Полярні аврори: чому їх видно навіть в Україні?

729 14/10/2024 13/10/2024

Аурора полярна Метеорологія космічна

У цій статті

1. Полярні аврори на низьких широтах
2. Як виникає аурора
3. Сонячні цикли
4. Що особливого в Циклі 25?
5. Що очікувати в майбутньому?

Полярні аврори на низьких широтах

Наприкінці 2024 року спостерігалися численні випадки полярних аврор там, де їх зазвичай не видно.

Ніч з 10 на 11 травня 2024 року запам'ятається багатьом, адже люди мали можливість спостерігати справжнє рідкісне явище.

Не доводилося їхати до Ісландії: північне сяйво можна було побачити прямо над дахами будинків у Сполучених Штатах, на півострові Юкатан у Мексиці, на Багамах, у Ямайці та навіть на Гаваях. Не кажучи вже про Португалію, Іспанію та Італію, до небес Алжиру та Канарських островів.

В Азії явище також не обійшло стороною японців, жителів північної Індії, а також Південної Кореї і північного Китаю, включаючи Пекін.

На південному півкулі (тут спостерігалося південне сяйво) видовище було помічено в Австралії до Квінсленду, у Новій Зеландії, Чилі, Аргентині, Південній Африці, Уругваї, південному Бразилії та Намібії.

Феномен аурори, зафіксований в Лігурії, Італія. Автор: Еліза Каваллі

Звичайно, явище не завжди було яскравим: у віддаленіших від полюсів регіонах воно часто з'являлося в приглушених кольорах, статичним і ледь помітним, але все ж таки було, і цього було достатньо, адже з моменту останнього такого явища у 2003 році технології зйомки — навіть у «простих» мобільних телефонах — значно покращилися, що дозволило зберегти незабутні спогади.

Це призвело до справжнього буму зображень на соціальних платформах.

Негативні наслідки

Але не все було так безхмарно: це явище також спричинило деякі проблеми, зокрема у радіозв'язку, особливо в діапазоні HF (3-30 МГц), меншою мірою в діапазонах VHF (30-300 МГц) і UHF (300 МГц - 3 ГГц). Причина цих збоїв пов'язана з явищем, яке генерує аурору, про що ми поговоримо далі. Слід зазначити, що це явище збільшило щільність іоносферного шару, що призвело до підвищення його здатності поглинати радіохвилі, ускладнюючи їхнє поширення.

З точки зору електричних компаній, ситуація змінилася з 1989 року, коли інша сонячна буря призвела до відключення електрики в Квебеку на дев'ять годин: сьогодні установки будуються і управляються по-іншому, і не було зафіксовано особливо неприємних відключень. AT&T і NOAA повідомили про незвичайності в електромережах та погіршення GPS комунікацій і радіозв'язку в високих частотах, а в деяких регіонах, таких як Нова Зеландія, було здійснено добровільне попереджувальне відключення. В університеті Вікторії було зафіксовано, як магнітна активність активувала компаси в підводних спостереженнях на глибинах до 2,7 км.

У порівнянні з 1989 і 2003 роками технології покращилися, але змінилися, і цього разу деякі проблеми відчули дрони: втрати орієнтації через погіршення GPS, а в деяких випадках навіть падіння.

Супутники також стикнулися з труднощами: GOES-16 (метеорологічний геостаціонарний) призупинив завантаження даних на близько двох годин, в той час як Starlink зазнали погіршення сервісу, хоча залишалися працездатними. Проблеми з електрикою виникли у зонді Gaia від ESA.

Як виникає аурора

Аурора виникає внаслідок взаємодії сонячних частинок з магнітним полем Землі.

У ці дні ми багато дізналися про полярну ауру, але також виявили, що існує інше явище під назвою SAR (Stable Auroral Red arc).

Обидва випадки є оптичними явищами, пов'язаними з взаємодією сонячних частинок і магнітосфери Землі, але є важливі відмінності в причинах і видимості.

Полярна аурора та її походження

Полярна аурора (бореальна на північному півкулі, австралійська на південному) виникає внаслідок взаємодії заряджених частинок, що походять від сонячного вітру, з газами, що знаходяться у верхніх шарах атмосфери Землі, званими іоносферою. Ці гази переважно складаються з кисню та азоту.

Механізм, що запускає аури, починається на Сонці і закінчується на Землі:

