Слой атмосферы в котором происходит северное сияние


Северное сияние

Северное сияние – один из удивительных феноменов нашей планеты, который обычно можно увидеть в северных широтах. Но иногда его можно увидеть даже в Лондоне (где расположен знаменитый Тауэрский мост) или в штате Флорида. Более того сияние видно даже на самом юге Земли – в Антарктиде. Встречается этот феномен и на других планетах Солнечной системы: Марсе, Юпитере, Венере.

Северное сияние

Полярное сияние (северное сияние) — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.

Северное сияние – это тысячи разноцветных огоньков, зажигающихся на небе в темные ночи. Огни бывают самых разных форм и цветов: синие, желтые, красные, зеленые. За секунду темное небо окрашивается в яркие цвета и становится видно вокруг на многие километры как будто днем. Северное или полярное сияние уже тысячи лет удивляет и очаровывает людей, однако не все относятся к нему с восхищением, в легендах некоторых народов, о которых мы расскажем ниже, оно считалось дурным знаком.


Северное сияние на фото

Северное сияние: что это такое и как происходит

Давайте разберемся, что это такое северное сияние, которое удивляет и пугает людей, живущих возле северного и южного полюсов?
Загадку таинственных огней отгадал еще Михаил Ломоносов, решив, что здесь играет роль электричество. Чтобы подтвердить свою теорию, ученый через колбы, наполненные различными газами, пропустил ток. После опыта колбы засияли неповторимыми цветами.

Северное сияние картинки

Проще говоря, выброшенные нашим Солнцем заряженные частицы (солнечный ветер) заставляют воздух Земли переливаться разноцветными огнями.

Земля является для частиц магнитом, который образует магнитные поля из-за токов, возникшие при вращении ядра, в основе которого лежит железо. С помощью магнитного притяжения наша планета «ловит» пролетающий солнечный ветер и направляет его туда, где находятся магнитные полюса. Там солнечные частицы моментально притягиваются к ним, и от столкновения солнечного ветра с атмосферой, появляется энергия, преобразовывающаяся в свет, которая и образует северное сияние.


Северное сияние где можно увидеть

Возбуждённые атомы успокаиваются и начинают излучать световой фотофон;
Если азот (N), столкнувшись с солнечными частичками, теряет электроны, то его молекулы преобразуются в синий и фиолетовый цвета;
Если электрон никуда не пропадает, то появляются красные лучи;
Когда солнечный ветер взаимодействует с кислородом (O), электрон не исчезает, но начинает выпускать лучи зелёного и красных цветов.

Северное сияние: легенды

С давних времен северное сияние связывали с разными таинственными и порой даже мистическими событиями. Одни народы считали, что небесный огонь приносит счастье, якобы у богов в это время праздники. Другие считали, что сильно разгневался бог огня и надо ожидать неприятностей. Давайте послушаем, что гласят про северное сияние легенды разных народов.

Норвежцы упоминают о мерцающем мосте, который временами появляется на небосводе, чтобы боги спустились на землю. Одни называли сияние огнями в руках валькирий, чьи доспехи начищены до блеска и от них возникает удивительное сияние. Другие рассказывали что огни – танец душ умерших девушек.


Северное сияние что это такое

В рассказах древних финнов полярное сияние означает горящую огнём реку Ружу, которая разделяет мир мёртвых и мир живых.
Североамериканские эскимосы верят, что заставить заиграть небосвод разноцветными огнями можно свистом, а хлопнув в ладоши – немедленно погасить их.

Эскимосы Аляски утверждают, что северное сияние несет беду. Прежде чем выйти наружу, в прежние времена они брали оружие для защиты. Многие верили, что если долго наблюдать за огнями, то можно сойти с ума.

Есть все основания предполагать, что именно благодаря сиянию и возникли мифы о драконах. Многие учёные считают, что битва Святого Георгия, который покровительствует всем англичанам, связана не с ужасным змеем, а с полярным сиянием!

Северное сияние что это

Когда можно увидеть Северное сияние

Тем, кто хочет наверняка знать, когда можно увидеть северное сияние, стоит внимательно прочесть этот абзац. Его можно увидеть ясной, морозной ночью, при неполной луне, желательно вдали от города (чтобы не мешал свет фонарей). Полярное сияние появляется в основном с октября по январь и возникает на высоте от 80 и до 1000 километров над уровнем моря и длится от 1 часа до целых суток.


