Эволюция представлений о природе полярных сияний

Я думаю, что на Земле не найдется такого человека, которому моя тема была бы далека и не интересна, т. к. вопрос этот волнует уже с юного возраста. Ведь каждый хотел бы, чтобы северное сияние засияло и в его крае.

Полярные сияния.

 Долга и томительна полярная ночь. Кажется, глаза навсегда отвыкли от яркого света и цвета. И, как награда жителям северных стран, в темном небе иногда вспыхивают цветные сполохи. Они медленно перемещаются, то, свертываясь, то, снова разворачиваясь, переливаются чистыми радужными цветами. Это - полярное сияние. Некоторые рассказывают, что оно сопровождается слабым шорохом (так называемый "шепот звезд"), природа которого не вполне ясна.

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ, поразительное явление свечения, наблюдаемое на небе, чаще всего в полярных областях.  В Северном полушарии его называют также северным сиянием, а в высоких широтах Южного полушария — южным. Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний — предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории.

Явление свечения, до некоторой степени близкое полярным сияниям, называемое «свечением ночного неба», можно наблюдать при помощи специальных приборов на любой широте.

Полярные сияния — одно из самых красивых световых явлений в природе, поэтому они привлекали внимание человека на протяжении всей его истории. Упоминания о полярных сияниях можно найти в трудах Аристотеля, Плиния, Сенеки и других древних философов.

Долгое время полярные сияния рассматривали как предвестники катастроф — эпидемий, голода и войн. Например, это явление связали с падением Иерусалима и смертью Юлия Цезаря. Во всяком случае, в этом видели проявление гнева богов или других сверхъестественных сил. Люди, проживающие в местах, где полярное сияние не редкость, старались объяснить его появление естественным путём. Например, высказывались предположения о том, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда.

Во время полярных сияний небо может стать красным, как на пожаре. Известны случаи, когда полярное сияние красного цвета принимали за зарево пожара и пожарные команды выезжали к огромному зареву в северной части горизонта.

Первая запись о наблюдении южного полярного сияния датируется 16 сентября 1770г. Ее сделал в судовом журнале кто-то из экспедиции капитана Джеймса Кука, направлявшейся для исследования Австралии и южной части Тихого океана. Именно в этой записи подмечено, что южное полярное сияние очень похоже на северное (наблюдатель до этого побывал и в северных морях). Известно, что в китайской империи подробные ежедневные летописи велись еще две тысячи лет назад, и из этих летописей историки узнали, что именно в этот день - 16 сентября 1770г. - в Поднебесной наблюдали северное полярное сияние. Таким образом, была выдвинута теория о зеркальных полярных сияниях, которую долгое время не удавалось подтвердить с достаточно высокой точностью. И вот теперь получены четкие изображения двух полярных сияний сразу.

Американский спутник Polar, который вращается вокруг Земли по полярной орбите, снял первый фильм, в котором полярные сияния находятся над двумя полюсами нашей планеты одновременно. Съемки велись 22 октября во время очередной магнитной бури после вспышек на Солнце. Полученные динамически меняющиеся изображения подтвердили старую теорию, которой уже более трехсот лет, что полярные сияния в северном и южном полушариях представляют собой почти зеркальные отражения друг друга - это кольца диаметром около 4 тыс. км вокруг каждого полюса.

29 октября 2001г.

Активность полярных сияний и связанные с ними явления.

В последние годы полярные сияния наблюдались визуально и фотографировались, в частности с применением прибора нового типа, называемого «аппаратом кругового обзора». Полярные сияния имеют весьма разнообразные формы, включая проблески, пятна, однородные дуги и полосы, пульсирующие дуги и поверхности, всполохи, лучи, лучистые дуги, драпри и короны. Свечение, как правило, начинается в виде сплошной дуги, которая является одной из самых обычных форм и не имеет лучистой структуры. Яркость может быть довольно постоянной во времени или же пульсировать с периодом менее минуты. Если яркость сияния увеличивается, однородная форма часто распадается на лучи, лучистые дуги, драпри или короны, в которых лучи как бы сходятся к вершине. Всполохи в форме быстро движущиеся вверх волн света часто венчаются короной.

