Блестящите зелени, червени и лилави завеси на северното и южното сияние - полярните сияния - може би са най-известните явления, осветяващи нощното небе, но най-загадъчните са лилаво-белите ивици, наречени СТИВ и техният чест спътник, сияещата зелена "ограда" - поредица от вертикални ивици, напомнящи колове на ограда.

СТИВ е име, избрано от сцена от анимационния филм Over the Hedge, където героите избират име за нещо непознато. И тъй като учените обичат подобни заигравки, те запазват името STEVE като акроним, който означава "Силно повишаване на скоростта на топлинните емисии" (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement).

Сиянието "СТИВ" е признато за първи път през 2018 г. като различно от обикновените полярни сияния, въпреки че според учените се причинява от същите физични процеси.

Клеър Гаске (Claire Gasque), студентка по физика от Калифорнийския университет в Бъркли, сега дава обяснение за тези явления, което е напълно различно от процесите, отговорни за добре познатите полярни сияния. Заедно с изследователи от Лабораторията за космически науки (SSL), тя предлага на НАСА да изстреля ракета в сърцето на полярното сияние, за да разбере дали е права.

Пулсиращите полярни сияния и светещи явления като СТИВ и "оградата" стават все по-често срещани, тъй като слънцето навлиза в активния период от своя 11-годишен цикъл, а ноември бе добър месец за наблюдения на СТИВ в северните ширини. Тъй като всички тези преходни светлинни явления се задействат от слънчеви бури и изхвърляне на коронална маса от слънцето, приближаващият слънчев максимум е идеално време за изучаване на редки събития като СТИВ и "оградата".

Гаске описва физическите процеси, които предизвикват "оградата" в статия, публикувана миналия месец в списанието Geophysical Research Letters и ще обсъдят резултатите на 14 декември на срещата на Американския геофизичен съюз в Сан Франциско.

Гаске е изчислила, че в област на горната атмосфера по-на юг от тази, в която се образуват полярните сияния, електрическите полета, успоредни на земното магнитно поле може да създадат цветовия спектър на "оградата". Ако е вярно, този необичаен процес има значение за начина, по който физиците разбират енергийния поток между магнитосферата на Земята, която заобикаля и защитава Земята от слънчевия вятър, и йоносферата на границата с космоса.

"Това би променило нашите представи за това, което създава светлината и енергията в полярното сияние в някои случаи", коментира Гаске.

"Наистина интересното в статията на Клеър е, че от няколко години знаем, че спектърът на СТИВ ни показва, че се случва някаква много екзотична физика. Просто не знаехме какво е", казва Брайън Хардинг (Brian Harding), съавтор на статията и асистент изследовател на SSL. "Документът на Клеър показва, че паралелните електрически полета са в състояние да обяснят този екзотичен спектър."

СТИВ. И тъй като учените обичат подобни заигравки, те запазват името STEVE като акроним, който означава "Силно повишаване на скоростта на топлинните емисии" (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement). Кредит: Krista Trinder/NASA Goddard Flight Centre

Физиката на СТИВ и "оградата"

Обичайните полярни сияния се получават, когато слънчевият вятър възбужда частици в магнитосферата на Земята, често на височини над 1000 километра над повърхността. Тези заредени частици спираловидно обикалят линиите на магнитното поле на Земята към полюсите, където се блъскат и възбуждат молекулите на кислорода и азота в горната атмосфера. Енергията, освободена по време на тези сблъсъци, причинява цветен светещ ореол около полюсите, кислородът излъчва специфични честоти на зелена и червена светлина, докато азотът генерира малко червена, но предимно синя емисионна линия.

Цветните, блестящи завеси, които се получават, могат да се простират на хиляди километри в северните или южните ширини.

СТИВ обаче не показва отделни емисионни линии, а широк диапазон от честоти, центрирани около лилавото. И за разлика от полярните сияния, нито СТИВ, нито "оградата" излъчват синя светлина, която се генерира, когато най-високоенергийните частици ударят и йонизират азота. СТИВ и "оградата" също се срещат на по-ниски географски ширини от полярното сияние, потенциално дори на юг до екватора.

Някои изследователи предполагат, че СТИВ се причинява от йонни потоци в горната атмосфера, наричани субаврорален йонен дрейф или SAID (subauroral ion drift), въпреки че няма общоприето физическо обяснение за това как SAID може да генерира цветни емисии.

Интересът на Гаске бе предизвикан от предположения, че емисиите на "оградата" могат да бъдат генерирани от електрически полета на ниска надморска височина, успоредни на магнитното поле на Земята, ситуация, смятана за невъзможна, тъй като всяко електрическо поле е подравнено с магнитното поле трябва бързо да даде накъсо и да изчезне.

