Откуда берутся цвета полярного сияния? Физика завораживающего свечения

Полярное сияние — это завораживающее зрелище, танец света на небесном полотне, который издавна вдохновлял поэтов, художников и мечтателей. Но за этой поэтичной красотой скрывается строгий язык физики, история о взаимодействии солнечного ветра, магнитного поля Земли и атмосферы нашей планеты.

Представьте себе: миллиарды заряженных частиц, выброшенных Солнцем, несутся сквозь космическую пустоту, подобно невидимой буре. Магнитное поле Земли, словно щит, защищает нас от этого потока, но у полюсов, где силовые линии сходятся, частицы проникают в атмосферу. И тут начинается волшебство.

В верхних слоях атмосферы, где царствует разреженный воздух, солнечные электроны сталкиваются с молекулами кислорода и азота. Этот «танец» высвобождает энергию, заставляя атомы светиться. Но каждый элемент, словно танцор с уникальным стилем, излучает свет определенной длины волны, создавая неповторимую палитру полярного сияния.

Зеленый, самый частый цвет этого небесного представления, возникает благодаря атомам кислорода. В возбужденном состоянии они переходят из состояния ¹S в состояние ¹D, испуская зеленый фотон. Этот процесс, подобно медленному и изящному па, длится почти целую секунду. Для сравнения, атом натрия в уличном фонаре излучает желто-оранжевый свет за 17 миллиардных долей секунды!

Красный цвет, более редкий гость на небесной сцене, также рождается благодаря кислороду, но в результате еще более медленного и «запретного» перехода из состояния ¹D в состояние ³P. Этот «танец» длится около двух минут, и чтобы его завершить, атому кислорода нужна свобода движения, которую он находит только в разреженном воздухе высоких слоев атмосферы.

Синий и пурпурный цвета вносят в палитру полярного сияния ионизированные молекулы азота (N₂⁺). Они, подобно виртуозным танцорам, могут исполнять как быстрые, так и медленные движения, излучая свет различных длин волн.

Именно разнообразие «танцев» атомов и молекул, их индивидуальные особенности и «запретные» движения, создают богатство цветовой палитры полярного сияния.

А наши глаза и камеры, словно зрители в этом космическом театре, воспринимают свет, рожденный этим завораживающим танцем электронов и атомов. И каждый раз, наблюдая за этим небесным спектаклем, мы становимся свидетелями удивительного взаимодействия микромира и макромира, где законы физики превращаются в поэзию света и цвета.

Изображение в превью:
Автор: United States Air Force photo by Senior Airman Joshua Strang. Данное изображение выпущено Air Force США под идентификатором 050118-F-3488S-003, Общественное достояние
Источник: commons.wikimedia.org