Что вызывает северное сияние? Объяснение науки

Каждый раз, когда вы видите фотографию зелёных занавесей, колышущихся в тёмном арктическом небе, вы наблюдаете цепочку событий, начавшуюся на поверхности Солнца в 150 million километров от нас. Понимание причин этого явления также позволяет предсказывать, когда и где появится северное сияние.

Солнце: начало всего

Северное сияние начинается на Солнце. Наша звезда — не статичный огненный шар. Это магнитно активная система, постоянно выбрасывающая плазму в космос. Этот непрерывный поток заряженных частиц (в основном электронов и протонов) называется солнечным ветром.

Солнечный ветер обычно движется со скоростью 300–800 km/s и достигает Земли примерно за 2–4 дня. Во время экстремальных событий CME скорость может превышать 1 000 km/s, а время в пути — быть меньше 24 часов. На таком расстоянии он невидим и безвреден, но несёт огромную энергию. В спокойные дни солнечный ветер представляет собой мягкий, равномерный поток. В периоды активности Солнце может порождать мощные выбросы, резко усиливающие поток и сжимающие магнитный щит Земли.

Два типа солнечных событий, вызывающих сияние

Не весь солнечный ветер одинаков. Интенсивность сияния во многом зависит от типа солнечной активности, которая его вызвала:

• Корональные выбросы массы (CME): Мощные выбросы намагниченной плазмы, направленно вылетающие с поверхности Солнца. Один CME может содержать миллиарды тонн солнечного вещества. Когда CME направлен к Земле, он обычно достигает её за 15–72 часа и вызывает сильнейшие геомагнитные бури — те, что приносят сияние в средние широты. Именно эти события привлекают внимание, когда северное сияние появляется в таких городах, как Лондон, Чикаго или Берлин.
• Высокоскоростные потоки солнечного ветра: Области Солнца, называемые корональными дырами, испускают более быстрый и непрерывный поток солнечного ветра. Эти потоки вращаются вместе с Солнцем с периодом 27 дней, поэтому могут повторяться предсказуемо. Они вызывают умеренную продолжительную активность сияния, а не отдельные мощные бури, и отвечают за значительную часть обычного сияния, которое неделя за неделей видно из мест в высоких широтах.

Магнитный щит Земли: магнитосфера

Если бы солнечный ветер напрямую достигал поверхности Земли, последствия для жизни были бы серьёзными. Но магнитное поле Земли, создаваемое конвекционными потоками в жидком внешнем ядре планеты, формирует защитный пузырь, называемый магнитосферой.

Магнитосфера отклоняет большую часть солнечного ветра вокруг планеты, сжимаясь на обращённой к Солнцу стороне (примерно до 10 радиусов Земли) и вытягиваясь в длинный хвост на ночной стороне (на сотни радиусов Земли). Такая асимметричная форма возникает из-за постоянного давления солнечного ветра.

Когда щит открывается: магнитное пересоединение

Солнечный ветер несёт собственное магнитное поле. Когда оно направлено на юг, противоположно направленному на север полю Земли на дневной границе, начинается процесс, называемый магнитным пересоединением . Противоположно направленные силовые линии объединяются и разрываются, высвобождая огромную энергию и открывая временные каналы, через которые солнечные частицы проникают в магнитосферу.

Затем эти частицы ускоряются вдоль силовых линий магнитного поля Земли в сторону полярных областей, где линии сходятся и входят в атмосферу. Поэтому сияние появляется кольцами вокруг магнитных полюсов, а не равномерно по всему небу.

Авроральный овал

Область, где регулярно возникает сияние, называется авроральным овалом — кольцевой зоной вокруг магнитного полюса Земли, обычно расположенной примерно на 65–72 градусах магнитной широты. С земли эта зона выглядит как пояс вокруг полярных областей.

В спокойных условиях авроральный овал располагается близко к магнитным полюсам и виден главным образом из таких мест, как Тромсё, Фэрбанкс и Йеллоунайф. Когда начинается геомагнитная буря и индекс Kp растёт, овал расширяется к экватору. При Kp 7 он может достигать Шотландии и Сиэтла. При Kp 9 — уровне, зафиксированном в мае 2024, — он может простираться на юг вплоть до Испании и Техаса.

