На прошлой неделе огромная вспышка на Солнце вызвала волну энергетических частиц от Солнца, разлетевшихся по космосу. В минувшие выходные волна достигла Земли, и люди по всему миру наслаждались зрелищем необычайно яркого полярного сияния в обоих полушариях.
В то время как полярное сияние обычно видно только вблизи полюсов, в прошедшие выходные оно было замечено на юге до Гавайев в северном полушарии и на севере до Маккайя — в южном.
Этот впечатляющий всплеск полярной активности, похоже, закончился, но не волнуйтесь, если вы что-то пропустили. Солнце приближается к пику своего 11-летнего цикла появления солнечных пятен, и периоды интенсивного полярного сияния, вероятно, снова вернутся в течение следующего года или около того.
Если бы вы когда-то видели полярное сияние или какие-либо фотографии с ним, вам может быть интересно, что именно происходит во время этого явления. Что создаёт свечение и разные цвета? Ответ кроется в атомах, в том, как они возбуждаются — и как они расслабляются.
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
Когда электроны встречаются с атмосферой
Полярные сияния вызваны столкновением заряженных субатомных частиц (в основном электронов) с атмосферой Земли. Они постоянно излучаются Солнцем, но в периоды большей солнечной активности их становится куда 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 из 20% кислорода и 80% азота, с некоторыми включениями других веществ, таких как вода, углекислый газ (0,04%) и аргон.
Когда высокоскоростные электроны врезаются в молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы, они расщепляют молекулы кислорода (O₂) на отдельные атомы. Ультрафиолетовый свет Солнца тоже делает это, и образующиеся атомы кислорода могут вступать в реакцию с молекулами O₂, образуя озон (O₃), молекулу, которая защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения.
Но в случае полярного сияния образующиеся атомы кислорода находятся в возбуждённом состоянии. Это означает, что электроны атомов расположены нестабильно и могут «расслабляться», выделяя энергию в виде света.
Что наделяет сияние зелёным светом?
На примере фейерверков можно увидеть, что атомы различных элементов излучают разноцветный свет, когда их возбуждают.
Атомы меди дают синий свет, барий зелёный, а атомы натрия придают жёлто-оранжевый цвет, который вы также могли видеть в старых уличных фонарях. Эти излучения «разрешены» правилами квантовой механики, что означает, что они происходят очень быстро.
Когда атом натрия находится в возбуждённом состоянии, он остаётся там всего около 17 миллиардных долей секунды, прежде чем испустить желто-оранжевый фотон.
Но при полярном сиянии многие атомы кислорода создаются в возбуждённых состояниях без «разрешённых» способов расслабления путём излучения света. Тем не менее, природа находит выход.
Зелёный свет, который доминирует в полярном сиянии, испускается атомами кислорода, которые переходят 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 том давлении воздуха, которое мы наблюдаем на уровне земли, потому что возбуждённый атом потеряет энергию, столкнувшись с другим атомом, прежде чем у него появится шанс послать красивый зелёный фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха ниже и, следовательно, меньше молекул кислорода, у них больше времени до столкновения друг с другом и, следовательно, есть шанс выпустить фотон.
По этой причине учёным потребовалось много времени, чтобы выяснить, что зелёный свет полярного сияния исходит от атомов кислорода. Жёлто-оранжевое свечение натрия было известно в 1860-х годах, но только в 1920-х годах канадские учёные выяснили, что зелёное сияние полярных сияний происходит из-за кислорода.
Из-за чего сияет красный свет?
Зелёный свет исходит от так называемого «запрещённого» перехода, который происходит, когда электрон в атоме кислорода совершает маловероятный скачок с одной орбитали на другую. (Запрещённые переходы гораздо менее вероятны, чем разрешённые, что означает, что для их возникновения требуется больше времени.)
Однако даже после излучения этого зелёного фотона атом кислорода оказывается в ещё одном возбуждённом состоянии без возможности релаксации. Единственный выход — через другой запрещённый переход, из состояния ¹D в состояние 3P, которое излучает красный свет.
Этот переход, так сказать, ещё более запрещён, и состояние ¹D должно продержаться около двух минут, прежде чем оно наконец сможет нарушить правила и дать красный свет. Поскольку это занимает так много времени, красный свет появляется только на больших высотах, где столкновения с другими атомами и молекулами редки.
Кроме того, из-за того, что там, наверху, такое небольшое количество кислорода, красный свет, как правило, появляется только при интенсивных полярных сияниях, подобных тем, которые мы совсем недавно могли наблюдать.
Вот почему красный свет появляется над зелёным. И хотя оба они возникают в результате запрещённой релаксации атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет более высокую вероятность погаснуть при столкновениях с другими атомами на меньших высотах.
Другие цвета и почему камеры видят их лучше
Невзирая на то, зелёный цвет — самый распространённый цвет, который можно увидеть в полярном сиянии, а красный — второй по распространённости, существуют и другие цвета. В частности, молекулы ионизированного азота (N₂⁺, в которых отсутствует один электрон и которые имеют положительный электрический заряд) могут излучать синий и красный свет. Это может создавать на малых высотах пурпурный оттенок.
Все эти цвета видны невооружённым глазом, если полярное сияние достаточно яркое. Однако в объективе камеры они проявляются с большей интенсивностью.
На это есть две причины. Во-первых, камеры имеют преимущество длительной экспозиции, что означает, что они могут тратить больше времени на сбор света для получения изображения, чем наши глаза. В результате они могут создавать изображение в более тусклых условиях.
Во-вторых, сенсоры цвета в наших глазах не очень хорошо работают в темноте, поэтому в условиях низкой освещенности мы склонны видеть черно-белое изображение. Камеры же этого ограничения не имеют.
Но не волнуйтесь. Когда полярное сияние достаточно яркое, цвета отчётливо видны даже невооружённым глазом.
