Что (кто) такое Полярные сияния - определение

свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное взаимодействием атомов и молекул на высотах 90-1000 км с заряженными частицами больших энергий (электронами и протонами), вторгающимися в земную атмосферу из космоса. Соударения частиц с составляющими верхней атмосферы (кислородом и азотом) приводят к возбуждению последних, т. е. к переходу в состояние с более высокой энергией. Возврат в начальное, равновесное состояние происходит путём излучения квантов света характерных длин волн, т. е. П. с.

Упоминания о П. с. можно найти ещё в классической греческой и римской литературе. М. В. Ломоносов первый предположил электрическую природу свечения. Первые карты изохазм (линий равной частоты появления П. с.), указывающие на существование областей на поверхности Земли, где П. с. появляются наиболее часто, были составлены в 1860-73 Э. Лумисом (США) и Г. Фрицем (Австрия) для Северного полушария и в 1939 Ф. Уайтом и М. Геддесом (Новая Зеландия) - для Южного. Изохазмы в каждом полушарии представляют собой несколько деформированные концентрические окружности с центрами вблизи геомагнитных полюсов. Зона П. с. располагается на 23° от полюсов. Наблюдения последнего десятилетия показали, что свечение обычно появляется вдоль овала П. с. (Я. И. Фельдштейн, О. В. Хорошева, 1960-1963), центр которого (рис. 1) смещен на 3° от полюса вдоль полуночного меридиана. Радиус овала около 20°, так что около полуночи овал совпадает с зоной П. с., а в остальные часы располагается в более высоких широтах.

В конце 19 - начале 20 вв. норвежские учёные К. Биркеланн и К. Стёрмер высказали и развили идеи о солнечном происхождении частиц, вызывающих П. с. Последующие исследования показали, что как частота появления, так и интенсивность П. с., особенно в средних широтах, явно коррелируют с активностью Солнца. П. с. имеют удивительно разнообразные формы сияний и ситуаций. Однако каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накладывающихся друг на друга элементарных форм сияний, которые в первом приближении можно подразделить на: однородные дуги и полосы (рис. 2, а, б), тянущиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии; лучистые формы со значительной вертикальной протяжённостью (рис. 2, б, в, г); диффузные и неправильные пятна (рис. 2, д); большие однородные диффузные поверхности. Пространственно П. с. во многих случаях располагаются вдоль геомагнитных силовых линий. Средняя толщина лучистых форм Полярные сияния 200 м и уменьшается с увеличением яркости.

Исследование спектра П. с. было начато А. Ангстремом в 1869. В 1924 Дж. Мак-Леннан и Г. Шрам (Великобритания) показали, что зелёная линия с длиной волны λ = 5577 Å излучается атомарным кислородом. Атомарный кислород образует также линии красного дублета 6300-6364 Å на высоте 200-400 км (сияния типа А). Состояния, соответствующие этим излучениям, являются метастабильными, и время жизни возбуждённых атомов 0,74 и 110 сек. Начиная с 50-х гг. 20 в. спектр П. с. исследовался в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Помимо атомарных линий, спектр П. с. состоит из систем полос нейтрального и ионизованного молекулярного азота и кислорода. Излучение с λ = 3914 Å ионизованного азота наряду с λ = 5577 Å является самым ярким в видимой части спектра от 3800 до 7000 Å. Поскольку максимальная спектральная чувствительность человеческого глаза приходится на λ Полярные сияния 5550 Å, то П. с. кажутся нам в большинстве случаев бледно-зелёными. Некоторые П. с. характеризуются пурпурно-красной границей вследствие излучения полос нейтрального молекулярного азота. П. с. с развитыми системами молекулярных полос относятся к типу В.

