Фотографы-любители открыли новую форму северного сияния

Работая вместе с исследователями космоса, финские фотографы-любители открыли новую форму полярного сияния. Названный любителями "дюнами", этот феномен, как полагают, вызван волнами атомов кислорода, светящихся из-за потока частиц, выпущенных из Солнца (смотрите видео ниже).

В недавно опубликованном исследовании происхождение дюн было прослежено до волновода, сформированного в пределах мезосферы и ее границы, мезопаузы. Исследование также предполагает, что эта новая форма полярного сияния предоставляет исследователям новый способ исследования условий в верхних слоях атмосферы. Исследование было опубликовано на страницах журнала AGU Advances.

Минна Пальмот, профессор вычислительной космической физики Хельсинского университета, возглавляет исследовательскую группу, разрабатывающую самое точное в мире моделирование околоземного пространства и космической погоды, вызывающих полярные сияния.

Солнце испускает постоянный поток заряженных частиц, известный как солнечный ветер. Достигая ионизированной верхней атмосферы Земли, ионосферы, они создают полярные излучения, возбуждая атомы кислорода и азота в атмосфере. Состояние возбуждения высвобождается в виде аврорального света.

В конце 2018 года Palmroth опубликовал книгу под названием "Revontulibongarin opas" ("руководство для наблюдателей aurora borealis"). Тысячи великолепных фотографий северного сияния, сделанных любителями, были классифицированы для книги. Каждая форма полярного сияния подобна отпечатку пальца, характерному только для определенного явления в зоне полярного сияния. Во время классификации любители отмечали, что определенная форма полярного сияния не вписывалась ни в одну из ранее существовавших категорий. Пальмрот отложил эти необычные формы для дальнейшего рассмотрения.

По почти невероятному стечению обстоятельств, буквально через несколько дней после выхода книги, любители снова увидели эту необычную форму и немедленно сообщили об этом Пальмроту. Форма выглядела как зеленоватый и ровный узор волн, напоминающий полосатую завесу облаков или дюны на песчаном пляже.

“Одним из самых запоминающихся моментов нашего исследовательского сотрудничества было то, когда это явление появилось в то конкретное время, и мы смогли изучить его в режиме реального времени”, - говорит специалист по Северному сиянию и астрономии Матти Хелин.

Были начаты исследования этого феномена, в ходе которых любительские наблюдения и научные методы объединились для объяснения волн.

Очень редко гравитационная волна, поднимающаяся в атмосфере, может быть отфильтрована и согнута для перемещения между мезопаузой и инверсионным слоем, периодически образующимся ниже мезопаузы. Мезопауза и инверсионный слой более холодные, чем другие слои атмосферы. В волновом канале, установленном между этими двумя слоями, гравитационные волны, приходящие снизу, могут проходить большие расстояния, не затухая. Дюнообразные полярные эмиссии создаются, когда солнечный ветер заряжает атомы кислорода, проходящие через канал. 

Это явление было сфотографировано в одно и то же время в Лаитиле и Руовеси, Юго-Западная Финляндия, причем на обоих снимках наблюдалось одно и то же детальное проявление полярного сияния. Максим Гранден, постдокторский исследователь в команде Palmroth, идентифицировал звезды за излучением и определил азимуты и высоты звезд с помощью программного обеспечения для астрономии Stellarium. Это позволило использовать звезды в качестве точек отсчета при расчете высоты и протяженности полярного явления.

Гранден обнаружил, что полярные дюны встречаются на относительно небольшой высоте в 100 километров, в верхних частях мезосферы. Длина волны волнового поля сотавила 45 километров.

В общей сложности семь подобных событий – где камера зафиксировала один и тот же четный рисунок волн – были дополнительно идентифицированы из службы "Taivaanvahti" ("Небесный Дозор"), поддерживаемой финской любительской астрономической Ассоциацией Ursa.

Та часть полярного сияния, где электрически нейтральная атмосфера Земли встречается с краем космоса, является чрезвычайно сложной средой для спутников и других космических приборов. Пальмрот говорит, что именно поэтому это одно из наименее изученных мест на НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ.

“Из-за трудностей измерения атмосферных явлений, происходящих на высоте от 80 до 120 километров, мы иногда называем эту область” невежественной", - говорит она.

Дюны были замечены именно в этом конкретном районе авроральной зоны. Наблюдаемое явление привело исследователей к промежуточному состоянию между исследованиями атмосферы и космоса, поскольку обычная методология космической физики не могла объяснить его в одиночку.

”Различия в яркости внутри дюнных волн могут быть вызваны либо волнами в осаждающих частицах, приходящих из космоса, либо в нижележащих атомах кислорода атмосферы. Мы в конечном итоге предположили, что дюны являются результатом повышенной плотности атомов кислорода", - говорит Пальмрот.

Далее, команда должна была определить, как вариабельность плотности атомов кислорода, вызванная гравитационными волнами в атмосфере, приводит к такому ровному и широко распространенному полю волн. Обычно на высоте исследования существует много различных видов гравитационных волн, движущихся в разных направлениях с разными длинами волн, поэтому они не так легко формируют ровные волновые поля, проявляемые дюнами.

Исследование предполагает, что рассматриваемое явление является мезосферным отверстием, редким и малоизученным явлением, которое имеет место в мезосфере. Явление приливного течения- это волна, общая для многих рек, где прилив проходит вверх по руслу реки.

Различные типы гравитационных волн рождаются в атмосфере и затем поднимаются. В очень редких случаях гравитационные волны могут фильтроваться, когда они поднимаются между мезопаузой и инверсионным слоем, который периодически формируется ниже мезопаузы. Инверсионный слой заставляет фильтрованные волны изгибаться и позволяет им перемещаться на большие расстояния по каналу без затухания.

Когда атомы кислорода в скважине сталкиваются с электронами, осаждающимися в атмосфере, они возбуждаются. При высвобождении этого возбуждения они создают полярный свет. Вот почему мезосферные скважины – явление, до сих пор считавшееся очень сложным предметом исследования, - иногда можно увидеть невооруженным глазом.

До этого открытия мезосферные отверстия не наблюдались в авроральной зоне, и они не были исследованы с помощью авроральных излучений.

”Авроральная зона в целом обычно не учитывается в исследованиях, посвященных скважине, поскольку авроральные выбросы ухудшают технику, используемую для идентификации мезосферных скважин", - говорит Пальмрот.

Традиционно исследователи, специализирующиеся в области атмосферы и космоса, в основном исследовали интересующие их темы отдельно друг от друга. Это объясняется тем, что известно лишь несколько механизмов взаимодействия ионосферы, купающейся в осаждающихся электронах, и нейтральной атмосферы.

С помощью измерительных приборов, эксплуатируемых финским метеорологическим институтом, было установлено, что дюны возникают одновременно и в одной и той же области, где электромагнитная энергия, возникающая в космосе, передается в невесомость.