 |
Наблюдение полярного сияния
|
|
|
|
Введение
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 путем. Например, высказывались предположения о том, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда. На русском Севере полярные сияния называли пазорями или сполохами. Первое из этих слов указывает на сходство рассматриваемого явления с зорями, а второе происходит от слова "полошить", то есть тревожить, беспокоить, поднимать тревогу. Действительно, 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.
Научное объяснение
Свечение верхних слоев атмосферы, вызванное взаимодействием атомов и молекул на высотах90-100 км с заряженными частицами больших энергии (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 более высокой энергией. Возврат в начальное равновесное, начальное состояние происходит путем излучения квантов света характерных длин волн. Первые карты изохазм (линии равной частоты появления) указывающие на существование областей на поверхности земли. Ранее записи о сиянии можно найти в римской литературе. Изохазмы в каждом полушарии представляют собой несколько деформированные концентрические[Большая советская энциклопедия С.1040 ]
|
|
|
окружности с центрами вблизи геомагнитных полюсов. Зона располагается
на 23 градусов от полюсов. Наблюдения последнего десятилетия показали, что свечение обычно появляется вдоль овала на северном и на южном полушарии.
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.
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.
[Большая советская энциклопедия С. 1045]
Спектр полярного сияния
Исследование спектра было начато А.Ангстремом в 1869 г. В 1924 Дж.Мак-Леннан и Г.Шрам (Великобритания) показали, что зеленая линия с длиной волны лямбда =5577 А. излучается атомарным кислородом. Атомарный кислород образует также линии красного дублета 6300-6364 А. на высоте 200-400 км. Состояние соответствующее этим излучениям, являются метастабильными, и время жизни возбужденных атомов 0.74 или 110 секунд. Помимо атомарных линии, спектр состоит из систем полос нейтрального и ионизированного молекулярного азота и кислорода. Излучение с лямбда=14 А. ионизированного азота наряду с лямбда=5577 А. является самым ярким и видимой части спектра от 3800 до 7000 А.
Поскольку макс. Спектральная чувствительность человеческого глаза приходиться на лямбда приблизительно равно 5550 А., то кажутся нам в большинстве случаев бледно зелеными. Некоторые характеризуются пурпурно –красной границей вследствие излучения полос нейтрального молекулярного азота. Вторжение протонов с энергией 10-100 кэв. приводят к появлению в спектре линии Бельмера, наиболее интенсивна линия на (лямбда = 6563 А.) 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 (Доплера эффект) водородных линии было первым доказательством того, что излучение хотя бы частично обусловлено вхождением в земную атмосферу потоков заряженных частиц. Свечение, связанное с протонами, имеет вид протяженной в несколько сот км. По широте и несколько тысяч по долготе слабой полосы. Спектр меняется с широтой. В средних широтах обычно преобладают красные сияния типа А, на широтах зоны 2 сияния типа В, а в полярной шапке сияния типа А. В противоположной области после интенсивных хромосферных вспышек на Солнце возникает равномерное «свечение полярной шапки» с лямбдой=3914
А. которое обусловлено непосредственным вхождением солнечных протонов с энергией 1-100 Мэв, проникающих до высот 20-100 км. Интенсивность измеряется в международных коэффицентах яркости или баллах. Установлено 4 балла, отличающихся по яркости на порядок с 1 балла равно яркости млечного пути и соответствует 10 в десятой степени квантов на см в кубе умноженное на сек. С лямбдой=5577 А. или крелю. Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих полярное сияние, есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становиться ассиметричной, вытягиваясь в анти солнечном направлении. Полярное сияние на ночной стороне земли связана с процессами плазменных слоях атмосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3-5 градусов Земли образуется кольцевой ток протонов. магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями.Последовательность форм и их движений находиться в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, 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[Большая советская энциклопедия С. 1046 ]
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. смУстановлено, 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 Å, а также бывают красные лучистые полярные сияния с длиной волны 6300 Å (тип А). Сильное излучение молекулярного азота на волнах 4278 Å и 3914 Å наблюдается в красных и фиолетовых полярных сияниях в нижней части дуг. [Большая советская энциклопедия С. 1047].
|
|
|
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. Современная классификация полярных сияний разработана Специальным комитетом по решению Ассоциации геомагнетизма и аэрономии Международного союза геофизики и геодезии и введена с 1 января 1964 года. Согласно этой классификации полярное сияние описывается следующими характеристиками.:
формой;
структурой;
яркостью;
положением;
активностью;
характером;
цветом.
