Чи викликано північне сяйво «частинками від Сонця»? Не зовсім

Автор: Александр Маккіннон, почесний науковий співробітник з фізики та астрономії Університету Глазго.

Велике полярне сяйво є дивовижним явищем, з мерехтливими завісами і різнокольоровими променями світла, що запалюють темне небо. Багато хто називає його північним сяйвом (Аurora Borealis), але існує й південне сяйво (Аurora Australis). У будь-якому випадку, якщо вам пощастить побачити цей феномен, ви не скоро його забудете.

Полярне сяйво часто пояснюють просто як «частинки від Сонця», що потрапляють в нашу атмосферу. Але це не зовсім точно з технічного погляду, за винятком кількох обмежених випадків. Тож які процеси створюють це диво природи?

Ми бачимо полярне сяйво, коли енергетично заряджені частинки – електрони та іноді іони – зіштовхуються з атомами у верхніх шарах атмосфери. Хоча полярне сяйво часто слідує за вибуховими подіями на Сонці, не зовсім правильно говорити, що ці енергетичні частинки, які викликають це явище, походять від Сонця.

Земний магнетизм – це сила, яка спрямовує стрілку компаса та має визначальний вплив на рух електрично заряджених частинок у просторі навколо Землі. Магнітне поле біля поверхні Землі зазвичай стійке, але його сила і напрям коливаються під час появи полярного сяйва. Ці коливання викликані так званою магнітною суббурею – швидкими змінами в магнітному полі у навколоземному просторі.

Щоб зрозуміти, що викликає магнітні суббурі, нам спочатку потрібно дізнатися про плазму. Плазма – це газ, у якому значна кількість атомів розпалася на іони та електрони. Газ найвищих шарів земної атмосфери перебуває у стані плазми, як і газ, з якого складається Сонце та інші зірки. Газова плазма безперервно витікає з Сонця, що називається сонячним вітром.

Плазма поводить себе інакше, ніж гази, з якими ми маємо справу у повсякденному житті. Помахайте магнітом на кухні, і нічого особливого не станеться. Повітря в кухні переважно складається з електрично нейтральних атомів, тому магніт, що рухається, не буде значно впливати на нього. Однак у плазмі, з її електрично зарядженими частинками, все інакше. Тому якби ваш будинок був наповнений плазмою, то розмахування магнітом, змусило б повітря рухатися.

Коли плазма сонячного вітру досягає Землі, вона взаємодіє з магнітним полем планети (як зображено нижче – магнітне поле представлено лініями, що трохи нагадують павука). Зазвичай плазма легко рухається вздовж ліній магнітного поля, але не впоперек них. Це означає, що сонячний вітер, що приходить на Землю, відхиляється навколо планети і тримається подалі від земної атмосфери. У свою чергу, сонячний вітер викривлює лінії поля у витягнуту форму, яка видна на нічній стороні та називається магнітохвіст.

Корональний викид маси залишає Сонце, прямуючи до магнітного поля Землі (малюнок не дотримується масштабу). Джерело: ESA & NASA (Європейське космічне агенство та Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору США)

Іноді, рухома плазма зближує магнітні поля з різних областей, викликаючи локальний розрив у структурі ліній магнітного поля. Це явище, яке називається магнітним перез’єднанням, сповіщає про нову магнітну конфігурацію і, що важливо, звільняє дуже багато енергії.

Ці події досить часто відбуваються у зовнішній атмосфері Сонця, викликаючи вибуховий викид енергії та відштовхуючи хмари намагніченого газу, які називаються корональними викидами маси, від Сонця (як видно на малюнку вище).

Якщо корональний викид маси досягає Землі, він може викликати перез’єднання в магнітохвості, вивільняючи енергію, що приводить у рух електричні струми в навколоземному просторі, тобто спричиняє суббурю. Сильні електричні поля, які при цьому виникають, прискорюють електрони до високих енергій. Деякі з цих електронів могли прийти із сонячного вітру, потрапивши в навколоземний простір в результаті перез’єднання, але для створення полярного сяйва необхідне їх прискорення в суббурі.

Магнітне поле спрямовує ці частинки до атмосфери високо над полярними областями. Там вони зіштовхуються з атомами кисню та азоту, спонукаючи їх світитися сяйвом.

Тепер, коли ви знаєте, що спричиняє північне сяйво, як збільшити свої шанси побачити його? Шукайте темне небо далеко від міст та селищ. Що далі на північ, то краще, але не обов’язково перебувати за полярним колом. Іноді ми спостерігаємо їх у Шотландії, навіть бачили на півночі Англії – хоча все ж таки краще спостерігати за ними у більш високих широтах.

Такі сайти, як AuroraWatch UK, підкажуть вам, коли варто вийти надвір. І пам’ятайте, що хоча сонячна активність може попередити нас за кілька днів, прогнози є орієнтовними, а не надійними. Можливо, частина магії полягає в тому, що вам потрібно трохи удачі, щоб побачити полярне сяйво у всій його красі.

Статтявпершебулаопублікованаанглійськоюмовоюпідзаголовком«Are the northern lights caused by “particles from the Sun”? Not exactly» вжурналі The Conversation 20 січня 2022 р.