Чем агрессивнее ведёт себя Солнце, чем больше взрывов на нём происходит, тем дольше длится полярное сияние. Наиболее красивые сполохи можно увидеть раз в 11 лет (такова цикличность Солнца).
Северное сияние, фото которого всегда эффектны, чем-то напоминает закат (только в ночное время), но может также воплощаться в виде спиралей или дуг. Ширина цветной ленты вполне может превышать 160 км, длина – 1500 км.

Сам цвет полярного сияния зависит во многом как от того, с каким газом взаимодействует солнечный ветер, но и от высоты, где это произошло. Если газы атмосферы столкнулись на высоте более 150 км – цвет сияния будет красным, от 120 до 150 км – жёлто-зелёным, ниже 120 км – фиолетово-синим. Чаще северное сияние оказывается бледно-зелёным.

Кадры, полученные с космоса, подтвердили версию, что полярное сияние с южной стороны земного шара почти зеркально отображает это явление с северной стороны. Оно представляет собой кольца диаметром в 4000 км, которые опоясывают полюса.

Северное сияние фото

Источник: chydesa-mira.ru

Виды полярных сияний

Различают следующие формы явления:


  • — Лентообразная. Полосы или дуги со сплошным четким нижним краем, могут быть многоярусными.
  • — Диффузная. Пятна с нечеткими контурами наподобие облаков или вуали, обычно появляются на завершающих стадиях явления.
  • — Лучи. Тонкие световые пучки, расположенные впродоль магнитных линий полюсов.

Выделяют следующие структуры полярного сияния:

  • — Однородная. Безлучевая внутренняя структура.
  • — Лучистая. Группы разрозненных мерцающих лучей.
  • — Волокнистая. Беспорядочные полосы вдоль нижнего края свечения.

Различают следующие степени активности явления:

  • — Спокойная. Сияние без особых изменений или медленно преобразующееся.
  • — Активная. Яркие и стремительные изменения.
Полярное сияние

Наблюдение полярного сияния


Полярное сияние является одним из самых красивых явлений природы, хотя, стоит заметить, существуют и другие столь же прекрасные явления. Только далеко не все из них обладают столь масштабным характером. Благодаря тому, что полярное свечение происходит на большой высоте, видно оно из многих приполярных районов планеты. Хотя бывало и так, что наблюдалось это явление по всей Земле.

Лучше всего наблюдать за явлением из космоса, так как ни Солнце, ни облачность, ни другие слои атмосферы не искажают обзор. Длительность свечения может исчисляться сутками, а может и несколькими десятками минут. Береговые линии материков и островов оказывают влияние на высотность и интенсивность полярного сияния. Так, вдоль берега оно, как правило, ниже, а над водными пространствами более подвижное.

Источник: naturae.ru

             Магнитные полюса Земли отстоят от географических на несколько градусов и имеют противоположную полярность – северный магнитный полюс находится в южном полушарии, а южный магнитный полюс – в Северном. С одного магнитного полюса в другой проходят силовые линии, опоясывая Землю и собираясь вблизи полюсов. На магнитосферу очень влияет солнечный ветер – взаимодействуя с потоком заряженных частиц, магнитное поле Земли вытягивается с ночной стороны и сплющивается с дневной.


структура магнитосферы Земли
 Магнитосфера Земли сплющивается с дневной стороны и вытягивается с ночной. Штриховкой показано, как заряженные частицы солнечного ветра стекаются в атмосферу вблизи магнитных полюсов. Полярное сияние происходит в зоне «слива» заряженных частиц.

В магнитном поле Земли на заряженную частичку начинает действовать сила Лоренца — она направлена «в бок» — т.е. перпендикулярно скорости частички.  Под действием силы Лоренца траектория протонов и электронов солнечного ветра изменяется – они начинают двигаться по спирали.

Шаг и диаметр спирали зависит от угла, под которым частичка влетела в магнитосферу – если строго перпендикулярно силовым линиям, то шаг равен нулю и частичка движется по кругу, если параллельно – то диаметр равен нулю и ее траектория не изменяется. Если частичка влетела в магнитное поле под произвольным углом, она вращается вокруг силовых линий и двигается вдоль них по спирали. 

Магнитное поле Земли неоднородно – возле полюсов плотность силовых линий возрастает. Когда заряженная частичка двигается в таком поле, ее скорость уменьшается по мере продвижения вперед и в конечном итоге она начинает двигаться в обратную сторону. Ближе всего к земле она оказывается в точках разворота – возле магнитных полюсов. Здесь заряженные частички попадают в плотные слои атмосферы и активно взаимодействуют с ней.Там и происходят полярные сияния.


