Co powoduje różne kolory zorzy polarnej? Ekspert wyjaśnia tęczę elektryczną

W zeszłym tygodniu potężny rozbłysk słoneczny wysłał falę energetycznych cząstek ze Słońca pędzących w przestrzeń kosmiczną. W weekend fala dotarła do lądu, a ludzie na całym świecie cieszyli się możliwością zobaczenia niezwykle jasnej zorzy polarnej na obu półkulach.

Chociaż zorze polarne są zwykle widoczne tylko w pobliżu biegunów, zauważono je w ten weekend. Na południe na Hawaje Na półkuli północnej i Tak daleko na północ, jak Mackay na południu.

Wydaje się, że ten spektakularny wzrost aktywności zorzy dobiegł końca, ale nie martwcie się, jeśli go przeoczyliście. Słońce zbliża się do zenitu Cykl plam słonecznych trwa 11 latOkresy intensywnego zmierzchu powrócą prawdopodobnie w ciągu najbliższego roku.

Jeśli widziałeś zorzę polarną lub którekolwiek ze zdjęć, prawdopodobnie zastanawiasz się, co dokładnie się działo. Co powoduje blask i różne kolory? Odpowiedź dotyczy atomów, sposobu ich wzbudzenia i relaksacji.

Kiedy elektrony spotykają się z atmosferą

Zorze powstają w wyniku zderzeń naładowanych cząstek subatomowych (głównie elektronów) z atmosferą ziemską. Pierwiastki te są emitowane przez słońce przez cały czas, jednak w okresach większej aktywności słonecznej jest ich więcej.

Większa część naszej atmosfery jest chroniona przed przepływem naładowanych cząstek przez ziemskie pole magnetyczne. Ale w pobliżu biegunów mogą się wkraść i siać spustoszenie.

Atmosfera ziemska składa się z około 20% tlenu i 80% azotu oraz śladowych ilości innych składników, takich jak woda, dwutlenek węgla (0,04%) i argon.

Kiedy szybkie elektrony zderzają się z cząsteczkami tlenu w górnych warstwach atmosfery, dzielą cząsteczki tlenu (O₂) na pojedyncze atomy. Robią to również promienie ultrafioletowe słońca, a powstałe atomy tlenu mogą reagować z cząsteczkami O₂, tworząc ozon (O₃), cząsteczkę chroniącą nas przed szkodliwym promieniowaniem UV.

Jednak w przypadku zorzy powstałe atomy tlenu są w stanie wzbudzonym. Oznacza to, że elektrony atomów są ułożone w sposób niestabilny i mogą „relaksować się” uwalniając energię w postaci światła.

Co daje zielone światło?

Jak widać w fajerwerkach, atomy różnych pierwiastków, gdy są pod napięciem, wytwarzają światło o różnych kolorach.

Atomy miedzi emitują światło niebieskie, atomy baru zielone, a atomy sodu dają żółto-pomarańczową barwę, którą mogłeś zobaczyć także w starych latarniach ulicznych. Emisje te są „dopuszczalne” zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, co oznacza, że ​​zachodzą bardzo szybko.

Kiedy atom sodu jest w stanie wzbudzonym, pozostaje w nim tylko przez 17 miliardowych części sekundy, zanim wyemituje żółto-pomarańczowy foton.

Jednak w zorzy polarnej wiele atomów tlenu powstaje w stanach wzbudzonych, bez „dozwolonych” sposobów relaksacji poprzez emisję światła. Natura jednak znalazła na to sposób.

Zielone światło dominujące w zorzy polarnej jest emitowane przez atomy tlenu przechodzące ze stanu zwanego „¹S” do stanu zwanego „¹D”. Jest to stosunkowo powolny proces, trwający średnio około pełnej sekundy.

