Чому полярні сяйва набувають різного кольору?

Полярні сяйва виникають, коли заряджені сонячні частинки, що прилітають із космосу, врізаються в магнітне поле Землі та її атмосферу. Залежно від того, з якими хімічними елементами взаємодіє зоряна плазма, виникає певний колір світіння.

Кольори

Минулого тижня величезний сонячний спалах спрямував хвилю енергійних частинок від Сонця до Землі. На вихідних ця хвиля досягла планети, і люди по всьому світу насолоджувалися видовищем надзвичайно яскравого полярного сяйва навіть там, де зазвичай його не буває. Здебільшого полярне сяйво можна побачити лише поблизу полюсів, але через потужні спалахи класу X, воно було помічене аж в Україні, хоча й не у всіх областях.

Більша частина нашої атмосфери захищена від припливу заряджених частинок магнітним полем Землі. Але поблизу полюсів вони можуть проникати всередину і сіяти хаос. Атмосфера Землі складається приблизно на 20% з кисню і на 80% з азоту, з незначними домішками води, вуглекислого газу (0,04%) й аргону.

Коли високошвидкісні електрони звичайного сонячного вітру вдаряються в молекули кисню (O₂) у верхніх шарах атмосфери, вони розщеплюють їх на окремі атоми. Ультрафіолетове світло від Сонця також робить це, а утворені атоми кисню можуть потім реагувати з молекулами O₂, утворюючи озон (O₃) – молекулу, яка щільним шаром захищає нас від шкідливого ультрафіолетового випромінювання.

Але у випадку полярного сяйва, коли потік частинок після спалаху на Сонці виростає в сотні разів, атоми кисню, що утворюються, перебувають у збудженому стані. Це означає, що електрони атомів розташовані нестабільно і можуть випромінювати енергію у вигляді світла.

Як утворюється зелене світло?

Феєрверки є гарним прикладом того, що атоми різних елементів випромінюють різні кольори світла, коли вони перебувають під напругою. Так само ми можемо бачити, що полум'я може мати різний колір, коли горять різні речовини. Тут працює той же принцип. Атоми міді дають синє світло, барію — зелене, а атоми натрію — жовто-оранжеве, яке ви також могли бачити у старих вуличних ліхтарях. Ці випромінювання є частиною квантової механіки і відбуваються дуже швидко.

Коли атом натрію перебуває у збудженому стані, він залишається в ньому лише близько 17 мільярдних часток секунди, перш ніж випустити жовто-оранжевий фотон. Але кисень – інша справа. Він не реагує так само швидко і взагалі не має, як кажуть учені, "дозволених способів" у квантовій механіці зреагувати так, щоб випромінювати світло. Але природа знайшла спосіб.

Зелене світло, яке домінує в полярному сяйві, випромінюється атомами кисню, що переходять з одного стану (1S) в інший, так званий "розслаблений" (1D). Цей процес передбачає перехід електрона на іншу орбіту, що є малоймовірною подією, а тому вчені ввели термінологію "забороненого" і "дозволеного" (для більш імовірних) процесу.

Це відносно повільний процес, який в середньому займає майже цілу секунду. Цей перехід настільки повільний, що зазвичай не відбувається за такого тиску повітря, який ми спостерігаємо на рівні землі, оскільки збуджений атом втратить енергію, зіткнувшись з іншим атомом, перш ніж матиме шанс випустити зелений фотон. Але у верхніх шарах атмосфери, де тиск повітря нижчий, а отже, молекул кисню менше, вони мають більше часу, перш ніж зіткнутися одна з одною, а отже, мають шанс випустити фотон.

З цієї причини вченим знадобилося багато часу, щоб з'ясувати, що зелене світло полярного сяйва походить від атомів кисню. Жовто-оранжеве світіння натрію було відоме ще в 1860-х роках, але лише в 1920-х роках канадські вчені з'ясували, що зелений колір полярного сяйва зумовлений саме киснем.

Що спричиняє червоне світло?

Червоне світло не менш цікаве, ніж зелене. Після випромінювання зеленого фотона атом кисню опиняється у ще одному збудженому стані без можливості переходу в "розслаблений" стан. Єдиний вихід — це ще один "заборонений" перехід (в стан 3P), який випромінює червоне світло.

Цей перехід є ще більш повільним. Щоб він відбувся, кисень повинен проіснувати в стані 1D близько двох хвилин, перш ніж він зможе нарешті випромінювати червоне світло. Через те, що це займає так багато часу, червоне світло з'являється лише на великих висотах, де зіткнення з іншими атомами і молекулами є незначними через низьку концентрацію кисню.

Крім того, оскільки там дуже мало кисню, червоне світло має тенденцію з'являтися лише в інтенсивних полярних сяйвах, таких як те, що ми спостерігали на вихідних.

Ось чому червоне світло з'являється над зеленим. Хоча вони обидва виникають внаслідок забороненої "розслабленості" атомів кисню, червоне світло випромінюється набагато повільніше і має більше шансів бути погашеним через зіткнення з іншими атомами на менших висотах.

Ось приклад того, що червоне світло з'являється над зеленим:

Інші кольори і чому камери бачать їх краще

Хоча зелений — найпоширеніший колір полярного сяйва, а червоний — другий за поширеністю, існують також інші кольори. Зокрема, іонізовані молекули азоту, які не мають одного електрона і мають позитивний електричний заряд, можуть випромінювати синє, фіолетове і червоне світло. Це може створювати пурпуровий відтінок на низьких висотах.

Усі ці кольори можна побачити неозброєним оком, якщо полярне сяйво достатньо яскраве. Однак в об'єктиві фотоапарата вони проявляються з більшою інтенсивністю.

На це є дві причини:

• По-перше, камери мають перевагу довгої експозиції, а це означає, що вони можуть витрачати більше часу на збір світла для створення зображення, ніж наші очі. Як наслідок, вони можуть створювати зображення в тьмяних умовах.
• Друга причина полягає в тому, що датчики кольору в наших очах не дуже добре працюють у темряві. Тому ми, як правило, бачимо чорно-біле зображення в умовах низької освітленості. Камери не мають цього обмеження.

Але не варто хвилюватися. Коли полярне сяйво досить яскраве, кольори добре видно й неозброєним оком.