Как получается красное северное сияние?

Question

В Крыму 5 ноября наблюдали северное сияние. Это бывает. Возмущение магнитного поля Земли порядка процента, наверное этого хватает. Но цвет? Цвет определяется рекомбинацией атомов/молекул газов атмосферы, азота и кислорода. Т.е. цвет определяется спектром газов. Нашёл, что красный - молекулы из нижнего слоя, зелёный атомы сверху. Но тогда правое фото понятно. Поток ветра работает по всей высоте атмосферы. Был бы зелёный, это означало бы, что весь поток поглотился наверху. Но красный? Почему наверху ничего не возбудилось? Энергии не хватило?

Answer 1

В Газете.ру передовая статья, где написано, что нынешнее северное сияние вызвано мощным плазменным выбросом из Солнца, ударившим по магнитному полю Земли.Поэтому северные сияния наблюдались по всей Земле-вероятно, потому же и цвет красный.Пишут, такого выброса 20 лет не было-почитайте статейку..

Comments

Анне. Выброс-то сильный, но цвет от интенсивности не зависит. Должен бы зависеть от энергии. И судя по статейкам/фотографиям был момент когда пришли монохроматические, относительно малоэнегетичные протоны, которые прошли верхние слои и возбудили свечение в нижних, там где кислород молекулярный. Эта картинка мне странной и показалась. Обычно протоны разных энергий приходят одновременно.

Answer 2

Наверное глупость сейчас напишу, но читал где-то что северное сияние как радуга всегда содержит 7 основных цветов спектра.

А цвет, который видит наблюдатель, зависит от широты местонахождения этого наблюдателя. Чем он севернее, тем больше цветов видит. На юге видна только самая верхняя часть этой "радуги", остальное заслоняет горизонт.

Возможно, что-то неправильно понял.

Comments

Аль67. Не проходит. Обе фотографии в один день в одном месте. И 7 цветов сомнительно. Вроде столько видимых линий в спектре азота и кислорода нет. Хотя тут я могу сглупить.

Answer 3

Выдвину свою гипотезу по этому поводу. Обычно для любого вещества существует очень много линий поглощения и излучения. Для водородоподобных атомов они точно рассчитываются по формуле Ридберга. Но грубо примерно подходят для любых атомов. Для азота и кислорода, спектр возможных излучений очень широк, от инфракрасного до ультрафиолетового, возможно и дальше. Но максимум будет наблюдаться на той энергии фотона, которая примерно соответствует энергии частицы солнечного ветра, вызвавшей это излучение. Грубо говоря - один протон врезается в атом азота, переводит один из электронов на нестационарную орбиталь, после чего электрон сбрасывает лишнюю энергию и возвращается на исходную орбиталь. Если у протона мало энергии, он не может в результате этого процесса дать более энергичные фотоны, чем красные.

Обычно полярное сияние происходит около магнитных полюсов, и это происходит потому что магнитное поле Земли у полюсов сильнее. Оно добавляет энергии частицам солнечного ветра. В районе полюсов в результате этого процесса, может получиться весь спектр, вплоть до фиолетового.

Обычно в южных широтах частицы вообще не доходят до атмосферы. Но при очень сильном солнечном выбросе, дойти могут. В южных широтах они не получают приращение энергии от магнитных полюсов, поэтому в основном наблюдается низкоэнергетическое красное свечение.

Comments

1) Вы абсолютно правы. Единственно вызывет сомнение "Оно добавляет энергии частицам солнечного ветра." По мне частицы дрейфуют по магнитному полю и что там добавлять , если сила перпендикулярна скорости.
2) Я не могу найти толковых спектров, но качественно

3) Меня удивляет монохроматичность красного цвета. Означает ли это, что пришли частицы с одной энергией? А потом, когда появилось зелёное свечение с энергией побольше, а "синие" так и не добежали?
По фото непонятно, что раньше/что позже. Обычно все приходят одновременно? Фото сияния чаще многоцветные.

---

Вот ещё такое увидел:
"Полярное сияние происходит из-за того, что частицы солнечного ветра сталкиваются с верхней атмосферой Земли. Это приводит к возбуждению атомов и молекул газов, входящих в её состав. Они начинают излучать в разных спектральных линиях, и тогда мы видим полярное сияние, - говорит научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Вячеслав Авдеев. - Его цвет зависит от высоты, с которой идёт излучение. При большей плотности газов, то есть в более низких слоях атмосферы, оно бывает зелёным, а в верхних слоях – красным.

Представим, что это такой торт: наверху находится красный «крем», а внизу – зелёное «тесто». Поскольку сияние происходит в верхних (северных) широтах планеты, наблюдателю, находящемуся на юге, будет лучше видна его «шапка». Таким образом, чем южнее наблюдатель, тем больше он видит красный «крем» и тем меньше – зелёное «тесто». А чем он севернее, тем больше будет смешения цветов и тем разнообразнее картина». 

---

что там добавлять , если сила перпендикулярна скорости.

В этом случае добавляется скорость по другой оси, они складываются векторно. Энергия Е=m*V^2/2. Энергия увеличивается в квадратичной зависимости.

Означает ли это, что пришли частицы с одной энергией? А потом, когда появилось зелёное свечение с энергией побольше, а "синие" так и не добежали?

Лично я думаю, что нет. Разброс очень большой, может даже в разы. Если энергия большинства частиц 1-2 эВ, то максимум света будет в диапазоне от инфракрасного до красного. Но инфракрасный мы не видим, поэтому кажется, что кроме красного ничего нет (монохроматичность).

Если энергия фотона 2-3 эВ (такой же разброс), то можно наблюдать всё что угодно от оранжевого до фиолетового. Это всего лишь моя гипотеза, поэтому не надо ей сильно доверять.

Его цвет зависит от высоты, с которой идёт излучение. При большей плотности газов, то есть в более низких слоях атмосферы, оно бывает зелёным, а в верхних слоях – красным.

Думаю, что он не прав. Плотность газов - это количественная характеристика, от неё будет зависеть яркость, но никак не цвет. Цвет будет зависеть по большей части от энергии частицы солнечного ветра и немного от строения атома.

---

Владимиру.
"В этом случае добавляется скорость по другой оси" Сила Лоренца совершает работу?

"Думаю, что он не прав". А если речь не о плотности, а о составе? Азот легче, он скорее наверху и там сияет красным.

---

Сила Лоренца совершает работу?

Вы наверное представляете силу Лоренца в абсолютно идеальном однородном магнитном поле, где силовые линии идеально прямые. Я это представляю не так.

Я думаю, что на одинаковой высоте, индукция в районе экватора будет сильно отличаться от индукции полярных районов. Разница индукций по любому должна создать разницу энергий.

---

Владимиру. Разве что спин учитывать. Сам Лоренц [V*B] векторно и модуль скорости менять не может