Използвайки обичайния физически модел на йоносферата, Гаске впоследствие показва, че умерено паралелно електрическо поле - около 100 миливолта на метър - на височина от около 110 км може да ускори електроните до енергия, която да възбуди кислород и азот и да генерира спектъра на светлината наблюдавано от "оградата". Необичайни условия в тази област, като по-ниска плътност на заредена плазма и по-неутрални атоми на кислород и азот, биха могли потенциално да действат като изолация, за да предпазят електрическото поле от късо съединение.

"Ако се погледне спектъра на "оградата", тя е много по-зелена, отколкото сме очаквали. И няма нищо от синьото, което идва от йонизацията на азота", посочва Гаске. "Това ни казва, че има само определен енергиен диапазон от електрони, които могат да създават тези цветове, и те не могат да идват от космоса надолу в атмосферата, защото тези частици имат твърде много енергия."

"Светлината от "оградата" се създава от частици, които трябва да бъдат енергизирани точно там, в космоса, от паралелно електрическо поле, което е напълно различен механизъм от което и да е от полярните сияния, които имаме изучавани или известни преди", обяснява Гаске.

Тя и Хардинг подозират, че самият СТИВ може да бъде произведен от свързани процеси. Техните изчисления също така прогнозират вида ултравиолетови емисии, които този процес ще произведе, което може да се провери, за да се провери новата хипотеза за "оградата".

Изчисленията на Гаске не показват директно какво прави феномена да изглежда като ограда, но това вероятно се дължи на вълнообразни вариации в електрическото поле, обяснява изследователката. И докато частиците, които се ускоряват от електрическото поле, вероятно не са от слънцето, разбъркването на атмосферата от слънчеви бури вероятно задейства СТИВ и "оградата", както и обикновеното сияние.

СТИВ – странна блестяща лента от светлина в нощното небе – още е обект на дебат за произхода му. Понякога СТИВ може да бъде видян придружен от петна от зелени линии – наречени "огради" поради вида им. Кредит: Catalin Tapardel/NASA

Усилените полярни сияния показват шарки, подобни на ограда

Следващата стъпка, разказва Хардинг, е да се изстреля ракета от Аляска през тези явления и да се измери силата и посоката на електрическите и магнитните полета. Учените от SSL са специализирани в проектирането и изграждането на инструменти, които правят точно това. Много от тези инструменти са на космически кораби, които сега обикалят около Земята и Слънцето.

Първоначално целта ще бъдат т.нар. усилено сияние, което е нормално сияние с емисии, подобни на ограда, вградени в него.

"Усиленото сияние е основно този ярък слой, който е вграден в нормалното сияние. Цветовете са подобни на "оградата", тъй като в тях няма толкова синьо и има повече зелено от кислород и червено от азот. Хипотезата е, че те също са създадени от паралелни електрически полета, но са много по-често срещани от "оградата"", отбелязва Гаске.

Планът е не само "да се прекара ракета през този усилен слой, за да се измерят действително тези паралелни електрически полета за първи път", казва Гаске, но също така да изпрати втора ракета, за да измери частиците на по-голями височини, "за да разграничат условията от тези, които причиняват полярните сияния". В крайна сметка тя се надява на ракета, която да прелети директно през СТИВ и "оградата".

Хардинг, Гаске и колегите им са предложили точно такава ракетна мисия на НАСА тази есен и очакват да чуят отговор относно избора й през първата половина на 2024 г. Гаске и Хардинг смятат експеримента за важна стъпка в разбирането на химията и физиката на горната атмосфера, йоносферата и магнитосферата на Земята и предложение в съответствие с програмата за евтин достъп до космоса (LCAS), спонсорирана от НАСА за проекти като този.

Справка: L. Claire Gasque et al, It's Not Easy Being Green: Kinetic Modeling of the Emission Spectrum Observed in STEVE's Picket Fence, Geophysical Research Letters (2023). DOI: 10.1029/2023GL106073

Източник: When is an aurora not an aurora? Phenomena called 'Steve' and 'picket fence' are masquerading as auroras, University of California - Berkeley

Още по темата

04/04/2023

Земята

Рядка кървавочервена дъга от светлина над Дания. Но не е полярно сияние

15/11/2020

Земята

Загадъчният "Стив" все по-малко прилича на полярно сияние

22/08/2018

Земята

Зловещото небесно сияние "Стив" не е полярно, а "напълно непознато" за науката (видео)

15/03/2018

Земята

Запознайте се със "Стив", странен тип северно сияние, невиждано досега (видео)