Что вызывает разные цвета полярного сияния? Эксперт объясняет электрическую радугу

Электрическая радуга полярного сияния возникает, когда возбужденные атомы расслабляются посредством «запрещенных переходов».

На прошлой неделе огромная солнечная вспышка послала волну энергетических частиц с Солнца в космос. В выходные волна достигла Земли, и люди по всему миру наслаждались видом необычайно яркого сияния в обоих полушариях.

Хотя обычно полярное сияние видно только вблизи полюсов, в эти выходные оно было замечено на юге, вплоть до Гавайев в северном полушарии, и на севере, вплоть до Маккея на юге.

Этот впечатляющий всплеск полярной активности, похоже, закончился, но не волнуйтесь, если вы пропустили его. Солнце приближается к пику своего 11-летнего цикла солнечных пятен , и периоды интенсивных полярных сияний, вероятно, вернутся в течение следующего года или около того.

Если вы видели полярное сияние или любую из фотографий, вам может быть интересно, что именно происходит. Что делает свечение и разные цвета? Ответ кроется в атомах, в том, как они возбуждаются и как расслабляются.

Когда электроны встречаются с атмосферой

Полярные сияния вызваны заряженными субатомными частицами (в основном электронами), врезающимися в атмосферу Земли. Они излучаются Солнцем постоянно, но во время большей солнечной активности их становится больше.

Большая часть нашей атмосферы защищена от притока заряженных частиц магнитным полем Земли. Но вблизи полюсов они могут проникнуть внутрь и посеять хаос.

Атмосфера Земли состоит примерно на 20% из кислорода и на 80% из азота, а также в следовых количествах других веществ, таких как вода, углекислый газ (0,04%) и аргон.

Когда высокоскоростные электроны сталкиваются с молекулами кислорода в верхних слоях атмосферы, они расщепляют молекулы кислорода (O₂) на отдельные атомы. Ультрафиолетовый свет Солнца тоже делает то же самое, и образующиеся атомы кислорода могут вступать в реакцию с молекулами O₂ с образованием озона (O₃), молекулы, которая защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения.

Но в случае полярного сияния образующиеся атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии. Это означает, что электроны атомов расположены нестабильно и могут «расслабляться», выделяя энергию в виде света.

Что дает зеленый свет?

Как вы видите в фейерверках, атомы разных элементов излучают свет разного цвета, когда на них находится напряжение.

Атомы меди дают синий свет, барий — зеленый, а атомы натрия — желто-оранжевый цвет, который вы также могли видеть в старых уличных фонарях. Эти выбросы «разрешены» правилами квантовой механики, а это значит, что они происходят очень быстро.

Когда атом натрия находится в возбужденном состоянии, он остается там всего около 17 миллиардных долей секунды, прежде чем испустить желто-оранжевый фотон.

Но в полярном сиянии многие атомы кислорода создаются в возбужденном состоянии без «разрешенных» способов расслабиться путем излучения света. Тем не менее, природа находит выход.

Зеленый свет, который доминирует в полярном сиянии, излучается атомами кислорода, переходящим из состояния под названием «¹S» в состояние под названием «¹D». Это относительно медленный процесс, который в среднем занимает почти целую секунду.

На самом деле, этот переход настолько медленный, что обычно не происходит при таком давлении воздуха, которое мы видим на уровне земли, потому что возбужденный атом потеряет энергию, столкнувшись с другим атомом, прежде чем у него появится шанс испустить красивый зеленый цвет. фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха ниже и, следовательно, меньше молекул кислорода, у них есть больше времени, прежде чем столкнуться друг с другом и, следовательно, есть шанс выпустить фотон.

По этой причине ученым потребовалось много времени, чтобы понять, что зеленый свет полярного сияния исходит от атомов кислорода. Желто-оранжевое свечение натрия было известно в 1860-х годах, но только в 1920-х годах канадские ученые выяснили, что полярное сияние связано с кислородом.

Что делает красный свет?

Зеленый свет исходит от так называемого «запрещенного» перехода, который происходит, когда электрон в атоме кислорода совершает маловероятный прыжок с одной орбитальной схемы на другую. (Запрещенные переходы гораздо менее вероятны, чем разрешенные, а это означает, что их выполнение занимает больше времени.)

Однако даже после испускания зеленого фотона атом кислорода оказывается в еще одном возбужденном состоянии без возможности релаксации. Единственный выход — через другой запрещенный переход из состояния ¹D в состояние 3P, который излучает красный свет.

Этот переход, так сказать, еще более запрещен, и состояние ¹D должно просуществовать около двух минут, прежде чем оно наконец сможет нарушить правила и дать 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, поскольку там так мало кислорода, красный свет имеет тенденцию появляться только в интенсивных полярных сияниях – подобных тем, которые мы только что видели.

Вот почему красный свет появляется над зеленым. Хотя оба они возникают в результате запрещенной релаксации атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет больше шансов погаснуть в результате столкновений с другими атомами на более низких высотах.

Другие цвета и почему камеры видят их лучше

Хотя зеленый цвет является наиболее распространенным цветом полярного сияния, а красный – вторым по распространенности, существуют и другие цвета. В частности, ионизированные молекулы азота (N₂⁺, которым не хватает одного электрона и имеют положительный электрический заряд), могут излучать синий и красный свет. Это может привести к пурпурному оттенку на малых высотах.

Все эти цвета видны невооруженным глазом, если полярное сияние достаточно яркое. Однако в объективе камеры они проявляются с большей интенсивностью.

Для этого есть две причины. Во-первых, у камер есть преимущество длинной выдержки, а это означает, что они могут тратить больше времени на сбор света для создания изображения, чем наши глаза. В результате они могут сделать снимок в более темных условиях.

Во-вторых, сенсоры цвета в наших глазах не очень хорошо работают в темноте, поэтому в условиях низкой освещенности мы склонны видеть черно-белое изображение. Камеры не имеют этого ограничения.

Но не волнуйтесь. Когда полярное сияние достаточно яркое, цвета отчетливо видны невооруженным глазом.

Источник https://www.unsw.edu.au/