Північне сяйво (полярне сяйво): Що це таке і як його побачити

Північне сяйво – це атмосферне явище, яке вважається Святим Граалем спостереження за небом.

Північне сяйво, або полярне сяйво, – це красиві танцюючі стрічки світла, які зачаровують людей протягом тисячоліть. Але попри всю свою красу, це видовищне світлове шоу є досить бурхливою подією.

Північне сяйво виникає, коли енергійні частинки Сонця врізаються у верхні шари атмосфери Землі зі швидкістю до 45 мільйонів миль на годину (72 мільйони кілометрів на годину), але магнітне поле нашої планети захищає нас від їхнього натиску.

Коли магнітне поле Землі перенаправляє частинки до полюсів – так виникає південне сяйво, про яке ви можете прочитати нижче – драматичний процес перетворюється на кінематографічне атмосферне явище, яке засліплює і зачаровує як науковців, так і спостерігачів за небесними світилами.

Кожної миті Сонце викидає заряджені частинки зі своєї корони, або верхніх шарів атмосфери, створюючи сонячний вітер. Коли цей вітер вдаряється об іоносферу Землі, або верхні шари атмосфери, народжується полярне сяйво. У Північній півкулі це явище називається північним сяйвом (aurora borealis), а в Південній півкулі – південним сяйвом (aurora australis).

“Ці частинки відхиляються до полюсів Землі магнітним полем нашої планети і взаємодіють з атмосферою, накопичуючи енергію і змушуючи атмосферу флуоресціювати”, – розповів Space.com Біллі Тітс, директор обсерваторії Дайера в Університеті Вандербільта в Нешвіллі, штат Теннессі.

Яскраві кольори північного сяйва продиктовані хімічним складом атмосфери Землі.

“Кожен тип атома або молекули, чи то атомарний водень, чи молекула вуглекислого газу, поглинає і випромінює свій власний унікальний набір кольорів, що аналогічно тому, як кожна людина має унікальний набір відбитків пальців”, – розповів Тітс в інтерв’ю Space.com.

“Деякі з домінуючих кольорів полярного сяйва – червоний, відтінок, який створюється молекулами азоту, і зелений, який створюється молекулами кисню”. продовжив Тітс.

FAQ ПРО ПІВНІЧНЕ СЯЙВО

Що спричиняє рух і форму полярних сяйв?

Постійні зміни сонячного випромінювання, різні реакції верхніх шарів атмосфери Землі, рух планети і частинок у навколоземному просторі – все це призводить до різних рухів і форм полярних сяйв. З цих рухів і форм ми можемо дізнатися про фізику, що відбувається далі в космосі вздовж ліній магнітного поля Землі.

Що полярні сяйва розповідають нам про атмосферу Землі?

Полярні сяйва розповідають нам багато цікавого про верхні шари атмосфери Землі, зокрема про її щільність, склад, швидкість потоків і силу електричних струмів, що протікають у верхніх шарах атмосфери. Це, в свою чергу, розповідає нам про магнітне поле Землі, про те, як воно поширюється в космос і як динамічно змінюється. Все це важливо для захисту Землі та космічних технологій від небезпек “космічної погоди”, частиною якої є полярне сяйво.

Чи є полярні сяйва на інших планетах?

Так! Полярне сяйво вказує на планети з магнітними полями і атмосферами, які сильно відрізняються від земних.

ПІВНІЧНЕ СЯЙВО ТА СОНЯЧНИЙ МАКСИМУМ

Хоча сонячний вітер постійний, сонячне випромінювання проходить приблизно 11-річний цикл активності. Іноді настає затишшя, а іноді – величезні бурі, які бомбардують Землю величезною кількістю енергії. Саме тоді північне сяйво є найяскравішим і найчастішим.

На щастя для мисливців за полярними сяйвами, зараз ми наближаємося до сонячного максимуму, пік якого, за прогнозами, припаде на період з початку 2024 до кінця 2025 року. Вчені не можуть точно визначити, коли відбудеться сонячний максимум, але ми знаємо, що він вже близько.