Важный нюанс: магнитная широта — не то же самое, что географическая широта. Северный магнитный полюс Земли смещён относительно географического Северного полюса. Он быстро перемещается: по состоянию на 2025 он находится примерно на 86°N, 164°E в Северном Ледовитом океане, пройдя за географический полюс и двигаясь в сторону Сибири (согласно World Magnetic Model 2025, которую поддерживают NCEI и Британская геологическая служба). Поэтому Эдинбург (56°N географической широты) имеет магнитную широту около 58°, а Москва (56°N географической широты) — лишь около 52° магнитной широты. В Эдинбурге сияние наблюдается гораздо чаще, чем в Москве, несмотря на одинаковую географическую широту.

Столкновение: как возникает свет

Именно так возникает зрелищная картина. Ускоренные электроны движутся вдоль силовых линий магнитного поля и достигают верхних слоёв атмосферы на высоте примерно 80–300 km, где сталкиваются с атомами и молекулами кислорода и азота.

При столкновениях газовым атомам передаётся энергия, и их электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Это состояние называется возбуждением. Возбуждённый атом нестабилен. Через микросекунды или секунды он высвобождает избыточную энергию в виде фотона света, а электрон возвращается в нормальное состояние. Миллионы таких столкновений, одновременно происходящих на протяжении сотен километров неба, создают светящиеся занавеси, дуги и лучи, которые мы называем сиянием.

Конкретный цвет испускаемого света полностью зависит от того, какой газ возбуждается и на какой высоте происходит столкновение. Поэтому сияние можно считать наглядной картой химического состава атмосферы.

Почему сияние бывает разных цветов

Цвета сияния не случайны. Это точный показатель химического состава атмосферы и высоты. Каждый газ при возбуждении излучает свет определённых длин волн, а плотность атмосферы меняется с высотой, влияя на то, как долго атомы остаются возбуждёнными до испускания фотонов.

Зелёное сияние: характерное зрелище

Зелёный — самый распространённый цвет сияния, поскольку он возникает благодаря возбуждённым атомам кислорода на высоте 90–150 km, в наиболее плотной части зоны сияний. При возвращении из возбуждённого состояния кислород испускает яркий зелёный фотон с длиной волны 557.7 нанометров. В этом диапазоне высот атмосфера поглощает большинство электронов, вызывающих сияние, поэтому зелёный — преобладающий цвет почти любого сияния в мире.

Красное сияние: свечение на большой высоте

Выше 300 km кислород всё ещё присутствует, но плотность атмосферы чрезвычайно мала. На этой высоте возбуждённые атомы кислорода успевают испустить красный фотон с длиной волны 630 нанометров до столкновения с другим атомом. Поскольку атмосфера там очень разрежена, для появления красного сияния нужна интенсивная бомбардировка частицами, обычно во время бурь Kp 6+. Красное сияние часто выглядит как рассеянное малиновое свечение над основными зелёными занавесями или как яркая красная вспышка по всему небу во время сильнейших событий.

Фиолетовый и синий: азот у нижней границы

У нижней границы занавесей сияния часто видна отчётливая фиолетовая или лиловая кайма. Она возникает из-за ионизированных молекул азота на высоте около 100 km. Азот испускает смесь синих и красных волн, которые вместе воспринимаются как фиолетовый цвет. Когда у сияния виден чёткий нижний край с цветной каймой, вы наблюдаете границу, на которой входящие электроны задерживаются более плотной атмосферой ниже.

Розовый: самый редкий видимый цвет

Когда бомбардировка частицами достаточно мощная, чтобы проникнуть ниже 100 km, преобладают молекулы азота, испускающие розово-красный свет. Розовое сияние в нижней части занавесей — надёжный признак сильной бури, обычно Kp 7 и выше. Во время события G5 в мае 2024 наблюдатели по всей Скандинавии и северной Канаде сообщали о ярких розовых и пурпурных каймах, каких не видели много лет.

Индекс Kp: измерение силы бури

Индекс Kp — стандартная мера геомагнитных возмущений по шкале от 0 до 9. Его обновляют каждые три часа на основе данных с 13 магнитометрических станций по всему миру. Для охотников за сиянием Kp — самый наглядный показатель того, насколько далеко от полюсов будет видно сияние в конкретную ночь.

Чем выше Kp, тем дальше к экватору расширяется авроральный овал. Kp 5 классифицируется как слабая геомагнитная буря и приносит сияние в такие места, как Эдинбург и Джуно. При Kp 7 сияние достигает Лондона и Чикаго. Kp 9 — уровень, зафиксированный в мае 2024, — принёс сияние на юг вплоть до Флориды, Техаса и северной Африки.