Вторжения протонов с энергиями 10-100 кэв приводят к появлению в спектре П. с. линий Бальмера серии (См. Бальмера серия) (Л. Вегард, Норвегия, 1939; А. Б. Мейнел, США, 1950). Наиболее интенсивна линия Н_α с λ = 6563 Å. Водородные линии отличаются от других тем, что они существенно расширены и при наблюдениях в направлении зенита оказываются смещенными в область более коротких волн. Это доплеровское смещение (см. Доплера эффект) водородных линий было первым доказательством того, что излучение П. с., хотя бы частично, обусловлено вхождением в земную атмосферу потоков заряженных частиц. Свечение, связанное с протонами, имеет вид протяжённой в несколько сот км по широте и несколько тысяч по долготе слабой полосы. В П. с. иногда наблюдаются спектральные линии гелия.

Спектр П. с. меняется с широтой. В средних широтах обычно преобладают красные сияния типа А, на широтах зоны П. с. - сияния типа В, а в полярной шапке - сияния типа А. В приполюсной области после интенсивных хромосферных вспышек на Солнце возникает равномерное "свечение полярной шапки" с λ = 3914 Å, которое обусловлено непосредственным вхождением солнечных протонов с энергией 1-100 Мэв, проникающих до высот 20-100 км. Интенсивность П. с. измеряется в т. н. международных коэффициентах яркости (IBC) или в баллах. Установлено 4 балла, отличающихся по яркости на порядок: П. с. I балла равно яркости Млечного Пути и соответствует излучению 10² квантов/см²․сек с λ = 5577 Å, или 1 крэлею (См. Рэлей), а IV - полной Луне, т. е. излучает 10¹² квантов/см²․сек с λ = 5577 Å, т. е. 1000 крэлеев (См. Рэлей).

Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих П. с., есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становится асимметричной, вытягиваясь в антисолнечном направлении (рис. 3). П. с. на ночной стороне Земли связаны с процессами в плазменном слое магнитосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3-5 радиусов Земли образуется кольцевой ток протонов. Магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы, и П. с. наблюдаются значительно ближе к экватору, чем район их обычного существования. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями (дневной касп). Последовательность форм П. с. и их движений находится в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, - магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Возвращение в состояние с меньшей энергией носит взрывной характер и сопровождается высвобождением за 1 ч энергии Полярные сияния 10²² эрг, что вызывает свечение атмосферы - т. н. авроральную суббурю.

При взаимодействии быстрых электронов с атомами и молекулами атмосферы образуются рентгеновские лучи как тормозное излучение электронов. Тормозное излучение гораздо более проникающее, чем частицы, поэтому оно достигает высот 30-40 км. П. с. испускают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 сек, которые сопровождаются колебаниями атмосферного давления с амплитудой от 1 до 10 дин/см².

Изучение П. с. имеет два существенно различных аспекта. Во-первых, оптическое излучение, являясь одним из конечных результатов процессов в пространстве между Землёй и Солнцем, может служить источником информации о процессах в околоземном космическом пространстве, в частности для диагностики магнитосферы. Во-вторых, по данным об оптическом излучении можно судить о воздействии первичного потока частиц на ионосферу. Такие исследования необходимы в связи с проблемой распространения радиоволн и др. явлениями в радиодиапазоне [появлением спорадических слоев Е, рассеянием радиоволн, возникновением ОНЧ-излучения (см. Радиоволны) и радиошумов]. Наблюдения П. с. с использованием телевизионной техники позволили установить сопряженность П. с. в двух полушариях, исследовать быстрые изменения и тонкую структуру П. с. Не все проблемы, связанные с П. с., могут быть решены наземными средствами или наблюдениями естественных П. с. Появление спутников и ракет позволило проводить изучение П. с. в тесной связи с исследованиями околоземного космического пространства и ставить прямые эксперименты во внешней атмосфере Земли и межпланетном пространстве. Так, США в 1969, СССР в 1973 и СССР совместно с Францией в 1975 провели эксперименты по созданию искусственных П. с., во время которых с ракеты на высоте в несколько сот км инжектировался в атмосферу пучок электронов высоких энергий. Проведение контролируемых экспериментов совместно с наземными наблюдениями открывает новые пути в исследовании П. с. и процессов в верхней атмосфере. В 1971-1972 измерения интенсивности отдельных эмиссий и фотографирование П. с. начато из космоса со спутников на полярных орбитах, что позволяет получать распределение свечения во всей области высоких широт за несколько минут.