“В даний час для 25-го сонячного циклу, синтезуючи всі опубліковані прогнози, часовий інтервал для максимуму циклу коливається від кінця 2023 до початку 2025 року”, – повідомив в електронному листі Space.com Фредерік Клетт, фізик Сонця зі Світового центру даних Індексу сонячних плям і довгострокових сонячних спостережень (SILSO) і Центру аналізу даних про сонячний вплив (SIDC).

Центр прогнозування космічної погоди NOAA (SWPC) нещодавно опублікував переглянутий прогноз, згідно з яким сонячний максимум може відбутися між січнем і жовтнем 2024 року.

Якщо ви плануєте полювання на полярне сяйво, зараз саме час, оскільки “наступні 4-5 років будуть найсприятливішими для спостереження полярних сяйв”, – продовжує Клетт.

ДЕ І КОЛИ МОЖНА ПОБАЧИТИ ПІВНІЧНЕ СЯЙВО

Побачити північне сяйво на власні очі – це пункт у списку бажань любителів астрономії та мандрівників. На щастя, вони трапляються часто.

“Північне сяйво відбувається 24 години на добу, сім днів на тиждень, 365 днів на рік”, – каже фотограф Чед Блейклі, власник туристичної компанії Lights Over Lapland, що займається північним сяйвом. Але це не означає, що його легко помітити; потрібно бути в потрібному місці в потрібний час.

За даними Геофізичної обсерваторії Тромсе в Норвегії, найкращим місцем для спостереження північного сяйва є будь-яке місце в “полярній зоні” – території в радіусі приблизно 1 550 миль (2 500 кілометрів) від Північного полюса. Саме там полярне сяйво трапляється найчастіше, хоча під час особливо сильних сонячних штормів явище може поширюватися далі на південь.

Якщо ви плануєте подорож, щоб побачити північне сяйво, ми рекомендуємо астрономічну подорож Хуртігрутена, яка поєднує в собі спостереження за північним сяйвом, лекції з астрономії та прекрасне норвезьке узбережжя. Ви можете прочитати все про те, як це відбувається на борту в нашій статті “Як це – гнатися за північним сяйвом уздовж мальовничого узбережжя Норвегії”.

У зоні полярного сяйва найкраще триматися якомога далі від міських вогнів, щоб максимізувати видимість. Але потрапити посеред арктичної дикої природи досить складно, навіть з гідом, тому краще зупинитися в місці з розвиненою інфраструктурою, наприклад, у Фербенксі (Аляска), Йеллоунайфі (Канада), Тромсе (Норвегія), Національному парку Абіско (Швеція), Рованіємі (Фінляндія) або в будь-якій іншій точці Ісландії.

Найкраща пора року для спостереження північного сяйва – з вересня по квітень, коли небо стає достатньо темним, щоб побачити полярне сяйво. (На крайній півночі сонце сяє опівночі, а влітку воно світить 24 години на добу). За даними Геофізичного інституту Університету Аляски в Фербенксі, полярне сяйво зазвичай відбувається між 21:00 і 3:00 годинами ночі.

Також перевіряйте місцеві прогнози погоди, тому що ви не зможете побачити полярне сяйво крізь хмари.

Ви також можете стежити за прогнозами полярних сяйв від Геофізичного інституту Університету Аляски в Фербенксі та NOAA, який пропонує як триденні, так і 30-хвилинні прогнози.

ПІВНІЧНЕ СЯЙВО ПРОТИ ПІВДЕННОГО СЯЙВА (І СТІВ)

На Землі аналогом північного сяйва в Південній півкулі є південне сяйво – вони фізично однакові і відрізняються лише місцем розташування. Вчені очікують, що вони відбуватимуться одночасно під час сонячної бурі, але іноді початок одного з них відстає від іншого.

“Один з найскладніших аспектів нічних полярних сяйв полягає в порівнянні полярного сяйва з полярним сяйвом”, – сказав Стівен Петринець, фізик аерокосмічної компанії Lockheed Martin, який спеціалізується на фізиці магнітосфери і геліосфери, в інтерв’ю Space.com.

