Если ночью посмотреть на небо неподалёку от полярного круга, порой можно увидеть зелёную завесу, колышущуюся в темноте, к которой присоединяются фиолетовые и красные всполохи. Это явление, известное как полярное сияние, - видимый результат невидимого взаимодействия, которое непрерывно происходит между Солнцем и Землёй. Примечательно то, что источник находится в 150 миллионах километров от нас, а само световое шоу разворачивается всего в 100-300 километрах над нашими головами.
Солнечный ветер: всё начинается там
Солнце непрерывно выбрасывает со своей поверхности заряженные частицы - в основном электроны и протоны. Этот поток называют солнечным ветром, и он мчится через космос со скоростью в сотни километров в секунду. Когда на Солнце происходит вспышка или более крупное явление - корональный выброс массы, - ветер резко усиливается, и к Земле устремляется гораздо больше заряженных частиц, чем обычно. Обычно этим частицам требуется от одного до трёх дней, чтобы достичь Земли, что даёт учёным время заранее предупредить о приближающейся магнитной буре.
Невидимый щит Земли: магнитосфера
К счастью, движение расплавленного железо-никелевого ядра внутри Земли создаёт магнитное поле, которое окутывает планету подобно щиту, образуя область под названием магнитосфера. Большая часть солнечного ветра отклоняется этим щитом и огибает планету. Но вблизи полюсов магнитосфера более "открыта". Когда магнитное поле, переносимое солнечным ветром, направлено противоположно земному, между двумя полями происходит передача энергии, и частицы направляются вдоль линий магнитного поля воронкообразно к полярным областям.
Как энергия превращается в свет
Направленные к полюсам энергичные частицы сталкиваются с атомами кислорода и азота в верхних слоях атмосферы. При каждом столкновении часть энергии частицы передаётся атому, переводя его в "возбуждённое" состояние. Вскоре нестабильный атом высвобождает избыточную энергию в виде фотона - частицы света - и возвращается в исходное состояние. Когда миллиарды атомов делают это одновременно, возникают те самые волнистые световые завесы, которые мы видим в небе.
Секрет цветов
Цвет полярного сияния зависит от того, с каким газом происходит столкновение и на какой высоте. Столкновения с атомами кислорода на высоте около 100-300 километров создают знаменитое зелёное свечение - именно к этому оттенку человеческий глаз наиболее чувствителен. Выше, за пределами 300 километров, более разреженные атомы кислорода излучают красноватый свет. Атомы азота обычно отвечают за синие и фиолетовые тона, которые часто видны у нижней границы сияния.
Овал полярных сияний: где и когда наблюдать
Полярные сияния появляются не случайным образом - они образуют овальную полосу вокруг магнитных полюсов Земли. В Северном полушарии эта полоса обычно проходит через Исландию, север Норвегии, Аляску и северную Канаду; то же явление в Южном полушарии называется южным полярным сиянием и наблюдается вокруг Антарктиды. Лучшие условия для наблюдения - тёмные зимние ночи и периоды равноденствий в марте и сентябре, когда магнитное поле Земли статистически лучше ориентировано для передачи энергии солнечного ветра.
Как полярные сияния трактовали на протяжении истории
Задолго до научного объяснения разные народы придавали этому небесному явлению собственный смысл. В скандинавской мифологии полярное сияние считалось светом, указывающим путь павшим воинам в Вальхаллу. Некоторые коренные народы Северной Америки видели в нём танец духов предков, а в исторических китайских хрониках оно описывалось как сражающиеся в небе драконы. Прямая связь полярного сияния с Солнцем была научно установлена лишь к концу XIX века, когда измерения магнитного поля стали сопоставлять с наблюдениями за солнечными пятнами.
11-летний цикл Солнца и сила бурь
Магнитная активность Солнца растёт и падает в цикле продолжительностью примерно 11 лет, пик которого называют солнечным максимумом. В эти периоды солнечные вспышки и корональные выбросы массы учащаются, из-за чего полярные сияния становятся и более частыми, и видимыми на непривычно низких широтах. Одним из самых ярких исторических примеров считается событие Кэррингтона 1859 года: во время этой мощнейшей геомагнитной бури полярные сияния наблюдались даже вблизи экватора, на телеграфных линиях проскакивали искры, а некоторые телеграфные станции странным образом продолжали работать даже после отключения от источника питания. Мощные геомагнитные бури и сегодня способны нарушать спутниковую связь, сигналы GPS и работу энергосетей, поэтому центры мониторинга космической погоды постоянно наблюдают за Солнцем, чтобы заранее предупреждать о таких бурях.