Лит.: Исаев С. И., Путков Н. В., Полярные сияния, М., 1958; Красовский В. И., Некоторые результаты исследований полярных сияний и излучения ночного неба во время МГГ и МГС, "Успехи физических наук", 1961, т. 75, в. 3; Чемберлен Дж., Физика полярных сияний и излучения атмосферы, пер. с англ., М., 1963; Акасофу С. И,, Полярные и магнитосферные суббури, пер. с англ., М., 19712 Исаев С. И., Пудовкин М. И., Полярные сияния и процессы в магнитосфере-Земли, Л., 1972; Омхольт А., Полярные сияния, пер. с англ., М., 1974; Stőrmer С., The polar aurora, Oxf., 1955; International Auroral atlas, Edinburgh, 1963.

Я. И. Фельдштейн.

Рис. 1. Овалы полярных сияний над поверхностью Земли: а - в виде узкого кольца в магнитно-спокойные периоды и б - в виде заштрихованной области в магнитно-возмущённые периоды. Цифрами указаны высоты овала над поверхностью Земли.

Рис. 3. Структура магнитосферы и овал полярных сияний. Магнитосфера разрезана по меридиану полдень - полночь и в плоскости геомагнитного экватора (толстые линии): 1 - полуденная северная граница овала; 2 - полуденная южная граница овала; 3 - полуночная северная граница плазменного слоя; 4 - полуночная северная граница овала; 5 - полуночная южная граница овала и внутренняя граница плазменного слоя; 6 - Дрейфующие во внутренней магнитосфере электроны из плазменного слоя хвоста.

Рис. 2г. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Корона.

Рис. 2д. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Диффузное однородное пятно.

Рис. 2а. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Однородная полоса.

Рис. 2б. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Однородная и лучистая полосы.

Рис. 2в. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Лучистая полоса.

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.

Формы полярных сияний. 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.

Высотное и широтное распространение. Расчеты, выполненные на основе множества фотонаблюдений на Аляске, в Канаде и особенно в Норвегии, показывают, что ок. 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 - ок. 1130 км, минимальная - 60 км.

Герман Фриц и Гарри Вестайн на основе большого числа наблюдений в Арктике установили географические закономерности встречаемости полярных сияний, охарактеризовали их относительную частоту в каждой конкретной точке как среднее за год количество суток их появления. Линии равной частоты возникновения полярных сияний (изохазмы) имеют форму несколько деформированных окружностей с центром, примерно совпадающим с Северным магнитным полюсом Земли, находящимся в районе Туле в северной Гренландии (см. рис.). Изохазма максимальных частот проходит через Аляску, Большое Медвежье озеро, пересекает Гудзонов залив, южную часть Гренландии и Исландию, север Норвегии и Сибири. Аналогичная изохазма максимальных частот полярных сияний для Антарктического региона была выявлена во время исследований, проводившихся в рамках Международного геофизического года (МГГ, июль 1957 - декабрь 1958). Эти пояса максимальной частоты полярных сияний, представляющие собой почти правильные кольца, называются северной и южной зонами полярных сияний. Наблюдения во время МГГ подтвердили, что полярные сияния появляются почти одновременно в обеих зонах. Некоторые исследователи высказывали предположение о существовании спиралевидной или двойной кольцевой зоны полярных сияний, не получившее, однако, подтверждения. Полярные сияния могут проявляться и вне упомянутых зон (см. ниже). Исторические материалы свидетельствуют о том, что полярные сияния иногда отмечались даже на весьма низких широтах, например, на п-ове Индостан. См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ
.