W rzeczywistości to przejście jest tak powolne, że normalnie nie wystąpiłoby przy ciśnieniu powietrza obserwowanym na poziomie gruntu, ponieważ wzbudzony atom straciłby energię w wyniku zderzenia z innym atomem, zanim miałby szansę wysłać piękny zielony foton. Jednak w górnych warstwach atmosfery, gdzie panuje mniejsze ciśnienie powietrza, a co za tym idzie mniej cząsteczek tlenu, mają one więcej czasu, zanim zderzą się ze sobą i tym samym będą miały szansę wyzwolić foton.

Z tego powodu naukowcom zajęło dużo czasu ustalenie, że zielone światło zorzy polarnej pochodzi z atomów tlenu. Żółto-pomarańczowa poświata sodu była znana w latach sześćdziesiątych XIX wieku, ale została rozpoznana dopiero w latach dwudziestych XX wieku. Kanadyjscy naukowcy Odkryłem, że zmierzchowy zielony kolor wynika z obecności tlenu.

Co sprawia, że ​​światło jest czerwone?

Zielone światło pochodzi z tak zwanego „zakazanego” przejścia, które ma miejsce, gdy elektron w atomie tlenu dokonuje nieoczekiwanego przeskoku z jednego układu orbity na drugi. (Przejścia zabronione są znacznie mniej prawdopodobne niż przejścia dozwolone, co oznacza, że ​​ich wystąpienie zajmuje więcej czasu).

Jednak nawet po wyemitowaniu zielonego fotonu atom tlenu znajduje się w innym stanie wzbudzonym, nie pozwalając na relaksację. Jedyną ucieczką jest kolejne zablokowane przejście ze stanu ¹D do stanu ³P – który emituje światło czerwone.

To przejście jest, że tak powiem, dalej blokowane, a stan ¹D musi pozostać przez około dwie minuty, zanim będzie mógł w końcu złamać zasady i dać czerwone światło. Ponieważ zajmuje to dużo czasu, czerwone światło pojawia się tylko na dużych wysokościach, gdzie zderzenia z atomami i innymi cząsteczkami są rzadkie.

Ponadto, ponieważ jest tam niewielka ilość tlenu, czerwone światło pojawia się zwykle tylko w intensywnych zorzach, takich jak ta, którą właśnie widzieliśmy.

Dlatego czerwone światło pojawia się nad zielonym. Chociaż oba powstają w wyniku zakazanej relaksacji atomów tlenu, światło czerwone jest emitowane znacznie wolniej i ma większe szanse na zgaszenie w wyniku zderzeń z innymi atomami na niższych wysokościach.

Inne kolory i dlaczego kamery widzą je lepiej?

Chociaż zielony jest najczęstszym kolorem zorzy polarnej, a czerwony jest drugim najczęściej spotykanym kolorem, istnieją również inne kolory. W szczególności zjonizowane cząsteczki azotu (N₂⁺, którym brakuje jednego elektronu i mają dodatni ładunek elektryczny), mogą emitować światło niebieskie i czerwone. Może to spowodować pojawienie się fioletowego koloru na niższych wysokościach.

Wszystkie te kolory są widoczne gołym okiem, jeśli zorza jest wystarczająco jasna. Jednak w wizjerze są one wyraźniejsze.

Są ku temu dwa powody. Po pierwsze, zaletą aparatów jest długi czas naświetlania, co oznacza, że ​​mogą spędzać więcej czasu na zbieraniu światła w celu wytworzenia obrazu niż nasze oczy. Dzięki temu mogą robić zdjęcia przy słabym oświetleniu.

Drugim powodem jest to, że czujniki koloru w naszych oczach nie działają dobrze w ciemności, dlatego w warunkach słabego oświetlenia mamy tendencję do widzenia czarno-białego. Kamery nie mają tego ograniczenia.

Jednak nie ma się czym martwić. Kiedy zorza polarna jest wystarczająco jasna, kolory są wyraźnie widoczne gołym okiem.

Przeczytaj więcej: Czym jest zorza polarna i dlaczego występują w różnych kształtach i kolorach? Wyjaśnia dwóch ekspertów