1. Випромінювання сонячних частинок: Сонце випромінює "сонячний вітер", що живиться від ядерного синтезу всередині зірки, який генерує енергію і вивільняє заряджені частинки (протони, електрони та ядра гелію) у вигляді сонячного вітру. Ці частинки рухаються дуже швидко, часто більше 400 км/год, і досягають Землі за кілька днів, зазвичай за два або три. Окрім сонячного вітру, Сонце може вивільняти флери (вибухи), які є раптовими викидами енергії, здатними вивільняти великі кількості радіації та енергетичних частинок, а також викиди корональної маси (CME), тобто плазми та магнітного поля, виведених з сонячної корони, створюючи потоки енергетичних заряджених частинок.
2. Взаємодія з магнітосферою: Сонячний вітер досягає Землі і вдаряє по магнітосфері. Вона діє як щит, відхиляючи більшість заряджених частинок, але деякі з них можуть проникнути через два ключові процеси:
   • Магнітний шок: Коли сонячний вітер вдаряє по магнітосфері, він викликає "шок", який може стиснути і порушити магнітне поле Землі.
   • Магнітне з'єднання: Якщо магнітне поле сонячного вітру має протилежний напрямок до магнітного поля Землі, може відбутися "магнітне з'єднання", процес, при якому лінії магнітного поля сонячного вітру зливаються з лініями Землі. Це відкриває "двері" в магнітосферу і дозволяє зарядженим частинкам проникати всередину.
3. Слідування вздовж магнітних ліній: Заряджені частинки, що входять у магнітосферу, не рухаються безпосередньо до Землі, а затримуються в поясах Ван Аллена, кільцевих зонах навколо планети, де ці частинки затримуються і прискорюються. Потім ці частинки рухаються до полюсів, слідуючи лініям магнітного поля Землі, які сходяться в полярних регіонах. При наближенні до полюсів ці частинки спірально рухаються вздовж магнітних ліній і ще більше прискорюються.
4. Стик з іоносферою: Коли частинки з високою енергією (переважно електрони) досягають високої атмосфери Землі (на висоті близько 100-400 км), вони взаємодіють з газами, що містяться в іоносфері, зокрема з киснем та азотом. Це критичний етап, який генерує аури через атомну збудженість: заряджені електрони передають свою енергію атомам і молекулам кисню та азоту, збуджуючи їх.
5. Світлове випромінювання: Коли ці атоми та молекули повертаються до свого нормального енергетичного стану, вони вивільняють енергію у вигляді світла. Це явище рекомбінації атомів та подальшого світлового випромінювання може відбуватися на різних висотах, що, власне, і формує характерні кольори аур:
   • Зелений: Це найпоширеніший колір, що походить від кисню на висоті близько 100-250 км.
   • Червоний: Походить від кисню на більших висотах, вище 250 км, де щільність атмосфери дуже низька.
   • Фіолетовий/Синій: Ці менш поширені кольори походять від іонізованого азоту і спостерігаються на менших висотах (нижче 100 км).

Форма аури

Типова форма аури, спостережувана на глобальному рівні, є овалом (так званий auroral oval), смуга, що оточує магнітні полюси, зазвичай обмежена полярними колами, але може просуватися на нижчі широти в залежності від сили сонячного вітру. Геомагнітні бурі, спричинені викидами корональної маси (CME) або сильними поривами сонячного вітру, можуть посилити цей процес, приводячи велику кількість заряджених частинок до Землі, деформуючи магнітне поле і викликаючи набагато більш інтенсивні аури, видимі на нижчих широтах.

Приклад аурорального овалу. Автор: NOAA Space Weather Prediction Center

У вертикальному сенсі аури можуть набувати різних форм, таких як арки, смуги, намети або спіралі, а їх рух на небі виглядає швидким через постійні та швидкі взаємодії між сонячним вітром та магнітосферою.

Stable Auroral Red arc (SAR)

Якщо те, що ви спостерігали на своїх небесах, не відповідає описаному вище, оскільки ви бачили лише червоний колір і не відчули цього динамізму форм, то, ймовірно, візуальний ефект, що був над вашими головами, не був справжньою полярною аурою, а SAR (Stable Auroral Red arc).

Це не просто термінологія, що вказує на менш інтенсивне та більш статичне явище (власне, назва явища досить промовиста: Стабільний червоний арк), але й вказує на інший процес утворення цього типу небесного видовища. SAR, насправді, не викликаний прямим впливом сонячних частинок на іоносферу, а походить від повільнішого енергетичного нагрівання, що відбувається в верхній частині іоносфери, що називається плазмосферою. Нагрівання, в даному випадку, викликане енергетичними розсіюваннями, що виникають під час геомагнітних бур, які здатні нагрівати електрони на нижчих широтах, ніж ті, на яких виникають типові аури. SAR є характерними для більш низьких широт (зазвичай між 45 і 60° широти) і з'являються у вигляді стабільних арок на небі, червоного кольору, зумовленого збудженням кисню на висоті понад 400 км.

З огляду на типову широту SAR, що коливається між 45 і 60 градусами, можна помітити, що країни, такі як Італія, не є такими вже й далекими від подібних явищ, і шум навколо цього починає потроху зменшуватися, стаючи майже "нормальним" явищем. У минулому подібні явища спостерігалися у 2003 та 1989 роках. Але те, що сталося в травні 2024 року, не було лише SAR у північних регіонах.

Сонячні цикли

Активність Сонця можна передбачити, хоча й приблизно, оскільки вона слідує певним циклам. Найбільш впливовим на Землю є цикл тривалістю одинадцять років.

Передбачення сонячної активності стало предметом нових напрямків астрофізики, таких як Прогноз сонячної активності або Прогноз космічної погоди, подібно до традиційних прогнозів погоди, до яких ми звикли.

Прогнозування активності Сонця спрощується завдяки сонячним циклам — періодичним змінам в активності Сонця, які характеризуються коливаннями у кількості сонячних плям та змінами в магнітному полі нашої зірки. Середня тривалість кожного циклу становить близько 11 років, хоча може варіюватися. Цикл проходить через період мінімальної сонячної активності, що характеризується відсутністю або майже відсутністю сонячних плям, до максимуму сонячної активності, з великою кількістю плям, і назад до мінімуму.