Почему полярные сияния разного цвета?

Обычно полярное сияние видно только вблизи полюсов, но на прошлой неделе, из-за колоссальной солнечной вспышки, оно было видно даже в Крыму. 

Солнце сейчас, похоже, приближается к пику своего 11-летнего цикла и периоды интенсивного полярного сияния, вероятно, еще вернуться в этом году.

Если вы видели полярное сияние, вам, возможно, интересно почему оно светится разными цветами. Полярные сияния вызываются заряженными субатомными частицами (в основном электронами), врезающимися в атмосферу Земли. Они излучаются Солнцем постоянно, но в периоды большей солнечной активности их становится больше.

Большая часть нашей атмосферы защищена от притока заряженных частиц магнитным полем Земли. Но вблизи полюсов они могут проникать внутрь.

Атмосфера Земли состоит примерно на 20% из кислорода и на 80% из азота, с некоторыми следовыми количествами 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 (O₂) на отдельные атомы. Ультрафиолетовый свет Солнца тоже влияет на это, и образующиеся атомы кислорода могут вступать в реакцию с молекулами O₂, образуя озон (O₃), молекулу, которая защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения.

Но, в случае с полярным сиянием, образующиеся атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии. Это означает, что электроны атомов расположены нестабильным образом, который может “расслабляться”, выделяя энергию в форме света.

Из-за чего возникает зеленый свет?

Атомы разных элементов излучают свет разных цветов, когда они заряжены энергией.

Атомы меди дают синий свет, барий зеленый, а атомы натрия дают желто–оранжевый цвет. Эти излучения “разрешены” правилами квантовой механики, что означает, 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 при полярном сиянии многие атомы кислорода создаются в возбужденных состояниях без “разрешенных” способов расслабления за счет излучения света.

Тем не менее, природа находит способ.

Зеленый свет, который доминирует 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 настолько медленный, что обычно не происходит при обычном давлении воздуха, так как возбужденный атом потеряет энергию, столкнувшись с другим атомом, прежде чем у него появится шанс послать красивый зеленый фотон. Но в верхних слоях атмосферы, где давление воздуха ниже и, следовательно, меньше молекул кислорода, у них больше времени перед столкновением друг с другом и, следовательно, есть шанс выпустить фотон.

Что создает красный свет?

После излучения зеленого фотона атом кислорода оказывается в еще одном возбужденном состоянии без допустимого расслабления. Единственный выход — через другой запрещенный переход, из состояния 1D в состояние 3P, которое излучает красный свет.

Этот переход, так сказать, еще более запрещен, и 1D-состояние должно просуществовать около двух минут, прежде чем оно сможет, наконец, нарушить правила и зажечь красный свет. Поскольку это происходит так долго, красный свет появляется только на больших высотах, где столкновения с другими атомами и молекулами редки. Поэтому красный свет, как правило, появляется только при интенсивных полярных сияниях.

Вот почему красный свет появляется над зеленым. Хотя оба они возникают в результате запрещенного расслабления атомов кислорода, красный свет излучается гораздо медленнее и имеет более высокую вероятность погаснуть при столкновении с другими атомами на меньших высотах.

Другие цвета

Хотя зеленый - самый распространенный цвет, который можно увидеть в полярных сияниях, а красный - второй по распространенности, существуют и другие цвета. В частности, молекулы ионизированного азота (N₂⁺, в которых отсутствует один электрон и которые имеют положительный электрический заряд) могут излучать синий и красный свет. Это может создавать пурпурный оттенок на малых высотах.