 Взаимодействие заряженных частиц с атмосферой. 

При столкновении  с молекулами атмосферы, электроны и протоны передают им часть своей энергии. Если электрон низкоэнергетичный – «холодный», молекула его захватывает и превращается в ионы. 

Более «горячие» частички «остывают» в столкновениях с нейтральными молекулами и образовавшимися ионами. При этом молекулы и ионизированные «разогреваются» — переходят в более высокоэнергичное состояние. 

В таких состояниях атом может пребывать очень короткое время – потом он испускает избыток энергии в виде света. Нечто подобное происходит в газовом разряде при пропускании через газ электрического тока (неоновые огни реклам, лампы дневного света).

Наиболее эффективно заряженная частичка ионизирует атомы в конце своего пути, когда ее энергия уже невелика. Нейтральные частицы распределены в атмосфере по барометрическому закону (чем ниже высота, тем больше плотность газов), что также увеличивает скорость ионизации по мере уменьшения высоты. С этим и связаны резкая нижняя и размытая верхняя границы полярных сияний. 

 Анализ спектров полярных сияний показывает, что зеленое и красное излучение испускается возбужденными атомами кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизированными молекулами азота. Излучение азота и зеленое излучение кислорода образуется на высоте 110км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400км.


Как происходит полярное сияние
Как возникает полярное сияние: электроны солнечного ветра сталкиваются с молекулами атмосферы и переводят в «возбужденное» состояние. «успокаиваясь», т.е. теряя избыточную энергию, молекула испускает квант света. Красный свет излучаеться на высоте 400км, зеленый – 100 км.

Полярные сияния на Земле

           Полярное сияние бывает северное (Aurora Borealis) и южное (Aurora Australis).Наблюдаются они на высоких широтах, в овальных областях, окружающих Северный и Южный магнитные полюса. Эта области называются авроральными овалами. Диаметр их составляет около 3000км во время спокойного Солнца. Поскольку магнитные полюса отстают от географических приблизительно на 12 градусов, полярные сияния можно увидеть в широтах 67—70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут происходить в более низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления.


           С Земли полярные сияния выглядят как быстро меняющееся свечение неба, движущиеся полосы, ленты. Ярко-зеленое или, реже, красное зарево простирается через все небо с востока на запад на тысячи километров, образуя гигантский занавес.

Северное сияние - фото

Фотография полярного сияния

Высота этого занавеса достигает нескольких сот километров, а толщина всего несколько сот метров. Поэтому такой занавес прозрачный и сквозь него можно различать звезды. Низкий край полярного сияния обычно резко очерчен и часто подкрашен в красный или розовый цвет, а верхний – размытый и постепенно исчезает с высотой.   Вот так оно выглядит из космоса:

Северное сияние из космоса

 
Полярные сияния на других планетах

            Полярные сияния происходят также и на других планетах, которые обладают магнитным полем. Вот снимок полярного сияния на Юпитере, сделанный космическим телескопом «Хаббл». Этот снимок в ультрафиолетовом свете. Планета –гигант Юпитер обладает существенно большим магнитным полем, чем Земля, по этому и полярные сияния там больших масштабов. Атмосфера Юпитера состоит в основном из водорода и характерные линии излучения приходятся на ультрафиолетовый диапазон

Полярное сияние на Юпитере

    

Источник: tenzorro.livejournal.com

Как образуется полярное сияние?

Земля, как и другие планеты, постоянно находится под напором Солнечного ветра. В высоких слоях земной атмосферы разряженный воздух светится от бомбардировки его мельчайшими частицами, которые выбрасываются из активных областей Солнца. Магнитное поле Земли отклоняет эти частицы, когда они приближаются к нашей планете, поэтому частицы попадают в атмосферу преимущественно вблизи магнитных полюсов. Но история знает случаи, когда полярное сияние наблюдали даже на широте Северной Африки.

Виды полярных сияний

Полярное сияние классифицируется на диффузное и точечное. Диффузное сияние настолько неяркое, что его можно и не разглядеть в темном ночном небе. Точечные различаются по яркости. От едва видимых невооруженным глазом до очень ярких.

Возмущение магнитного поля

Активность Солнца так же вызывает возмущение магнитного поля, которое сопровождается нарушением радиосвязи. Всё дело в том, что частицы, выбрасываемые Солнцем и атакующие нашу атмосферу, меняют ее электропроводность и другие свойства, от которых зависит сила и частота радиоприёма. К тому же вспышки на Солнце вызывают магнитные бури. Данное явление отражается на здоровье людей. Может сопровождаться недомоганием, головной болью и т. д.