Наиболее часто полярные сияния имеют вид лент или пятен, напоминающих облака . Более интенсивное сияние приобретает форму лент, которые при уменьшении интенсивности превращаются в пятна. Ленты могут также исчезать, не разбиваясь на пятна. Типичные формы полярных сияний в зависимости от их высоты. Ленты обычно простираются с востока на запад на тысячи километров, напоминая гигантский занавес. Высота этого занавеса достигает нескольких сот километров, а толщина всего лишь несколько сот метров. Расчеты, выполненные на основе множества фотонаблюдений на Аляске, в Канаде и, особенно в Норвегии, показывают, что около 94% полярных сияний приурочено к высотам от 90 до 130 км над земной поверхностью, хотя для разных форм полярных сияний характерно свое собственное высотное положение. Максимальная до сих пор зарегистрированная высота появления полярного сияния — около 1130км, минимальная — 60км. Такой занавес прозрачен, и сквозь него можно различать звёзды. Нижний край занавеса обычно резко очерчен и чаще подкрашен в красный или розовый цвет, а верхний, размытый постепенно исчезает с высотой. Иногда возникают интенсивные сияния, которые охватывают большую часть полярного района и характеризуются беловато-зеленоватым свечением. Полярные сияния исследуются с помощью радиолокаторов. Радиоволны с частотами от 10 до 100 МГц при определенных условиях отражаются областями ионизации, которые возникают в высоких слоях атмосферы под воздействием полярных сияний. При использовании высокочастотных радиосигналов и антенн дальнего действия можно получать отраженные волны на частотах до 800 МГц. Радиолокационным методом ионизация обнаруживается даже днем при солнечном освещении, а также фиксируются очень быстрые перемещения полярных сияний. Результаты фото- и радиолокационных наблюдений свидетельствуют, что активность полярных сияний подвержена как суточным, так и сезонным изменениям. Максимальная активность в течение суток отмечается около 23 ч, сезонный же пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним временные интервалы (март — апрель и сентябрь — октябрь). Эти пики активности полярных сияний повторяются через относительно правильные промежутки, а продолжительность основных циклов составляет примерно 27 дней и около 11 лет. Все эти цифры показывают, что существует корреляция между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли, поскольку пики их активности совпадают, т.  е.  полярные сияния обычно возникают в периоды высокой активности магнитного поля, которые называются «возмущениями» и «магнитными бурями». Именно во время сильных магнитных бурь полярные сияния прослеживаются в более низких, чем обычно, широтах.

Пульсирующие полярные сияния обычно сопровождаются пульсациями магнитного поля и очень редко — слабыми свистящими звуками. Они, по-видимому, также генерируют радиоволны с частотой 3000 МГц. Ионосферные наблюдения в радиоволновом диапазоне показывают, что на высотах 80-150 км во время полярных сияний повышается ионизация. Наблюдения, проводимые при помощи геофизических ракет, указывают, что плотные ядра повышенной ионизации вдоль силовых линий магнитного поля связаны с полярными сияниями, а при интенсивных полярных сияниях температура верхних слоев атмосферы возрастает.

По яркости сияния разделяются на четыре класса, отличающиеся друг от друга в 10 раз. В первый класс попадают еле заметные сияния, сходные по своей яркости с Млечным Путём. Сияния же четвёртого класса по яркости можно сравнить с полной Луной.

Полярные сияния в северном полушарии обычно движутся на запад со скоростью примерно 1км /с.

Верхние слои атмосферы в области сияний заметно нагреваются, что приводит к появлению восходящих потоков газа. В результате на больших высотах увеличивается плотность газовой среды. Последнее вызывает дополнительное торможение искусственных спутников Земли в этой области. Сияния также сопровождаются сильными вихревыми токами в огромных областях пространства. В результате индуцируются сильные магнитные поля и развиваются так называемые магнитные бури.

