Когда таинственные светящиеся полосы зеленого цвета осветили финское небо в 2018 году, они не остались незамеченными заядлыми охотниками за полярным сиянием. Структура сияния была незнакомой и загадочно совершенной, а выглядело оно как зеленоватые дюны, протянувшиеся вдоль горизонта.

И, как оказалось, это световое шоу, названное гражданскими наблюдателями «дюнами», оказалось новым типом полярного сияния. Оно формируется драматическим танцем гравитационных волн и атомов кислорода, согласно новому исследованию, опубликованному недавно в журнале AGU Advances.

Путь к открытию начался несколько лет назад, когда группа охотников за полярными сияниями написала Минне Палмрот, профессору вычислительной космической физики в Университете Хельсинки, попросив ее присоединиться к их группе на Facebook. Зачем? Они просили Палмрот объяснить физику полярных сияний, которые они фотографировали.

Палмрот была рада помочь им. Однако через некоторое время она поняла, что ее ответы становятся повторяющимися, поэтому она решила создать полный справочник по полярным сияниям. Но в октябре 2018 года охотники за полярными сияниями вернулись к ней с фотографиями чего-то необычного.



«Тогда я поняла, что я... никогда не видела такое полярное сияние раньше», — сказала Палмрот. На первый взгляд, эти горизонтальные полосы выглядят как результат работы инерционно-гравитационных волн или нарушений плотности в верхних слоях атмосферы. Верхняя атмосфера пронизана множеством различных гравитационных волн, которые идут в разных направлениях и имеют разные частоты и размеры.

Как понятно из их названия, это волны, распространяющиеся в атмосфере как в упругой среде под действием силы тяжести. Однако дюны в новом полярном сиянии располагаются слишком равномерно, поэтому, казалось, достаточно хаотические инерционно-гравитационные волны не могут их объяснить.

Поэтому Палмрот и ее команда организовали фотокампанию вечером 7 октября, предлагая ученым и любителям по всей Финляндии наблюдать за небом, фотографируя необычное полярное сияние. Проанализировав эти фотографии, команда начала понимать физику этого явления. 

Кстати, это не первый случай, когда охотники за полярным сиянием обнаруживают новое небесное явление. Гражданские наблюдатели в 2018 году обнаружили еще одно полярное сияние, которое они ласково назвали Стивом.


Любительские фото нового полярного сияния. Дюны выделены кружками.

«Сотрудничество с гражданскими наблюдателями становится все более важным, потому что они могут стать «мобильными камерами», которые легко преследуют интересное сияние и улавливают новые его виды, которые ученые раньше не замечали», — сказал Тоши Нисимура, научный сотрудник кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Бостона.

Невидимые гравитационные волны

Полярные сияния возникают, когда заряженные частицы солнечного ветра достигают атмосферы нашей планеты. Эти частицы движутся вдоль линий магнитного поля, и на полюсах Земли врезаются в атомы и молекулы в нашей атмосфере, заставляя их излучать свет в видимом диапазоне. Эти потрясающие световые шоу могут быть разных форм и цветов: так, молекулы кислорода светятся зеленым или красным, а азота — синим или фиолетовым. Астрономы также используют форму полярных сияний, чтобы узнать, что происходит в верхних слоях атмосферы, где они формируются.

В то время как большинство полярных сияний простираются вертикально, дюны тянутся к экватору горизонтально волнообразными повторяющимися структурами. Никто еще не наблюдал такого в полярном сиянии, сказала Палмрот.

Ученые предполагают, что образование дюн связано с редким типом атмосферных гравитационных волн, называемых мезосферными отверстиями. Они возникают, когда поднимающаяся в атмосфере инерционно-гравитационная волна становится изогнутой и зажатой между двумя относительно более холодными слоями атмосферы — инверсионным слоем на высоте около 80 километров и мезопаузой на высоте около 100 км, граничащей с космосом. 

В этом канале волны распространяются горизонтально и на большие расстояния, не затухая, создавая чередующиеся складки, которые либо обогащаются кислородом, либо обедняются кислородом. Когда электроны от солнечного ветра проникают внутрь, складки с более высоким содержанием кислорода загораются сильнее, чем места, где кислорода не хватает, создавая характерные полосы.



Схема образования гравитационной волны, которая зажимается между холодными слоями и подсвечивается солнечным ветром.

«Это очень интересное наблюдение», — сказал Стивен Миллер, заместитель директора Института исследований атмосферы в Университете штата Колорадо, который не принимал участия в исследовании. «Моя первая реакция, когда я увидел фотографии, заключалась в том, что это могут быть атмосферные гравитационные волны, которые «подсвечиваются» активностью полярного сияния — похоже, что это также гипотеза и авторов нового исследования». 

Мезосферные отверстия могут объяснить закономерности, наблюдаемые в дюнах, но «я предполагаю, что [эти] дюны на самом деле являются подмножеством гораздо более широко распространенной области атмосферных гравитационных волн, которые оказываются выделены новым сиянием», — сказал Миллер. 

Используя звезды на фотографиях в качестве ориентиров, команда смогла рассчитать высоту образования дюн — около 90 км, что типично для полярных сияний. Но эта плохо изученная область атмосферы слишком высока, чтобы измерять ее с помощью радаров и аэростатов, и слишком низка, чтобы посылать туда космические корабли, которые просто сгорят от трения об воздух. Поэтому ее иногда в шутку называют «игноросферой», сказала Палмрот. 

«Мы впервые вживую наблюдаем эти инерционно-гравитационные волны», — сказала Палмрот. «В целом, мезосферные отверстия — довольно редкое явление». Но, по словам Палмрот, наблюдение за дюнами может дать нам больше информации о гравитационных волнах.

Например, ученые обнаружили, что дюны возникают в одно и то же время и в одной и той же области, где электромагнитная энергия солнечного ветра передается в верхние слои атмосферы, что, как подозревает Палмрот, может быть связано с образованием инверсионного слоя мезосферных отверстий. «Мы хотим посмотреть, так ли это на самом деле», — сказала она.




iGuides в Telegram — t.me/igmedia
iGuides в Яндекс.Дзен — zen.yandex.ru/iguides.ru