|
Что вызывает различные цвета полярного сияния
|
|
|
|
На прошлой неделе огромная солнечная вспышка вызвала волну энергетических частиц, исходящих от Солнца и распространяющихся в космосе. В минувшие выходные волна достигла Земли, и люди по всему миру наслаждались зрелищем необычайно яркого полярного сияния в обоих полушариях. В то время как полярное сияние обычно видно только вблизи полюсов, в эти выходные оно было замечено далеко на юге, на Гавайях в северном полушарии, и так же далеко на севере, как в Маккее на юге. Этот впечатляющий всплеск полярных сияний, похоже, закончился, но не волнуйтесь, если вы что-то пропустили. Солнце приближается к пику своего 11-летнего цикла появления солнечных пятен, и периоды интенсивного полярного сияния, вероятно, повторятся в течение следующего года или около того. Если вы видели полярное сияние или какие-либо фотографии, вам, возможно, интересно, что именно происходило. Что вызывает это свечение и какие у него разные цвета? Все дело в атомах, в том, как они возбуждаются и как расслабляются.
|
|
|
|
Полярные сияния возникают из-за того, что заряженные субатомные частицы (в основном электроны) сталкиваются с атмосферой Земли. Они постоянно испускаются Солнцем, но в периоды повышенной солнечной активности их становится больше. Большая часть нашей атмосферы защищена от притока заряженных частиц магнитным полем Земли. Но вблизи полюсов они могут проникать внутрь и сеять хаос. Атмосфера Земли состоит примерно на 20% из кислорода и на 80% из азота, а также содержит небольшое количество других веществ, таких как вода, углекислый газ (0,04%) и аргон. Когда высокоскоростные электроны врезаются в молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы, они расщепляют молекулы кислорода (О2) на отдельные атомы. Ультрафиолетовый свет солнца тоже делает это, и образующиеся атомы кислорода могут вступать в реакцию с молекулами кислорода, образуя озон (O3), молекулу, которая защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения. Но в случае полярного сияния образующиеся атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии. Это означает, что электроны в атомах расположены нестабильным образом и могут "расслабляться", выделяя энергию в виде света.
|
|
|
Как вы можете видеть в фейерверках, атомы различных элементов при включении излучают разные цвета света. Атомы меди излучают синий свет, барий – зеленый, а атомы натрия - желто-оранжевый, который вы, возможно, также видели в старых уличных фонарях. Эти выбросы "разрешены" правилами квантовой механики, что означает, что они происходят очень быстро. Когда атом натрия находится в возбужденном состоянии, он остается в нем всего около 17 миллиардных долей секунды, прежде чем испустить желто–оранжевый фотон. Но в полярном сиянии многие атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии, и у них нет "разрешенных" способов расслабиться, испуская свет. Тем не менее природа находит выход. Зеленый свет, доминирующий в полярном сиянии, испускается атомами кислорода, которые переходят из состояния, называемого "1S", в состояние, называемое "1D". Это относительно медленный процесс, который в среднем занимает почти целую секунду. На самом деле, этот переход происходит настолько медленно, что обычно не происходит при таком давлении воздуха, которое мы наблюдаем на уровне земли, потому что возбужденный атом потеряет энергию, столкнувшись с другим атомом, прежде чем у него появится шанс испустить прекрасный зеленый фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха ниже и, следовательно, меньше молекул кислорода, у них больше времени до столкновения друг с другом и, следовательно, есть шанс испустить фотон.
|
|
|
|
По этой причине ученым потребовалось много времени, чтобы понять, что зеленый свет полярного сияния исходит от атомов кислорода. О желто–оранжевом свечении натрия было известно в 1860-х годах, но только в 1920-х канадские ученые выяснили, что зеленый цвет полярных сияний обусловлен кислородом. Зеленый свет исходит от так называемого "запрещенного" перехода, который происходит, когда электрон в атоме кислорода совершает маловероятный скачок с одной орбитальной схемы на другую. (Запрещенные переходы гораздо менее вероятны, чем разрешенные, что означает, что для их осуществления требуется больше времени.) Однако, даже испустив этот зеленый фотон, атом кислорода оказывается в еще одном возбужденном состоянии, в котором недопустимо расслабление. Единственный выход — это другой запрещенный переход из состояния 1D в состояние 3P, при котором излучается красный свет. Этот переход, так сказать, еще более запрещен, и состояние 1D должно продержаться около двух минут, прежде чем оно сможет, наконец, нарушить правила и зажечь красный свет. Поскольку это занимает так много времени, красный свет появляется только на больших высотах, где столкновения с другими атомами и молекулами редки. Кроме того, из—за того, что там очень мало кислорода, красный свет появляется только при интенсивных полярных сияниях, подобных тем, которые мы только что наблюдали.
|
|
|
|
Вот почему красный свет появляется над зеленым. Хотя оба они возникают из-за запрещенной релаксации атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет больше шансов погаснуть при столкновении с другими атомами на более низких высотах. В полярном сиянии чаще всего встречается зеленый цвет, а на втором месте - красный, но есть и другие цвета. В частности, молекулы ионизированного азота, у которых отсутствует один электрон и которые имеют положительный электрический заряд) могут излучать синий и красный свет. На малых высотах это может привести к появлению пурпурного оттенка. Все эти цвета видны невооруженным глазом, если полярное сияние достаточно яркое. Однако в объективе камеры они проявляются более интенсивно. На это есть две причины. Во-первых, камеры имеют преимущество в длительной выдержке, что означает, что они могут тратить больше времени на сбор света для получения изображения, чем наши глаза. В результате они могут снимать в более тусклых условиях. Во—вторых, цветовые сенсоры в наших глазах не очень хорошо работают в темноте, поэтому в условиях низкой освещенности мы, как правило, видим в черно-белом режиме. Камеры не имеют такого ограничения. Но не стоит беспокоиться. Когда полярное сияние достаточно яркое, цвета хорошо видны невооруженным глазом.
|
|
|
|
Источник
|