По этим данным о сияниях можно сразу получить ряд качественных выводов о характере явления в верхней атмосфере. Положение сияний указывает место вторжения частиц, а изменение положений - на его перемещение и движение вещества в околоземном пространстве; форма свечения отображает форму области вторжения, а структура свидетельствует о внутренних процессах в потоках частиц; цвет сияния является указанием на физические условия возбуждения, свечения и т.д.
Форма. Понятие "форма" сияния описывает очертания светящейся области. Формы полярных сияний при наблюдении с поверхности Земли весьма разнообразны, и обычно их можно свести к четырем основным элементарным структурам и их комбинациям:
Спокойные однородные дуги и полосы, протянувшиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии; Лучи, длина которых может существенно меняться;
Диффузные и неправильные пятна; большие однородные поверхности. Детальному описанию форм полярных сияний, кроме многочисленных работ, посвящен специальный международный атлас. Структура. Понятие "структуры" описывает наличие деталей внутри светящейся области. Выделяют:однородная структура, при которой явно выраженные детали свечения отсутствуют; яркость сияния вдоль формы постоянна или изменяется очень мало. Границы сияния могут быть как размытыми, так и резко очерченными. Однородные формы сияний редко бывают очень активными. Волокнистая структура, при наличии которой сияние состоит из совокупности светлых волокон или нитей, разделенных темными промежутками и вытянутых в направлении простирания сияния, или, наоборот, темных волокон на сплошном светлом фоне. Такая структура чаще всего наблюдается в дугах и полосах, реже - в пятнах.
Следует иметь в виду, что обнаружимость волокнистой структуры связана с положением сияния на небосводе. Волокна представляют собою тонкие "листики", имеющие значительную протяженность по высоте и вытянутые вдоль сияния (обычно с запада на восток); размеры волокон в поперечном направлении значительно меньше.
Яркость. Яркость или интенсивность свечения полярных сияний обычно оценивается визуально и выражается в баллах по принятой международной шкале:
1 - едва различимое сияние, сравнимое по яркости с Млечным путем;
2 - легко обнаруживаемое сияние, сравнимое по яркости с перистыми облаками, освещенными светом Луны;
3 - сияние сразу бросается в глаза, яркость сравнима с кучевыми облаками, освещенными Луной;
4 - очень яркие сияния, создающие освещенность местности, как при полной Луне; если они сосредоточены на небольшом участке неба, заметны тени от предметов.
Баллом 1 оценивается сияние, едва различимое адаптированным (привыкшим к темноте) глазом. Сияние каждого последующего балла примерно в 10 раз ярче, чем предыдущего. Яркость сияния не всегда постоянна вдоль формы.
При наблюдениях необходимо отмечать максимальную яркость свечения в данном сиянии. 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 с яркостью 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 яркостью в IV и III (у верхней границы) балла кажутся цветными, как правило, желтовато-зелеными, иногда - фиолетовыми и красными.
Положение. Положение полярного сияния на небосводе характеризуется двумя координатами - азимутом и угловой высотой над горизонтом. Полярные сияния простираются не точно в направлении географической параллели; их положение значительно лучше совпадает с так называемой геомагнитной системой координат. Поэтому азимуты сияний определяются относительно точки геомагнитного севера, который (в зависимости от положения пункта наблюдений) отстоит от точки географического севера на угол.
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 - около130 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. 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. Исторические материалы свидетельствуют о том, что полярные сияния иногда отмечались даже на весьма низких широтах, например, на п-ове Индостан.
Активность. Понятие "активности" характеризует скорость изменения очертаний, яркость и положение сияний. Выделяют:
q - спокойное сияние, подверженное только очень медленным изменениям положений и очертаний. Сияние считается спокойным, если за время наблюдения (3 - 5 мин) его характеристики заметно не изменяются.