Полярное сияние впечатляющее явление. Свечения, поражающее своими масштабами, захватывает дух. И эти узоры демонстрируют нам насколько невероятны процессы, происходящие в космическом пространстве.

Источник: zen.yandex.ru

Наверняка те, кто хоть раз в жизни видел своими глазами северное (или южное) полярное сияние, скажут, что это просто фантастическое зрелище. Чудо природы планетарного масштаба, грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле невооруженным глазом. Свечение атмосферы на высотах в сотни и на удалении в тысячи километров настолько разноцветно и динамично, что производит впечатление чего-то живого, движущегося, дышащего…

Но только ли наша планета может похвастать этим грандиозным зрелищем? Могут ли, если не коренные жители, то будущие колонисты, к примеру Марса или спутников Юпитера, наблюдать что-либо подобное?

Что вообще нужно, чтобы на какой-либо планете возникли полярные сияния?

По определению, полярные сияния — это свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.

Итак, нам требуется:

1. Солнечный ветер, представляющий из себя поток заряженных частиц — протонов, электронов, ядер гелия и др. — Имеется всегда во всей Солнечной системе.
У планет или их спутников:
2. Атмосфера, с атомами которой будет взаимодействовать солнечный ветер.
3. Магнитное поле, направляющее заряженные частицы в определенную область планеты (не обязательно в полярную, — угол между магнитной осью и осью вращения планеты, может быть значительным.)

Посмотрим, как это работает на Земле.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние

Земля

Землю можно рассматривать как большой магнит, южный полюс которого располагается вблизи северного географического полюса, а северный — вблизи южного. Силовые геомагнитные линии Земли немного сжаты со стороны Солнца вследствие давления солнечного ветра и оттянуты в противоположном направлении, образуя у Земли магнитосферный хвост.

А как ведут себя частицы солнечного ветра при взаимодействии с магнитосферой планеты? — В околоземном пространстве все происходит как со сверхзвуковым самолетом. — Поток солнечного ветра на сверхзвуковой скорости (400-700 кмсек) набегает на магнитосферу планеты, в результате чего образуется так называемая, головная ударная волна. — (Скорость солнечного ветра на орбите Земли примерно в 10 раз больше скорости звука в околоземной плазме.)

Головная ударная волна — это, таким образом, магнитное препятствие, которое отклоняет заряженные частицы солнечного ветра по траекториям вокруг планеты. Налетая на нее, большинство заряженных частиц просто обтекает магнитосферу.

Некоторая часть солнечной плазмы попадает в магнитные ловушки радиационных поясов Земли,- заряженным частицам затруднительно двигаться поперек силовых линий и они просто наматываются на них и могут болтаться от полюса к полюсу десятилетиями.

А ещё часть беспрепятственно проникает в полярную ионосферу через полярные каспы — воронкообразные области, расширяющиеся от Земли до магнитопаузы, возникающие в результате взаимодействия солнечного ветра и магнитного поля Земли.

Через каспы частицы солнечного ветра «высыпаются» в верхние слои атмосферы планеты в двух областях в высоких широтах.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Магнитосфера Земли

Эти области представляют собой два овала (в северном и южном полушариях), удаленные от геомагнитных полюсов ночью приблизительно на 20°, а днем на 10°. Протяженность этих овальных областей по широте составляет всего несколько сот километров.
При интенсивной магнитной буре овал сильно смещается по направлению к экватору.

И если в периоды спокойного Солнца интенсивность полярных сияний мягко говоря невелика, дело усугубляется во время солнечной активности. Выбросы корональной массы (плазмы из короны Солнца) многократно увеличивают интенсивность солнечного ветра.

Подливают масла в огонь магнитосферные суббури. Во время них в геомагнитном хвосте (на ночной стороне Земли) происходит пересоединение силовых линий межпланетного магнитного поля и геомагнитного поля Земли. В результате топология линий меняется, взрывообразно высвобожденная при этом энергия преобразуется в новый ток, называемый «электроджетом». Электроджет среди прочего, разогревает и разгоняет заряженные частицы, превращая их в высокоэнергичный плазменный поток.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние

Поскольку солнечный ветер и выбросы корональной массы Солнца — это по большей части протоны и электроны, соответственно различают два типа полярных сияний.

