Как возникает полярное сияние?

Раз уж начали отвлекаться на природные явления, можно и немного продолжить. Пусть ядерная физика еще немного подождет, а мы насладимся прекрасным. На этот раз полярным сиянием.

Причина возникновения

У нас на Земле есть уникальный и замечательный барьер, защищающий от всего, летящего из космоса - атмосфера. Но есть еще один дополнительный барьер, который дополнительно защищает от заряженных частиц, прилетающих из космоса. Этим барьером является магнитное поле Земли, силовые линии которого выходят из северного магнитного полюса и приходят в южный, образуя поверхность тора (бублика). Кстати, северный географически полюс на самом деле южный магнитный, и наоборот. Ближайшим источником заряженных частиц является Солнце. Вообще Солнце – это огромный и постоянно взрывающийся термоядерный реактор, который выбрасывает в результате своей деятельности большое количество самых разных частиц в космос.

А из школьной физики мы знаем, что на заряженную частицу, попавшую в магнитное поле, действует сила Лоренца, заставляя ее двигаться по окружности. Таким образом, попав в магнитное поле земли, частицы двигаются по спирали вдоль его линий. А т.к. магнитные линии в районе полюсов перпендикулярны поверхности земли и пронизывают ее, все заряженные частицы сосредотачиваются в областях вокруг этих полюсов, и попадают в верхние слои атмосферы.

Как появляется свечение?

Попадая в верхние слои атмосферы, частицы сталкиваются с её атомами и переводят их в возбужденное состояние, когда электрон переходит на уровень с большей энергией. Квантовую физику по этой теме, все-таки, придется вспомнить. Чтобы снять возбуждение электрон прыгает обратно на свой уровень с минимальной энергией и испускает фотон в диапазоне длин волн видимого света. Это явление называется люминесценцией.

Отчего зависит цвет сияния?

Здесь три зависящих друг от друга фактора:

1️⃣ Спектр видимого света, как мы знаем, содержит в себе цвета разных длин волн. Самая низкая длина волны (и самая большая энергия) у фиолетового, а самая длинная волна (и самая низкоэнергетическая) – у красного.

2️⃣ Чем медленнее двигается частица, тем больше вероятность того, что она переведет атом в возбужденное состояние, т.к. она взаимодействует с ним дольше, в отличие от быстрых частиц, пролетающих мимо атома, который их даже не замечает.

3️⃣ Плотность атмосферы снижается с увеличением высоты.

Таким образом, на больших высотах меньше вероятность возбудить атомы кислорода и азота, а если и есть, то возбудятся они слабенько, т.е. испустят низкоэнергетическую волну красного цвета. И по интенсивности свечение будет слабенькое, из-за маленького количества возбужденных атомов.

На более низких высотах частица уже снижает свою скорость, благодаря торможению в верхних слоях атмосферы и охотнее возбуждает атомы передавая им больше энергии, а те, в свою очередь испускают более высокоэнергетический зеленый свет. И на низких высотах свечение более интенсивное, поскольку плотность атмосферы достаточно высока, и большое число атомов участвуют в этом процессе.

В редких случаях, если частица была изначально очень быстрая, и после возбуждения зеленого света у нее еще остается кинетическая энергия, она может попасть в еще более низкие слои и вызвать высокоэнергетическое и интенсивное свечение синего и фиолетового цветов.

Вот такую красоту подкидывает нам природа. Поделитесь с тем, кто не знает, почему появляется полярное сияние.