Активность полярных сияний и связанные с ними явления. 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 ок. 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 ок. 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.

Интенсивность свечения и цвет. Интенсивность свечения полярных сияний обычно оценивается визуально и выражается в баллах по принятой международной шкале. Слабые полярные сияния, по интенсивности свечения приблизительно соответствующие Млечному Пути, оцениваются в I балл. Полярные сияния с интенсивностью, аналогичной лунной совещенности тонких перистых облаков - в II балла, а кучевых облаков - в III балла, свету полной Луны - в IV балла. Так, например, интенсивность в III балла, исходящая от дуги полярного сияния, соответствует свету нескольких микросвечей на 1 кв. см. Объективным методом определения интенсивности свечения полярного сияния является измерение суммарной освещенности с помощью фотоэлементов. Установлено, что соотношение интенсивности самых ярких к самым слабым полярным сияниям составляет 1000:1.

Полярные сияния интенсивностью свечения в I, II и III (близ нижней границы) балла не кажутся разноцветными, так как интенсивность отдельных цветов в них ниже порога восприятия. Полярные сияния с интенсивностью свечения в IV и III (у верхней границы) балла кажутся цветными, как правило желтовато-зелеными, иногда - фиолетовыми и красными. С тех пор как в 1867 Андерс Ангстрем впервые направил спектроскоп на полярные сияния, в них было обнаружено и исследовано большое число спектральных линий и полос. Основная часть излучения испускается азотом и кислородом, главными компонентами высоких слоев атмосферы. Атомарный кислород обычно придает полярным сияниям желтоватые тона, иногда окраска вообще отсутствует, в спектре появляется зеленая линия с длиной волны 5577 , а также бывают красные лучистые полярные сияния с длиной волны 6300 (тип А). Сильное излучение молекулярного азота на волнах 4278 и 3914 наблюдается в красных и фиолетовых полярных сияниях в нижней части дуг или драпри (тип В). В некоторых формах полярных сияний обнаружено излучение водорода, что важно для понимания природы полярных сияний, так как эта эмиссия указывает на поступление потока протонов. См. также СПЕКТРОСКОПИЯ
.

Теории происхождения полярных сияний. Как упоминалось выше, уже давно было известно, что проявления полярных сияний и возмущения магнитного поля Земли, или магнитные бури, имеют некоторые важные общие характеристики. Поэтому любая теория, предлагаемая для объяснения одного из этих явлений, должна объяснять и другое.

Частота проявления возмущений магнитного поля Земли и полярных сияний с периодом 27 дней и 11-летний цикл указывают на связь этих явлений с солнечной деятельностью, поскольку период вращения Солнца составляет ок. 27 суток, а солнечная активность подвержена колебаниям циклического характера со средним периодом ок. 11 лет. Тот факт, что как полярные сияния, так и возмущения магнитного поля Земли концентрируются в одних и тех же поясах, приводит к выводу, что те и другие вызваны воздействием движущихся с высокой скоростью электрически заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых активными областями на Солнце (вспышками) и проникающих в зоны полярных сияний под воздействием магнитного поля Земли (см. также СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ).

Эта идея была выдвинута Ойгеном Гольдштайном еще в 1881 и получила подтверждение в результате лабораторных экспериментов, впервые проведенных Кристианом Биркеланном. Он поместил внутрь катодной трубки железный шар, названный им "терреллой", который является моделью Земли и представляет собой электромагнит, покрытый оболочкой, фосфоресцирующей под действием катодных лучей. Когда Биркеланн подвергал шар действию катодных лучей, испускаемых непосредственно в камере, они падали на поверхность шара вокруг магнитных полюсов, образуя пояса свечения, подобные поясам полярных сияний.

