Солнечные ветры со скоростью миллион миль в час и причудливая магнитная турбулентность вызывают одни из лучших световых шоу за последние столетия.
11 мая 2024 года жители Хантсвилла, штат Юта, увидели ослепительное зрелище над горами Уосатч. Фотография: Дэниел Карде/AlamyСохранить эту историю Сохранить эту историю
Полярное сияние обычно можно увидеть только далеко на севере, но за последние 18 месяцев мерцающие занавеси розового и зеленого света заполнили ночное небо над большей частью Северной Америки, порой создавая ослепительные зрелища даже на юге, в Техасе и на Гавайях.
Эти широкомасштабные световые шоу вызваны особенно мощными порывами солнечного ветра — электрически заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем с невероятной скоростью. Их интенсивность обусловлена тем, что Солнце достигает пика своего солнечного цикла — периода усиления солнечных бурь, который происходит каждые 11 лет. Хотя пик цикла только что прошёл, ожидается, что более сильные, чем обычно, бури и необычно обширные полярные сияния сохранятся до 2026 года.
Это один из примеров того, что учёные называют «космической погодой», которая связана с взаимодействием Солнца и Земли. Не все последствия космической погоды приятны, а некоторые просто опасны. Но физика, лежащая в её основе, довольно интересна. Давайте разберёмся!
Дует на ветру
Солнце можно представить себе как огромный огненный шар, но это не так. (Огонь — это химическая реакция между кислородом и углеродом.) Солнце, по сути, представляет собой гигантский термоядерный реактор. В его ядре протоны сталкиваются под огромным давлением. Эти протоны слипаются, образуя ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. (Два протона распадаются на нейтроны).
Иллюстрация: Ретт АллейнНо погодите! Масса ядра гелия меньше, чем у четырёх протонов, с которых мы начали. Эта масса не теряется — она превращается в энергию, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc² , где E — энергия, m — масса, а c — скорость света. Последнее число огромно: свет движется со скоростью 300 000 километров в секунду, и эта скорость возводится в квадрат, а это значит, что даже крошечная потеря массы создаёт ОГРОМНОЕ количество энергии. Вот почему Солнце такое горячее: температура его ядра составляет 27 миллионов градусов по Фаренгейту. Да, это довольно горячо.
Под воздействием этой экстремальной жары газы во внешней части Солнца образуют плазму, в которой электроны отрываются от своих атомов, оставляя свободные электрические заряды (в основном электроны и протоны), летающие вокруг. Некоторые из них движутся достаточно быстро, чтобы преодолеть гравитационное притяжение Солнца. Эти выброшенные частицы и есть то, что мы называем «солнечным ветром».
Можно увидеть воздействие солнечного ветра, когда он сталкивается с кометой. Кометы – это, по сути, большие грязные снежки, вращающиеся вокруг Солнца по вытянутым эллипсам. При приближении к Солнцу их ледяное тело сублимируется и превращается в газ. Часть этого газа приобретает достаточно энергии для ионизации (электроны освобождаются от атомов), оставляя электрически заряженный газ. Затем, когда солнечный ветер сталкивается с кометой, он отталкивает этот ионизированный газ, образуя хвост длиной в десятки миллионов миль.
Почему сейчас?
Но что заставляет солнечный ветер так сильно возбуждаться каждые 11 лет? Как и у Земли, у Солнца есть магнитное поле, но оно крайне нестабильно. Поскольку Солнце не является твёрдым телом, разные его части вращаются с разной скоростью. Это приводит к искривлению и деформации его магнитного поля, и примерно каждые 11 лет оно фактически меняет полярность. Последний раз это произошло в 2013 году, и вот мы здесь.
