Северное сияние

Как работает северное сияние

Иллюстрация: Максим Чатский

Планета функционирует довольно автономно, и как именно — мы почти не видим. Прямо под ногами, часов пять лету на самолете строго вниз, лежит железный шар размером с Луну — ядро. Над нами происходит медленное движение воздушных масс и отчаянная борьба атмосферы и магнитного поля с солнечным ветром — потоком заряженных частиц из верхних слоев солнечной атмосферы. И как внутренняя жизнь планеты иногда выливается в землетрясения или в дрейф материков, так и жизнь магнитосферы Земли иногда становится видимой глазу — в виде северного сияния.

Северное сияние — это результат попадания солнечного ветра в земную атмосферу около магнитных полюсов. Электроны врезаются в атомы газов атмосферы. Происходит это не только на Севере: магнитных полюсов два (и они слегка не совпадают с географическими, заметим), так что южное сияние тоже существует. Происходит это вокруг полюсов: именно сюда приносятся магнитным полем земли заряженные частицы, порожденные солнечной атмосферой.

Магнитные полюса перемещаются по планете: нынешний северный магнитный полюс движется из канадской Арктики в сторону России со скоростью около 60 километров в год. К тому же полюса имеют тенденцию перемагничиваться: на протяжении земной истории они менялись местами несколько раз. Прошлая смена произошла 780 тысяч лет назад.

Затем эти частицы следуют по линиям магнитного поля вниз к Земле, и чем глубже в атмосферу они проникают, тем выше их шанс столкновения с атомами газа в ней (в первую очередь азота (78% объема атмосферы) и кислорода (20%). Как только электрон ударяется об атом газа, атом приходит в возбужденное состояние и, проведя в нем от доли секунды до пары минут, выделяет энергию в виде фотона. Вылетевшие фотоны и есть северное сияние. Цвет и высота сияния очень много могут рассказать об устройстве нашей атмосферы. Цвет зависит от того, в какой атом попадет электрон и от того, на какой высоте это произошло. На высоте около 200 км северное сияние будет красным, ниже — зеленым, что означает попадание в кислород, а синий и фиолетовый в самом низу фиксируют попадание в молекулу азота.

Это не исключительное для Земли явление. Вокруг многих планет с двумя магнитными полюсами можно увидеть похожее сияние, например, на Сатурне или Юпитере.

Почему же кислород дает то красный, то зеленый цвет и как это связано с высотой? Возбужденный кислород ведет себя довольно странно. Он может выдать фотон зеленого цвета через секунду или фотон красного через две минуты после того, как в него попал электрон. Но если он столкнется с другим атомом или молекулой кислорода, то энергия возбуждения передастся ей — и излучения не произойдет. И тут в дело вступает плотность. В разряженных верхних слоях атом кислорода может запросто летать две минуты, ни на кого не наткнувшись, и довольно испустить красный фотон, в нижних же, более плотных он успеет десять раз столкнуться с соседними молекулами и испустить только зеленые фотоны. Ниже 100 км даже секунды не успевает пройти между столкновениями двух молекул, и зеленый свет пропадает.
Форма северного сияния часто похожа на длинные вытянутые простыни из-за того что заряженные частицы не могут летать где им вздумается в магнитном поле — они следуют по линиям магнитного поля, и именно их мы и видим.