Categories:

Охота за полярным сиянием в Норвегии. Часть I. Теория и планирование

В январе 2019 года мы с Галей решили отправиться в Норвегию (город Тромсё) для наблюдения за полярным сиянием. Здесь рассказ о самом явлении, его наблюдении и нюансах съемки, в том числе — причины его появления, важные для выбора нужного времени и места. Экстремальные условия съемки предъявляют особые требования к экипировке и фототехнике, об этом тоже расскажем. В самом конце — подведение итогов и подсчет расходов.

Участники поездки
Участники поездки

Теоретические и практические советы

Что же такое полярное сияние? Это свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосферы планет, обладающих магнитосферой, вследствие её взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.

Давайте по порядку: солнечный ветер — это поток ионизированных частиц, испускаемый солнечной короной, который достигает поверхности Земли примерно за двое суток. При вхождении солнечного ветра в магнитное поле Земли происходит возмущение последнего. Чем сильнее возмущение магнитного поля Земли, тем выше вероятность возникновения и интенсивность полярного сияния.

Схема взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли (c) NASA
Схема взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли (c) NASA

Различные проявления солнечной активности на поверхности Солнца, такие как протуберанцы, солнечные пятна, вспышки и другие, являются причиной выброса большого количества ионизированных частиц (плазмы).

Прямые измерения параметров плазмы солнечного ветра неподалеку от Земли производятся космическим кораблем NASA — «Эксплорер ACE», который в реальном времени передает их на Землю. Эти данные дополняются показаниями геомагнитных лабораторий, расположенных по всей планете, и позволяют предсказать поведение полярного сияния в ближайший час с вероятностью до 95%.

Прогноз полярного сияния с сайта Space Weather Prediction Center
Прогноз полярного сияния с сайта Space Weather Prediction Center

Space Weather Prediction Center

Двухсуточный прогноз основывается на наблюдении активных процессов на обращенной к Земле поверхности Солнца вблизи центрального меридиана. Как уже упоминалось выше, солнечный ветер достигает поверхности Земли примерно за два дня. Надежность такого прогноза составляет порядка 40%.

Более длительные прогнозы связаны с вращением Солнца вокруг своей оси. Внешние видимые слои нашего светила совершают полный оборот в среднем за 27 дней. На картинке виден поворот внешних слоев Солнца против часовой стрелки за два дня.

Солнце 2 сентября (а) и 4 сентября (б) 2017 года
Солнце 2 сентября (а) и 4 сентября (б) 2017 года

Проявления солнечной активности, описанные выше, могут быть краткосрочными, а могут сохраняться и в течение длительного времени. В последнем случае выбросы солнечного ветра в сторону Земли из одного и того же источника повторяются каждые 27 дней, пока это проявление не затухает. Таким образом, если повышенная солнечная активность наблюдается сегодня, то с некоторой вероятностью она повторится через 27 дней. Семидневный прогноз дополняется наблюдениями поверхности Солнца в районе восточного лимба, или если смотреть с Земли, то с западного видимого края солнечного диска.

Kp-индекс — это планетарный индекс, который показывает отклонение магнитного поля Земли от нормы и ожидаемую интенсивность полярного сияния. Уровень Kp-индекса, превышающий 5, классифицируется как геомагнитная буря.

Изображение взято с сайта University of Alaska Fairbanks — Geophysical Institute
Изображение взято с сайта University of Alaska Fairbanks — Geophysical Institute

University of Alaska Fairbanks — Geophysical Institute

После ознакомления с планетарным Кр-индексом стоит начать смотреть на параметры солнечного ветра, такие как плотность, скорость и другие, поступающие с американских спутников ACE и DSCOVR. Считается, что данные с современного спутника DSCOVR, который был запущен в 2015 году, надежней. Однако вы также можете использовать данные с ACE, которые в реальном времени отображаются на том же ресурсе.

Параметры солнечного ветра за 24 часа со спутника DSCOVR (с сайта Space Weather Prediction Center)
Параметры солнечного ветра за 24 часа со спутника DSCOVR (с сайта Space Weather Prediction Center)

Space Weather Prediction Center

Самыми важными параметрами являются плотность, скорость и Bz (параметр межпланетного магнитного поля). Идеальными значениями будут плотность 10 (1/см³), скорость 500+ (км/с) и Bz -10 (нТ) или ниже. Однако важнее смотреть на тренды, чем на конкретные значения, т.к. они могут изменяться в зависимости от места нахождения.