Индекс Kp — не измеритель яркости. Он показывает географическую область видимости сияния, а не то, насколько впечатляющим оно будет из конкретной точки. Суббуря при Kp 3 может породить эффектные быстро движущиеся занавеси для наблюдателей внутри аврорального овала, тогда как продолжительное событие Kp 6 может выглядеть для наблюдателей в средних широтах как рассеянное свечение. Оба явления — настоящее северное сияние, вызванное одними и теми же физическими процессами.

CME и потоки солнечного ветра: что создаёт лучшее сияние

Понимание различий между этими двумя источниками солнечной активности помогает заранее оценить качество и продолжительность сияний.

Корональные выбросы массы (CME)

CME — это внезапный выброс намагниченной плазмы из короны Солнца. Один CME может нести 10 миллиардов тонн солнечного вещества со скоростью 500–3 000 km/s. Прибывший CME, направленный к Земле, сжимает магнитосферу и часто вызывает быстрые интенсивные геомагнитные бури продолжительностью 12–36 часов.

Ключевой фактор при прибытии — ориентация магнитного поля CME. Если при прибытии поле CME направлено на юг (противоположно полю Земли), магнитное пересоединение ускоряется, и буря быстро усиливается. Поэтому два CME схожего размера могут вызвать совершенно разное сияние: выброс с направленным на север полем почти не возмущает магнитосферу, а выброс с направленным на юг полем может поднять Kp до 8 или 9 в течение нескольких часов после столкновения.

Высокоскоростные потоки солнечного ветра

Корональные дыры — тёмные области Солнца, где магнитное поле открывается в космос, — выпускают более быстрый и разреженный поток солнечного ветра. В отличие от CME, эти потоки предсказуемы. Поскольку Солнце вращается раз в 27 дней, активная корональная дыра, вызывающая поток уровня Kp 4–5 на этой неделе, вероятно, создаст похожий поток через 27 дней. Прогноз AuroraMe на 27 дней использует эту закономерность вращения, чтобы отмечать периоды статистически повышенной активности.

Активность, вызванная потоками, мягче и длительнее: сияние остаётся активным в авроральном овале несколько дней, а не возникает одной мощной вспышкой.

Скачайте в App Store ★ 4.7

ДОСТУПНО В Google Play ★ 4.8

App Store

Google Play

Отсканируйте телефоном, чтобы скачать

Южное сияние: южное отражение

Всё описанное выше в равной степени относится к Южному полушарию. Тот же физический процесс — взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли и возбуждение атмосферных газов — одновременно с северным сиянием в северном полушарии создаёт aurora australis («южную зарю») вокруг южного магнитного полюса.

Aurora australis и северное сияние возникают как зеркальные изображения в сопряжённых авроральных овалах. Во время геомагнитной бури оба овала расширяются на одинаковую величину одновременно. Северное сияние наблюдают чаще лишь потому, что в высоких широтах северного полушария живёт больше людей; по яркости и цветам южное сияние ему не уступает.

Лучшие места для наблюдения южного сияния — юг Новой Зеландии (регионы Отаго и Саутленд), Тасмания, южная оконечность Аргентины (Ушуайя) и Антарктида. Во время крупных бурь южное сияние фотографировали из Мельбурна и Кейптауна. AuroraMe составляет прогнозы для обоих полушарий. Если вы планируете поездку в Куинстаун или Ушуайю, действуют те же пороговые значения Kp, зеркально соответствующие вашей магнитной широте в Южном полушарии.

Как долго длится сияние?

Продолжительность сияния существенно различается в зависимости от причины активности:

• Всплеск суббури: 15–45 минут интенсивного, быстро движущегося сияния. Это самый зрелищный вид: яркие лучи скользят по небу, занавеси складываются и пульсируют, цвета меняются от зелёного к фиолетовому. Суббури случаются даже при умеренном Kp 2–3 и часто становятся главным впечатлением поездки для наблюдения сияния в высоких широтах.
• Буря, вызванная CME: Крупная геомагнитная буря обычно поддерживает активность сияния в течение 12–36 часов, хотя самая интенсивная фаза может длиться всего 3–6 часов. После внезапного начала бури часто наступает период затишья, прежде чем начнётся основная фаза активности.
• Активность потока солнечного ветра: Взаимодействие с высокоскоростным потоком может поддерживать повышенный Kp и фоновое сияние 2–4 дня, обычно менее интенсивное, чем при прямом воздействии CME.