Электронные полярные сияния,

вызываемые потоками электронов и преобладающие на Земле. Это всем привычные зеленые или фиолетово-малиновые дуги, лучистые полосы, ленты, занавесы и прочие образования, имеющие достаточно четко выраженную структуру.

Как образуются. — Электроны солнечной плазмы, прорвавшись в верхние слои атмосферы Земли, спускаются до высот 400—100 км над уровнем моря. Здесь под их действием происходит ионизация нейтральных атмосферных газов (кислорода и азота), а также возбуждение их атомов и молекул. В ответ на это молекулы, атомы и ионы кислорода и азота атмосферы излучают кванты света на строго определенной длине волны.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние

Это обуславливает цвет полярных сияний: например, за зеленый цвет отвечает кислород (его наиболее сильная линия), а за фиолетовый, синий или красный — азот. Вообще же, у каждого сияния своя неповторимая палитра цветов, зависящая от постоянно меняющегося процентного химического состава атмосферы.

Потоки электронов вызывают на Земле полярные сияния, регистрируемые не только в видимом диапазоне.

Редкие на Земле, но встречающиеся ещё только на Юпитере, — рентгеновские авроры.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Сильнейшее рентгеновское полярное сияние, зафиксированное 11 апреля 1997 года орбитальным спутником Polar. На картинке видны рентгеновские лучи (в условных цветах), порожденные в верхней атмосфере и обусловленные потоками электронов высоких энергий.

Протонные полярные сияния

Тоже достаточно редкое явление на Земле и его вклад в свечение неба Земли относительно невелик.

Протоны, попадая в атмосферу Земли, также сталкивается с молекулами и атомами атмосферных газов, возбуждая и ионизуя их. Но при этом протон может захватить свободный электрон и произойдет процесс перезарядки. В результате образуется нейтральный атом водорода, который может испускать фотоны в видимом и УФ-диапазонах.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние

Самая обычная форма протонных полярных сияний — довольно широкая дуга, вытянутая в направлении с востока на запад, шириной от 300 до 1000 км. Также встречаются арки и просто диффузные пятна.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Красная протонная арка, штат Мичиган

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Мощное протонное полярное сияние в УФ-диапазоне. Фото со спутника «IMAGE»

Теперь посмотрим, как обстоит дело с полярными сияниями на других планетах.

Меркурий

Всё плохо.

Несмотря на имеющееся магнитное поле, интенсивность которого, правда, в 100 раз меньше земного, атмосфера на планете фактически отсутствует. Она настолько разрежена, что сами частицы солнечного ветра и составляют атмосферу планеты, вкупе с атомами, выбитыми с поверхности. Атомы атмосферы чаще сталкиваются с планетой, чем друг с другом.

Венера

Не так все плохо, как могло бы показаться.

Ситуация, противоположная Меркурию — густая и плотная атмосфера и отсутствие глобального магнитного поля. Но несмотря на это, слабая магнитосфера у Венеры имеется — она индуцирована самим солнечным ветром, а не планетой.

В 2000-х аппарат Venus Express обнаружил, что за Венерой тянется магнитосферный хвост, аналогичный земному. В нем тоже происходит перезамыкание силовых линий магнитного поля. — Разнонаправленные линии движущейся солнечной плазмы оказываются слишком близко друг от друга и замыкаются.

Солнечный ветер, управляемый процессом перезамыкания, совершенно беспрепятственно взаимодействует с атмосферными газами Венеры. Поэтому полярное сияние здесь не совсем полярное, вернее, совсем не полярное, и представляет собой светлые и диффузные пятна различной формы и интенсивности. Иногда они затрагивают весь планетарный диск. Особенно хорошо видны на ночной стороне планеты.

Марс

На Марсе глобального магнитного поля тоже нет, однако наблюдается остаточная локальная намагниченность коры, особенно в горной местности южного полушария.

Атмосфера у Марса тонкая и разреженная, в основном состоящая из углекислого газа. При взаимодействии с электронами солнечного ветра, которые ускоряется вдоль линий локальных магнитных полей, можно наблюдать редкие и кратковременные ультрафиолетовые электронные полярные сияния.

14 августа 2004 года инструментом SPICAM на борту орбитальной станции Mars Express в районе Киммерийской земли было зафиксировано такое явление. Общий размер излучающей области составлял около 30 км в поперечнике, и примерно 8 км в высоту.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Локальные магнитные поля Марса

А вот протонные полярные сияния, впервые зафиксированные во время солнечной бури 12-13 сентября 2017 года орбитальным аппаратом MAVEN, не в пример более мощные и глобальные. Они могут охватывать практически всю планету.