Параметры солнечного ветра в реальном времени (с сайта Aurora Forecast Service)
Параметры солнечного ветра в реальном времени (с сайта Aurora Forecast Service)

Aurora Forecast Service

Магнитометры геомагнитных лабораторий предоставляют альтернативный метод мониторинга возмущений геомагнитного поля Земли. Резкий скачок показаний магнитометра часто является индикатором появления полярного сияния продолжительностью в 30 минут и дольше.

Показания магнитометра в реальном времени в городе Форт-Юкон (с сайта University of Alaska — Magnetometer)
Показания магнитометра в реальном времени в городе Форт-Юкон (с сайта University of Alaska — Magnetometer)

University of Alaska Fairbanks — Geophysical Institute

Также хочется отметить, что выделяется одиннадцатилетний цикл солнечной активности: при средней частоте около 30 бурь в год их число может составлять 1–2 бури в год вблизи солнечного минимума и достигать 50 бурь в год вблизи солнечного максимума. Следующий пик солнечной активности ожидается примерно в 2024 году. В настоящий момент наблюдается практически минимум солнечной активности — если смотреть с этой точки зрения, идея охотиться за полярным сиянием в 2018 году является не слишком удачной.

Снимки солнца выполненные космической обсерваторией SOHO (NASA)  (с сайта National Geographic)
Снимки солнца выполненные космической обсерваторией SOHO (NASA) (с сайта National Geographic)

National Geographic

  • Резюмируя информацию выше, мы видим, что долгосрочных и надежных прогнозов солнечной активности нет, поэтому лучше иметь больше времени в запасе (например, неделю), чтобы повысить вероятность увидеть полярное сияние. Руководствуясь 11-летним циклом солнечной активности, наиболее благоприятными для охоты за полярным сиянием ожидаются 2022-2026 годы.
  • За месяц до предполагаемой поездки можно изучать прогнозы солнечной активности, чтобы зарезервировать самые перспективные дни. Непосредственно во время поездки можно использовать часовой прогноз полярного сияния (доступно как на сайте, так и в приложении для Android и iOS), а также отслеживать показания со спутников и магнитометров.

Где лучше находиться для наблюдения за полярным сиянием?

Для ответа на этот вопрос давайте подробнее рассмотрим механизм взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы Земли. Ионизированные частицы солнечного ветра, попадая в магнитосферу Земли, под действием её магнитного поля вынуждены двигаться вдоль линий магнитного поля к магнитным полюсам. При входе в атмосферу Земли вблизи магнитных полюсов ионизированные частицы солнечного ветра начинают сталкиваться с атомами и молекулами атмосферы, переводя их в возбужденное состояние. Позже, при переходе этих возбужденных атомов и молекул в основное состояние, высвобождается энергия, которая испускается в виде фотонов или, проще говоря, света. Это свечение и является полярным сиянием. В большинстве случаев оно формируется в виде овала, называемого авроральным (от лат. «aurora» — полярное сияние).

Расположение географического и геомагнитного северных полюсов (слева), авроральный овал в северном полушарии при Kp-индексе равном двум (справа)
Расположение географического и геомагнитного северных полюсов (слева), авроральный овал в северном полушарии при Kp-индексе равном двум (справа)

Расположение магнитных полюсов немного отличается от расположения географических и, в случае северного полушария, магнитный полюс смещен в сторону Канады.

При увеличении солнечной активности и, как следствие, планетарного Kp-индекса, авроральный овал расширяется; тогда полярное сияние можно наблюдать на более южных широтах. Также увеличивается максимальная интенсивность и вероятность его увидеть. Стоит сказать, что если вы находитесь в Тромсё, то при низких показателях солнечной активности полярное сияние будет наблюдаться на севере, а при больших — на юге. В случаях, когда полярное сияние расположено близко к горизонту, его лучше наблюдать с возвышенности.

Расширение аврорального овала с увеличением планетарного Kp-индекса (с сайта Aurora Forecast Service)
Расширение аврорального овала с увеличением планетарного Kp-индекса (с сайта Aurora Forecast Service)

Aurora Forecast Service

  • Лучшие места для наблюдения за полярным сиянием располагаются в северных широтах. Из-за смещения геомагнитного полюса в сторону Канады, в западном полушарии таких мест больше. Даже при небольшой солнечной активности северное сияние часто можно наблюдать неподалеку от таких городов, как: Тромсё (Норвегия), Мурманск (Россия), Фэрбанкс (Аляска, США), Доусон, Йеллоунайф, Гиллам (Канада), Нук (Гренландия), Рейкьявик (Исландия) и на северном побережье Сибири.

