От спокойного неба до бури: что происходит с химией полярных сияний

Учёные из Полярного геофизического института в Апатитах выяснили, какие электроны чаще всего вызывают полярные сияния в полуночном секторе авроральной зоны — той части неба над северными широтами, где сияния наблюдаются наиболее часто, — и как при этом меняется содержание окиси азота в атмосфере. Работа опирается на численное моделирование и на статистику почти 58 тысяч реальных авроральных событий, зарегистрированных камерами всего неба в северной Финляндии и Швеции в зимние сезоны 2000–2007 годов.

Ключевой инструмент исследования — высота, на которой свечение иона молекулярного азота с длиной волны 427,8 нм достигает максимума. Эта голубая эмиссия возникает там, где высыпающиеся из космоса электроны теряют больше всего энергии, и её высота напрямую связана со средней энергией электронного потока. Моделирование показало удобную закономерность: высота максимума почти не зависит от формы энергетического спектра электронов и от того, как они распределены по углам входа в атмосферу, — её определяет прежде всего средняя энергия потока. Это позволило перевести наблюдённое распределение высот в распределение средних энергий. Максимум получился в области 3–4,5 кэВ, а наиболее вероятное значение — около 3,5 кэВ. Иными словами, типичное полярное сияние в полуночном секторе создают электроны со средней энергией в несколько тысяч электрон-вольт.

Второй результат касается окиси азота — газа, который, хотя и присутствует в атмосфере в малых количествах, сильно влияет на свечение атомарного кислорода с длиной волны 557,7 нм, знаменитую зелёную линию полярных сияний. Окись азота гасит ионы молекулярного кислорода и тем самым регулирует, насколько эффективно работает один из каналов возбуждения этого свечения. Сопоставив расчёты с экспериментальной зависимостью отношения интенсивностей зелёной и голубой эмиссий от интенсивности голубой, полученной по наблюдениям в обсерваториях «Ловозеро» и «Туманный» в 1998–2000 годах (около 3800 событий), авторы нашли, какие концентрации окиси азота соответствуют реальным сияниям. Оказалось, что эта концентрация зависит от уровня геомагнитной активности: при росте индекса Ap от 5 до 40, то есть при переходе от спокойных условий к геомагнитным бурям, концентрация окиси азота в максимуме её высотного профиля падает с 2·10⁸ до 4·10⁷ частиц на кубический сантиметр. Причина в том, что уровень геомагнитной активности определяет содержание атомарного кислорода в атмосфере, а оно, согласно эмпирической модели NRLMSIS 2.0, при таком росте Ap уменьшается примерно в 1,6 раза.

Практическая ценность работы в том, что полученные значения — средняя энергия высыпающихся электронов 3–4,5 кэВ и соответствующие концентрации окиси азота — можно использовать как готовые входные параметры при моделировании авроральных событий. Это избавляет исследователей от необходимости каждый раз подбирать характеристики типичного сияния наугад.

Исследование опубликовано в журнале «Солнечно-земная физика»

Изображение на обложке: разработано Magnific