Марс окружен обширной короной из нейтрального водорода. Протоны солнечного ветра, прошедшие процесс перезарядки в короне, уже в виде нейтральных атомов проникают сквозь головную ударную волну (она задерживает только заряженные частицы) и взаимодействуют с атомами и молекулами атмосферных газов в нижней термосфере (на высотах 110-130 км), порождая ультрафиолетовое свечение.

Уровень радиации на поверхности Марса, зафиксированный во время этой солнечной бури марсоходом Curiosity, побил все ранние рекорды, превысив их показания почти вдвое.
(У Curiosity есть такой прибор — «Детектор оценки радиации» или RAD. Он собирает данные для оценки уровня радиационного фона, который будет воздействовать на участников будущих экспедиций к Марсу. Прибор установлен практически в самом «сердце» марсохода, имитируя человека, находящегося внутри космического корабля).

Так что во время солнечных бурь колонистам на Марсе лучше куда-то прятаться.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Ультрафиолетовые данные наложены на снимок Марса на ночной стороне до (слева) и во время (справа) события. Авроральное излучение кажется наиболее ярким на краю снимка планеты вдоль линии светящегося слоя атмосферы.

Газовые гиганты

Четыре планеты-гиганта Солнечной системы имеют в наличии всё для появления полярных сияний — и мощные атмосферы, и сильные магнитные поля.

Неприятной особенностью наблюдений с Земли (и вообще из внутренних областей Солнечной системы) планет-гигантов является то, что они обращены к наблюдателю освещённой Солнцем стороной. Поэтому в видимом диапазоне их полярные сияния теряются в отражённом солнечном свете.

Однако полярные сияния в других электромагнитных диапазонах можно «засечь». — УФ-излучение от богатых водородом атмосфер гигантов фиксируется космическим телескопом «Хаббл». Рентгеновский диапазон ловит опять же космический телескоп «Чандра». А инфракрасный регистрирует даже наземный «Subaru».

Система Юпитера

Нужно ли говорить, что самая большая планета Солнечной системы имеет и самые мощные полярные сияния? К тому же, в отличие от Земли, авроры Юпитера имеют постоянный характер.
Также удивительной особенностью аврор Юпитера является то, что они возникают не только из-за солнечного ветра, но и из-за потоков частиц, выбрасываемых спутниками планеты: Ио, Ганимедом и Европой (на этих спутниках тоже наблюдаются полярные сияния).

Особенно сильно сказывается присутствие Ио, поскольку этот спутник вулканически активен и у него есть своя ионосфера.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Северное полярное сияние Юпитера. Комбинированный снимок «Хаббла», видимый диапазон и ультрафиолет.

Маленькая Ио играет важную роль в формировании магнитного поля гиганта Юпитера. — Ее вулканы выбрасывают в атмосферу массу ионизированных и нейтральных серы, кислорода, хлора, атомарного натрия и калия, молекулярного диоксида серы, а также пыли хлорида натрия. Все это вещество вытягивается магнитосферой Юпитера из тонкой атмосферы Ио со скоростью 1 тонна в секунду.

При этом в зависимости от ионизации эта материя улетучивается или в разреженное нейтральное облако вокруг спутника (желтое пятно на рисунке), или в плазменный тор, окружающий весь Юпитер (красная область там же).

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Схема магнитосферы Юпитера и воздействия Ио: плазменный тор (красное), нейтральное облако (жёлтое), потоковая трубка (зелёное) и линии магнитного поля (голубые)

А как Ио влияет на полярные сияния Юпитера? Оказывается, что часть ионизированного газа, который планета «ворует» у своего спутника, направляется вдоль силовых линий магнитного поля к ее полюсам (зеленое вертикальное кольцо на рисунке выше). Получается как бы трубка, соединяющая Ио и приполярные области Юпитера, по которой заряженные частицы туда закачиваются. В результате в атмосфере Юпитера образуется «отпечаток» Ио: авроральное пятно, которое следует за вращением спутника с некоторым отставанием.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Анимация, созданная из снимков космического телескопа Хаббл, весна 2005 года. Справа виден след Ио

Подобным же образом, но в гораздо меньшей степени, влияют на авроры Юпитера два других его спутника — Европа и Ганимед. Их горячие авроральные пятна образуются за счёт высокозаряженных ионов кислорода, серы и, возможно, углерода, которые активно обмениваются зарядами.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Авроральные или горячие пятна (в ультрафиолете) Ио, Ганимеда и Европы — следы магнитных силовых линий, соединяющих ионосферы спутников с ионосферой Юпитера.
Яркие пятна внутри основных колец, появляющиеся время от времени, как считается, связаны с взаимодействием магнитосферы и солнечного ветра.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Северное и южное полярные сияния Юпитера. Фото планеты и фото полярных сияний, сделанные разными инструментами телескопа «Хаббл» (видимый диапазон и ультрафиолет).

