25 и 26 декабря 2022 года над Арктикой наблюдалось странное, невероятно рассеянное и широко распространенное сияние. Хотя большинство полярных сияний ярко окрашены и образуют на небе четко видимые узоры, это полярное сияние было тусклым и не имело четких особенностей. Недавнее исследование предполагает, что это редкое явление связано с потоком высокоэнергетических электронов, исходящих непосредственно из солнечной короны.
Полярные сияния, возникающие на высоте от 100 до 300 километров, представляют собой впечатляющие световые явления, вызванные взаимодействием заряженных частиц (электронов) Солнца с атомами и молекулами в нашей атмосфере. Эти частицы образуются в результате выбросов корональной массы (КВМ) после солнечной вспышки. Достигнув Земли, они движутся вдоль линий магнитного поля Земли и скапливаются к полюсам в области, известной как «магнитный хвост».
Собравшись, электроны ускоряются и сталкиваются с атомами и молекулами атмосферы, создавая большие цветные шлейфы света. Синий цвет указывает на взаимодействие с азотом, а зеленый или красный — на взаимодействие с атомами кислорода, в зависимости от высоты над уровнем моря. Полярные сияния могут возникать и в более низких широтах, в зависимости от интенсивности КВМ, как это было в мае прошлого года.
Однако если обычно полярные сияния образуют на небе яркие, четко различимые узоры, то существует очень редкий тип полярных сияний, не отличающийся ни яркостью, ни характерным рисунком. Эти явления, известные как «полярные дождевые сияния», до сих пор наблюдались орбитальными спутниками очень редко.
Полярное сияние, сфотографированное в декабре 2022 года в норвежском Лонгйирбюене, является первым подобным явлением, наблюдавшимся с Земли. Запечатленная с помощью камеры EMCCD (All-Sky Electron Multiplying Charge-Coupled Device), она предстала в виде слабого зеленоватого свечения, простирающегося на расстояние около 4 000 километров.
Последовательность изображений полярного дождевого сияния, снятая спутником SSUSI/DMSP в Северном полушарии, 25-26 декабря 2022 г.
Явление, которому благоприятствует временное и почти полное уменьшение солнечного ветра
Чтобы определить природу полярного сияния 2022 года, японские исследователи проанализировали данные с датчиков сканирования ультрафиолетовых изображений на полярно-орбитальных метеорологических спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). Анализ показал, что это явление обладает всеми характеристиками полярного дождевого сияния.
Это явление возникает, когда в солнечной короне образуется «дыра». Вместо того чтобы закручиваться вниз, возникающие линии магнитного поля разворачиваются наружу. В результате эти линии магнитного поля образуют нечто вроде гигантской воронки, выходящей из основания корональной дыры. Это вызывает выпадение высокоэнергетических электронов, известных как «полярный дождь», скорость которого составляет около 800 километров в секунду. Для сравнения, скорость солнечного ветра составляет в среднем 400 километров в секунду.
Это означает, что полярные сияния вызываются электронами, летящими прямо из солнечной короны. «Источником этого полярного дождя и соответствующих ему полярных сияний является поток сверхтепловых электронов, движущихся от Солнца вдоль открытых линий магнитного поля, которые соединяют полярную шапку Земли с корональной дырой на поверхности Солнца«, — объясняют исследователи в своей работе.
Важно отметить, что этот тип наблюдений крайне редок, и для выявления его природы потребовалось несколько лет исследований. Кроме того, лишь несколько оптических наземных станций наблюдения достаточно чувствительны к слабым излучениям, вызванным полярными дождевыми сияниями. Не говоря уже о том, что пространственно-временное разрешение спутниковых снимков недостаточно высоко, чтобы с легкостью наблюдать это сияние.
С другой стороны, появлению полярных сияний способствовало почти полное и временное уменьшение плотности солнечного ветра. «Интенсивные полярные сияния обычно происходят, когда плотность солнечного ветра низкая, а это значит, что интерференция кулоновского рассеяния с выровненным по полю движением электронов Страла на Солнце сведена к минимуму«, — говорят эксперты. Кулоновское рассеяние означает силу электрического взаимодействия с заряженными частицами. Проще говоря, поток высокоэнергетических электронов беспрепятственно достиг Земли.
Более того, полярное сияние было очень обширным и без особенностей, поскольку магнитная воронка, исходящая из солнечной корональной дыры, охватывала площадь, намного превышающую полярную шапку Земли. По данным исследователей, ее диаметр составлял почти 7 500 километров. Более того, учитывая, что электроны обладают высокой энергией, полярное сияние было полностью зеленым из-за сильной ионизации кислорода, присутствующего в верхних слоях атмосферы. Хотя такие полярные сияния обычно не видны с земли, энергетическая интенсивность (более 1 кэВ) потока электронов увеличила их видимость, по словам команды. Результаты исследования подробно изложены в журнале Science Advances.
