Введение: огни небесного театра
Полярное сияние (аурора) — природное световое явление, возникающее в верхних слоях атмосферы Земли и проявляющееся как динамические узоры из разноцветных светящихся полос, дуг, лучей, занавесей и корон. Северное полярное сияние называется aurora borealis (по имени римской богини зари Авроры и греческого бога северного ветра Борея), южное — aurora australis (по Австру, богу южного ветра). Термин «aurora borealis» ввёл Галилео Галилей в 1619 году. Полярные сияния наблюдаются преимущественно в авроральных зонах — полосах шириной 330–660 км вокруг геомагнитных полюсов, на широтах 65–72°, но во время мощных геомагнитных бурь могут быть видны вплоть до тропиков, как это произошло во время события Каррингтона в 1859 году.
Физика полярного сияния
Земля постоянно погружена в поток солнечного ветра — горячей магнитизированной плазмы, испускаемой Солнцем со скоростью около 400 км/с (а при магнитных бурях — значительно быстрее), плотностью около 5 ионов/см³ и напряжённостью магнитного поля 2–5 нТл. Для сравнения, магнитное поле на поверхности Земли — 30 000–50 000 нТл. Солнечный ветер взаимодействует с магнитосферой Земли, и заряженные частицы (преимущественно электроны и протоны) проникают в верхние слои атмосферы вдоль магнитных силовых линий.
Механизм свечения
Когда ускоренные частицы (в основном электроны с энергиями от сотен электронвольт до десятков килоэлектронвольт) сталкиваются с атомами и молекулами атмосферы — кислородом и азотом — на высотах от 80 до 1 000 км, происходит ионизация и возбуждение атмосферных газов. Возвращаясь в основное состояние, атомы испускают фотоны на характерных длинах волн, формируя видимое свечение.
Основные механизмы поступления энергии включают: постоянное взаимодействие спокойного солнечного ветра с магнитосферой; магнитные суббури (substorms), вызванные пересоединением магнитных силовых линий в магнитохвосте; и ускорение частиц электрическими полями и волново-частичными взаимодействиями. Все эти процессы формируют сложную цепочку трансформации энергии — от кинетической энергии солнечного ветра через электромагнитную энергию магнитосферы к световому излучению в верхней атмосфере.
Цвета и длины волн
Цвет полярного сияния определяется типом атмосферного газа и высотой столкновения.
Зелёный цвет (557,7 нм) — наиболее распространённый — обусловлен атомарным кислородом на высотах 100–300 км. Переход является запрещённым, и время жизни возбуждённого состояния составляет около 0,7 секунды. Концентрация кислорода на этих высотах достаточна, а человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зелёному, поэтому зелёные сияния видны чаще всего.
Красный цвет (630,0 нм) — излучается атомарным кислородом на высотах выше 200–300 км. Время жизни возбуждённого состояния — около 107 секунд (почти 2 минуты), поэтому эмиссия возможна лишь на больших высотах, где столкновения редки. Красные авроры наблюдаются при сильной солнечной активности.
Синий и фиолетовый (доминирующая длина волны 428 нм) — излучаются молекулярным азотом (N₂⁺) на высотах ниже 100 км. Эти цвета проявляются при максимальной солнечной активности и обычно видны у нижнего края «занавесей».
Жёлтый и розовый — результат смешения зелёного и красного свечения. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение также входят в спектр авроры, но невидимы невооружённым глазом.
Формы полярного сияния
По классификации Кларка (2007), выделяют пять основных форм: слабое свечение (glow) у горизонта; пятна или «облака»; дуги, протянувшиеся через небо; лучи — вертикальные полосы света внутри дуг; и короны — зенитные формы, заполняющие всё небо и расходящиеся из одной точки. Бреке (1994) описывал также «занавеси» — волнистые складки внутри дуг. Наиболее яркие дискретные авроры могут достигать яркости, достаточной для чтения газеты ночью.
Необычные виды
STEVE (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement) — явление, открытое гражданскими учёными в 2016 году, представляющее собой узкую (около 25 км) ленту горячей плазмы на высоте 450 км с температурой около 3 000 °C и скоростью потока 6 км/с. STEVE — не аурора в строгом смысле, а отдельный тип оптического свечения.
