Это видео из моего модуля Aurora - модели полярного сияния и движения заряженных частиц в магнитном поле Земли. Здесь само сияние не нарисовано заранее, оно постепенно появляется там, куда в результате расчёта действительно прилетают частицы. Магнитное поле Земли в модуле задаётся как поле диполя: оно сильнее возле полюсов и слабее в районе магнитного экватора. В это поле запускаются тысячи заряженных частиц с немного разными начальными условиями, после чего программа отдельно рассчитывает движение каждой из них. При этом частица не просто летит вдоль нарисованной силовой линии. На неё действует сила Лоренца, поэтому она закручивается вокруг магнитного поля и одновременно движется вдоль него. Для расчёта используется алгоритм Бориса - численный метод, специально хорошо подходящий для движения заряженных частиц в магнитных полях.

Дальше возникает интересный эффект - магнитное зеркало. Когда частица движется к полюсу, магнитное поле становится сильнее. Поперечное движение частицы усиливается, а движение вдоль силовой линии замедляется. В результате многие частицы вообще не достигают атмосферы: они останавливаются, разворачиваются и летят обратно к магнитному экватору. Но это происходит не со всеми. Если частица изначально движется достаточно сильно вдоль магнитного поля, она успевает пройти вниз раньше, чем магнитное зеркало сможет её развернуть. Такой диапазон направлений называется конусом потерь. Именно частицы, попавшие в него, достигают верхних слоёв атмосферы.

Поэтому полярное сияние здесь возникает не просто «возле полюсов». Частицы стартуют с разных магнитных оболочек и под разными углами, а программа сама получает область, куда они в итоге выпадают. Постепенно точки попадания складываются в кольцо вокруг магнитного полюса - авроральный овал. На видео можно заметить и разный цвет летящих частиц. Более холодными оттенками показаны те, которые остаются захваченными магнитным полем и отражаются обратно. Более тёплыми - частицы, движущиеся внутри конуса потерь и направляющиеся к атмосфере.

Когда частица достигает атмосферы, на месте её попадания появляется небольшой светящийся участок. Из большого количества таких попаданий постепенно собирается само полярное сияние. Зелёный цвет внизу переходит в более слабый красноватый выше - это уже визуальная модель характерных цветов настоящей авроры. То есть зелёное кольцо вокруг планеты в этом модуле не является заранее нарисованным эффектом.

Программа рассчитывает магнитное поле, запускает в него тысячи частиц, смотрит, какие из них магнитное поле развернёт обратно, а какие действительно достигнут атмосферы, и уже из мест их попадания получается полярное сияние.

Доступно на Steam: https://store.steampowered.com/app/4861360/Makarov_Physics_S...