Теоретические основы 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.
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%.
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 слева виден поворот внешних слоев Солнца против часовой стрелки за два дня.
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, 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.
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.
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.
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.
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-ом 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.
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-ти 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 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.
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.
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.
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.
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».
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 (20 марта) и осеннее (22-23 сентября) 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.
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.
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.
Каким бывает северное сияние
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.
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».
Как одеваться для охоты на северное сияние
Если Вы собираетесь охотиться за полярным сиянием в холодное время года, то стоит серьезно задуматься об одежде. В противном случае наблюдение за полярным сиянием может превратиться в сущий кошмар, особенно при фотографировании, когда долгое время приходится стоять неподвижно.
До обсуждения одежды хочется заметить, что наличие машины будет огромным плюсом. Во-первых, с её помощью можно покинуть область светового загрязнения, а также добраться до безоблачного района. А во-вторых, в ней всегда можно погреться и попить горячего чая. Просто необходимо иметь термос с горячим напитком (желательно литр из расчета на человека). Следует помнить о том, что опустевшую ёмкость всегда можно восполнить, к примеру, на ближайшей заправке.
Итак, первым делом нужно позаботиться о нижнем слое термобелья («Thermal base layer»). Он включает в себя леггинсы и фуфайку, которые состоят, как правило, преимущественно из полиэстера и полиамида. Его основные задачи — сохранять тепло и отводить влагу. Цена такого сета, в зависимости от качества, составляет от 1000 до 8000 рублей.
Как завещал великий русский полководец А.В.Суворов, ноги нужно держать в тепле. И для этого Вам, конечно, понадобится хорошая обувь. Рассмотрим два варианта обуви: зимние сапоги и ботинки для хайкинга. Сапоги, как правило, значительно дешевле (1000-5000р), чем ботинки (5000р-15000р). Однако я предпочитаю именно ботинки, т.к. они лучше подходят для пересеченной местности и особенно восхождений. Обувь лучше брать на 1-2 размера больше, чтобы можно было одновременно надеть шерстяные и термоноски. Иногда есть смысл обзавестись ледоходами для хождения по льду.
Немного отвлекаясь от темы, хочется сказать, что в первом слое термобелья можно провести неплохой фотосет.
Поверх фуфайки надевается флисовая толстовка, а при температуре ниже -15°С ещё и флисовые брюки с шерстяным свитером поверх толстовки. Цена флисовых штанов и толстовки начинается от 500 рублей, шерстяного свитера от 1000 рублей.
Последний слой одежды состоит из водонепроницаемых зимних брюк (или полукомбинезона) и зимней куртки. Цена на брюки, как правило, составляет от 2000 до 6000 рублей, на комбинезон или куртку — 5000 до 15000 рублей.
И в заключение поговорим о головных уборах и перчатках. Как показывает опыт, лучше носить два слоя перчаток: первый — легкие сенсорные перчатки, второй — теплые водо- и ветрозащитные перчатки или варежки поверх. На голову можно надеть либо флисовую шапочку в комплекте с обычной зимней шапкой, либо шапку-ушанку. Для лица и шеи подойдет шарф в комплекте с балаклавой или баффом.
Полный комплект обошелся мне в 50 тысяч рублей, однако при сильной экономии можно уложиться в 15-20 тысяч.
Фотографирование и обработка
Я не профессиональный фотограф, а любитель, и должен оговориться, что данный раздел написан для людей, которые решили съездить в отпуск, посмотреть на полярное сияние и сфотографировать его на память. Он содержит лишь основные идеи и не претендует на полноту.
Мой комплект фототехники, который я взял с собой в Норвегию, представлен ниже. На фото не хватает штатива, который я позаимствовал у товарища. Суммарная стоимость комплекта (б/у) составила порядка 60 тысяч рублей. Однако если оставить только то, что необходимо непосредственно для съемки полярного сияния, стоимость снизится до 50 тысяч.
Для съемки полярного сияния Вам понадобятся:
- Зеркальная фотокамера. Для фотографирования лучше использовать зеркальную фотокамеру и, желательно, полноматричную. Полная матрица не уменьшает размер кадра и позволяет делать качественные снимки на более высоких значениях светочувствительности. Однако я использовал для съемки кропнутую фотокамеру Canon 760D и остался доволен качеством снимков;
- Объектив. Наиболее важны два параметра — фокусное расстояние и светосила. Фокусное расстояние 10-14mm будет оптимальным и позволит захватить в кадр как большую часть небосвода, так и окружающий пейзаж. Светосила (f) от 2.8 до 4 (чем меньше, тем лучше) необходима, чтобы пропускать больше света через объектив, тем самым уменьшая время выдержки, при котором достигается нужная яркость сияния, что необходимо для большей его детализации. Самым распространенным и недорогим (25 т.р.) объективом является Samyang 10mm f2.8. Однако я заказал китайский аналог Kelda 8mm f3.5 за 9 т.р. из всем известного интернет-магазина;
- Samyang 10mm f2.8. Устойчивый штатив. Дешевые алюминиевые штативы весом до 0.5 кг могут раскачиваться (или даже падать) при сильном ветре, что отразится на качестве фото;
- Запасные аккумуляторы. Я предпочитаю брать с собой несколько запасных китайских аккумуляторов и хотя бы один оригинальный, т.к. китайские зачастую быстрее садятся на морозе. Перед съемкой их стоит держать в теплом месте, например, во внутреннем кармане, ближе к телу;
- Беспроводной пульт дистанционного управления. В случае отсутствия пульта можно без особых проблем использовать функцию автоспуска (2 или 10 сек). Однако я предпочитаю пульт, т.к. кнопку на нем проще нажимать в больших перчатках. Кроме того, его использование уменьшает вероятность случайно задеть камеру/объектив и изменить настройки, например, фокусировку;
- Флеш-карта. Важно взять флешку с достаточно большой скоростью записи (в моем случае это 70 МБ/с), чтобы фотоаппарат не тратил ощутимого времени на запись фотографий. Также неплохо иметь вторую флешку на всякий случай. В качестве запасной я предпочитаю microSD с переходником;
- Фонарик. Кроме того, что фонарик всегда полезно иметь с собой во время путешествий, он понадобится в том случае, если Вы захотите сфотографироваться на фоне полярного сияния.
