Гигантское однородное полярное сияние, видимое с земли в рождественскую ночь 2022 года, было подтверждено как полярное дождевое полярное сияние. Это было первое наземное наблюдение полярного дождевого сияния. В отличие от типичных полярных сияний, которые приводятся в движение падающими электронами, хранящимися в хвосте магнитосферы Земли, полярные дождевые полярные сияния образуются электронами, движущимися непосредственно из солнечной короны в полярные области Земли вдоль открытых силовых линий магнитного поля, кульминацией которых является «полярное сияние». «дождь» электронные высыпания, которые приводят к оптическому излучению при взаимодействии с атомами кислорода и азота в атмосфере.
История полярных сияний, красочных и ослепительных световых шоу (называемых северным сиянием или aurora borealis в районе Северного полюса и южным сиянием или Aurora Australis в районе Южного полюса), начинается в корональном слое солнечной атмосферы. Температура этого слоя солнечной атмосферы чрезвычайно высока. В то время как температура фотосферы ( которая рассматривается как поверхность Солнца, поскольку именно её мы можем наблюдать в свете) составляет около 6000 Кельвинов, средняя температура короны колеблется от 1 до 2 миллионов Кельвинов из-за «парадокса коронального нагрева». Такая высокая температура превращает корону в слой перегретой плазмы. Солнечный ветер, состоящий из высокоэнергетических электрически заряженных частиц (таких как электроны, протоны, альфа-частицы и тяжелые ионы), непрерывно исходит из коронального слоя во всех направлениях, включая направление на Землю.
Путешествие энергичных заряженных частиц от Солнца к Земле не простое и прямолинейное. Обычно ионизированные частицы отклоняются магнитным полем Земли (магнитосферы), поэтому формы жизни и электрические системы на Земле остаются незатронутыми от вредного воздействия солнечного ветра.
Однако в случае массивного выброса заряженных частиц с Солнца, как в случае коронального выброса массы (CME), магнитосфера Земли перегружается, и возникает магнитная буря. Шторм вызывает напряжение в магнитосфере, пока она не отбрасывается назад, отбрасывая некоторые заряженные частицы в сторону Земли.
Втягивающаяся полоса магнитного поля увлекает электроны солнечного ветра вниз в полярные области, где полярные сияния наблюдаются на высоте 100-300 км над поверхностью в верхних слоях атмосферы. Вклад протонов и других ионов солнечного ветра в формирование полярных сияний незначителен.
Полярное сияние — это, по сути, оптическое излучение атомов кислорода и азота, возбуждаемое энергичными электронами, высыпающимися из магнитосферы вдоль замкнутых силовых линий магнитного поля Земли (высыпание энергичных электронов или EEP относится к выделению энергии электронов в атмосферу). Взаимодействие энергичных электронов с кислородом в атмосфере отвечает за зеленый и красный цвета, тогда как взаимодействие с азотом приводит к образованию синего и темно-красного оттенков.
Таким образом, формирование полярных сияний обусловлено падающими электронами, хранящимися в хвосте магнитосферы (области магнитосферы Земли, которая уносится солнечным ветром в обширный хвост в направлении от Солнца). Электроны, хранящиеся в магнитосфере, получают энергию под действием солнечного ветра, а затем выпадают в атмосферу вспышками в полярных регионах, вызывая полярные сияния.
Полярный дождь Аврора
Однако в редких случаях полярные сияния образуются электронами, движущимися непосредственно из солнечной короны в полярные регионы Земли вдоль открытых силовых линий магнитного поля, что приводит к высыпанию электронов в виде «полярного дождя». Обнаружено, что такие высыпания электронов интенсивны при низкой плотности солнечного ветра. Оптическое излучение, вызванное такими электронами, слабое, и образующееся сияние называется «полярным дождевым сиянием».
Полярные дождевые полярные сияния несколько раз наблюдались из космоса со спутников. Однако ни один случай заболевания наземными средствами не был выявлен.