С практической точки зрения, после начала представления обычно есть 30–90 минут наиболее яркого зрелища. Полный час на улице даёт совершенно иные впечатления, чем взгляд в течение 5 минут: представление продолжает меняться, а самая эффектная фаза часто наступает через 20–30 минут.

Можно ли предсказывать сияние?

Краткосрочные прогнозы сияния (0–3 часа) достаточно точны — более чем на 80%, — поскольку данные о солнечном ветре поступают со спутника DSCOVR NOAA в точке Лагранжа L1, примерно в 1.5 million km от Земли по направлению к Солнцу. Этот аппарат даёт примерно 15–60 минут предупреждения до того, как солнечный ветер достигнет магнитосферы Земли, позволяя составлять прогнозы сияния почти в реальном времени.

Среднесрочный прогноз (1–3 дня) зависит от того, обнаружен ли CME, покидающий Солнце. Центр прогнозирования космической погоды NOAA отслеживает направленные к Земле CME по изображениям коронографа LASCO и рассчитывает время прибытия на основе скорости и траектории CME. Погрешность таких прогнозов больше: время прибытия обычно определяется с точностью ±7 часов, но этого достаточно, чтобы освободить вечер и подготовиться.

Долгосрочный прогноз (более чем на 3 дня) по большей части остаётся статистическим. Прогноз AuroraMe на 27 дней даёт вероятностную оценку на основе периода вращения Солнца, однако отдельные события CME невозможно точно предсказать более чем за несколько дней. Вывод очевиден: уведомления о сиянии важны. Лучшие события развиваются и достигают пика за несколько часов. Заранее настроенная система оповещений в реальном времени — самый эффективный способ повысить шансы увидеть северное сияние.

Солнечный цикл и почему 2026 год особенный

Частота сияний меняется год от года. Солнце проходит примерно 11-летний цикл магнитной активности, который отслеживают по числу солнечных пятен — тёмных участков на поверхности Солнца, где сосредоточено магнитное поле. Чем больше пятен, тем больше солнечных вспышек и CME, а значит, и сияний.

Сейчас продолжается солнечный цикл 25, начавшийся в декабре 2019. Первоначальные прогнозы NOAA и NASA предполагали, что он будет слабее среднего. Солнце решило иначе. Уже к 2023 численность солнечных пятен превысила прогнозируемый максимум. Активность цикла продолжала нарастать, образовав редкий двойной пик , из-за которого высокая активность сохраняется и в 2026.

• Первый пик: С конца 2023 года до середины -2024 года, включая супершторм G5 в мае 2024 года, — сильнейшее событие с 2003 года
• Второй пик: 2025–2026: длительная повышенная активность, частые CME и многочисленные бури G3–G4
• Что это означает на практике: в средних широтах сияние видно несколько раз в месяц, а не несколько раз в год. В периоды активности сияние регулярно наблюдают в Эдинбурге, Копенгагене, Хельсинки и Сиэтле. Во время бурь его видят по несколько раз в год в Лондоне, Берлине и Чикаго.

Следующий максимум солнечной активности ожидается примерно в 2036. Когда этот цикл пойдёт на спад, вероятно к 2027–2028, сияние на долгие годы отступит к полюсам. Благоприятное окно открыто прямо сейчас.

Часто задаваемые вопросы

Почему сияние бывает разных цветов?

Цвет сияния зависит от того, какой атмосферный газ возбуждается и на какой высоте. Зелёный цвет создаётся кислородом на высоте 90–150 km и чаще всего встречается при сиянии. Красный цвет возникает из-за кислорода выше 300 km, где разреженная атмосфера позволяет атомам испускать свет с большей длиной волны; для этого нужна буря с высоким Kp. Фиолетовый и синий цвета появляются благодаря ионизированным молекулам азота примерно на высоте 100 km и часто образуют чёткую нижнюю границу занавесей. Розовый цвет создаётся азотом ниже 100 km и встречается редко — только во время экстремальных бурь, когда бомбардировка частицами проникает необычно глубоко в атмосферу.

Можно ли увидеть сияние с экватора?

