магнитных бурь, потоки солнечной плазмы могут быть в несколько раз быстрее и межпланетное магнитное поле (ММП) может быть гораздо сильнее.
Межпланетное магнитное поле формируется на Солнце, в области солнечных пятен, а по его силовым линиям в космос простирается солнечный ветер.
Земная магнитосфера
Схема Земной магнитосферы
Земная магнитосфера формируется под воздействием солнечного ветра и магнитного поля Земли. Оно образует собой препятствие на пути солнечного ветра, отвлекая его, на среднем расстояние около 70 000 км (11 радиусов Земли), и формирует головную ударную волну на расстоянии от 12000 км до 15000 км (от 1,9 до 2,4 радиусов). Ширина магнитосферы Земли, как правило составляет 190 000 км (30 радиусов), а на ночной стороне длинный шлейф магнитосферы, из вытянутых силовых линий поля, распространяется на огромные расстояния (> 200 радиусов Земли).
Поток плазмы в магнитосфере растет с увеличением плотности и турбулентности в потоке солнечного ветра.
В дополнение к перпендикулярному столкновению с магнитным полем Земли, некоторые потоки магнитосферной плазмы двигаются вниз и вверх, вдоль силовых линий магнитного поля Земли и теряют энергию в авроральных зонах атмосферы, вот от чего появляется северное сияние. Магнитосферные электроны ускоряются и сталкиваясь с газами атмосферы вызывают свечение атмосферы.
Частота встречаемости
Карта сияний в Евразии
Карты Северной Америки и Евразии с границей полярных сияний при разных уровнях геомагнитной активности; Kp = 3 соответствует низкому уровню геомагнитной активности, в то время как Kp = 9 — самый высокий уровень.
Карта сияний в Америке
Полярное сияние в России иногда наблюдаются и в умеренных широтах, когда магнитная буря временно увеличивает авроральный овал. При индексе геомагнитной активности Кр=6-9 возможно увидеть на широте Москвы.
Северное сияние: прогноз
Магнитные бури и северное сияние наиболее распространены во время пика одиннадцатилетнего цикла солнечной активности и в течение трех лет после этого пика. В авроральной зоне вероятность образования свечения, зависит в основном от уклона межпланетного магнитного поля.
Ось вращения Солнца наклонена 8 градусов по отношению к плоскости орбиты Земли. Солнечный ветер выдувает потоки плазмы быстрее от солнечных полюсов, чем от экватора, тем самым средняя скорость частиц у магнитосферы Земли убывает каждые шесть месяцев. Скорость солнечного ветра наибольшая (в среднем примерно на 50 км/с) в районе 5 сентября и 5 марта, когда Земля располагается под максимально высоким углом к плоскости вращения Солнца.
Почему возникает северное сияние
Из-за столкновений между молекулами и атомами атмосферы Земли и заряженными частицами, захваченными магнитосферой из солнечного излучения. Различия в цвете обусловлены типом газа, который сталкивается. Наиболее распространенным цветом свечения является бледно-желтовато-зеленый, который формируется молекулами кислорода, расположенными на высоте 80 км над землей. Редкие полярные сияния красного цвета формируются атомами кислорода на высоте порядка 300 км. Азот ответственен за синий или пурпурный-красный цвет.
Влияние солнечной активности
Связь между северным сиянием и солнечной активностью была заподозрена примерно в 1880 году. Благодаря исследованиям, проведенным с 1950-х, мы теперь знаем, что электроны и протоны солнечного ветра захватываются магнитосферой Земли и сталкиваются с газами в атмосфере.
Температура над поверхностью Солнца (речь идет о короне, сама поверхность Солнца имеет температуру ок. 6000 градусов) составляет миллионы градусов по Цельсию. При этой температуре, столкновения между ионами весьма интенсивны. Свободные электроны и протоны вырываются из солнечной атмосферы в результате вращения Солнца и улетают через прорехи в магнитном поле. В околоземном пространстве, заряженные частицы в значительной степени отклоняются магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли слабее всего на полюсах и поэтому заряженные частицы попадают в атмосферу Земли и сталкиваются с частицами газа именно на полюсах. Эти столкновения излучают свет, который мы воспринимаем как полярное сияние.
Где наиболее подходящее место для наблюдения Северного сияния
Их можно увидеть в северном или южном полушарии, в виде неправильной формы овала с центром над магнитным полюсом. Ученые узнали, что в большинстве случаев, полярное сияние на разных полюсах являются зеркальным отображением друг друга, которое происходит в то же время, с аналогичной формой и цветом.
Поскольку явления происходят вблизи магнитных полюсов, то северное сияние удобно наблюдать за северным полярным кругом. Их можно также увидеть на южной оконечности Гренландии и Исландии, северном побережье Норвегии и к северу от Сибири. Южные полярные сияния сосредоточены в кольце вокруг Антарктиды и южной части Индийского океана.
Области, которые избежали, так называемое, световое загрязнение — лучшие места, чтобы наблюдать за сияниями.
Наиболее подходящее время наблюдений сияний
Исследователи обнаружили, что полярные сияния является циклическими, достигая пика примерно каждые 11 лет (что совпадает с 11-летним периодом активности Солнца). Предыдущие такой пик пришелся на период 2013 года.
Зима на Севере это хорошее время, чтобы посмотреть на слабое свечение атмосферы. Короткий световой день и длинные, ясные ночи предоставляют множество хороших возможностей для их наблюдения. Обычно лучшее время это полночь.
Звуки генерируемые сияниями
Иногда сияния могут генерировать различные шумы, такие как хлопки, треск и статические звуки, как правило, слабые и короткие. В течение длительного времени ученые сомневались в этом явлении, так как звук было тяжелее задокументировать, к тому же аврора располагается слишком высоко в небе, чтобы быть услышанной на земле. Тем не менее, исследователи из Университета Аалто в Финляндии, опубликовал исследование в 2012 году, в котором было указано то, что им удалось записать различные шумы коррелирующие с визуальным присутствием северного сияния. Ученые утверждают, что эти звуки образовались на высоте около 70 метров над землей. Звуки сформировались в результате взаимодействия солнечных частиц и газов атмосферы. Университет Аляски отмечает, что звуки издаваемые полярными сияниями настолько редки, что существует очень мало людей, которым посчастливилось их услышать. Их образование возможно только во времена максимальной солнечной активности, при безветренной ночи и вдали от других источников шума.
В каких странах можно наблюдать северное сияние
Северное сияние в Австралии
Самое красивое северное сияние чаще всего бывает замечено в высоких широтах — Аляска, Канада, север Скандинавии, Гренландии и Исландия — и во время максимумов солнечного цикла. Где можно увидеть северное сияние в России? Самый дешевый способ увидеть сияния в РФ — поездка в Мурманск.
Ответы на наиболее распространенные вопросы
Полярное сияние с МКС
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!