Зеленое, красное и фиолетовое: ученые объяснили, почему полярное сияние бывает разных цветов

Как возникает полярное сияние

Полярные сияния вызваны заряженными субатомными частицами, врезающимися в атмосферу Земли. Они излучаются от солнца постоянно, но больше их во время большой солнечной активности.

Большая часть нашей атмосферы защищена от потока заряженных частиц магнитным полем на Земле. Но вблизи полюсов эти частицы могут проникать в атмосферу.

Атмосфера Земли состоит примерно из 20% кислорода и 80% азота, с некоторыми количествами других веществ, таких как вода, углекислый газ (0,04%) и аргон.

Когда высокоскоростные электроны врезаются в молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы, они расщепляют молекулы кислорода на отдельные атомы. Образовавшиеся атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии и поэтому излучают энергию в виде света.

Почему возникает зеленое сияние

Чаще возникает зеленое полярное сияние. Оно возникает, когда излучаются атомами кислорода, которые переходят из состояния под названием ¹S в состояние под названием ¹D. Это относительно медленный процесс, в среднем занимающий почти целую секунду.

На самом деле этот переход настолько медленный, что обычно не происходит при таком давлении воздуха, которое мы видим на уровне земли, потому что возбужденный атом потеряет энергию, столкнувшись с другим атомом, прежде чем у него будет шанс послать зеленый фотон.

Но в верхней части атмосферы, где ниже атмосферное давление и, следовательно, меньше молекул кислорода, у них больше времени, прежде чем столкнуться друг с другом, и, следовательно, имеют шанс выпустить фотон.

Зеленый - самый распространенный цвет полярного сияния (фото: Freepik)

Почему возникает красное сияние

После излучения этого зеленого фотона атом кислорода оказывается еще в одном возбужденном состоянии без разрешенной релаксации. Единственный выход - другой запрещенный переход из состояния "D" в состояние "P", излучающий красный свет.

Состояние "¹D" должно просуществовать примерно две минуты, прежде чем оно наконец-то сможет нарушить правила и засветить красный свет. Поскольку это занимает очень много времени, красный свет появляется только на большой высоте, где столкновения с другими атомами и молекулами незначительны.

Красный свет, как правило, появляется только в интенсивных полярных сияниях.

Почему возникают другие цвета

Хотя зеленый является самым распространенным цветом полярного сияния, а красный - вторым по распространенности, существуют и другие цвета. В частности, ионизированные молекулы азота могут излучать синий и красный свет. Это может создать фиолетовый оттенок на низкой высоте.

Все эти цвета видны невооруженным глазом, если полярное сияние достаточно яркое. Однако в объективе камеры они появляются с большей интенсивностью.