Николай Лапин, кандидат физико-математических наук, декан физико-технологического факультета Мининского университета
Уже несколько раз за этот год в средней полосе России наблюдалось полярное сияние. Заголовки новостей пестрели упоминаниями о магнитных бурях, о здоровье и о том, что часто стали происходить полярные сияния в средних широтах. В связи с этим в некоторых “пабликах” муссируются слухи о приближающемся конце света.
Действительно, все чаще звучат вопросы: с чем связано полярное сияние? Почему это стало частым событием сегодня, хотя пять, десять лет назад об этом не говорили вовсе?
Постараемся в этом разобраться. Полярные сияния связаны с солнечной активностью. Сейчас идет 25 цикл солнечный активности, старт которого был в декабре 2019 года, а максимум ожидается в 2025 году. То есть сейчас мы приближаемся к максимуму, что выражается увеличением числа солнечных пятен, вспышек, корональных выбросов. На графике представлена динамика числа солнечных пятен (https://www.spaceweatherlive.com/ru/solnechnaya-aktivnost/solnechnyy-cikl.html).
Если подвести итог, то это естественный процесс, который имеет максимумы и минимумы. Это циклический процесс с периодом 11 лет, поэтому утверждать, что мы живем в особую эпоху, не совсем корректно.
Почему это стало более доступным? За количеством пятен, за солнечными вспышками и корональными выбросами систематические и инструментальные наблюдения проводятся с начала 17 века. Поэтому информация о процессах на Солнце не является эксклюзивной. Но не всегда данная информация становилась доступной для широких масс в момент наблюдения полярных сияний. В наши дни прогнозы магнитных бурь и полярных сияний доступны для всех. При том временной промежуток прогноза варьируется от нескольких часов до суток до события. У каждого есть возможность подготовиться самому и подготовить аппаратуру. Непрофессионалу подойдет даже сотовый телефон с камерой, который есть в кармане у каждого.
Одна из основных проблем наблюдения полярного сияния – низкая яркость. Малая часть полярных сияний в наших широтах доступна невооруженному глазу. Например, ниже фотография автора, которая получена в ночь с 4 на 5 августа 2024 года.
Невооруженному глазу зеленоватое свечение атмосферы недоступно. Здесь много факторов: ночи не такие темные, как зимой, событие не экстремальное. Только с помощью фотокамеры удалось получить изображение полярного сияния.
Другая фотография от 18 сентября 2023 года. Здесь событие наблюдалось невооруженным глазом, но при этом воспринималось не таким ярким, как на фото.
Подобные события случаются не часто. Если посмотреть на статистику, то за последний год – 2 события, которые были доступны для визуального наблюдения без специального оборудования. Нужно понимать, что мы приближаемся к максимуму солнечной активности. В те годы, когда максимум пройден, такие события не происходят вовсе.
Не стоит забывать и про погоду в нашем регионе. По статистике длительных наблюдений, в году всего 40 дней, когда мы можем видеть чистое, безоблачное небо и, следовательно, полярное сияние, если оно происходит в этот период. Поэтому даже если экстремальное событие происходит, то оно становится недоступно для наблюдения, если “нет погоды”.
На основе сказанного: для успешного наблюдения полярного сияния необходимо следить за космической погодой, присмотреть точки выезда для наблюдений (за город, в парк, в темное место с открытой стороной северного горизонта), зарядить мобильный телефон или фотоаппарат, подготовить штатив. Но самое главное – наличие чистого неба.
Еще один вопрос, который часто задают, почему зеленое и есть ли другие цвета полярных сияний? Попробуем рассмотреть физику процессов, которые происходят в рамках полярных сияний. Начнем с того, что от Солнца двигается поток электронов, который врезается в магнитосферу Земли и после этого попадает в земную атмосферу. Состав атмосферы – это кислород и азот. Электроны ударяют по атомам кислорода в верхних слоях атмосферы (выше 100 км). В этот момент атомы кислорода приходят в возбужденное состояние (вернее, электроны, которые обращаются вокруг ядра атома кислорода, переходят на более высокие энергетические уровни). Через некоторое время, чтобы вернуться в нормальное состояние, кислород излучает энергию возбуждения, и его электрон переходит обратно на стабильные орбитали. Вот эта излученная энергия и есть тот свет, который формирует полярные сияния. Немного поясним. Согласно правилам квантовой механики, свет поглощается и испускается порциями, или квантами. У кислорода есть две основные линии излучения в оптическом (видимом) излучении: 557,7 нм (зеленый цвет) и 630 нм (красный цвет). Это значит, что порции энергии, которые излучаются при переходе электрона из возбужденного в основное (стабильное) состояние, соответствуют квантам зеленого или красного цветов. В основном мы видим зеленый цвет по 2 причинам:
1. Максимум чувствительности человеческого глаза находится в зеленой области спектра.
2. Зеленый цвет образуется ближе к поверхности Земли: на высоте 100 — 200 км над уровнем моря.
Красный бывает заметен реже, т.к. он находится уже на краю спектральной чувствительности человеческого глаза, и к тому же он образуется на высоте от 200 до 800 км над уровнем моря. Значит – дальше от наблюдателя.
Часто звучат вопросы, связанные с домыслами об отключении магнитного поля Земли. В качестве довода приводятся утверждения, что полярные сияния наблюдаются не только на полюсе, а в средних широтах. Обратимся к статистике наблюдений. За последние 800 тысяч лет величина магнитного поля практически не изменялась, она является стабильно высокой, если измерять в промежутках последних нескольких миллионов лет. Так с чем же связан вопрос наблюдения полярных сияний в средних широтах? Про приближение максимума солнечной активности было сказано выше. Если выброс солнечного вещества добирается до магнитосферы, это приводит к возникновению геомагнитных бурь. В результате происходит видоизменение магнитного поля. Со стороны удара, то есть со стороны Солнца магнитное поле деформируется и превращается из овала с горизонтальной осью в овал с осью вертикальной, то есть сплющивается, а за Землей магнитное поле вытягивается. На краях напряженность магнитного поля растет, и в определённый момент происходит разрыв силовых магнитных линий, и они, как натянутая струна, возвращаются к Земле. При этом несут с собой захваченные заряженные частицы, которые высыпаются в атмосферу большего радиуса рассеяния, нежели при незначительной вспышке.
Факторы: это мощность вспышки. То есть в полярных районах видно все хорошо, а вот чтобы это спустилось ниже, например, до широты Нижнего Новгорода, мощность вспышки должна быть выше.
Данный процесс непредсказуемый. Мы можем делать прогнозы только на основе того, что вспышка произошла. Далее можем говорить, что полярное сияние будет видно на определённых широтах. Но опять же это не всегда точно.
В заключение следует отметить: возможность наблюдения полярных сияний или других астрономических явлений доступна всем. Наблюдайте, фиксируйте, делитесь и рассказывайте!
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