а - активное сияние, то есть быстро перемещающееся или быстро изменяющее очертания и яркость, причем заметные изменения происходят за время порядка минуты и менее. Активные формы обычно яркие.
Можно выделить следующие подклассы активности: a1 - перемещение или волнообразные движения нерегулярностей (складок, сгустков яркости) вдоль нижнего края полосы сияния; a2 - быстрые изменения очертаний нижнего края сияний (например, появляются и исчезают складки и изгибы в полосах), кроме того, изменения могут сопровождаться быстрыми перемещениями сияний по небу; a3 - быстрые горизонтальные движения лучей вдоль формы сияния, которые могут совершаться в одном направлении, в обоих одновременно или попеременно в одном и другом направлениях; a4 - одни формы весьма быстро исчезают, в то время как подобные им или новые формы возникают в других частях неба.
3. р - пульсирующие сияния, характеризующиеся изменениями яркости с периодом от долей секунды до минуты, происходящими на всем протяжении сияния или в отдельных его участках. Изменения могут носить беспорядочный или ритмичный характер.
Различают четыре рода пульсаций: р1 - пульсирующие сияния (изменение яркости происходит одновременно на всей площади свечения); р2 - пламенные сияния (небо кажется освещаемым волнами свечения, движущимися к зениту; свечение перемещается вниз очень редко), сами формы сияния при этом почти не изменяют положения на небе, в явлении могут участвовать пятна и полосы; р3 - мерцающие сияния (значительная часть сияния претерпевает неправильные хаотические изменения яркости, как будто она освещена мерцающим пламенем);p4 - струящиеся сияния; неправильные изменения яркости, быстро следующие, в горизонтальном направлении вдоль однородных форм.[ http//Исаев С. И., /Пушков Н. В. /Полярные сияния ]
Характер. Понятие "характер" сияния описывает такие особенности явления, как возникновение нескольких одинаковых форм, отдельных фрагментов лентообразных форм и сияний в виде короны. Выделяют: m - кратность: появление двух и более однотипных, связанных между собою, близко расположенных или соединяющихся и приблизительно параллельных друг другу (в случае дуг и полос) форм сияний.f - отрывочность (фрагментарность) дуг и полос обозначает изолированную часть лентообразной формы сияния. При этом лента сияния не доходит до горизонта, и у нее видны один или оба конца. Фрагментарные образования часто возникают при большой активности сияний. c - корона (веерообразное сияние) в зените, образующаяся из-за кажущегося перспективного схождения лучей или других вертикально вытянутых образований в сияниях. Обычно наблюдается во время появления лучистых сияний и пятен. Цвет. 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. Сильное излучение молекулярного азота на волнах 4278
и 3914 наблюдается в красных и фиолетовых полярных сияниях в нижней части дуг или драпри. В некоторых формах полярных сияний обнаружено излучение водорода, что важно для понимания природы полярных сияний, так как эта эмиссия указывает на поступление потока протонов. Наиболее часто в сияниях встречаются следующие цвета свечения и их сочетания:красный цвет верхней части сияния и преобладающий зеленый в нижней;красный цвет нижней части сияния, часто в виде бахромы; верхняя часть сияния зеленого цвета;желто-зеленый или белесый цвет (наиболее часто встречающаяся окраска сияния);все сияние красного цвета;чередующиеся или беспорядочно распределенные вдоль формы красные и зеленые участки сияний. Наиболее часто эта окраска наблюдается в лучистых полосах; фиолетовый или голубой цвет сияния, обычно наиболее выраженный в его верхней части, особенно если сияние освещено Солнцем.
[http//Исаев С. И.,/ Пушков Н. В./ Полярные сияния ]
Наблюдение полярного сияния
Полярное сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли — авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10—16°, на ночной — 20—23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67—70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления. Северное сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии (во время одного из зарегистрированных в 2007 году возмущений — 1?2 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.
При наблюдении с поверхности Земли Полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.[http// Омхольт А. /Полярные сияния.]
|
|
|