«Заборное» (picket-fence) сияние — связано с процессами, вызывающими STEVE, но является истинной авророй, обусловленной осаждением электронов, и наблюдается ближе к экватору, чем типичные авроры.
«Дюнная» аурора — обнаружена финскими гражданскими учёными в 2020 году: регулярно расположенные параллельные полосы более яркого зелёного свечения, напоминающие песчаные дюны. Вызвана модуляцией плотности атомарного кислорода атмосферной волной, распространяющейся в мезосферном волноводе.
«Подковообразная» (horse-collar) аурора — деформация аврорального овала, наблюдаемая при устойчиво-северном направлении межпланетного магнитного поля. Формируется примерно 8 раз в месяц, без сезонной зависимости.
Kp-индекс и прогноз
Kp-индекс (планетарный K-индекс) — глобальная шкала от 0 до 9, характеризующая геомагнитную активность. При Kp = 0–1 авроры видны только вблизи геомагнитных полюсов; при Kp = 3 — в классической авроральной зоне; при Kp = 5 — уже на широте Москвы или Лондона; при Kp = 9 (экстремальная буря) — вплоть до тропиков. Прогнозы публикуют NOAA Space Weather Prediction Center (Aurora Dashboard) и SpaceWeatherLive.com в реальном времени. Солнечный ветер, движущийся со скоростью около 400–800 км/с, достигает Земли за 1–4 дня после вспышки на Солнце, что даёт определённое время для прогноза.
Солнечный цикл
Активность авроры коррелирует с 11-летним солнечным циклом. Максимальная частота геомагнитных бурь наблюдается в годы солнечного максимума и в течение 2–3 лет после него. Текущий 25-й солнечный цикл начался в декабре 2019 года; его максимум, по прогнозам, пришёлся на 2024–2025 годы, что было отмечено серией ярких авроральных событий, видимых из средних широт.
Звук полярного сияния
Долгое время считалось, что полярное сияние — явление безмолвное. Однако финские исследователи подтвердили, что аурора может сопровождаться слабым потрескивающим звуком, возникающим на высоте около 70 м над поверхностью Земли. Звук генерируется при разряде заряженных частиц в инверсионном слое атмосферы, формирующемся в холодные ночи.
Авроры на других планетах
Полярные сияния наблюдаются на большинстве планет Солнечной системы. Юпитер обладает самыми мощными аурорами — их яркость превышает земные в тысячи раз, а энергия заряженных частиц обеспечивается не только солнечным ветром, но и вулканизмом спутника Ио. Авроры зафиксированы также на Сатурне, Уране, Нептуне и Марсе (ультрафиолетовые, из-за отсутствия глобального магнитного поля — локальные, «пятнистые»). Даже некоторые коричневые карлики и кометы демонстрируют авроральные явления.
Где и когда наблюдать
Лучшие места для наблюдения северного сияния: Тромсё и Лофотенские острова (Норвегия), Абиску (Швеция), Рованиеми и Утсйоки (Финляндия), Рейкьявик и Акюрейри (Исландия), Йеллоунайф (Канада), Фэрбанкс (Аляска), Мурманск и Архангельск (Россия). Южное сияние лучше всего видно из Тасмании (Австралия), южного острова Новой Зеландии, Патагонии и, разумеется, Антарктиды. Оптимальное время — с сентября по март в Северном полушарии и с марта по сентябрь в Южном, в безлунные ночи, вдали от городской засветки.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Можно ли увидеть северное сияние в средней полосе России?
Да, при сильных геомагнитных бурях (Kp ≥ 7) полярное сияние наблюдалось в Москве, Санкт-Петербурге и даже южнее.
Опасно ли полярное сияние для здоровья?
Нет. Свечение возникает на высотах 80–1 000 км, и оно не представляет угрозы для людей на поверхности. Однако геомагнитные бури могут влиять на электронные системы, спутники и электросети.
Почему зелёный цвет самый частый?
Атомарный кислород на оптимальных высотах 100–300 км излучает на длине волны 557,7 нм (зелёный), а человеческий глаз наиболее чувствителен именно к этому диапазону.
Что такое STEVE?
STEVE — узкая лента горячей плазмы (3 000 °C, высота 450 км), не являющаяся авророй в классическом смысле. Открыта гражданскими учёными в 2016 году.
