Ученые-любители помогают объяснить пурпурное полярное сияние над Японией

a) Фотографии полярного сияния, сделанные в Аомори, b) на Хоккайдо, c) в Тюбу и d) в Тохоку, Япония. Автор: a) KAGAYA b) ~d) @Courtesy of a citizen scientists

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

По всему миру историческая геомагнитная супербуря конца весны 2024 года вдохновила миллионы неспециалистов по всему миру, многие из которых вооружены высокочувствительными камерами смартфонов, на то, чтобы сделать фантастическое, беспрецедентное количество снимков вызванного ею полярного сияния.

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

В начале мая этого года в атмосферу Земли врезалась одна из самых экстремальных геомагнитных бурь за всю историю регистрации подобных событий. Эта мощная «буря» в космосе, состоящая из ионизированных частиц, является причиной появления северного сияния в северном полушарии и южного сияния в южном полушарии.

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

Распределение 179 наблюдений полярных сияний над Японией во время магнитной бури 11 мая 2024 г. Автор: National Institute of Polar Research

Различные цвета полярного сияния возникают из-за излучения света различными атомами и молекулами в атмосфере, когда они бомбардируются частицами из космоса. Драматический зеленый оттенок, который можно увидеть на многих фотографиях полярного сияния, возникает из-за атомарного кислорода (отдельные атомы кислорода, а не молекулярный кислород, или два атома кислорода, связанных вместе) на более низких высотах в атмосфере, которые видны людям. (Человеческий глаз также 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 наблюдается более низкая концентрация атомов любого вида. Чем меньше там столкновений, тем меньше людей воспринимают возбужденные атомы кислорода как красный цвет. Вот почему верхние части занавесей полярного сияния могут казаться зелеными, переходящим в алый оттенок.

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

«Однако на этот раз, как ни странно, на снимках отчетливо и преобладающе проявился пурпурный оттенок полярных сияний над Японией, а не красный», — сказал Рюхо Катаока, ведущий автор исследования и специалист по экстремальной космической погоде.

Чтобы разгадать эту загадку, исследователи быстро обратились к социальным сетям, призывая людей наблюдать и сообщать о своих наблюдениях полярных сияний, а также вводить данные в анкету, в которой спрашивали о местах наблюдения, времени, углах возвышения и других деталях, что позволило исследователям проанализировать характеристики полярных сияний с беспрецедентной степенью детализации.

Расчетная высота аврорального излучения около пика магнитной бури 11 мая 2024 г. Автор: National Institute of Polar Research

Результатом этих усилий стало впечатляющее количество заявок от широких масс — 775. Затем исследователи объединили их со спутниковыми наблюдениями и передовыми методами моделирования, чтобы изучить условия, которые привели к появлению пурпурного полярного сияния.

Данные о высоте, полученные от этих гражданских ученых, оказались особенно полезными. Исследователи использовали углы возвышения для расчета положения полярного сияния с течением времени и обнаружили, что оно часто находилось на удивительно большой высоте — примерно 1000 км над уровнем моря, что, таким образом, должно было придавать ему красный оттенок. Но вдобавок ко всему, время и сезон года означали, что атмосфера была более «предварительно нагрета» перед полярным сиянием, что, в свою очередь, приводило к подъему ионизированного молекулярного азота, что обычно отвечает за синий оттенок.

«Синий плюс красный заставляют нас видеть пурпурный», — добавил профессор Катаока. «И пурпурный стал еще более заметным и ярким из-за огромного объема солнечной активности, хотя, по иронии судьбы, предварительный нагрев также мог бы снизить пиковую яркость полярного сияния».

Более глубокое понимание магнитных бурь выходит за рамки объяснения того, почему люди видят красивые цвета полярных сияний; эти бури могут оказывать глубокое негативное воздействие на работу спутников, систем GPS, электросетей и даже на безопасность пассажиров и экипажей на борту высотных самолетов.

Итак, в преддверии следующей магнитной бури исследователи хотят еще более скоординировать подход к гражданской науке и распространить свои усилия дальше. Это конкретное исследование было ограничено Японией и использовало только японский язык, представляя собой своего рода доказательство концепции.

Однако исследователи полагают, что, используя автоматизированный перевод своих анкет и сообщений в социальных сетях на местные языки по всему миру, они смогут осуществить глобальное воспроизведение этой работы с конечной целью анализа различных фаз магнитных бурь, чтобы лучше защитить человечество от опасностей, создаваемых экстремальной космической погодой.

Больше информации: Ryuho Kataoka et al, Extended magenta aurora as revealed by citizen science, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-75184-9