Северное и южное сияния зачаровывали людей тысячелетиями. Древние люди могли только размышлять об их происхождении, часто связывая красочные огни с улетающими душами умерших или другими небесными духами. Лишь недавно ученые узнали о принципах возникновения аврор, но не могли непосредственно наблюдать ключевую часть этого процесса до последнего момента.

В новом исследовании международная команда специалистов описала первое прямое наблюдения механизма, который стоит за пульсирующими полярными сияниями. И хотя они не нашли духов, танцующих в небе, их доклад о хоровых волнах и «резвящихся» электронах все равно восхитителен.

Полярные огни берут начало на Солнце. Заряженные частицы с нашей звезды выбрасываются и стабильным потоком под названием солнечный ветер, и огромными извержениями, известными как выбросы корональной массы. Часть этого солнечного материала достигает Земли через пару дней, а заряженные частицы и магнитные поля вызывают выбросы других частиц, уже уловленных в магнитосфере Земли. Эти частицы выпадают дождем в верхней атмосфере и вступают в реакции с некоторыми газами, заставляя их выделять свет.

Различные цвета полярных сияний зависят от газов и от того, насколько высоко они находятся в атмосфере. Кислород сияет зеленовато-желтым на высоте примерно 96,5 км и красным на большей высоте. Азот выделяет синий или красновато-фиолетовый свет.

Авроры бывают разнообразными — от бледных световых лучей до ярких волнистых лент. Новое исследование фокусируется на пульсирующих огнях, мигающих пятнах света, которые появляются примерно на высоте 100 км над земной поверхностью на высоких широтах в обоих полушариях. «Эти шторма производят озарения в период от сумерек до полуночи, — пишут авторы исследования. — За ними следуют буйные движения аврорных дуг, которые неожиданно распадаются, и последующее появление рассеянных пульсирующих пятен на рассвете».

Процесс управляется «глобальным изменением структуры магнитосферы», объясняют ученые. Электроны в магнитосфере обычно прыгают вдоль геомагнитного поля, но особый вид плазменных волн — хоровых волн — заставляет их проливаться дождем в верхней атмосфере. Эти падающие электроны потом вспыхивают световыми вспышками, которые мы называем полярными сияниями, хотя некоторые исследователи задаются вопросом, достаточно ли мощны хоровые волны, чтобы добиваться этой реакции от электронов.

Новые наблюдения предполагают, что да. Так считает Сатоши Касахара, планетолог из Токийского университета и ведущий автор исследования. «Мы впервые напрямую наблюдали рассеивание электронов хоровыми волнами, производящими осадки из частиц в атмосфере Земли, — говорит Касахара. — Выпадающий поток электронов был достаточно интенсивным, чтобы генерировать пульсирующую аврору».

Чтобы увидеть это, Касахара и его коллеги создали свой собственный датчик электронов, разработанный, чтобы выявить точные взаимодействия электронов полярного сияния, управляемых хоровыми волнами. Этот датчик находится на космическом аппарате Arase, который был запущен Японским агентством аэрокосмических исследований в 2016 году.

Исследователи также опубликовали анимацию, чтобы проиллюстрировать процесс.

Процесс, описанный в исследовании, вероятно, не ограничен нашей планетой, добавляют исследователи. Его можно также применить к полярным сияниям на Юпитере и Сатурне, где также были выявлены хоровые волны, так же как и другие намагниченные объекты.

Существуют практические причины для ученых исследовать авроры — например, геомагнитные шторма, которые порождают их, могут быть помехой для коммуникаций, навигационных и других электрических систем на Земле.