Что может помешать увидеть северное сияние?

Северное сияние в основном происходит на высотах 100–400 км, а это значит, что любые облака (их высота обычно не превышает 10 км) скроют его от наблюдателя.

Высота полярного сияния
Высота полярного сияния

Не будем останавливаться на том, как при помощи десятков тысяч метеостанций по всему миру, расположенных как на суше, так и на море (на кораблях и буях), в космосе (метеорологические спутники), собираются данные о состоянии атмосферы, а затем на основе численного моделирования с использованием термодинамических и гидродинамических уравнений составляется прогноз погоды. Сейчас мы рассмотрим то, какие существуют прогнозы и их достоверность, а также приведём конкретные примеры.

Прогнозы делятся по заблаговременности периода, на который даётся прогноз. Надежность прогнозов тем ниже, чем выше заблаговременность: до 12 часов — 95%, от 12 до 36 часов — 90%, от 10 суток до 3 месяцев — 60% и т.д.

Самый долгосрочный прогноз основывается на многолетней статистике, собираемой на конкретной метеостанции.

Усредненные показатели облачности в Тромсё в течение года (с сайта weatherspark)
Усредненные показатели облачности в Тромсё в течение года (с сайта weatherspark)

weatherspark

Как мы видим, в этом районе Норвегии высокая облачность: с конца октября по начало марта чистое или с небольшой облачностью небо наблюдается только около 20% времени.

Найти средне- и краткосрочные прогнозы можно на множестве различных сайтов, однако для каждого региона оптимальны свои, и именно их, как правило, транслирует местное телевидение. Например, в случае северной Норвегии — это ресурс yr.no, где есть прогноз на каждый час в течение двух суток, а также восьмидневный прогноз с детализацией в шесть часов.

Двухсуточный прогноз с сайта «yr.no». Синяя сплошная линия отражает температуру, синие прямоугольники (в том числе со штриховкой) — осадки, стрелки показывают скорость и направление ветра
Двухсуточный прогноз с сайта «yr.no». Синяя сплошная линия отражает температуру, синие прямоугольники (в том числе со штриховкой) — осадки, стрелки показывают скорость и направление ветра

Довольно иронично, что именно тринадцатого января, когда вплоть до последнего момента по прогнозу была полная облачность, нам удалось встретить полярное сияние на абсолютно чистом небе.

Из-за сложных движений воздушных масс у северного побережья облачность меняется очень быстро, и надежность прогнозов сильно снижается. Однако при движении вглубь континента погода становится стабильнее, а прогнозы точнее. Облачность также зависит от рельефа. Так, например, горные хребты могут экранировать облака. Поэтому по направлению от побережья вглубь континента облачность, как правило, падает. Именно этими принципами и руководствуются компании по охоте за полярным сиянием. При невозможности наблюдать полярное сияние на побережье Норвегии, туристические автобусы движутся на юг, часто преодолевая сотни километров и пересекая границу с Финляндией.

Посмотреть данные со спутника, показывающие облачный покров в реальном времени и его движение за последние полчаса, можно, воспользовавшись сервисом RealEarth.

Облачный покров в реальном времени, взято с сайта RealEarth
Облачный покров в реальном времени, взято с сайта RealEarth

Несмотря на то, что полярное сияние может присутствовать круглый год, мы имеем возможность наблюдать это явление только на тёмном небе. Солнечный свет не позволяет нам увидеть полярное сияние в высоких широтах летом (из-за полярного дня). Если быть точнее, наблюдения возможны с конца августа по середину апреля. Стоит отметить, что максимумы полярного сияния («Russell-McPherron effect») в течение года приходятся на весеннее (22–23 сентября) и осеннее (20 марта) равноденствия. Также солнечный свет препятствует наблюдению полярного сияния в дневное время. Период времени между 9 часами вечера и 3 часами ночи признан лучшим для охоты за полярным сиянием.

Помимо прямого солнечного света, отраженный от Луны свет, также будет мешать вам увидеть полярное сияние. В связи с чем лунный цикл должен быть принят к сведению. Поэтому при наблюдении за полярным сиянием, новолуние является оптимальным. Однако стоит отметить, что при фотографировании полярного сияния, луна часто является единственным источником света, без которого практически невозможно запечатлеть в кадре окружающий пейзаж. В период нашей поездки (с 10 по 17 января 2019 года) наблюдалась растущая луна.