Крайне интересны рентгеновские полярные сияния Юпитера. — Во-первых, Юпитер — это единственный газовый гигант в Солнечной системе, у которого обнаружены рентгеновские полярные сияния. Во-вторых, в отличие от Земли, где полярные сияния на северном и южном полюсах являются почти зеркальным отражением друг друга, излучение на полюсах Юпитера «несинхронизировано» — южные и северные авроры ведут себя независимо друг от друга и изменяют свою интенсивность вразнобой.

К тому же, рентгеновское излучение Юпитера пульсирует. На южном полюсе — каждые 11 минут, а вот на северном сияние неустойчиво и меняет свою активность независимо и с другой периодичностью – в разные периоды времени – от 12 до 26 и даже до 40–45 минут.
Причины таких рассинхронизации и пульсации пока неясны.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Рентгеновские полярные сияния в северном и южном полушарии Юпитера. Данные с орбитальных спутников «XMM-Newton» и «Chandra X-ray»

И ещё вопрос, — как Юпитер наделяет частицы в своей магнитосфере огромными энергиями, необходимыми для создания постоянного потока рентгеновских лучей?

Есть предположение, что планета ускоряет ионы кислорода до невероятно высоких энергий, которые при столкновении с атмосферой на скорости в тысячу километров в секунду теряют все восемь электронов. Будущие наблюдения «Чандры», «XMM-Newton» и юпитерианской станции «Juno» должны раскрыть природу данного процесса.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Комбинированное фото телескопов «Хаббл» и «Chandra X-ray»

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Фото + реконструкция полярного сияния в видимом диапазоне над северным полюсом Юпитера с аппарата «Juno». Орбитальная юпитерианская станция позволила наблюдать темную сторону планеты. 18 декабря 2018 год.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Инфракрасное изображение полярного сияния на Южном полюсе Юпитера с телескопа «Subaru».

Взаимодействующие с солнечным ветром газы в верхних слоях атмосферы нагреваются, как и на Земле. Однако нагрев юпитерианской атмосферы происходит в два или три раза глубже, чем на Земле, достигая нижнего уровня стратосферы.

Ну и нельзя не отметить Ганимед — крупнейший спутник в Солнечной системе и единственный, имеющий собственную магнитосферу. Она очень мала и погружена в магнитосферу Юпитера. Однако наличие у Ганимеда ещё и слабой кислородной атмосферы обуславливают и наличие ультрафиолетовых полярных сияний.

Наблюдая за аврорами Ганимеда (а они зависят от изменения магнитного поля Юпитера — при этом полярные сияния на Ганимеде как бы «покачиваются»), ученые пришли к удивительному выводу: под корой Ганимеда содержится большое количество солёной воды, и она влияет на его магнитное поле.

Присутствие солёного океана создаёт вторичное магнитное поле, которое позволяет противостоять влиянию Юпитера. Это «магнитное трение» некоторым образом подавляет раскачивание сияний. На практике качание сияний уменьшено до 2 градусов (вместо 6 градусов, которые бы наблюдались, если бы океана не существовало).

По расчётам учёных, глубина океана – 100 километров, то есть он примерно в 10 раз глубже, чем океаны Земли. Правда, океан Ганимеда похоронен под 150-170-километровым панцирем льда.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Комбинированное фото «Хаббла» в видимом и УФ-диапазонах + визуализация Ганимеда.

Система Сатурна

На Сатурне тоже имеются полярные сияния, куда ж они денутся.

Здесь «вулканически» активен Энцелад, южная полярная область которого активно извергает фонтаны водяного пара с частицами льда в окружающую спутник атмосферу. Эти выбросы достигают нескольких сотен километров и даже становятся частью кольца E, в котором вращается Энцелад.

Часть этого водяной пара ионизируется и в объеме 100 кг в секунду пополняет магнитосферу Сатурна различными гидро-, водородными, кислородными и пр. ионами и радикалами.