“Хоча деякі авроральні викиди відбуваються в обох півкулях в один і той же магнітний місцевий час, інші викиди з’являються в протилежних секторах двох півкуль в різний час – наприклад, до півночі в Північній півкулі і після півночі в Південній півкулі”, – сказав Петринець в інтерв’ю Space.com.

Півкульна асиметрія полярного сяйва частково пов’язана з тим, що магнітне поле Сонця втручається в магнітне поле Землі, але дослідження цього явища тривають.

Іншим подібним до полярного сяйва явищем на Землі є STEVE (“Сильне посилення швидкості теплового випромінювання”). Як і північне та південне сяйво, STEVE – це атмосферне явище, що світиться, але виглядає воно дещо інакше, ніж хвилеподібні полярні сяйва. “Ці викиди виглядають як вузька і чітка дуга, зазвичай фіолетового кольору і часто включають в себе зелену структуру, яка повільно рухається на захід”, – сказав Петринець.

STEVE також видно з нижчих широт, ближче до екватора, ніж полярні сяйва.

Дослідження 2019 року, опубліковане в журналі Geophysical Research Letters, виявило, що STEVE є результатом дії двох механізмів: Лілові смуги спричинені нагріванням заряджених частинок у верхніх шарах атмосфери, тоді як парканна структура виникає внаслідок падіння електронів в атмосферу. Останній процес є рушійною силою полярного сяйва, що робить СТИВ особливим гібридом полярного сяйва.

ПОЛЯРНІ СЯЙВА НА ІНШИХ ПЛАНЕТАХ

Полярні сяйва трапляються і на інших планетах – все, що потрібно для виникнення полярного сяйва, це атмосфера і магнітне поле.

“Полярні сяйва спостерігаються в атмосфері всіх газових планет-гігантів, що не дивно, оскільки всі ці планети мають потужні магнітні поля, – каже Джефф Регестер, викладач фізики та астрономії в Університеті Хай-Пойнт в Північній Кароліні. “Ще більш дивним є те, що полярні сяйва були виявлені і на Венері, і на Марсі, обидві з яких мають дуже слабкі магнітні поля”.

Дійсно, вчені каталогізували три різні типи марсіанських полярних сяйв. Один з них спостерігається лише на денній стороні планети, інший – широко розповсюджене нічне явище, яке підживлюється сильними сонячними бурями, а третій – набагато більш розрізнений нічний феномен.

Орбітальний апарат Hope Mars, перша в історії міжпланетна місія Об’єднаних Арабських Еміратів, зумів зафіксувати дискретне нічне полярне сяйво невдовзі після прибуття на Червону планету на початку 2021 року. Спостереження зонда можуть допомогти вченим краще зрозуміти це загадкове явище.

Магнітне поле Юпітера у 20 000 разів сильніше за земне, тому полярні сяйва гігантської планети набагато яскравіші за ті, що палають у нашому небі. І вогні на Юпітері виникають не лише під дією сонячного вітру: Більшість частинок, що спричиняють полярні сяйва планети, викидаються в космос її близьким супутником Іо, найбільш вулканічним тілом у Сонячній системі.

Астрономи навіть помітили проблиски видимої полярної активності в інших сонячних системах. Наприклад, два дослідження, проведені в жовтні 2021 року, повідомили про виявлення радіохвиль, випромінюваних кількома червоними карликами – зірками, меншими і тьмянішими за наше Сонце.

Ці радіохвилі, ймовірно, пов’язані з різновидом “зворотного” полярного сяйва, яке спалахує поблизу зірок і викликається частинками, випущеними планетами, що знаходяться на близьких орбітах, кажуть дослідники.

“Наша модель цього радіовипромінювання від наших зірок є збільшеною версією Юпітера та Іо, з планетою, огорнутою магнітним полем зірки, що подає матеріал у величезні потоки, які аналогічно живлять яскраві полярні сяйва”, – сказав Джозеф Каллінгем, радіоастроном з Лейденського університету в Нідерландах і голландської національної обсерваторії ASTRON і співавтор обох нових досліджень. “Це видовище привертає нашу увагу з відстані світлових років”.

Наразі ці планети-годувальники залишаються гіпотетичними; ніхто ще не виявив жодної планети, що обертається навколо червоних карликів, які вивчала команда. Але якщо Каллінгем і його колеги мають рацію, в розпорядженні астрономів може з’явитися нова потужна методика полювання на планети.

