Полярные сияния

Подробности

Категория: Оптические явления в природе

Одним из красивейших оптических явлении природы является полярное сияние. Невозможно передать словами красоту полярных сияний, переливающихся, мерцающих, пламенеющих на фоне темного ночного неба в полярных широтах.

В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета (см. рисунок).

Полярные сияния наблюдают в двух основных формах — в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает несколько сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно отчетливо и резко очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний — постепенно теряется в высоте, и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

На рисунке 88 схематически изображены различные виды сияний в зависимости от высоты, на которой они возникают.

Различают четыре типа полярных сияний (рис. 89):

однородная дуга — светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба (рис. 89, а);

лучистая дуга — лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки (рис. 89, б);

лучистая полоса — с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие (рис. 89, в);

при повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров (до сотни километров), нижний край ленты ярко сияет розовым светом (рис. 89, а). Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленого свечения всей полярной шапки (рис. 90). Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (т. е. в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещает Землю так ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее сияние распространяется на запад со скоростью примерно 1 км/сек. Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляются вверх, что сказалось на усиленном торможении искусственных спутников Земли, проходящих эти зоны.

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитые поля,- так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

 КАК ВОЗНИКАЮТ ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ?

Земля представляет собой большой магнит (причина земного магнетизма не выяснена), южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса (71° с. ш., 96° з. д.), а северный — вблизи южного (173° ю. ш., 156° в. д.). Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывают Земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную (бубликовидную) решетку вокруг Земли (рис. 91, 92).

Долго считали, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» — поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем (особенно активно во время вспышек на Солнце), налетая на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20 000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост» (рис. 92). В результате магнитное поле приобретает форму, о которой можно судить по рисункам 91—93.

Для понимания дальнейшего надо вспомнить, как движется заряженная частица в магнитном поле: а) в случае, если она летит перпендикулярно магнитным силовым линиям (рис. 93,    а);

б) под углом к силовым линиям (рис. 93, б). В последнем случае она движется по спирали, тем более вытянутой, чем меньше угол ос между линиями индукции поля В и скоростью частицы v₀.

Отсюда следует, что электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию (см. рис. 88). Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тороида и движутся внутри него, как это можно установить по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС (рис. 93, в). (Электроны движутся в обратную сторону.) Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбужение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как npoтоны прилетают на Землю с энергиями 10 000 — 20 000 эв (1 эв = 1,6 * 10^-19 дж), а электроны—с энергиями 10 — 20 эв. Для ионизации же атомов нужно: для водорода — 13,56 эв, для кислорода — 13,56 эв, для азота — 14,47 эв, а для возбуждения и того меньше.

Возбужденные атомы газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое — ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода — на высоте 200—400 км (см. рис. 88). Другим слабым источником красного свечения являются атомы водорода, образовавшиеся в верхних слоях атмосферы из протонов, прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красноватый свет. Это излучение на рисунке 88 изображено как слабое свечение типа А.

Вспышки сияний обычно происходят через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследования при помощи ракет показали, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

В последнее время советские ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей. Это, видимо, связано с электрическими токами, протекающими в водах вблизи их берегов.

Однако научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных выше энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбужения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков. Все эти вопросы требуют объяснения, а поэтому многие полярные станции в России и других странах ведут тщательные наблюдения, накапливают факты, разрабатывают их теоретически.

Большую помощь в этом оказывают искусственные спутники, автоматические станции и космонавты, наблюдающие атмосферу и полярные сияния из космоса.