Загадка полярного сияния. Учёные не знают, опасно ли белое пятно в небе

2024 год стал для многих жителей Земли пугающим. На планету обрушились мощные магнитные бури, и полярное сияние было видно даже в Сочи и на юге Бурятии. Небо сияло таким зловеще-красным, что люди заговорили о предзнаменованиях и третьей мировой войне. На самом деле красный цвет объясняется довольно просто.

Что такое полярное сияние: частицы, лучи и пятна

Полярные, или северные, сияния происходят из-за солнечных бурь — потока заряженных частиц, которое выбрасывает наше светило в космос. Свечение возникает тогда, когда эти частицы захватываются магнитным полем Земли и сталкиваются с атомами и молекулами газов в атмосфере. Поскольку магнитное поле Земли отклоняет потоки частиц к полюсам, чаще всего сияние можно видеть в высоких или низких широтах — в Арктике и Антарктике. Области, где чаще всего видят сияния, называют авроральными овалами. Aurora borealis — так называют полярное сияние по-научному. Мощные магнитные бури можно наблюдать и в средних широтах. Например, в 2024 году сияние можно было видеть даже в Ростове-на Дону и в Мельбурне (Австралия).

Магнитосфера Земли, которая образуется при столкновении солнечного ветра и магнитного поля планеты, имеет форму параболоида. Его толщина со стороны Солнца составляет от ста километров до 63 800 метров. А с «теневой» стороны простирается в космос на расстояние в несколько сот земных радиусов (радиус Земли — 6371 км). Свечение происходит на высоте 100–200 километров, а основные газы, которые заставляют частицы солнечного ветра светиться, — это азот, кислород (O2) и молекулярный кислород (O).

Полярное сияние представляет собой яркие дуги и лучи, которые погружены в слабое диффузное свечение. Лучи вытягиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Длина лучей составляет десятки и даже сотни километров. А толщина — всего 150–300 метров. Их искривления и деформации наглядно отражают динамику изменения электрических полей и направление движения электронов в ионосфере Земли. Диффузные свечения имеют размер в несколько десятков километров.

Почему полярное сияние может быть красным и зелёным

Цвет северного сияния зависит от состава атмосферы. На Земле он обусловлен двумя основными газами — азотом и кислородом. Именно атомарный кислород даёт как красное свечение, так и зелёное. А на Юпитере сияние будет ультрафиолетовым. Это обусловлено атомами водорода.

На Земле различают два типа полярных сияний — А и B. Сияние А вызывает красные всполохи, которые ниже становятся зелёными, а сияние В вызывает зелёные всполохи, которые в нижней части могут быть красными. Окрашивание северного сияния зависит и от широт, на которых ведётся наблюдение. Например, за полярным кругом можно чаще увидеть зелёные всполохи, а в средней части России и на юге будет виден только красный свет. Он обусловлен не «знамениями», а физикой.

Почему японцев напугало пурпурное полярное сияние

В мае 2024 года полярное сияние изрядно напугало жителей Японии. Дело в том, что японские учёные решили собрать максимальное количество информации и попросили граждан Японии снимать свои наблюдения на смартфоны. Наблюдатели должны были заполнить в Интернете особую анкету, где указывали место и время наблюдения и другие детали. Так как Япония находится в низких широтах, учёные ожидали, что свечение на небе будет красным.

Наблюдателей было много, и все они были поражены тем, что небо светилось пурпуром. Японским учёным пришлось искать причину такого цвета, чтобы успокоить общественность. Они высказали предположение, что солнечный ветер столкнулся с магнитным полем Земли в тот момент, когда магнитосфера уже была разогрета предыдущим потоком частиц. Это вызвало подъём в верхние слои атмосферы уже ионизированного молекулярного азота, который придал красному полярному свечению синий оттенок. Красный плюс синий дали пурпурный цвет.

Откуда в небе появилось белое пятно

В последнее время во время полярных сияний учёные стали наблюдать белую или серую область в небе. Она стала появляться прямо во время яркого зелёного или красного свечения, непосредственно рядом с ним. Как оказалось, учёные нашей планеты пока не могут объяснить это явление и сказать, чем оно вызвано.

Белое пятно учёные попытались объяснить континуальным излучением, связанным с полярным сиянием. А белое пятно назвали континуальной эмиссией. Континуальное излучение — это излучение с непрерывным спектром, самостоятельный компонент в свечении ночного неба. По одной версии, оно возникает, когда окись азота вступает в реакцию с атомарным кислородом и образует двуокись азота. Именно она и даёт континуальное излучение. Но это не точно. Есть ещё одно объяснение: континуальное излучение возникает как следствие действия мощного фемтосекундного лазерного импульса, чей спектр в этот миг расширяется в сторону низких и высоких частот.

Есть предположение, что белое пятно как-то связано с тепловыми процессами, возникающими в магнитосфере Земли. Например, доктор Эмма Спэнсвик, доцент кафедры физики и астрономии факультета естественных наук университета в Калгари, считает, что белое пятно «авроры бореалис» напрямую связано с фиолетовым свечением STEVE (сильное увеличение скорости теплового излучения) и, возможно, имеет схожую причину возникновения.

— Высота спектра у них очень похожа, — считает Спэнсвик. — Белое пятно почти встроено в сияние. Его сложно выделить, тогда как STEVE отделено от полярного сияния — это большая полоса, пересекающая небо.

Стоит помнить и о том, что солнечный ветер — лишь одна из причин появления сияния. Например, энергия в виде фотонов (света) может высвобождаться в атмосфере Земли из-за отдельных химических реакций. Такое сияние называют хемилюминесценцией. Пока учёные не выяснили, насколько опасным может быть белое пятно для техники и людей.

Полярное сияние бывает чёрным

Учёные давно заметили, что часть полярного сияния имеет чёрный цвет, и выделили явление в отдельный класс. Чёрное сияние представляет собой резко очерченные провалы в интенсивности свечения. То есть на самом деле оно не гаснет, а просто меняет цвет на чёрный. Форма чёрного сияния бывает такой же, как сияние других цветов, — это дуги, лучи, волокна, диффузные пятна. Длина лучей и дуг составляет до 20 километров, а ширина колеблется от 150 до 1500 метров. По другим данным, вертикальная структура этих образований может достигать полутора тысяч километров. Иногда чёрные полосы как бы окаймляют более светлые структуры. Есть предположение, что чёрное сияние возникает при перемещении отрицательно заряженных частиц вдоль линий магнитного поля Земли. В этот момент они покидают её атмосферу.