Позднее математическая разработка этой проблемы была реализована Карлом Фредериком Стёрмером. Она получила известность как теория Биркеланна - Стёрмера, однако содержала в своей основе допущение, что от Солнца исходит поток частиц с одинаковыми электрическими зарядами. Правомерность этого допущения весьма спорна, так как такой поток частиц не мог бы приблизиться к Земле из-за электростатического отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Фредерик А.Линдеман предположил в 1919, что поток заряженных частиц в целом электрически нейтрален, так как состоит из одинакового количества положительных и отрицательных зарядов. Эта идея была развита Сидни Чепменом и Винсентом С.А.Ферраро и несколько модифицирована Дэвидом Ф.Мартином. Тем не менее и эта теория тоже вызывает сомнения. Она предполагает существование вакуума в экзосфере и за пределами атмосферы, однако недавние наблюдения в этих областях пространства указывают на наличие заряженных частиц.

Некоторыми исследователями была выдвинута гипотеза, согласно которой облако солнечного газа (плазмы), которое, вероятно, состоит из электронов и протонов, может приближаться к нашей планете на расстояние около шести земных радиусов от центра Земли. При воздействии плазмы на магнитное поле Земли возникают магнитогидродинамические волны. Эти волны и ускоренные заряженные частицы, движущиеся вдоль геомагнитных силовых линий, вызывают магнитные бури. Ускоренные частицы проникают до высоты ок. 95 км в зоны полярных сияний, образуя плотные ядра ионизации вдоль геомагнитных силовых линий и вызывая электромагнитную эмиссию полярных сияний в результате взаимодействия с основными компонентами верхних слоев атмосферы - кислородом и водородом.

Тороидальная область распространения заряженных частиц, окружающая Землю (т.н. радиационный пояс Ван Аллена), также может играть важную роль, особенно в качестве причины возникновения возмущений геомагнитного поля и связанных с ними полярных сияний. Ультрафиолетовое излучение Солнца, метеоры и ветры в высоких слоях атмосферы рассматривались в качестве возможных причин образования полярных сияний. Тем не менее ни одно из названных явлений не может быть первичной причиной, так как магнитуды их изменений недостаточно велики, чтобы объяснить основные характеристики полярных сияний. Необходимо проводить дальнейшие наблюдения в высоких слоях атмосферы Земли и за ее пределами с применением ракет и искусственных спутников, изучать радиоизлучение, а также рентгеновское излучение Солнца и поведение высокоэнергетических частиц в стратосфере - с помощью метеозондов во время магнитных бурь и при появлении полярных сияний.

Искусственные "полярные сияния". 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 о-ва) и Апиа (о-ва Самоа) вскоре после ядерных взрывов "Тик" и "Ориндж", которые проводились на высотах ок. 70 и 40 км 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 ок. 480 км 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).

Эти наблюдения ясно показывают, что искусственные сияния в районе взрыва и на геомагнитно сопряженной с ним территории были вызваны такими высокоэнергетическими частицами, как электроны, образовавшиеся в результате ?-распада при ядерном взрыве. Иными словами, частицы с высокой энергией, образовавшиеся в результате взрыва, двигались вдоль силовых линий геомагнитного поля, формируя искусственные радиационные пояса Ван Аллена, и привели к образованию "полярных сияний" на обоих концах силовых линий. Судя по высоте появления и цветовой гамме этих сияний, можно предположить, что причиной их возникновения является возбуждение атмосферного кислорода и азота в результате соударений с заряженными частицами, обладающими высокой энергией, что имеет большое сходство с механизмом образования естественных полярных сияний.

С упомянутыми взрывами в высоких слоях атмосферы, особенно с экспериментами "Тик" и "Ориндж", были связаны также существенные возмущения магнитного поля Земли и ионосферы. Таким образом, в результате проведенных экспериментов была получена важная информация о естественных полярных сияниях и связанных с ними явлениях.

Существует еще один антропогенный феномен свечения высоких слоев атмосферы, обусловленный выбросами ракетами газообразного натрия или калия. Это явление можно назвать искусственным свечением в отличие от искусственного полярного сияния, так как его причины близки к тем, которые вызывают естественное свечение воздуха.