Очікується, що полярні сяйва будуть відносно частим явищем і в небі екзопланет. Але нам доведеться краще роздивитися ці далекі світи, щоб побачити їхні світлові шоу безпосередньо.

ІСТОРІЯ ПІВНІЧНОГО СЯЙВА

Хоча саме італійський астроном Галілео Галілей придумав назву “полярне сяйво” у 1619 році – на честь римської богині світанку Аврори та грецького бога північного вітру Борея – найдавніша ймовірна згадка про північне сяйво міститься у 30 000-річному печерному малюнку у Франції.

З того часу цивілізації по всьому світу дивувалися цьому небесному явищу, приписуючи танцюючим вогням всілякі міфи про їхнє походження. Одна з легенд північноамериканських інуїтів стверджує, що північне сяйво – це духи, які грають у м’яч головою моржа, тоді як вікінги вважали, що це світло відбивається від обладунків валькірій, надприродних дів, які забирають воїнів у потойбічний світ.

Ранні астрономи також згадували про північне сяйво у своїх записах. Наприклад, царський астроном за часів вавилонського царя Навуходоносора II записав свій звіт про це явище на табличці, датованій 567 роком до н.е., а в китайському звіті 193 року до н.е. також згадується полярне сяйво, згідно з даними NASA.

Наука, що стоїть за північним сяйвом, не була теоретично обґрунтована до початку 20-го століття. Норвезький вчений Крістіан Біркеланд припустив, що електрони, випромінювані сонячними плямами, створюють атмосферне сяйво після того, як їх спрямовує до полюсів магнітне поле Землі. Теорія згодом виявиться правильною, але лише через багато років після смерті Біркеланда у 1917 році.

ДОДАТКОВІ РЕСУРСИ

Ви можете дізнатися більше про північне сяйво на сторінці NASA про полярні сяйва. Центр прогнозування космічної погоди NOAA надає 30-хвилинний прогноз полярного сяйва. Ви можете дивитися прямі трансляції північного сяйва на сайті Explore.org і на сторінці веб-камери Lights over Lapland.

Якщо ви завзятий мисливець за полярними сяйвами або хочете дізнатися більше про полярні сяйва по всьому світу, Aurorasaurus – це громадський науковий сайт, де ви можете повідомити про свої спостереження, а також дізнатися більше про полярні сяйва з їхнього інформативного блогу.

Якщо ви хочете дізнатися більше про Крістіана Біркеланда, ознайомтеся з книгою “Північне сяйво: Правдива історія людини, яка відкрила таємниці полярного сяйва” (Vintage, 2002), Люсі Яго. А за новинами про місію сонячного зонду NASA Parker Solar Probe, що цілує Сонце, ви можете стежити у блозі NASA.

БІБЛІОГРАФІЯ

Бартон, К. “Легенди про північне сяйво”, CBC News, 10 грудня,2019. https://newsinteractives.cbc.ca/longform/legends-of-the-northern-lights

Каллінгем Дж. та ін. “Популяція М-карликів, що спостерігається на низьких радіочастотах”, Nature Astronomy, Vol. 5, Грудень 2021. https://doi.org/10.1038/s41550-021-01483-0

NASA, “FAQ: Як сонячний цикл впливає на клімат Землі?” https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/solar-events-news/Does-the-Solar-Cycle-Affect-Earths-Climate.html

NASA, “Історія полярних сяйв”, 2006. https://www.nasa.gov/mission_pages/themis/auroras/aurora_history.html

Нішімура Ю. та ін. “Магнітосферні сигнатури STEVE: наслідки для магнітосферного джерела енергії та міжпівкульного спряження”, Geophysical Research Letters, Vol. 46, Issue 11, April 2019.https://doi.org/10.1029/2019GL082460

Шредер, Я.В.Р. та ін. “Лабораторні вимірювання фізики аврорального прискорення електронів альфвенівськими хвилями”, Nature Communications 12, 3103, червень 2021.https://doi.org/10.1038/s41467-021-23377-5