Эти движущиеся линии магнитного поля могут прорываться сквозь поверхность, образуя солнечные пятна и впечатляющие гейзеры плазмы, известные как солнечные вспышки. Почему это происходит? Когда электрические заряды движутся, магнитное поле может их толкать и притягивать. Вы можете сами убедиться в этом, используя медный провод и батарейку. Если поместить провод рядом с неподвижным магнитом и соединить концы так, чтобы пошёл ток, провод начнёт двигаться. Посмотрите сами:
Видео: Ретт АллейнВот что происходит на пике солнечного цикла: извергающиеся магнитные поля вырывают свободные электроны и протоны из короны и выбрасывают их в космос со скоростью до 2,5 миллиона километров в час. Когда это происходит, происходит выброс корональной массы, и именно он стал причиной некоторых из самых интенсивных полярных сияний последних лет: три последовательных выброса массы в мае 2024 года вызвали сильнейшую солнечную бурю, обрушившуюся на Землю за последние десятилетия. Эксперты говорят, что результатом, возможно, стало самое яркое полярное сияние за последние 500 лет.
Почему небо светится?
Итак, последний вопрос: почему солнечный ветер заставляет атмосферу Земли так светиться? Ну, это примерно то же самое, что заставляет светиться неоновую вывеску вашего любимого паба.
Фотография: Ретт АллейнНеоновые лампы представляют собой стеклянные трубки, заполненные неоном или другими газами. При пропускании электрического тока от одного конца трубки к другому движущиеся электроны сталкиваются с электронами в неоне, переводя их на более высокий энергетический уровень. Когда эти электроны успокаиваются и возвращаются в основное состояние, они излучают свет. Цвет зависит от конкретного изменения энергии, поэтому разные газы, такие как аргон, ксенон или ртуть, дают разные цвета.
В северном сиянии дело не в неоне, а в газах атмосферы. Кислород даёт зелёный свет на малых высотах и красный на больших. Азот даёт синий или фиолетовый свет. Жёлтые и розовые цвета возникают из-за смешения газов и обычно возникают только во время самых мощных солнечных бурь. Эти газы возбуждаются сочетанием высокоэнергетических зарядов Солнца и собственного флуктуирующего магнитного поля Земли, что даёт этим частицам дополнительный импульс, вызывая более энергичные столкновения.
Подождите, так магнитное поле Земли тоже меняется? Да, и это вызвано самим солнечным ветром. Так же, как движущиеся заряды испытывают силу в магнитном поле, они также создают своё собственное магнитное поле. Когда на нас обрушивается поток заряженных частиц, поле Земли искривляется и искажается. Это заставляет его колебаться и приводит к впечатляющим световым шоу в небе.
Что не понравилось?
К сожалению, космическая погода — это не просто красивые огни. Для любого человека в космосе, будь то на Международной космической станции или даже в высотном самолёте, эти быстро движущиеся заряженные частицы представляют собой нежелательный выброс радиации. В данном случае это будет в основном бета-излучение, но возможно и присутствие альфа-частиц. (Вот вам напоминание о радиации.)
Это также негативно сказывается на спутниках. Накопление заряда может повредить электрические компоненты, необходимые для работы спутника (какой бы она ни была). Кроме того, по мере того, как Земля поглощает больше солнечной энергии, атмосфера нагревается, вызывая её расширение. Это увеличивает сопротивление космических аппаратов на низкой околоземной орбите, что приводит к их замедлению. В итоге: спутники могут сбиться с курса или упасть.
На Земле солнечные бури также могут нарушить работу систем связи и навигации, а также привести к отключению электроэнергии. Помните, как мы показывали, что электрический ток создаёт магнитное поле? Что ж, верно и обратное: изменяющееся магнитное поле может генерировать ток. Вот пример: у меня есть катушка провода, подключённая к измерительному прибору для измерения тока, но на этот раз батарейки нет. Когда я перемещаю магнит, в проводе возникает ток.
Видео: Ретт АллейнПредставьте, что этот провод — линия электропередачи. Небольшое изменение магнитного поля создаст дополнительный ток, который может пережечь предохранители, сжечь трансформаторы и всё такое. В 1859 году солнечные бури обрушились на телеграфные линии и даже привели к возгоранию телеграфных контор.
Меня всегда удивляло, как события на Солнце, в 93 миллионах миль отсюда, могут влиять на события на Земле. Но это правда. Это же космическая погода!
Источник: www.wired.com
