Новини науки

На світанку над північною Швецією команда науковців зафіксувала рідкісне явище — синє полярне сяйво, яке сяяло вище, ніж очікувалося — приблизно на 200 кілометрів над поверхнею Землі. Використовуючи єдину надчутливу гіперспектральну камеру, вони з надзвичайною точністю визначили висоту цього кольору, простеживши, як верхні шари атмосфери «прокидаються», коли повертається сонячне світло.

Результати підняли знайомий синій відтінок на більшу висоту, ніж передбачають більшість моделей, відкривши нові подробиці про те, як світло, хімічні процеси та заряджені частинки взаємодіють під час переходу від ночі до дня. Це відкриття також пропонує новий спосіб вивчати вплив світанку на іоносферу — без потреби в мережі камер по всій Арктиці.

Дослідження синього сяйва

У новому дослідженні науковці нанесли карту висоти синього сяйва під час ранкових сутінків над містом Кіруна (Швеція). Синє світіння походить від молекулярних іонів азоту (N₂⁺), які світяться, коли отримують енергіюВчені спостерігали, як перші промені сонця поступово опускалися крізь верхню атмосферу, і відстежували, як синє світіння ставало яскравішим. Цей момент дозволив визначити висоту без використання двох камер у різних точках.

Дослідження очолив професор Кацумі Іда, фізик плазми з Національного інституту досліджень ядерного синтезу в Японії. Його робота пов’язана з спектроскопією обміну зарядом та перенесенням методів діагностики плазми з лабораторії до фізики полярних сяйв.

Визначення висоти за кольором

Камера HySCAI — гіперспектральна камера, що фіксує багато вузьких відтінків у кожному зображенні, — записує повний спектр у кожному пікселі неба. Це дозволяє відокремлювати слабкі лінії сяйва від сонячного світла.

Такий підхід усуває помилки, що виникають у звичайних камерах із фільтрами, коли на світанку небо швидко світлішає. Ця спектральна точність важлива, оскільки сонячне світло створює широкий фон, який може «заглушити» сигнал. HySCAI виділяє вузьку синю смугу з цього фону, забезпечуючи точність вимірювань.

На світанку верхні шари атмосфери першими потрапляють у сонячне світло, а потім освітлена зона поступово опускається. Команда використала цей природний процес, щоб дослідити різні висоти з однієї точки спостереження.

Ключовим процесом є резонансне розсіювання — коли іони, поглинаючи сонячне світло, випромінюють його знову. Коли освітлений шар перетинає лінію спостереження, інтенсивність сигналу різко зростає.

Дані піднімають синє світло вище

Спочатку вчені розрахували об’ємну швидкість випромінювання — кількість світла, що випромінюється в певному об’ємі за секунду — за тим, як швидко зростала інтенсивність синього сигналу. Пік цього зростання припав на висоту 200 км.

  «Об’ємна швидкість випромінювання N₂⁺ (427,8 нм) досягає максимуму, коли тінь Сонця перебуває на висоті 200 км», — пояснив Іда.

Попередні моделі передбачали, що найсильніше синє світіння виникає нижче для подібних енергій. Це означає, що вранці в іоносфері відбуваються процеси, які підсилюють синє випромінювання вище, ніж очікувалося.

Для порівняння: великі спостереження за зеленим і синім сяйвом упродовж семи зим показали, що типовий максимум сяйва — близько 114 км. Нові дані на світанку помітно відрізняються від нічних умов.

Чому синє сяйво піднімається вище

Ймовірною причиною є обмін зарядом між іонами збудженого кисню та нейтральними молекулами азоту. Ця реакція створює N₂⁺ на вищих висотах, де вже є сонячне світло.

Іншим чинником є іоносфера, наповнена зарядженими частинками, яка стрімко змінюється під час світанку. Сонячне випромінювання піднімає електрони, змінює іонну хімію й перенаправляє потоки енергії вздовж магнітних ліній.

Метод із однією камерою підвищує точність, адже пов’язує яскравість із конкретним моментом, коли освітлена межа проходить лінією спостереження. Це дає змогу перетворювати криві яскравості на профілі висоти без складної мережі камер. Порівняння синьої лінії з класичною зеленою (від атомів кисню) допомогло зменшити вплив змін у потоках електронів і точніше побачити сам процес розсіювання.

Технології термоядерного синтезу на службі неба

Підхід нагадує обмін зарядом — зіткнення, під час якого іон отримує або втрачає електрон, — що є стандартним методом у дослідженнях плазми в реакторах. Адаптація цього принципу до іонізованого неба — винахідливий крок, адже сонячне світло виступає тут як контрольований промінь.

Використання рухомої межі сонячного освітлення як позначки висоти робить геометрію простою і прозорою. Метод найкраще працює у сутінках, коли межа рухається рівномірно.

Хоча це коротке вікно часу, фізика процесу надзвичайно насичена — це природне щоденне «сканування» верхньої атмосфери зверху вниз. Цей підхід можна розширити: мережа гіперспектральних станцій уздовж довгот дозволила б відстежувати, як синій шар змінюється під час космічних бур.

Уроки від синіх сяйв

Моделі спрощують складну верхню атмосферу, щоб швидше виконувати розрахунки. Але коли спостереження показують, що синій шар піднімається вище на світанку, це означає, що хімічні реакції азоту й кисню потребують уточнення.

Краще розуміння N₂⁺ важливе для прогнозів космічної погоди, адже такі умови впливають на радіозв’язок і авіацію в полярних регіонах.

Більш інтенсивне синє випромінювання на світанку натякає на швидкі реакції, що формують N₂⁺ у верхніх шарах. Їх точне описання допоможе моделям краще враховувати фотохімічні процеси. Це також впливає на розрахунки опору супутників у низьких орбітах: навіть невеликі зміни густини іонів і нейтральних частинок можуть мати значення.

Наступні експерименти

Подальші кроки включають спрямовану спектроскопію та спільні вимірювання радаром. Прямі спостереження швидкості й температури покажуть, чи домінує в синьому шарі рух іонів угору, чи хімічне виробництво. Поєднання гіперспектральних камер із приладами, що вимірюють зсуви спектральних ліній, дозволить розділити ефекти руху та хімії — перетворивши метод на повноцінну діагностичну систему.

Перевірка результатів незалежними методами є критично важливою: коли різні інструменти узгоджуються щодо висоти та часу, упевненість у результатах зростає. У майбутньому кілька установок HySCAI по всій зоні полярних сяйв могли б відстежувати, як синій шар рухається впродовж доби та за довготою. Дослідження опубліковане в журналі Geophysical Research Letters.