В обычных условиях — нет: сияние возникает при магнитных широтах выше примерно 55 градусов. Однако во время сильнейших геомагнитных бурь (Kp 9, классифицируемых NOAA как G5) авроральный овал значительно расширяется. Событие G5 в мае 2024 принесло сияние на юг вплоть до Техаса, Испании, северной Африки и Японии. Такие события происходят лишь несколько раз за солнечный цикл, и предсказать их более чем за день или два невозможно.

Что такое CME?

Корональный выброс массы (CME) — это крупный выброс намагниченной плазмы из короны Солнца. CME может содержать миллиарды тонн солнечного вещества, движущегося со скоростью 500–3 000 km/s. Прибыв к Земле (обычно через 15–72 часа после выброса), CME сжимает магнитосферу Земли и вызывает геомагнитные бури. Мощные CME, классифицируемые как G3 и выше, отвечают за сияние, видимое в средних широтах. Функция Sun Intelligence в AuroraMe отслеживает CME по 9 оперативным потокам данных NOAA и заранее предупреждает, как только подтверждается направленный к Земле CME.

Как долго длится сияние?

Это зависит от причины. Авроральная суббуря — самое зрелищное явление — длится 15–45 минут. Геомагнитная буря, вызванная CME, может поддерживать сияние 12–36 часов, хотя наиболее интенсивная фаза обычно продолжается 3–6 часов. Активность потока солнечного ветра может вызывать длительное умеренное сияние в течение 2–4 дней. Для наблюдения на практике стоит запланировать не менее часа на улице после начала сияния: самые впечатляющие фазы часто развиваются через 20–30 минут.

Чем северное сияние отличается от южного?

Aurora borealis (северное сияние) возникает вокруг северного магнитного полюса Земли. Aurora australis (южное сияние) одновременно появляется вокруг южного магнитного полюса как зеркальное отражение. Оба явления вызваны одним и тем же процессом — взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой Земли; во время геомагнитных бурь оба овала расширяются одинаково. Лучшие места для наблюдения южного сияния — юг Новой Зеландии, Тасмания, Патагония и Антарктида. AuroraMe составляет прогнозы для обоих полушарий с одинаковой точностью.

Можно ли предсказывать сияние?

Да, точность зависит от временного горизонта. Прогнозы в реальном времени (0–1 час) очень точны благодаря данным о солнечном ветре, поступающим от аппарата NOAA DSCOVR, который отслеживает солнечный ветер в точке L1. Прогнозы на один-три дня основаны на обнаружении CME и анализе его траектории; точность определения времени прибытия составляет примерно плюс-минус 7 часов. Более чем на 3 дня вперёд возможны лишь статистические прогнозы на основе 27-дневного вращения Солнца. Поэтому оповещения важнее ежедневной проверки: время, когда можно действовать, часто ограничено несколькими часами.

Источники

• Центр прогнозирования космической погоды NOAA — сияние — официальный обзор правительства США о возникновении сияния и геомагнитной активности
• Гелиофизика NASA — взаимодействие магнитосферы и ионосферы — взаимодействие магнитного поля Земли с солнечным ветром
• NOAA SWPC — планетарный индекс K — измерение геомагнитной активности в реальном времени на основе данных 13 магнитометрических станций по всему миру
• NASA — что такое солнечный ветер? — как заряженные частицы Солнца вызывают сияние
• Newell et al. (2014) — OVATION Prime-2013 — модель осаждения частиц, создающих сияние, используемая NOAA для оперативного прогнозирования сияния (Space Weather, AGU)
• Matzka et al. (2021) — геомагнитный индекс Kp — исчерпывающее научное описание индекса Kp, подготовленное его кураторами из GFZ Potsdam (Space Weather, AGU)
• Буря Гэннона (2024) — наблюдения гражданских учёных во время геомагнитного супершторма G5 в мае 2024, сильнейшего с 2003 года (Geoscience Communication)
• NCEI — смещение геомагнитных полюсов — отслеживание перемещения северного магнитного полюса Земли, находящегося сейчас примерно на ~86°N в Северном Ледовитом океане

Упоминаемая в этом руководстве модель авроральной суббури была впервые описана Сюн-Ити Акасуфу в Геофизическом институте Университета Аляски в Фэрбанксе в 1964 году; эта работа стала основополагающей для физики магнитосферы. Концепцию аврорального овала предложили Яков Фельдштейн и Г.В. Старков из ИЗМИРАН (Россия) в 1960-х годах. Модель прогноза сияния OVATION, используемая NOAA, была разработана Патриком Ньюэллом и его коллегами из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса.