Что вызывает разные цвета полярного сияния? Эксперт объясняет электрическую радугу

На прошлой неделе массивная солнечная вспышка отправила в космос волну энергетических частиц Солнца. В минувшие выходные волна достигла суши, и люди по всему миру с удовольствием наблюдали необычно яркое северное сияние в обоих полушариях.

Хотя северное сияние обычно видно только вблизи полюсов, на этих выходных его заметили. С юга до Гавайев В Северном полушарии и На севере до Маккея на юге.

Этот впечатляющий всплеск авроральной активности, похоже, закончился, но не волнуйтесь, если вы его пропустили. Солнце приближается к зениту Цикл солнечных пятен длится 11 лет.Периоды интенсивных сумерек, вероятно, вернутся в течение следующего года или около того.

Если вы видели северное сияние или любую из фотографий, вам, вероятно, интересно, что именно происходило. Что дает свечение и разные цвета? Ответ кроется в атомах, в том, как они возбуждаются и как расслабляются.

Когда электроны встречаются с атмосферой

Полярные сияния вызываются заряженными субатомными частицами (в основном электронами), сталкивающимися с атмосферой Земли. Эти элементы излучаются Солнцем постоянно, но во время большей солнечной активности их становится больше.

Большая часть нашей атмосферы защищена от потока заряженных частиц магнитным полем Земли. Но вблизи полюсов они могут проникнуть внутрь и посеять хаос.

Атмосфера Земли состоит примерно из 20% кислорода и 80% азота, а также незначительного количества других веществ, таких как вода, углекислый газ (0,04%) и аргон.

Когда высокоскоростные электроны сталкиваются с молекулами кислорода в верхних слоях атмосферы, они расщепляют молекулы кислорода (O₂) на отдельные атомы. Ультрафиолетовые лучи солнца тоже делают то же самое, и образующиеся атомы кислорода могут вступать в реакцию с молекулами O₂, образуя озон (O₃), молекулу, которая защищает нас от вредных ультрафиолетовых лучей.

Но в случае полярного сияния образующиеся атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии. Это означает, что электроны атомов расположены нестабильно и могут «расслабляться», выделяя энергию в виде света.

Что дает зеленый свет?

Как вы можете видеть в фейерверках, атомы разных элементов излучают свет разного цвета, когда они находятся под напряжением.

Атомы меди излучают синий свет, атомы бария — зеленый свет, а атомы натрия — желто-оранжевый цвет, который вы, возможно, также видели в старых уличных фонарях. Эти выбросы «допустимы» по правилам квантовой механики, то есть происходят очень быстро.

Когда атом натрия находится в возбужденном состоянии, он остается там всего 17 миллиардных долей секунды, прежде чем испустить желто-оранжевый фотон.

Однако в полярных сияниях многие атомы кислорода создаются в возбужденном состоянии без «разрешенных» способов расслабиться путем излучения света. Однако природа находит выход.

Зеленый свет, который доминирует в полярном сиянии, излучается атомами кислорода, переходящим из состояния под названием «¹S» в состояние под названием «¹D». Это относительно медленный процесс, занимающий в среднем около целой секунды.

Фактически, этот переход настолько медленный, что обычно он не происходит при давлении воздуха, которое мы видим на уровне земли, потому что возбужденный атом потеряет энергию при столкновении с другим атомом, прежде чем у него появится возможность испустить красивый зеленый фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха меньше и, следовательно, меньше молекул кислорода, у них есть больше времени, прежде чем они столкнутся друг с другом и, таким образом, получат шанс выпустить фотон.

По этой причине ученым потребовалось много времени, чтобы понять, что зеленый свет полярного сияния исходит от атомов кислорода. Желто-оранжевое свечение натрия было известно в 1860-х годах, но не было признано до 1920-х годов. Канадские учёные Я обнаружил, что сумеречный зеленый цвет обусловлен кислородом.

Что делает светло-красный?

Зеленый свет возникает в результате так называемого «запрещенного» перехода, который происходит, когда электрон в атоме кислорода совершает неожиданный переход с одной орбитальной схемы на другую. (Запрещенные переходы гораздо менее вероятны, чем разрешенные, а это означает, что для их осуществления требуется больше времени.)

Однако даже после испускания зеленого фотона атом кислорода оказывается в другом возбужденном состоянии без какой-либо разрешенной релаксации. Единственный выход — через еще один заблокированный переход из состояния ¹D в состояние 3P, которое излучает красный свет.

Эта трансформация, так сказать, далее блокируется, и состояние ¹D должно просуществовать около двух минут, прежде чем оно наконец сможет нарушить правила и дать красный свет. Поскольку красный свет занимает так много времени, он появляется только на больших высотах, где столкновения с атомами и другими молекулами редки.

Кроме того, поскольку там содержится небольшое количество кислорода, красный свет обычно появляется только в интенсивных полярных сияниях, подобных тем, которые мы только что видели.

Вот почему красный свет появляется над зеленым. Хотя оба возникают в результате запрещенной релаксации атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет больше шансов погаснуть в результате столкновений с другими атомами на более низких высотах.

Другие цвета и почему камеры видят их лучше?

Хотя зеленый — наиболее распространенный цвет северного сияния, а красный — второй по распространенности, существуют и другие цвета. В частности, ионизированные молекулы азота (N₂⁺, которым не хватает одного электрона и имеют положительный электрический заряд), могут излучать синий и красный свет. Это может привести к фиолетовому цвету на более низких высотах.

Все эти цвета видны невооруженным глазом, если полярное сияние достаточно яркое. Однако в видоискателе они проявляются сильнее.

Для этого есть две причины. Во-первых, камеры имеют преимущество длинной выдержки, а это означает, что они могут тратить больше времени на сбор света для создания изображения, чем наши глаза. В результате они могут фотографировать в темноте.

Вторая причина заключается в том, что датчики цвета в наших глазах плохо работают в темноте, поэтому в условиях низкой освещенности мы склонны видеть черно-белое изображение. Камеры не имеют этого ограничения.

Однако не стоит беспокоиться. Когда полярное сияние достаточно яркое, цвета отчетливо видны невооруженным глазом.

Подробнее: Что такое северное сияние и почему оно бывает разных форм и цветов? Два эксперта объясняют