забавна наука
Яростта на Слънцето предизвика спиращи дъха полярни сияния по целия свят. Защо виждаме различни цветове?
Миналата седмица огромно слънчево изригване изпрати вълна от енергийни частици от Слънцето, прекосили космоса и до нашата планета. През уикенда вълната достигна Земята и хората по света се насладиха на гледката на необичайно ярко сияние в двете полукълба. Докато полярното сияние обикновено се вижда само близо до полюсите, този уикенд то беше забелязано на юг и на север почти по цялата планета, включително в някои населени места и у нас. Този грандиозен скок в авроралната активност изглежда е приключил, но не се притеснявайте, ако сте пропуснали. Слънцето наближава пика на своя 11-годишен цикъл на слънчеви петна и е вероятно периоди на интензивно сияние да се върнат през следващата година.
Ако сте видели полярното сияние или някоя от снимките, може би се чудите какво точно се случва. Какво прави блясъка и различните цветове? Отговорът е изцяло в атомите! Ако ви е по-интересно, четете и по-надолу!
Когато електроните срещнат атмосферата
Полярните сияния се причиняват от заредени субатомни частици (предимно електрони), които се разбиват в земната атмосфера. Те се излъчват от Слънцето през цялото време, но има повече по време на по-голяма слънчева активност. По-голямата част от нашата атмосфера е защитена от притока на заредени частици от магнитното поле на Земята. Но близо до полюсите те могат да се промъкнат и да предизвикат хаос. Атмосферата на Земята се състои от около 20% кислород и 80% азот, с някои следи от други неща като вода, въглероден диоксид (0,04%) и аргон. Когато високоскоростните електрони се разбиват в кислородни молекули в горните слоеве на атмосферата, те разделят кислородните молекули (O₂) на отделни атоми. Ултравиолетовата светлина от Слънцето също прави това и генерираните кислородни атоми могат да реагират с O₂ молекули, за да произведат озон (O₃), молекулата, която ни предпазва от вредното UV лъчение. Но в случая на полярното сияние, генерираните кислородни атоми са във възбудено състояние. Това означава, че електроните на атомите са подредени по нестабилен начин, който може да се „отпусне“, като отдели енергия под формата на светлина.
Как се получава зелената светлина?
Както може да се види във фойерверките, атомите на различни елементи произвеждат различни цветове светлина, когато са заредени с енергия. Медните атоми дават синя светлина, барият е зелен, а натриевите атоми произвеждат жълто-оранжев цвят, който може да сте виждали и в по-стари улични лампи. Тези емисии са „разрешени“ от правилата на квантовата механика, което означава, че се случват много бързо. Когато натриевият атом е във възбудено състояние, той остава там само около 17 милиардни от секундата, преди да изстреля жълто-оранжев фотон. Но в полярното сияние много от кислородните атоми се създават във възбудени състояния без „позволени“ начини да се отпуснат чрез излъчване на светлина. Въпреки това природата намира начин. Зелената светлина, която доминира в полярното сияние, се излъчва от кислородни атоми, които се отпускат от състояние, наречено „¹S“, в състояние, наречено „¹D“. Това е относително бавен процес, който отнема средно почти цяла секунда. Всъщност този преход е толкова бавен, че обикновено няма да се случи при вида на въздушното налягане, което виждаме на нивото на земята, защото възбуденият атом ще е загубил енергия, като се е сблъскал с друг атом, преди да има шанс да изпрати прекрасно зелен фотон.
Как се получава червената светлина?
Зелената светлина идва от така наречения „забранен“ преход, който се случва, когато електрон в кислородния атом извърши малко вероятен скок от един орбитален модел към друг. (Забранените преходи са много по-малко вероятни от разрешените, което означава, че отнемат повече време, за да се появят.) Въпреки това, дори след излъчване на този зелен фотон, кислородният атом се оказва в още едно възбудено състояние без позволена релаксация. Единственото спасение е чрез друг забранен преход, от състояние ¹D към състояние ³P – което излъчва червена светлина.
Други цветове и защо камерите ги виждат по-добре
Докато зеленият цвят е най-често срещаният цвят в полярното сияние, а червеният вторият най-често срещан, има и други цветове. По-специално, йонизираните азотни молекули (N₂⁺, които нямат един електрон и имат положителен електрически заряд), могат да излъчват синя и червена светлина. Това може да доведе до лилав оттенък на ниска надморска височина. Всички тези цветове се виждат с просто око, ако полярното сияние е достатъчно ярко. Те обаче се показват с по-голяма интензивност в обектива на камерата. Причините за това са две. Първо, камерите имат предимството на дълга експозиция, което означава, че могат да прекарат повече време в събиране на светлина, за да създадат изображение, отколкото нашите очи могат. В резултат на това те могат да направят картина при по-слаби условия. Второто е, че цветните сензори в очите ни не работят много добре на тъмно – така че сме склонни да виждаме черно-бяло при условия на слаба светлина. Камерите нямат това ограничение. Не се притеснявайте обаче. Когато полярното сияние е достатъчно ярко, цветовете са ясно видими с просто око.
Вижте още:
