Полярне сяйво, яке нещодавно спостерігали в Україні, — явище досить незвичне в наших широтах. Особливо в квітні, адже пік сяйв зазвичай спостерігається у лютому-березні. Як науковці пояснюють цю аномалію і чи аномалія це взагалі? Чи бували такі випадки на Землі раніше й чи спостерігається щось подібне на інших планетах? Про все це ми розпитували Михайла Лашка, наукового співробітника відділу астрометрії та космічної геодинаміки Головної астрономічної обсерваторії НАН України.
Як пов’язані полярне сяйво й сонячний вітер
Північне сяйво — це оптичне явище, світіння верхніх шарів атмосфери. Воно виникає в розріджених шарах атмосфери на висоті близько 100 кілометрів1.
Що його викликає? Під час коронарних спалахів на Сонці відбуваються викиди потоку сонячного вітру, який і є причиною сяйва. Сонячний вітер — це потік заряджених (іонізованих) частинок ядер гелію, які вилітають із сонячної корони з величезною швидкістю: від кількох сотень до більш ніж тисячі кілометрів на секунду. Також у складі сонячного вітру є частинки ядра інших елементів, але їх не надто багато.
Зазвичай сонячний вітер не має якогось одного напрямку, він розноситься в різні боки від Сонця. Але якщо стався сильний коронарний спалах, потужний викид заряджених частинок відбувається в одному напрямку. Тоді сонячний вітер рухається до конкретної планети. Наприклад, нещодавно доволі спільний спалах відбувся у напрямку Землі: сонячний вітер «увірвався» до нашої атмосфери й викликав світіння її верхніх шарів, тобто північне сяйво.
Потужність потоку сонячного вітру виражається у кількості заряджених частинок та їхній швидкості. Швидкість сонячного вітру біля Землі у середньому становить близько 500 кілометрів за секунду.
Коли сонячний вітер не такий потужний, то північне сяйво видно тільки на магнітних полюсах Землі, тому що саме вони притягують заряджені частинки сонячної корони. Якщо північне сяйво було видно навіть в Україні, то можна уявити, яким потужним був цей потік у північних регіонах. Є свідчення, що нещодавнє північне сяйво спостерігали навіть в Іспанії2.
Чому полярне сяйво світиться різними кольорами
Різноманіття кольорів пов’язане зі складом атмосфери. Коли заряджені частинки сонячного вітру потрапляють в неї, на висоті приблизно 60–80 кілометрів вони починають стикатися з молекулами газів, що входять до складу атмосфери. Внаслідок цих зіткнень молекули газів збуджуються, що виявляється у вигляді іонізації та світіння верхніх шарів атмосфери3.
Оскільки основні гази в нашій атмосфері — це азот і кисень, то і в полярному сяйві на нашій планеті переважають два кольори: червоний і зелений.
Лінія випромінювання кисню становить 557–630 нанометрів. Це червона ділянка: в ній полярне сяйво світиться червоним кольором. А лінія випромінювання азоту — це синьо-зелена ділянка, відповідно, з переходом на цю лінію починається світіння синьо-зеленими барвами. Отже, якщо дивитися на полярне сяйво, то можна побачити, що нижче спостерігається зелений колір, а вище — червоний. Збуджені молекули азоту можуть також давати фіолетове світіння. І якщо уважно придивитися до сяйва, ми побачимо, що воно неоднорідне, його забарвлення постійно змінюється, простежуються лінії та навіть пучки променів різного кольору. Чому так?
Саме поняття лінії випромінювання — зі сфери спектроскопії. Якщо ми візьмемо, наприклад, скляну призму і подивимося крізь неї на Сонце, ми побачимо, що сонячне світло розкладається на величезну гаму кольорів. Деякі елементи призми будуть сяяти у синьому діапазоні, деякі — в ультрафіолетовому, інші — в червоному чи зеленому. Такий самий принцип і в атмосфері: там є певні зони зі своєю оптичною товщиною і складом газів, що і дає вигравання кольорів.
Чи є полярне сяйво на інших планетах
Так, у цьому Земля не унікальна. Це явище можна спостерігати й на інших планетах, які мають атмосферу. За допомогою телескопа «Габбл» люди спостерігали сяйва на Марсі, Сатурні, Юпітері, Венері.
Оскільки на різних планетах різний склад атмосфери, північне сяйво виглядає по-різному. На Венері сяйва можна спостерігати по всій поверхні планети4. Але їх буде видно лише з космосу, адже вони виникають у верхніх шарах атмосфери, а вона у планети дуже густа. З поверхні Венери світіння не видно.
На Марсі сяйво переважно синьо-зеленого відтінку, тому що склад атмосфери Марса — це переважно вуглекислий газ5. Оскільки магнітне поле на цій планеті дуже слабке, полярні сяйва там можуть з’являтися не лише на полюсах, але і в екваторіальних регіонах.
Сяйва на Юпітері синьо-блакитного відтінку. Вони особливо цікаві, адже викликані не лише Сонцем, а й супутниками планети6. Наприклад, велику роль в формуванні сяйв відіграють вулканічні виверження на супутнику Юпітера — Іо. Вулканічні речовини іонізуються сонячним вітром і збільшують його потужність.
Сяйво на Сатурні та Урані такого ж кольору, як і на Юпітері, оскільки атмосфери цих планет мають подібний склад7. Але кожна з планет має свої особливості. Сяйво на Сатурні відбувається на найбільшій висоті, вище, ніж у інших планет — понад тисячу кілометрів від поверхні.
Полярні сяйва на Урані також мають свою специфіку. Через те, що географічні і магнітні полюси планети зовсім не збігаються, полярні сяйва виникають там фактично в екваторіальних регіонах.
Який зв’язок північного сяйва з магнітною бурею
Коли наприкінці квітня на Землі спостерігалося північне сяйво, в цей же час відбувалася потужна магнітна буря. Чому?
Річ у тім, що заряджені частинки сонячного вітру викликають збурення магнітного поля Землі. Своєю чергою, магнітне поле захоплює ці заряджені частинки. Власне, магнітна буря і є причиною сяйва. У квітні її потужність становила, за різними оцінками, 7–8 балів за 9-бальною шкалою9.
Такі сильні магнітні бурі у нас уже спостерігалися. І полярне сяйво, яке нещодавно було на території України, — це вже не вперше. Таке траплялося під час піку сонячної активності в 2003 році, слабша буря з сяйвом була й у 2010 році.
«Сезон» північних сяйв
Зазвичай північне сяйво спостерігається на Землі в лютому-березні, а цього разу воно було у квітні. Тому що багато що зав’язано на піку сонячної активності. Зоря Сонце має 11-річний цикл активності. Його виміряли ще в ХІХ столітті8. Якраз зараз Сонце доходить до кінця цього циклу своєї активності, отже — до піку, воно на порозі максимуму. Відповідно, відбувається більша кількість спалахів, які спричиняють бурі та сяйва.
Тому ці явища будуть спостерігатися частіше. Коли 11-річний цикл активності сонця завершиться, магнітних бур буде менше, а північне сяйво на наших широтах побачити буде складніше.
Цикл сонячної активності завершується через кілька років. Якщо подивитися глобально в майбутнє, то приблизно через мільярд років сонце почне розжарюватися, розігріватися, збільшуватися. І сонячні вітри та магнітні бурі стануть ще потужнішими, ще більше впливатимуть на нашу атмосферу. Але не відомо, чи буде доти існувати людська цивілізація.