Как возникают полярные сияния.

Известно, что магнитное поле Земли играет очень важную роль в жизни всего человечества. Магнитное поле – это тот самый механизм, который сглаживает «убийственное влияние» солнечного и остального космического излучения на живые организмы. Его уменьшение или полное исчезновение стало бы для человечества еще большей потерей, чем озоновые дыры. К счастью, магнитное поле просто так из-за действий нефтяных компаний сильно пострадать не может. Как и у любого постоянного магнита, у планеты существуют свои собственные северный и южный полюса, кстати, территориально не совпадающие с полюсами холода или полюсами планеты. Последние исследования показали, что Северный магнитный полюс, после почти 400 лет стабильности, за последние 100 лет передвинулся почти на 1100км вглубь Северного Ледовитого Океана. Текущая скорость перемещения полюса (а значит и изменения магнитного поля планеты) за следующие 50 лет может «подвинуть» полюс из Северной Канады в Сибирь.

Магнитное поле Земли похоже на поле однородной намагниченной сферы с магнитной осью, наклоненной на 11,5° к оси вращения Земли. Южный магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом, а находится в пункте с координатами приблизительно 76° северной широты и 101° западной долготы. Северный магнитный полюс Земли расположен в Антарктиде. Напряженность магнитного поля на полюсах составляет 0,63 Э, на экваторе – 0,31 Э.

Открытое в 1905 году изменение магнитного поля привело к заключению, что оно зарождается в жидком внешнем ядре планеты. Сравнительно быстрые движения могут происходить там без катастрофических последствий.

В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т. е. в виде симметричных дуг протянувшихся от южного магнитного полюса к северному. Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удаленности можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе - солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собою потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его, как это представлено на рисунке. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница (очерченная область в зеленых тонах), по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую - возмущенное поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1 000 радиусов Земли.

Силовые линии магнитного поля Земли образуют своеобразные ловушки для движущихся к ней потоков частиц солнечного ветра. Задержанные магнитным полем частицы образуют радиационные пояса.

Резкие изменения магнитного поля Земли называются магнитными бурями. Магнитные бури часто начинаются через сутки или двое после хромосферных вспышек на Солнце; они вызываются потоками частиц, движущихся с большими скоростями от Солнца. Заряженные частицы, скользя вдоль силовых магнитных линий Земли, могут проникнуть в атмосферу. Сталкиваясь с атомами атмосферы, они вызывают особое свечение, называемое полярным сиянием.

Однако, в настоящее время Международная группа ученых во главе с Юнляном Чжаном провели исследование и доказали, что необычные полярные сияния возникают благодаря полярному дождю.

В июле 2004 года над южным магнитным полюсом спутник зафиксировал нестандартный тип сияния, который имел необычный механизм образования. Тогда ученым не удалось разгадать загадку происхождения этого сияния. Однако теперь исследователи утверждают, что виной тому стал полярный дождь.

Ученые наблюдали за сияниями при помощи ультрафиолетовых камер, установленных на спутниках Земли. В июле 2004 года они зафиксировали полярный дождь необычно высокой энергии. С поверхности планеты в этот момент полярного сияния никто не наблюдал, но спутники сообщали, что прямо над южным магнитным полюсом имело место сияние. И причиной его, по мнению Чжана, был именно полярный дождь.

Дождевые полярные сияния отличаются от обычных тем, что имеют другой механизм образования, возникают прямо над магнитными полюсами и могут двигаться с очень большой скоростью.

Поверхность Земли не самое лучшее место для наблюдения за полярными сияниями: во-первых, почти всегда их надо наблюдать ночью, когда не мешает солнце; во-вторых, наблюдениям могут помешать облака. Этих трудностей можно избежать, если следить за полярными сияниями из Космоса, где к тому же нет искажающего влияния нижних плотных слоёв атмосферы. Наблюдения с пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций дали богатый материал о пространственном расположении сияний, их изменении во времени и о многих особенностях этого явления. Более того, космические аппараты позволили выполнять измерения внутри полярного сияния. При этом одинаково удобно исследовать сияния и в северном и в южном полушариях. Таким способом можно наблюдать сияния и на дневной стороне Земли.

