Почему полярные сияния приобретают разный цвет?

Полярные сияния возникают, когда заряженные солнечные частицы, прилетающие из космоса, врезаются в магнитное поле Земли и ее атмосферу. В зависимости от того, с какими химическими элементами взаимодействует звездная плазма, возникает определенный цвет свечения.

Смотрите также Земля пережила крупнейшие с 2003 года магнитные бури, но рекорды еще впереди

Цвета

На прошлой неделе огромная солнечная вспышка направила волну энергичных частиц от Солнца к Земле. На выходных эта волна достигла планеты, и люди по всему миру наслаждались зрелищем чрезвычайно яркого полярного сияния даже там, где обычно его не бывает. В основном полярное сияние можно увидеть только вблизи полюсов, но из-за мощных вспышек класса X, оно было замечено аж в Украине, хотя и не во всех областях.

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, с незначительными примесями воды, углекислого газа (0,04%) и аргона.

Когда высокоскоростные электроны обычного солнечного ветра ударяются в молекулы кислорода (O₂) в верхних слоях атмосферы, они расщепляют их на отдельные атомы. Ультрафиолетовый свет от Солнца также делает это, а образовавшиеся атомы кислорода могут затем реагировать с молекулами O₂, образуя озон (O₃) – молекулу, которая плотным слоем защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения.

Но в случае полярного сияния, когда поток частиц после вспышки на Солнце вырастает в сотни раз, образующиеся атомы кислорода, находятся в возбуждённом состоянии. Это означает, что электроны атомов расположены нестабильно и могут излучать энергию в виде света.

Как образуется зеленый свет?

Фейерверки являются хорошим примером того, что атомы разных элементов излучают разные цвета света, когда они находятся под напряжением. Так же мы можем видеть, что пламя может иметь разный цвет, когда горят разные вещества. Здесь работает тот же принцип. Атомы меди дают синий свет, бария — зеленый, а атомы натрия — желто-оранжевый, который вы также могли видеть в старых уличных фонарях. Эти излучения являются частью квантовой механики и происходят очень быстро.

Когда атом натрия находится в возбужденном состоянии, он остается в нем лишь около 17 миллиардных долей секунды, прежде чем выпустить желто-оранжевый фотон. Но кислород – другое дело. Он не реагирует так же быстро и вообще не имеет, как говорят ученые, "разрешенных способов" в квантовой механике среагировать так, чтобы излучать свет. Но природа нашла способ.

Зеленый свет, который доминирует в полярном сиянии, излучается атомами кислорода, переходящими из одного состояния (1S) в другое, так называемое "расслабленное" (1D). Этот процесс предполагает переход электрона на другую орбиту, что является маловероятным событием, а потому ученые ввели терминологию "запрещенного" и "разрешенного" (для более вероятных) процесса.

Это относительно медленный процесс, который в среднем занимает почти целую секунду. Этот переход настолько медленный, что обычно не происходит при таком давлении воздуха, которое мы наблюдаем на уровне земли, поскольку возбужденный атом потеряет энергию, столкнувшись с другим атомом, прежде чем будет иметь шанс выпустить зеленый фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха ниже, а следовательно, молекул кислорода меньше, они имеют больше времени, прежде чем столкнуться друг с другом, а следовательно, имеют шанс выпустить фотон.

По этой причине ученым понадобилось много времени, чтобы выяснить, что зеленый свет полярного сияния исходит от атомов кислорода. Желто-оранжевое свечение натрия было известно еще в 1860-х годах, но только в 1920-х годах канадские ученые выяснили, что зеленый цвет полярного сияния обусловлен именно кислородом.

Что вызывает красный свет?

Красный свет не менее интересен, чем зеленый. После излучения зеленого фотона атом кислорода оказывается в еще одном возбужденном состоянии без возможности перехода в "расслабленное" состояние. Единственный выход — это еще один "запрещенный" переход (в состояние 3P), который излучает красный свет.

Этот переход является еще более медленным. Чтобы он состоялся, кислород должен просуществовать в состоянии 1D около двух минут, прежде чем он сможет наконец-то излучать красный свет. Из-за того, что это занимает так много времени, красный свет появляется лишь на больших высотах, где столкновения с другими атомами и молекулами являются незначительными из-за низкой концентрации кислорода.

Кроме того, поскольку там очень мало кислорода, красный свет имеет тенденцию появляться только в интенсивных полярных сияниях, таких как то, что мы наблюдали на выходных.

Вот почему красный свет появляется над зеленым. Хотя они оба возникают в результате запрещенной "расслабленности" атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет больше шансов быть погашенным из-за столкновения с другими атомами на меньших высотах.

Вот пример того, что красный свет появляется над зеленым:

Другие цвета и почему камеры видят их лучше

Хотя зеленый — самый распространенный цвет полярного сияния, а красный — второй по распространенности, существуют также другие цвета. В частности, ионизированные молекулы азота, которые не имеют одного электрона и имеют положительный электрический заряд, могут излучать синий, фиолетовый и красный свет. Это может создавать пурпурный оттенок на низких высотах.

Все эти цвета можно увидеть невооруженным глазом, если полярное сияние достаточно яркое. Однако в объективе фотоаппарата они проявляются с большей интенсивностью.

На это есть две причины:

• Во-первых, камеры имеют преимущество длинной экспозиции, а это означает, что они могут тратить больше времени на сбор света для создания изображения, чем наши глаза. Как следствие, они могут создавать изображения в тусклых условиях.
• Вторая причина заключается в том, что датчики цвета в наших глазах не очень хорошо работают в темноте. Поэтому мы, как правило, видим черно-белое изображение в условиях низкой освещенности. Камеры не имеют этого ограничения.

Но не стоит волноваться. Когда полярное сияние достаточно яркое, цвета хорошо видны и невооруженным глазом.