Шта узрокује различите боје ауроре? Стручњак објашњава електричну дугу

Прошле недеље, огромна сунчева бакља послала је талас енергетских честица са Сунца који су јурили кроз свемир. Током викенда, талас је стигао до копна, а људи широм света су уживали да виде необично сјајну аурору бореалис на обе хемисфере.

Иако је аурора бореалис обично видљива само у близини полова, примећена је овог викенда. Јужно до Хаваја На северној хемисфери, и Све до Мекеја на југу.

Чини се да је овај спектакуларни пораст активности аурора завршен, али не брините ако сте га пропустили. Сунце се приближава свом зениту Циклус сунчевих пега траје 11 годинаПериоди интензивног сумрака ће се вероватно вратити у наредних годину дана.

Ако сте видели аурору бореалис, или било коју од слика, вероватно се питате шта се тачно дешава. Шта чини сјај и различите боје? Одговор је све у атомима, како су узбуђени и како се опуштају.

Када се електрони сретну са атмосфером

Ауроре изазивају наелектрисане субатомске честице (углавном електрони) које се сударају са Земљином атмосфером. Ове елементе Сунце емитује све време, али их је више у временима веће сунчеве активности.

Већи део наше атмосфере заштићен је од протока наелектрисаних честица Земљиним магнетним пољем. Али близу стубова, могу се ушуњати и изазвати пустош.

Земљина атмосфера се састоји од око 20% кисеоника и 80% азота, са количинама у траговима других ствари као што су вода, угљен-диоксид (0,04%) и аргон.

Када се електрони велике брзине сударе са молекулима кисеоника у горњој атмосфери, они цепају молекуле кисеоника (О₂) на појединачне атоме. Ултраљубичасти зраци сунца такође раде ово, а генерисани атоми кисеоника могу да реагују са молекулима О₂ да би произвели озон (О₃), молекул који нас штити од штетних УВ зрака.

Али у случају ауроре, генерисани атоми кисеоника су у узбуђеном стању. То значи да су електрони атома распоређени на нестабилан начин и да се могу „опустити“ ослобађањем енергије у облику светлости.

Шта чини зелено светло?

Као што можете видети у ватромету, атоми различитих елемената производе различите боје светлости када су под напоном.

Атоми бакра дају плаво светло, атоми баријума дају зелено светло, а атоми натријума производе жуто-наранџасту боју коју сте можда видели и на старим уличним светиљкама. Ове емисије су „дозвољене“ према правилима квантне механике, што значи да се дешавају веома брзо.

Када је атом натријума у ​​побуђеном стању, он остаје тамо само 17 милијардитих делова секунде пре него што емитује жуто-наранџасти фотон.

Међутим, у аурори, многи атоми кисеоника се стварају у побуђеним стањима без „дозвољених“ начина да се опусте емитујући светлост. Међутим, природа проналази начин.

Зелено светло које доминира аурором емитују атоми кисеоника који се опуштају из стања званог „¹С“ у стање које се зове „¹Д“. Ово је релативно спор процес, који у просеку траје око пуну секунду.

У ствари, ова транзиција је толико спора да се нормално не би догодила на ваздушном притиску који видимо на нивоу тла, јер би побуђени атом изгубио енергију сударајући се са другим атомом пре него што би имао прилику да пошаље прелепи зелени фотон. Али у горњим слојевима атмосфере, где је мањи ваздушни притисак, а самим тим и мање молекула кисеоника, они имају више времена пре него што се сударе један са другим и тако имају прилику да ослободе фотон.

Из тог разлога, научницима је требало много времена да схвате да зелено светло ауроре долази од атома кисеоника. Жуто-наранџасти сјај натријума био је познат 1860-их, али није препознат све до 1920-их. канадски научници Открио сам да је крепускуларна зелена боја последица кисеоника.

Шта чини светло црвеним?

Зелено светло долази из такозване „забрањене“ транзиције, која се дешава када електрон у атому кисеоника направи неочекивани скок са једног орбиталног узорка на други. (Забрањени прелази су много мање вероватни од дозвољених, што значи да им је потребно више времена да се догоде.)

Међутим, чак и након емитовања тог зеленог фотона, атом кисеоника се налази у другом побуђеном стању без допуштања релаксације. Једини излаз је преко другог блокираног прелаза, из стања ¹Д у стање ³П – које емитује црвено светло.

Овај прелаз је додатно блокиран, да тако кажем, и стање ¹Д мора да остане око два минута пре него што коначно може да прекрши правила и упали црвено светло. Пошто траје толико дуго, црвена светлост се појављује само на великим висинама, где су судари са атомима и другим молекулима ретки.

Такође, пошто тамо постоји мала количина кисеоника, црвена светлост се појављује само у интензивним аурорама, попут оних које смо управо видели.

Због тога се црвено светло појављује изнад зеленог. Док оба произилазе из забрањене релаксације атома кисеоника, црвена светлост се емитује много спорије и има веће шансе да буде угашена сударима са другим атомима на нижим висинама.

Друге боје, и зашто их камере боље виде?

Док је зелена најчешћа боја која се види у аурори бореалис, а црвена друга најчешћа, постоје и друге боје. Конкретно, јонизовани молекули азота (Н₂⁺, којима недостаје један електрон и имају позитиван електрични набој), могу да емитују плаво и црвено светло. Ово може произвести љубичасту боју на нижим надморским висинама.

Све ове боје су видљиве голим оком ако је аурора довољно светла. Међутим, јаче се појављују у тражилу.

За то постоје два разлога. Прво, камере имају предност дуге експозиције, што значи да могу потрошити више времена на прикупљање светлости да би произвеле слику него наше очи. Као резултат тога, могу да сниме фотографију у мрачним условима.

Други разлог је тај што сензори боја у нашим очима не функционишу добро у мраку, па смо склони да видимо црно-бело у условима слабог осветљења. Камере немају ово ограничење.

Ипак, нема потребе за бригом. Када је аурора довољно светла, боје су јасно видљиве голим оком.

Прочитајте више: Шта је аурора бореалис и зашто долази у различитим облицима и бојама? Два стручњака објашњавају