ОТТАВА. Масштабную программу изучения северных сияний "Темис" начинают канадские и американские ученые. В рамках этой программы 15 февраля на орбиту были выведены пять спутников, которые будут следить за различными аспектами взаимодействия потока заряженных частиц от Солнца - "солнечного ветра" - с магнитным полем Земли и верхними слоями атмосферы. Наблюдения будут вестись также с 20 наземных обсерваторий, 16 из которых расположены в канадской Арктике.

Как заявил один из участников программы - профессор физики Университета Калгари Эрик Донован, "комплексные наблюдения значительно расширят наше понимание механизма возникновения этих прекрасных и мощных явлений - северных сияний".

Северное сияние в наших краях - явление чрезвычайно редкое. И как следствие - всегда неожиданное, с легким налетом загадочности. А все потому, что для большинства из нас данное явление прочно ассоциируется с ледяным безмолвием Арктики. Там, за Полярным кругом северные сияния - дело обычное. Другое дело Урал и даже не Средний, а наш родной Южный Однако, существует ряд достоверных фактов, свидетельствующих о том, что это достаточно редкое природное явление в отдельные годы можно было наблюдать и на территории нынешней Челябинской области.

11 января 1750г. «По захождении солнца, в пятом часу нощи, было на небеси великое огненное на долгое время паление, оттого во объявленном городе [Челябинске] и на земли была светлость весьма страшная, наподобие огня и все жители думали, что от того земля загорится и будет представление света». Один из выдающихся ученых-энциклопедистов ХVIII в. Петр Симон Паллас. 6 сентября 1770г. ему посчастливилось наблюдать довольно-таки сильное северное сияние. И хотя наверняка оно вызвало у челябинцев необычный интерес и "волнение", для самого ученого оно явилось обычным природным явлением. Северные сияния имели место в нашем крае и в ХIХ в. (при вступлении в строй Златоустовской метеорологической станции в 1836г. предписывалось " обращать особое внимание на огненные явления, каких периодическое возобновление в ноябре с некоторого времени замечено"), и в ХХ в. Есть данные о наблюдении северного сияния в конце октября 2003г. в Челябинске.

В начале апреля случилось самое мощное полярное сияние в этом десятилетии. Полярное сияние 6 апреля наблюдали жители и Европы, и большей части Северной Америки. Это было самое крупное полярное сияние среди наблюдаемых, начиная с 1989 года. В тот день много любителей собиралось наблюдать редкое явление "парада планет" и были вознаграждены получить дополнительное удовольствие. Многие рассказывали, что это полярное сияние имело необычный красный цвет. На этой фотографии, сделанной, когда на Аляску опустились закатные сумерки, запечатлено полярное сияние более обычного зеленного оттенка. Гигантское кольцо сияния парило над деревьями и зданиями.

Наслаждаясь космической погодой прекрасным летним вечером в середине июля, астроном Филипп Мусетт получил этот цветной снимок с помощью объектива "рыбий глаз". На нем показан вид на север от обсерватории Монт Космос в Квебеке, Канада, планета Земля. На переднем фоне огни вдоль северного горизонта окрашивают низкие облака в оранжевый цвет. Но высоко над облаками, на высоте более 100километров, видно великолепное зеленое и фиолетовое северное сияние. На дальнем фоне можно узнать знакомые звезды северного неба. Особенно легко найти самую известную небесную кухонную посуду - Большой Ковш (слева), и созвездие Кассиопеи, имеющее форму буквы W (справа). Затем просто продолжите линию, соединяющую крайние звезды Большого Ковша, и вы найдете Полярную звезду - возможно, самый известный источник света на севере.

