Когда заряженные солнечные частицы попадают в атмосферу Земли, они вызывают в небе световое шоу. Теперь стало ясно, как образуются такие полярные сияния. Но можно ли их не только видеть, но и слышать, уже давно является предметом споров. В последние годы научные исследования позволили по-новому взглянуть на это явление. Танцующие разноцветные огни в небе уже давно восхищают людей. Помимо северного сияния, также известного как северное сияние, в северных широтах аналогичные явления происходят и в южном полушарии. Здесь их называют южным сиянием или полярным сиянием. Оба светящихся явления имеют одно и то же происхождение: заряженные частицы от Солнца.
Солнечные частицы летят к Земле со скоростью около трехсот километров в секунду. Он в основном состоит из электронов и протонов, которые в конечном итоге сталкиваются с магнитным полем Земли на своем пути и направляются вдоль силовых линий к полюсам. Там заряженные частицы попадают в атмосферу Земли, где сталкиваются с молекулами воздуха. При этом они передают энергию молекулам, которые чуть позже вновь отдают их, загораясь. Эти процессы обычно происходят на высоте от восьмидесяти до трехсот километров.
Цвет полярных сияний зависит от типа молекулы, с которой сталкиваются заряженные частицы. Возбужденные атомы кислорода дают красный и наиболее часто наблюдаемый зелёный цвет. Фиолетовый и синий свет также может производиться атомами азота.
Сообщения людей из Скандинавии и других стран, расположенных за полярным кругом, о том, что треск и треск можно услышать одновременно со световым шоу, долгое время считались сказками. Находясь более чем в ста километрах, северное сияние казалось слишком далеким, чтобы его звуки можно было услышать на таком расстоянии. Без поддающихся анализу записей и без точной локализации источника шума невозможно было подтвердить его существование и найти ему объяснение.
Доказательства шума
Исследовательская группа под руководством Унто Лайне из Университета Аалто в Финляндии начала делать первые аудиозаписи звуков северного сияния в 2000 году. Их цель состояла в том, чтобы сначала обнаружить звук, а затем определить источник. Учёные пытались записать искомые звуки в разных местах и в несколько ночей, когда можно было увидеть северное сияние, и с успехом. Они также исследовали магнитное поле в соответствующих областях. В дополнение к шуму также должно быть внезапное изменение магнитного поля в источнике, которое должно быть измерено в виде магнитного импульса. Фактически, команде удалось измерить соответствующие колебания магнитного поля.
Магнитные импульсы распространяются со скоростью света, а звуки распространяются со скоростью звука. Следовательно, двум сигналам требуется разное время для одного и того же расстояния — по этой разнице можно определить расстояние от земли до источника шума. «Задержка между колебаниями магнитного поля и шумом дает вам величину источника. Судя по этим измерениям, она должна быть около семидесяти-восьмидесяти метров в высоту», — говорит Лейн. Исследователь и его коллеги оценили данные Финского метеорологического института о геомагнитной активности Земли и, таким образом, смогли установить конкретную связь между шумом и световыми явлениями.
Инверсионный слой обеспечивает тона
Однако исследователи не смогли дать точного объяснения тому, как генерируются звуки в это время. Остался без ответа и вопрос, почему северное сияние можно услышать только в одни ночи, а в другие нет. Ученые догнали это в новом исследовании, которое они представили в 2016 году. Таким образом, погодные условия являются важным фактором того факта, что шум вообще может возникнуть. «Чтобы услышать звуки полярного сияния, необходима ясная и безветренная погода», — говорит Лайне. Причиной этого является так называемый инверсионный слой, который образуется только в таких условиях.
В норме температура воздуха снижается с увеличением высоты. Однако в ясные и безветренные зимние ночи этот температурный градиент может быть обратным: если земля значительно остывает ночью, слой воздуха у земли становится холоднее, чем слой воздуха над ним. Между ними образуется инверсионный слой. Это действует как своего рода крышка, которая предотвращает смешивание верхних и нижних слоев воздуха. В таких погодных условиях, по словам Лайне, отрицательные ионы могут скапливаться внизу пограничного слоя, на высоте от семидесяти до восьмидесяти метров. Из-за повышенной проводимости в верхних слоях атмосферы, возникающей во время северного сияния, одновременно до верхней кромки инверсионного слоя доходит больше положительных ионов. «В некотором смысле этот слой образует гигантский заряженный конденсатор», — говорит Лейн.
Это электрическое напряжение увеличивается в результате дополнительных носителей заряда. Чем выше напряжение, тем больше вероятность того, что произойдет внезапный разряд. Такой разряд производит потрескивающий и хлопающий звук — и магнитный импульс, измеренный Лайном и его коллегами. В дополнение к геомагнитной активности, которая возникает во время северного сияния, погодные условия также имеют решающее значение для возникновения шума. «Небольшой порыв ветра может разрушить эту конструкцию. Это также объясняет, почему я не могу уловить звуки северного сияния, когда уже дует слабый ветер», — говорит Лейн.
Лейн и его коллеги теперь могут использовать научные методы, чтобы доказать звуки северного сияния. Однако исследователи до сих пор ломают голову над деталями их поколения. Пока им не удалось выяснить, что вызывает разрядку инверсионного слоя. «Физика, стоящая за такими слоями, кажется очень сложной и удивительной», — заключает Лейн. В будущем учёные также хотят поработать над этим вопросом.
Очень красиво!