Спектр и цвет полярных сияний

Игорь Кибальчич («Клуб Любителей Метеорологии»)
Опубликовано: 02-11-2019

Сезон наблюдения за полярными сияниями сейчас в самом разгаре, но мало кто задумывается над тем, почему они имеют разные оттенки и с чем это связано. Давайте разберёмся.

Цвет сияния возникает из-за того, что частицы солнечного ветра, попадая в земную атмосферу, ударяют по молекулам и атомам нашего воздуха. Как известно, воздух состоит из азота и кислорода (примесями других газов, таких как аргон, водород и гелий можно пренебречь, поскольку их содержание суммарно составляет менее 1%). Эти молекулы возбуждаются и потом довольно быстро (секунды) отдают энергию возбуждения в виде излучения строго определенной длины волны (полоски в спектре, строго определенного цвета), см. рис 1. Из этой схемы видно, что большая часть свечения приходится на красный, зелёный и фиолетовый. Это зависит от того, на какой высоте происходит взаимодействие солнечного ветра с частицами воздуха, а также от химического состава (молекула или атом). Поэтому можно все цветовые структуры классифицировать в следующем порядке:

• Зелёный – свечение атомарного кислорода на высотах 80 -150 км (на длине волны 557,7 нм) и в меньшей степени - молекулярного азота (на длине волны 522,8 нм);

• Красный – свечение молекулярного азота, а также атомарного кислорода на высотах 150 – 400 км на длинах волн 630 и 636,4 нм) и даже небольшая доля атомарного водорода;

• Жёлтый – комбинация зелёного и красного излучений кислорода и (или) ионизация кислорода;

• Синий – излучение атомарного азота на высотах 140 - 160 км (встречается редко)

• Фиолетовый – излучение молекулярного азота (на длине волны 427,8 нм) на высотах обычно ниже 120 км

• Розовый / бледно-малиновый – результат смешивания красного и зеленого цветов.

Поскольку красное свечение формируется на значительной высоте, то это объясняет то, что в случае появления сияний на низких широтах (при сильных геомагнитных бурях), наблюдатель видит только красноватое свечение (к примеру это наиболее распространённый цвет при наблюдениях в Австралии и Новой Зеландии). И наоборот – в приполярных регионах и в зоне аврорального круга чаще всего заметны именно зелёные и фиолетовые оттенки, поскольку они сияют практически над головой наблюдателя.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 2: Схематичное объяснение природы разных цветов сияний в зависимости от высоты сияния.

Рисунок 3

Рисунок 4

Фото 1. Автор: Александр Меркушев. Мурманская область

Фото 1: На данном снимке отлично видно распределение цветов северного сияния: красный сверху, а зеленый снизу.

Фото 2

Фото 2: Полярное сияние из космоса (с борта МКС). Также видно распределение цветов по высотам.