Проведение съемки северного сияния
Проводить съемку обязательно нужно со штатива и в ручном режиме. Снимать следует в формате RAW (лучше RAW+JPEG) с максимально открытой диафрагмой. Светочувствительность выставляется на максимальное значение, при котором на фото не заметно шума. Выдержка ставится на минимальное время, при котором достигается нужная яркость сияния, что необходимо для большей его детализации. На широкоугольных объективах, как правило, нет автофокусировки, но если имеется, то её необходимо выключить. Автофокус выставляется вручную на бесконечность (∞). Стабилизацию изображения нужно отключить.
Распространенной ошибкой является фотосессия при одних и тех же настройках с последующим разочарованием при просмотре кадров на мониторе компьютера. Важно смотреть на результат и регулировать настройки не только между фотосетами, но и в пределах одной съемки.
Ещё раз напомню, что лунный свет делает сияние на кадрах тусклее, однако подсвечивает окружающий пейзаж. Раз уж мы заговорили о пейзаже, могу посоветовать включить что-нибудь интересное на передний план, например, одинокое дерево, горную вершину или домик. Однако сильно загораживать небо не стоит.
Распространенные проблемы при съемке
При температуре ниже нуля аккумуляторы начинают быстрее разряжаться, а на конце объектива, когда фотоаппарат охлаждается до окружающей температуры, появляется роса. Поэтому нужно держать фотоаппарат и аккумуляторы в теплом месте и доставать их непосредственно перед съемкой. Желательно также обернуть их в пузырчатую упаковку для лучшей термоизоляции. Если планируется долгая съемка, то необходимо утеплить объектив, чтобы он оставался теплым и роса не конденсировалась. Можно купить готовый утеплитель, а можно легко изготовить самому, используя носок, коврик для спорта и грелку для рук (как показано ниже). Грелку необходимо расположить под объективом, т.к. теплый воздух поднимается вверх.
Обработка фотографий
Настройки будут меняться от кадра к кадру, но здесь я приведу те, с которых стоит начать.
Баланс белого (White Balance) – Температура (Temp): 4100; оттенок (Tint): +20. Можно увеличить тени (Shadows) до +30, если нужно осветлить детали на переднем плане, и яркость (Whites) до +30, чтобы сделать звезды и сияние ярче. Если сияние недостаточно яркое, то можно немного увеличить вибрацию (Vibrance). Если сияние слишком блеклое и/или искажается световым загрязнением, то можно изменить насыщенность (Saturation) отдельно для зеленого цвета во вкладке HSL. Необходимо использовать подавление шума (Noise reduction) от 20 до 50 в зависимости от использованной фотокамеры и выставленного значения ISO. Для увеличения контраста на небе можно немного повернуть ползунок Dehaze.
Основная задача при обработке фотографий полярного сияния — не «пережарить» снимки (хоть соблазн и велик), чтобы не получить совсем нереалистичные изображения.
Рассмотрим пример.
Полярное сияние, которое мы видели невооруженным глазом, выглядит примерно так.
Если применить обсуждавшиеся выше настройки, то получится такой кадр. Это и есть хорошая обработка.
В связи с тем, что интенсивность полярного сияния невелика, можно немного усилить цвета (значения примерно в полтора раза выше рекомендуемых) — такая обработка будет приемлемой.
Однако здесь очень тонкая грань между разумным усилением цветов и получением нереалистичных снимков. Это фотография уже прилично «переобработана».
А вот очень плохая обработка — абсолютно нереалистичный снимок.
Напоследок хочется сказать, что не стоит тратить всю ночь на наблюдение полярного сияния через видоискатель/монитор Вашей камеры. Иногда стоит отложить камеру, лечь на снег и наслаждаться «шоу».
Подведение итогов и заключение
Расходы на недельную поездку из расчета на человека, не считая приобретения одежды (50 т.р.) и фототехники (60 т.р.), составили порядка 60 тысяч рублей. Из них: 15 т.р. ушло на перелет, 15 т.р. — на проживание, 18 т.р. — на аренду машины и бензин, 12 т.р. — на продукты и мелкие расходы.
Что сказать о результатах … Наблюдали ли мы самое живописное полярное сияние из возможных? Нет, конечно же. Принесла ли поездка бесценный опыт? Однозначно — да. Было ли путешествие захватывающим и интересным? Да, безусловно. Однако мы не планируем на этом останавливаться и надеемся встретить Вас в 2024 в Канаде:)
P.S. Те, кто внимательно прочитал теоретические основы и практические советы, поймут, почему так.
P.P.S. Спасибо всем, кто ознакомился с данной рукописью и помогал с её подготовкой. Остались вопросы — спрашивайте! Понравилось — поделитесь, пожалуйста, с друзьями:)