Однако их не хватает, чтобы раздуть магнитосферу гиганта до размеров юпитерианской. Поэтому полярные сияния на Сатурне зависят гораздо сильнее, чем на Юпитере, от интенсивности солнечного ветра. В этом они схожи с земными.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Северное полярное сияние Сатурна, снятое аппаратом «Кассини» в инфракрасном диапазоне (4 мкм, синим цветом). Лежащие внизу облака — окрашены в условный красный (5 мкм). Прямо под сияниями видно обнаруженное ранее шестиугольное облако.

Полярные сияния на Сатурне, как и на Земле, образуют замкнутые или неполные кольца вокруг магнитных полюсов.

«Полярные сияния на Сатурне могут быть чрезвычайно изменчивыми. — Сейчас вы видите фейерверк вихрей, а через некоторое время не видите ничего. В 2013 г., например, мы видели невообразимое множество сияний на обоих полюсах планеты — от устойчивых ярких колец до сверхбыстрых вспышек света, проносящихся через полюс», — обращает внимание Джонатан Николс (Jonathan D. Nichols) из Лестерского университета в Англии.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Южный полюс Сатурна и совместная работа телескопа «Хаббл» в УФ-диапазоне и аппарата «Кассини» в видимом, ИК- и радиодиапазонах.
Три изображения Сатурна, полученные с промежутками в два дня.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
И Сатурн в чистом ультрафиолете от «Хаббла».

Благодаря возможности «Кассини» наблюдать объекты в видимом свете, ученые смогли выяснить цвета полярных сияний на Сатурне. В то время как, авроры на Земле имеют зеленые цвета ближе к поверхности и красные наверху, камеры зонда показали, что полярные сияния на Сатурне имеют красные цвета ближе к центру планеты и фиолетовые — в верхних слоях атмосферы.

Особенно яркое полярное сияние на Сатурне, снятое с близкого расстояния миссией «Кассини» 29 ноября 2010 года. Сияние уходит вниз от поверхности планеты (занимающей верхнюю часть изображения) на 1400 км. Штриховыми линиями обозначены параллели и меридианы, черточки в нижней части фотографии — звёзды.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние

Уран и Нептун

С Ураном у нас тут всё не слава богу — и лежит на боку, и ось магнитного поля не проходит через геометрический центр планеты. Она «промахивается» на треть радиуса и наклонена на целых 59° от оси вращения.

БОльшая «промашистость» — только у Нептуна. Ось его диполя сдвинута на 14 тыс. км в сторону от центра планеты (это 0,57 ее радиусов), а центр диполя смещен на 6 тыс. км в южное полушарие. Поэтому напряженность магнитного поля у южного магнитного полюса в 10 раз выше, чем у северного. Но наклон поменьше — 47°.

Несмотря на такую «кривость и промашистость» осей, магнитные поля у ледяных гигантов не такие и слабые, — у Урана почти как у Земли, у Нептуна всего раза в 2-3 поменьше. Соответственно, имеются и магнитосферы, и головные ударные волны, а вкупе с мощными атмосферами должны быть и полярные сияния.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние

Трудности охоты за полярными сияниями на Уране и Нептуне заключаются в том, что рассчитать «подлетное время» коронального выброса с Солнца непросто. Даже до Земли высокоэнергетические частицы летят сутки-двое-трое, и точно предсказать время не получается. Скорость выброса, конечно, известна — она обычно составляет сотые доли скорости света, то есть тысячи километров в секунду, — но на результат влияет еще и взаимодействие частиц с гравитационным и магнитным полем Солнца.

Легко подсчитать, что при скорости выброса в 3000 км/с и расстоянии до Урана почти 3 млрд. км, полярное сияние на планете произойдет приблизительно через 11 дней. Однако погрешность этих вычислений велика, а время работы на телескопе «Хаббл» расписано, так что невозможно смотреть несколько суток подряд только на Уран или Нептун.

И поскольку орбитальных миссий у ледяных гигантов не было, то в случае с Ураном первую аврору удалось зафиксировать только в 2011 году.

Авроры на Нептуне пока не удалось изловить телескопами. «Вояджер-2» наблюдал полярные сияния, в атмосфере Нептуна, — они были разбросаны по всему пространству (а не только в овальных областях вокруг полюсов). Авроры наблюдались также и на Тритоне.

Слой атмосферы в котором происходит северное сияние
Полярные сияния Урана, пойманные УФ-спектрографом «Хаббла» в 2011, 2012 и 2014 годах.

Источник: habr.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.