Оптические явления в природе. 1. Полярное сияние

Полярное сияние или аврора (Aurora Borealis)- это естественное свечение (люминесценция) неба, которое хорошо видно, особенно, в высоких широтах - у полюсов, оно вызвано столкновением заряженных частиц с атомами в верхних слоях атмосферы (термосферы).

  Как образуется полярное сияние? Заряженные частицы магнитосферы, которые она захватывает из солнечного ветра, направляются магнитным полем Земли в атмосферу. Большинство сияний происходят в регионах, известных как зоны полярных сияний, которые, как правило, располагаются на удалении 10-20 градусов от магнитного полюса, определяемого осью магнитного диполя Земли. Во время геомагнитной бури, эти зоны расширяются до более низких широт, так что появляется возможность увидеть полярное сияние в Москве.

Классификация
Полярное сияние как природное явление бывает: диффузное и точечное (дискретное). Диффузное выглядит как безликое свечение в небе, которое может быть не видно невооруженным глазом, даже в темную ночь. Точечные — различаются по яркости, от едва видимых невооруженным глазом, до достаточно ярких, настолько, чтобы читать газету в ночное время. Точечное северное сияние можно увидеть только на ночном небе, потому что оно не настолько яркое, чтобы стать заметным и днем.

Северное сияние причины возникновения
Северное сияние возникает в стратосфере вблизи магнитного полюса, оно видно в виде зеленоватого свечения, иногда с примесями красного. Точечные полярные сияния часто демонстрируют линии магнитного поля, и могут изменять свою форму от нескольких секунд до нескольких часов. Северное сияние чаще всего происходит вблизи равноденствия.
Магнитное поле Земли и сияния тесно связаны. Магнитное поле Земли захватывает частицы солнечного ветра, многие из которых затем перемещаются по направлению к полюсам, где и сталкиваются с атмосферой Земли. Столкновения между этими ионами, атмосферными атомами и молекулами и приводит к выбросам энергии в виде свечения атмосферы, появляющихся в виде больших кругов вокруг полюсов. Аврора более яркая во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда выбросы короны солнца многократно увеличивают интенсивность солнечного ветра.

Южный полюс
Полярное сияние есть и на южном полюсе и имеет те же особенности, которые почти идентичны северному. Есть ли северное сияние в Антарктиде, спросите вы? Да, их видно из высоких южных широт Антарктики, Южной Америки, Новой Зеландии и Австралии.

Как образуется северное сияние
Оно является результатом высвобождения фотонов (световых частиц) в верхней части земной атмосферы, на высоте примерно 80 км. Молекулы азота и кислорода под действием заряженных солнечных частиц, разогнавшихся магнитным полем Земли, после столкновения с ними, переходят в возбужденное состояние, а при переходе в основное состояние восстанавливается электрон и излучается квант света. (Атом не может долго быть в возбуждённом состоянии, он всегда стремится избавиться от лишней энергии, что и делает, излучая при этом порцию световой энергии - квант, сам же оказывается в основном состоянии). Различные молекулы и атомы дают разный цвет свечения, например: кислород — зеленый или коричневато-красный, в зависимости от количества поглощенной энергии, азот синий или красный. Синий цвет азота возникает, если атом восстанавливает электрон ионизации, красный — при переходе в основное состояние из возбужденного.

Роль кислорода
Кислород является необычным элементом с точки зрения его возвращения в основное состояние: этот переход может занимать 3/4 секунды, а излучать зеленый свет до двух минут, после чего он становится красным. Столкновения с другими атомами или молекулами поглощают энергию возбуждения и предотвращают излучение света. В верхних слоях атмосферы процент кислорода низкий и такие столкновения достаточно редки, что дает время кислороду излучать красный квант света. Столкновения становятся более частыми по мере продвижения вглубь атмосферы, так что ближе к поверхности Земли красное излучение не успевает образоваться, а у поверхности даже зеленое свечение прекращается.