Фазы луны во время нашей поездки (с сайта moongian»)
Фазы луны во время нашей поездки (с сайта moongian»)

moongiant

Последним по порядку, но не по значимости, является световое загрязнение городов. Свет от искусственных источников света рассеивается в нижних слоях атмосферы и мешает наблюдению за полярным сиянием и проведению астрономических наблюдений. Для успешной охоты за полярным сиянием нужно покинуть область высокого светового загрязнения. Карта светового загрязнения сориентирует вас, однако конкретные места лучше уточнить в местном туристическом центре или у местных жителей. Помимо светового загрязнения над населенными пунктами из-за поднимающегося теплого воздуха часто возникают локальные облака. Это является ещё одной причиной, по которой нужно покинуть населенный пункт для наблюдения за полярным сиянием.

Световое загрязнение в районе северного побережья Норвегии. Красные кнопки обозначают места куда мы выезжали для наблюдения за полярным сиянием (неподалеку от верхней находится Тромсё). Взято с сайта lightpollutionmap», также можно использовать darksitefinder
Световое загрязнение в районе северного побережья Норвегии. Красные кнопки обозначают места куда мы выезжали для наблюдения за полярным сиянием (неподалеку от верхней находится Тромсё). Взято с сайта lightpollutionmap», также можно использовать darksitefinder

lightpollutionmap, darksitefinder

  • Время года (месяц) для поездки стоит выбирать, учитывая близость к дням равноденствий и исходя из показателей облачности для данного района. В большинстве случаев конец марта является оптимальным. Также стоит обратить внимание на фазы луны. Если наблюдение (а не фотографирование) полярного сияния стоит на первом месте, то новолуние будет наилучшим вариантом.
  • Непосредственно во время поездки нужно мониторить прогноз погоды (точнее, облачность) там, где вы находитесь и в соседних регионах, особенно расположенных южнее. Для успешной охоты за полярным сиянием вам потребуется машина или же услуги туристической компании. Нужно отъехать дальше от населенных пунктов, и, возможно, южнее (в случае высокой облачности в районе побережья).

Цвет полярного сияния. Как уже упоминалось выше, полярное сияние вызвано столкновениями между заряженными частицами солнечного ветра и молекулами и атомами газа атмосферы, преимущественно кислородом и азотом. По мере проникновения электронов и протонов солнечного ветра глубже в атмосферу Земли, шанс их столкновения с атомами и молекулами газа атмосферы увеличивается. Состав и плотность атмосферы и, как следствие, высота соударений определяют цвет полярного сияния.

Кислород на высоте порядка 200 км излучает красный цвет, а около 100 км — зеленовато-желтый цвет, являющийся самым распространенным цветом полярного сияния. Азот излучает синий и красный цвета, которые, смешиваясь, образуют фиолетовый.

Камеры обладают отличной от человеческого глаза чувствительностью к цветам, поэтому красный и фиолетовый цвета гораздо чаще удается запечатлеть на фото, чем увидеть невооруженным глазом.

Спектр излучения полярного сияния
Спектр излучения полярного сияния

Форма полярного сияния зависит от уровня солнечной активности и места нахождения наблюдателя. Самой распространенной является гомогенная дуга, которая наблюдается при небольшой солнечной активности. При увеличении солнечной активности внутри дуги формируются вертикальные лучи, образуя так называемую лучевую дугу. Когда полоса полярного сияния протягивается на несколько сотен километров, создается иллюзия, что она касается Земли и поднимается от неё в виде пара. Вид короны можно увидеть в том случае, если наблюдатель находится прямо под лучевой дугой.

Различные формы полярного сияния: (а) гомогенная дуга, (б) лучевая дуга, (в) поднимающийся пар и (г) корона
Различные формы полярного сияния: (а) гомогенная дуга, (б) лучевая дуга, (в) поднимающийся пар и (г) корона

Если у вас нет возможности наблюдать за полярным сиянием воочию, вы можете, руководствуясь теми же принципами, попытаться «поймать» полярное сияние с помощью онлайн-камер, расположенных по всему миру. Список камер и ссылки на них есть на сайте seetheaurora.

Изображение с камеры геофизического института Аляски
Изображение с камеры геофизического института Аляски

Продолжение — Часть II. Практика съемки

Бондарь Дмитрий, Галина Мухина. 2019. Все права не защищены ©

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic

Your reply will be screened