Как возникает полярное сияние

Землю всё время обдувает солнечным ветром, то есть потоком заряженных и очень вредоносных солнечных частиц. И летят они со скоростью как минимум несколько сотен километров в секунду. А если, к примеру, на солнце случилось какое-нибудь особо яркое событие — к примеру, мощнейший выброс массы из солнечной короны, то эта масса каждую секунду может преодолевать всю тысячу километров, если не полторы. Если бы всё это беспрепятственно достигало поверхности Земли, никакая жизнь на этой поверхности была бы, скорее всего, невозможна.

Что именно проделывают заряженные солнечные частицы со всем, что попадается у них на пути: они выбивают из встретившихся атомов электроны. Это называется ионизацией — обыкновенный нейтральный атом превращается в ион. А такое разрушение с жизнью несовместимо. Так и работает радиация — она убивает на уровне атомов.

И живы мы при этом в основном благодаря тому, что в раскалённом земном ядре идёт мощнейший электрический ток, а вместе с ним возникает и магнитное поле. Так образуется магнитосфера Земли. Она окружает планету невидимым щитом и не пропускает к ней эти частицы, им приходится либо огибать планету, либо циркулировать вдоль линий её магнитного поля. Эти линии выходят из окрестностей южного магнитного полюса, огибают Землю со всех сторон и входят в северный магнитный полюс. А перед этим, соответственно, в атмосферу. Кстати, магнитные полюса находятся не совсем там, где географические, а самое интересное — с точки зрения физики — на Севере находится южный магнитный полюс Земли, а в Антарктиде — северный.

На этом видео показано, что именно происходит при полярном сиянии. Непосредственно из полюсов идут открытые, незамкнутые силовые линии — они бесконечно устремлены в космос. А солнечные частицы в нашу атмосферу пригоняются только по замкнутым линиям. Потому-то сияния и наблюдают только, грубо говоря, по кругу вокруг полюсов, точнее, по овалу, он называется авроральным овалом. И во время мощной солнечной атаки получается примерно так: солнечный ветер изгибает некоторые открытые линии магнитного поля таким образом, что на "ночной стороне" они смыкаются и немедленно начинают гнать к обоим полюсам добравшиеся туда солнечные частицы.

Когда солнце становится очень свирепым, на землю обрушивается такой шторм плазмы, что этот овал свечения вокруг полюса становится шире и простирается дальше к югу, объяснил Лайфу старший научный сотрудник Института космических исследований РАН Александр Чернышов. Для понимания он показал вот такую иллюстрацию. Слева — полярные сияния при спокойном солнце, справа — ситуация во время сильной активности светила.

Во время весеннего и осеннего равноденствий земля повёрнута к солнцу так, что ось вращения планеты оказывается почти перпендикулярно к плоскости её орбиты. Другими словами, полюса земли "встречаются" с солнечным ветром под прямым углом. И это создаёт максимальные "удобства" для проникновения заряженных частиц в верхнюю атмосферу, а значит, для полярных сияний.

В основном на высоте примерно 100–200 километров, то есть там, где уже начинаются плотные слои атмосферы, в которых сгорают мелкие метеоры и даже целые космические аппараты. Поэтому полярными сияниями любуются космонавты и астронавты: МКС летает на высоте 400 с небольшим километров.

Почему вообще возникает свечение: заряженная частица солнечной плазмы ударяется в атом, скажем, азота или кислорода, выбивает из него электрон (может быть, даже не один) — и в момент вылета этого электрона из его атомной семьи испускается фотон. Частица света. И в случае разных атомов свет получается разной длины волны, а значит, разного цвета.