Гражданские учёные помогают объяснить пурпурное полярное сияние над Японией

Гражданские ученые в Японии позволили исследователям узнать, почему полярное сияние в мае 2024 года над страной приобрело пурпурный цвет. Эти усилия по расширению исследований за пределы академий и лабораторий имеют более серьезные последствия для человечества, чем объяснение красивых огней.

Историческая геомагнитная супербуря конца весны 2024 года по всему миру вдохновила миллионы людей, не являющихся учеными, — многие из которых были вооружены высокочувствительными камерами смартфонов — сделать фантастическое, беспрецедентное количество изображений созданного ею полярного сияния.

В Японии широкое распространение современной технологии визуализации (даже если она хранится у каждого в кармане) оказалось огромным благом для физиков атмосферы и других ученых, специализирующихся на «космической погоде». Это позволило им выяснить, почему северное сияние над Японией на этот раз имело таинственный пурпурный цвет вместо типичного красного, который наблюдается, когда над этой страной видны полярные сияния.

Исследователи описывают как свои выводы, так и то, что может стать моделью для организации будущих операций «гражданской науки» в журнале Scientific Reports от 28 октября.

В начале мая этого года одна из самых сильных геомагнитных бурь в истории регистрации подобных событий поразила атмосферу Земли. Этот великий «шторм» в космосе, состоящий из ионизированных частиц, и является причиной северного сияния, или северного сияния, в северном полушарии и южного сияния, или южного сияния, в южном полушарии.

Однако на этот раз шторм был настолько сильным — девятый по силе шторм за 110-летнюю историю японской магнитной обсерватории Какиока, одной из старейших геомагнитных станций в мире, — что полярное сияние можно было сфотографировать на гораздо более низких широтах, чем нормальный.

В Японии исследователи космической погоды воспользовались тем, что обычные люди фотографировали полярное сияние на свои смартфоны, чтобы организовать одно из самых массовых мероприятий по гражданскому научному наблюдению в мире, несмотря на то, что это низкоширотная страна, где полярное сияние было несколько слабее, чем в таких местах, как Канада или северная Европа.

Различные цвета полярного сияния возникают из-за излучения света различными атомами и молекулами атмосферы, когда они бомбардируются частицами из космоса. Яркий зеленый оттенок, видимый на многих фотографиях полярного сияния, исходит от атомарного кислорода (отдельных атомов кислорода, а не молекулярного кислорода или двух атомов кислорода, связанных вместе) на более низких высотах в атмосфере, которые видны людям. (Человеческий глаз тоже очень чувствителен к этому цвету). На еще более низких высотах, где атомарный кислород встречается реже, синий цвет более заметен, и это происходит из-за большего присутствия азота.

Однако на самых больших высотах в атмосфере концентрация атомов любого рода ниже. Меньшее количество столкновений приводит к тому, что люди воспринимают возбужденные атомарные атомы кислорода как красный цвет. Именно поэтому верхняя часть штор «Аврора» может выглядеть зеленой, переходящей в алый оттенок.

Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.

В низких широтах, как в Японии, обычно зеленого цвета вообще нет, а только красный, потому что над горизонтом видна только верхняя часть полярного сияния.

«Однако на этот раз, как ни странно, изображения показали очень четкий и доминирующий пурпурный оттенок «занавески» северного сияния над Японией, а не красный», — сказал Рюхо Катаока, ведущий автор исследования и специалист по экстремальной космической погоде.

Чтобы разгадать загадку, исследователи быстро обратились к социальным сетям, чтобы побудить людей наблюдать и сообщать о своих наблюдениях за полярными сияниями, а также вводить данные в анкету с вопросами о местах наблюдения, времени, углах возвышения и других деталях, что позволяет исследователям проанализировать характеристики полярных сияний в беспрецедентных деталях.

Результатом этих усилий стало получение впечатляющих 775 заявок, которые исследователи затем объединили со спутниковыми наблюдениями и передовыми методами моделирования для изучения условий, которые привели к появлению пурпурного полярного сияния.

Данные о высоте, полученные от этих гражданских ученых, оказались особенно полезными. Исследователи использовали углы возвышения, чтобы вычислить положение полярного сияния с течением времени, и обнаружили, что оно часто находится на удивительно большой высоте — примерно 1000 км над уровнем моря, что, таким образом, должно вызывать красный цвет. Но вдобавок ко всему, время и сезон года означали, что атмосфера перед полярным сиянием была более «предварительно нагретой», что, в свою очередь, вызывало подъем ионизированного молекулярного азота, который обычно отвечает за синий оттенок.

«Синий плюс красный заставляет нас видеть пурпурный цвет», — добавил профессор Катаока. «И пурпурный цвет стал еще более заметным и ярким из-за огромной солнечной активности, хотя, по иронии судьбы, предварительный нагрев также помог бы уменьшить пиковую яркость полярного сияния».

Лучшее понимание магнитных бурь выходит за рамки объяснения того, почему люди видят красивые цвета полярных сияний; Эти штормы могут иметь глубокие негативные последствия для работы спутников, систем GPS, электросетей и даже безопасности пассажиров и экипажей на борту высотных рейсов.

Поэтому в преддверии следующей магнитной бури исследователи хотят применить еще более скоординированный подход к гражданской науке и распространить свои усилия дальше. Это конкретное исследование было ограничено Японией и использовало только японский язык, что представляет собой своего рода подтверждение концепции.

Но, используя автоматический перевод своих анкет и публикаций в социальных сетях на местные языки по всему миру, исследователи полагают, что они смогут произвести глобальное повторение этих усилий с конечной целью анализа различных фаз магнитных бурь, чтобы лучше защитить человечество от опасностей, создаваемых экстремальной космической погодой.

Информация от: Исследовательской организацией информации и систем.