Когда полярное сияние на самом деле не является полярным

Мерцающие зеленые, красные и фиолетовые завесы северного и южного сияний — полярные сияния — возможно, самые известные явления, освещающие ночное небо, но самыми загадочными являются лиловые и белые полосы, сообщает «phys.org».

Впервые признанный в 2018 году как отличное от обычных полярных сияний, получивший название «Стив» — ироничная отсылка к доброму названию, данному страшной живой изгороди в детском фильме 2006 года — и связанный с ним забор из штакетника, тем не менее, считались вызванными теми же физическими процессами.

Но ученые продолжали ломать голову над тем, как образовались эти светящиеся выбросы.

Клэр Гаск (Claire Gasque), аспирантка с факультета физики из Калифорнийского университета в Беркли, предложила физическое объяснение этим явлениям, которое полностью отличается от процессов, ответственных за хорошо известные полярные сияния.

Она объединилась с исследователями из Лаборатории космических наук (SSL) кампуса, чтобы предложить НАСА запустить ракету в самое сердце полярного сияния, чтобы выяснить, права ли она.

Яркие полярные сияния и другие светящиеся явления, такие как «Стив», становятся все более распространенными по мере того, как Солнце вступает в активный период своего 11-летнего цикла, и ноябрь был хорошим месяцем для наблюдений светящегося явления Стива в северных широтах.

Она подсчитала, что в области верхних слоев атмосферы, расположенной южнее, чем та, в которой образуются полярные сияния, электрические поля, параллельные магнитному полю Земли, могут создавать цветовой спектр напоминающий на небе забор из штакетника. Если это так, то этот необычный процесс имеет значение для того, как физики понимают поток энергии между магнитосферой Земли, которая окружает и защищает Землю от солнечного ветра, и ионосферой на краю космоса.

«Это перевернет наше моделирование того, что создает свет и энергию в полярном сиянии в некоторых случаях», — сказала Гаск.

«Самое интересное в статье Клэр то, что мы уже несколько лет знаем, что спектр Стива говорит нам о том, что происходит очень экзотическая физика. Мы просто не знали, что это такое», — сказал Брайан Хардинг, соавтор статьи.
«Работа Клэр показала, что параллельные электрические поля способны объяснить этот экзотический спектр».

Статья была побочным проектом из докторской диссертации Гаске, которая сосредоточена на связи между такими событиями, как вулканы на поверхности Земли, и явлениями в ионосфере на высоте 100 километров или более над нашими головами.

Но после того, как она услышала о Стиве, она не смогла удержаться от того, чтобы не заглянуть в физику, стоящую за Стивом и забором.

«Это действительно круто», — сказала она. «Это одна из самых больших загадок в космической физике на данный момент».

Обычные полярные сияния возникают, когда солнечный ветер заряжает энергией частицы в магнитосфере Земли, часто на высотах более 1000 километров над поверхностью. Эти заряженные частицы закручиваются по спирали вокруг силовых линий магнитного поля Земли к полюсам, где они сталкиваются с молекулами кислорода и азота в верхних слоях атмосферы и возбуждают их. Когда эти молекулы расслабляются, кислород излучает определенные частоты зеленого и красного света, в то время как азот генерирует немного красной, но в основном синюю эмиссионную линию.

Получившиеся в результате красочные, мерцающие занавески могут простираться на тысячи километров в северных или южных широтах.
Стив, однако, отображает не отдельные линии излучения, а широкий диапазон частот, сосредоточенных вокруг фиолетового или лилового. И в отличие от полярных сияний, ни Стив, ни штакетник не излучают синий свет, который генерируется при попадании самых энергичных частиц и ионизации азота. Стив и штакетник также встречаются в более низких широтах, чем полярное сияние, потенциально даже далеко на юг до экватора.

Интерес Гаск был вызван предположениями о том, что излучение штакетника может быть вызвано низковысотными электрическими полями, параллельными магнитному полю Земли, что считалось невозможным, потому что любое электрическое поле, выровненное с магнитным полем, должно было быстро закоротиться и исчезнуть.

Используя общую физическую модель ионосферы, Гаск впоследствии показала, что умеренное параллельное электрическое поле — около 100 милливольт на метр — на высоте около 110 км может разогнать электроны до энергии, которая возбуждает кислород и азот и генерирует спектр света, наблюдаемый от забора. Необычные условия в этой области, такие как более низкая плотность заряженной плазмы и более нейтральные атомы кислорода и азота, потенциально могут действовать как изоляция, чтобы предотвратить короткое замыкание электрического поля.

«Если вы посмотрите на спектр штакетника, то увидите, что он гораздо более зеленый, чем можно было бы ожидать. И там нет синего цвета, который образуется в результате ионизации азота», — сказала Гаск. «Это говорит нам о том, что существует только определенный диапазон энергий электронов, которые могут создавать эти цвета, и они не могут приходить из космоса в атмосферу, потому что эти частицы имеют слишком много энергии».

Вместо этого, по ее словам, «свет от забора создается частицами, которые должны быть заряжены прямо в космосе параллельным электрическим полем, что является совершенно другим механизмом, чем любое из полярных сияний, которые мы изучали или знали раньше».

Несмотря на то, что расчеты Гаск напрямую не касаются свечения включения-выключения, которое делает это явление похожим на забор из штакетника, оно, вероятно, связано с волнообразными вариациями электрического поля. И хотя частицы, которые ускоряются электрическим полем, вероятно, исходят не от Солнца, взбалтывание атмосферы солнечными бурями, вероятно, вызывает Стива и штакетник, как это происходит с обычным полярным сиянием.

Следующим шагом, будет запуск ракеты с Аляски через эти явления и измерение силы и направления электрического и магнитного полей.