Полярное сияние — не цветной солнечный свет и не отражение от снега. Его оттенки рождаются прямо в верхней атмосфере, когда атомы и молекулы получают энергию, а затем отдают её порциями света. По цвету можно примерно понять, какой газ светится и на какой высоте.
2. Как зажигается небо
Солнце постоянно отправляет в пространство солнечный ветер — поток заряженных частиц. Во время вспышек и выбросов корональной массы воздействие на магнитное поле Земли может усиливаться. Энергия накапливается в магнитосфере, а затем часть электронов направляется вдоль силовых линий к полярным областям.
В верхней атмосфере быстрые электроны сталкиваются с атомами кислорода и молекулами азота. Они передают им энергию и переводят электроны внутри атомов и молекул в возбуждённое состояние. Когда система возвращается к более спокойному состоянию, она испускает фотон определённого цвета.
Это похоже на работу неоновой вывески, только роль стеклянной трубки выполняет огромный слой атмосферы. Цвет задаётся разрешёнными энергетическими переходами в конкретных атомах и молекулах.
3. Почему зелёный встречается чаще
Самая узнаваемая зелёная линия сияния имеет длину волны около 557,7 нанометра. Её испускает атомарный кислород обычно на высотах примерно 100–200 километров. Здесь кислорода ещё достаточно, а воздух уже достаточно разрежен, чтобы возбуждённый атом успел излучить свет.
На меньшей высоте столкновения происходят слишком часто. Соседние частицы могут забрать энергию раньше, чем кислород испустит зелёный фотон. На гораздо большей высоте атомов меньше, поэтому свечение слабее.
Человеческий глаз особенно чувствителен к зелёному свету в темноте. Поэтому слабое сияние мы часто видим серовато-зелёным, даже если камера с длинной выдержкой показывает более богатую палитру.
4. Откуда берётся красный цвет
Красное свечение тоже создаёт атомарный кислород, но через другой энергетический переход — около 630 нанометров. Обычно оно возникает выше 200 километров, где воздух особенно разрежен. Возбуждённому атому нужно сравнительно долго, чтобы испустить такой фотон, и частые столкновения помешали бы процессу.
Во время сильных геомагнитных бурь красные сияния могут быть видны далеко от обычной зоны полярных овалов. На низких широтах наблюдатель смотрит на высокую часть сияния над далёким горизонтом. Поэтому исторические описания «кровавого неба» не обязательно означают пожар или мистическое предзнаменование.
5. Синий, фиолетовый и розовый
Азот добавляет синие, фиолетовые и розоватые оттенки. Молекулы азота и их ионы светятся преимущественно ниже, где в атмосферу проникают более энергичные частицы. Смешение синего света азота с красным кислорода может давать фиолетовые и пурпурные края.
У нижней границы яркой зелёной дуги иногда появляется розовая или малиновая кайма. Это результат сочетания нескольких линий азота и кислорода, а не отдельная «розовая частица». Белёсые области тоже могут быть смесью цветов, которую глаз при слабом освещении не разделяет.
Камера и человек видят сияние по-разному. Матрица накапливает свет несколько секунд и лучше различает слабые красные и фиолетовые оттенки. Поэтому снимок может быть значительно ярче воспоминания очевидца — без всякой компьютерной подделки.
Цвет зависит и от энергии частиц. Более быстрые электроны способны проникать глубже, где атмосфера плотнее и больше молекулярного азота. Поэтому яркая буря может дать многослойную кайму: сверху красный кислород, ниже зелёный, а у нижнего края розовый или фиолетовый азот.
Высоту нельзя определить по цвету с точностью до километра. Для точной картины используют спектрометры, камеры из нескольких точек и спутниковые измерения частиц.
6. Что говорит наука
Спектроскопия надёжно подтверждает происхождение основных цветов. Прибор раскладывает свет по длинам волн и показывает характерные линии кислорода и азота. NASA указывает: зелёное кислородное свечение обычно возникает примерно на высотах 100–200 километров, красное — выше 200 километров, а синие и розовые оттенки связаны преимущественно с азотом.
Подтверждено, что частицы получают энергию через процессы в магнитосфере, а затем сталкиваются с верхней атмосферой. Наиболее вероятные детали формы и движения отдельных лучей зависят от электрических полей, волн и структуры магнитных линий.
Открытыми остаются тонкости ускорения частиц в разных типах сияний. Но происхождение цветов к загадкам уже не относится: оно проверяется лабораторной физикой и спектральными измерениями.
7. Итог
Ответ прост и красив: зелёный и красный обычно рисует кислород на разных высотах, а синий, фиолетовый и розовый добавляет азот. Цветная занавесь — почти готовая карта верхней атмосферы.
Подпишитесь, чтобы вместе читать такие карты без мистики и скуки.