Ночное небо может очень удивительно и по-разному светиться. В просвете между деревьями можно увидеть небо над штатом Аляска. Оно светиться по нескольким причинам. Во-первых, имеется засветка от ближайшего города. Во-вторых, небо залито светом Луны. В-третьих, видны полярное сияние. Даже на небе города обязательно можно найти хотя бы несколько звезд, хотя частицы атмосферы отражают свечение искусственного освещения и тем самым скрывают от нас красоту звездного неба. Яркая Луна также создает дополнительную засветку. Однако это рассеяние намного меньше рассеяния солнечного света в светлое время суток в виде голубого неба.

Некоторые полярные сияния можно увидеть только с помощью фотоаппарата. Это невидимые полярные сияния, слишком слабые, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Все потому, что человеческий глаз собирает кванты света за доли секунды, а фотоаппарат может их собирать практически безграничное время. Пока фотограф снимал живописный пейзаж над округом Джуноу в американском штате Аляска, у него также получилось запечатлеть и зеленые невидимые полярные сияния над горизонтом.

Искусственные полярные сияния.

Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Это удалось сделать и для полярного сияния — создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты. Этот эксперимент, получивший название „Аракс“, начат в 1985 году совместно российскими и французскими исследователями. В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряжённые точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля). Ими были в южном полушарии французский остров Кергелен в Индийском океане и в северном полушарии поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определённой высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили визуально наблюдать это сияние с поверхности Земли. Однако радарные установки чётко зарегистрировали его возникновение. Название „Аракс“ составлено из первых букв французских слов Artificiel polaire aurore — Kergelen–Sogra, которые в переводе означают „искусственное полярное сияние — Кергелен–Согра“.

Свечения, подобные полярным сияниям, возникали в результате ядерных взрывов в высоких слоях атмосферы, проводившихся министерством обороны США во время МГГ. Эти эксперименты были важны для изучения радиационного пояса Ван Аллена и природы естественных полярных сияний. Такого рода сияния наблюдались в районе островов Мауи (Гавайские острова) и Апиа (острова Самоа) вскоре после ядерных взрывов «Тик» и «Ориндж», которые проводились на высотах около 70 и 40км над атоллом Джонстон в центральной части Тихого океана 1 и 12 августа 1958. Свечение, видимое над Апиа 1 августа, состояло из дуги малинового цвета и лучей, которые сначала были фиолетовыми, затем красными и постепенно переходили в зеленые. Другие искусственно вызванные сияния, связанные со взрывами «Аргус I, II и III», проведенными на высоте около 480км 27 и 30 августа и 6 сентября 1958, наблюдались в районе взрывов в южной части Атлантического океана. Цвет их был красным с примесью желтовато-зеленого. Во время взрыва «Аргус III» красное искусственное сияние наблюдалось также около Азорских о-вов, на противоположном от места взрыва конце соответствующих силовых линий магнитного поля Земли (т. е. на территории, геомагнитно сопряженной с данной).

Полярные сияния сигнализируют о месте и времени воздействия Космоса на земные процессы. Вызывающее их вторжение заряженных частиц влияет на многие стороны нашей жизни. Изменяется содержание озона и электрический потенциал ионосферы, нагрев ионосферной плазмы возбуждает волны в атмосфере. Всё это сказывается на погоде. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере начинают течь значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают магнитное поле Земли, что прямо влияет на здоровье многих людей. Таким образом, через полярные сияния и связанные с ними процессы Космос воздействует на окружающую нас природу и её обитателей.

Можно с уверенностью сказать, что исследования последних десятилетий, включая изучение явления с искусственных спутников Земли и ракет и создание искусственных сияний, существенно обогатили наши знания о полярных сияниях. Ясно, что не просто загадка полярных сияний разгадана, но и накоплен большой фактический материал об окружающем нашу планету пространстве, состоянии межпланетной среды и солнечном излучении, включая потоки заряженных частиц. И, тем не менее, проблема полярных сияний ещё далека от своего решения.