25-26 декабря 2022 года наземные камеры в арктическом регионе зафиксировали необычное полярное сияние, когда солнечный ветер почти исчез. Наблюдаемое сияние было однородным и гигантским по размерам. Оно не выглядело как типичное полярное сияние. Типичное полярное сияние в полярной шапке — это красочное ослепительное световое шоу, демонстрирующее динамичный узор радужных огней. Оно может выглядеть как занавесы, лучи, спирали или как меняющиеся мерцания. Тета -полярное сияние выглядит как греческая буква тета (овал с линией, проходящей через центр) при наблюдении сверху со спутников. Тета-полярные сияния также называют «трансполярными дугами» из-за появления крупномасштабных дуг при наблюдении сверху. « Солнечно-выровненные дуги » — это небольшие и тусклые полярные сияния, наблюдаемые с наземных обсерваторий. Один конец дуги направлен к Солнцу, поэтому они называются « Солнечно-выровненными дугами ».
Полярное сияние, наблюдавшееся в рождественскую ночь 2022 года, было гладким, рассеянным и гигантских размеров. Оно не было похоже на типичное полярное сияние, поэтому считалось, что это полярное дождевое полярное сияние. Чтобы подтвердить это, исследователи исследовали это, используя спутниковые и наземные данные.
Спутниковые снимки показали, что вначале область полярной шапки была совершенно пустой. 25 декабря полярная шапка начала заполняться слабым диффузным полярным сиянием . Впоследствии почти вся область полярной шапки вскоре оказалась покрыта интенсивным, но менее структурированным излучением. Это масштабное заполнение полярной шапки диффузными полярными сияниями продолжалось около 28 часов. Интенсивное излучение внутри полярной шапки начало ослабевать утром 26 декабря, и в течение нескольких часов структура полярного сияния вернулась к нормальному распределению, и полярная шапка снова стала пустой.
Высыпания электронов полярного дождя обычно происходят только в одном полушарии в зависимости от ориентации межпланетного магнитного поля (ММП). Одновременные спутниковые снимки показали полное заполнение полярной шапки Северного полушария, в то время как полярная шапка Южного полушария была пустой. Эта наблюдаемая межполушарная асимметрия и ожидаемая ориентация ММП убедительно свидетельствуют о том, что крупномасштабное сияние, обнаруженное внутри полярной шапки Северного полушария, было полярным дождевым сиянием. Межполушарная асимметрия наблюдалась и в электронных данных. Кроме того, корреляция между временем исчезновения солнечного ветра и временем заполнения полярной шапки была очень хорошей.
Оптические измерения, проведенные наземным комплексом в арктическом городе Лонгйирбюен 25-26 декабря , показали , что высокоэнергетические электроны (>1 кэВ) составляли основную составляющую выпадения электронов. Спутник также наблюдал приток высокоэнергетических электронов. В результате полярное сияние было видно с земли в виде яркого зеленоватого излучения.
В более раннем исследовании было продемонстрировано, что полярные дождевые полярные сияния движутся против Солнца со скоростью 150 метров в секунду. В случае с атипичным полярным сиянием, наблюдавшимся в рождественскую ночь 2022 года, анализ оптических данных поперечного сечения показал, что полярное сияние распространялось в направлении против Солнца, однако скорость полярного сияния, если смотреть с земли, была в два-три раза быстрее.
Таким образом, гигантское однородное сияние, видимое с земли в рождественскую ночь 2022 года, было полярным дождевым сиянием. Это было первое наземное наблюдение полярного дождевого сияния, уникального аспекта сложной связи Солнца и Земли.
Ссылки:
- Хосокава, К. и др. 2024 год. Исключительно гигантское сияние в полярной шапке в день, когда солнечный ветер почти исчез. НАУКА ПРОДВИГАЕТСЯ. 21 июня 2024. Том 10, Выпуск 25. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5276
- СВПК, НОАА. Аврора. Доступны на https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/aurora
