 |
Полярные сияния
|
|
|
|
Рассматривая процессы, связанные с движением заряженных частиц в атмосфере, нельзя не вспомнить о полярных сияниях, когда вблизи Южного или Северного полюса планеты небо вспыхивает удивительными огнями. Письменные свидетельства о полярных сияниях восходят к VIII веку до н. э. В поэме «Теогония» древнегреческий поэт Гесиод упоминает «пылающие небеса» и «огненных летающих драконов». Не исключено, что происхождение мифа о горе Олимп, где, по преданиям, обитали боги древних греков, связано с изредка наблюдавшимися в северной Греции полярными сияниями. Аристотель в своем классическом трактате «Метеорологика» писал: «Иногда ночью при ясной погоде на небе можно увидеть явления кроваво-красного цвета».
Не прошли мимо загадочного небесного явления и древнекитайские хроники. Каталог полярных сияний, составленный по данным старинных рукописей, начинается с события 687 года до н. э. и охватывает наблюдения, проводившиеся в первом тысячелетии н. э.
Многочисленные ссылки на полярные сияния встречаются в средневековых шотландских хрониках и скандинавских сагах, в сказаниях народов Севера. В русских летописях наиболее ранние сообщения о сияниях относится к 919 году. «Сея же зимы погоре небо и столбы огненные ходили от Руси ко Греции сражающееся», — приводит выдержку из летописи В. Н. Татищев в «Истории Российской с древнейших времен». Полярные сияния были во время битвы на Дону русских князей с половцами в 1111 году и во время знаменитой битвы Александра Невского с немецкими рыцарями на льду Чудского озера в 1242 году.
По преданиям эскимосов, полярные сияния — это игра душ умерших людей. Североамериканские индейцы считали, что это отблески костров, которые разжигают живущие на севере карлики.
|
|
|
В более поздние времена полярные сияния стали считать неблагоприятными предзнаменованиями и связывать с общественно значимыми событиями: в России — с большими смутами, в Скандинавии — со смертью короля, в Польше, Германии, Англии — с войнами. XVII век был неблагоприятным для наблюдения полярных сияний. Они почти полностью исчезли в Норвегии и Исландии. Объяснялось это спадом солнечной активности. В это время количество пятен на Солнце было минимальным. Но уже в марте 1716 года над Москвой и Петербургом вспыхнуло яркое полярное сияние, которое наблюдал Петр I. Он записал в своем дневнике: «Марта шестого в 9 часов пополудни был страшный знак на небе, было в ночи зело светло, так что хотя бы и лунная ночь была». Это сияние захватило огромную территорию. Оно было видно в Польше, Австрии, Испании, Португалии, Франции, Италии и Северной Америке. Ровно через 27 суток сияние видели в Париже и Гданьске. Царь Петр I неоднократно наблюдал полярные сияния. До нас дошло его описание полярного сияния 14 октября 1722 года в районе Астрахани, наблюдавшееся также в Париже, Берлине и в Северной Америке на широте 42, 5 градуса.
Начало XIX века было отмечено организацией крупных географических экспедиций в полярные районы. В задачу экспедиций входило и наблюдение за полярными сияниями. Арктическая экспедиция известного русского исследователя Ф. П. Врангеля в 1824 году обнаружила интересное явление: частота появления сияний увеличивается вблизи береговой линии Северного Ледовитого океана. Впоследствии существование берегового эффекта подтвердилось фотографическими наблюдениями.
Полярное сияние — это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами земной атмосферы. Появление же этих заряженных частиц в определенных местах атмосферы и на определенных высотах есть результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.
|
|
|
Полярное сияние — одно из самых красивых атмосферных явлений — представляет собой свечение воздуха в верхних слоях атмосферы. Описания сияний известны с древнейших времен, но лишь в 1752–1753 гг. М. В. Ломоносов впервые указал на их электрическую природу. Сияния наблюдаются на высотах от 80—100 до 1000–1200 км. Спектр сияний богат линиями и полосами, принадлежащими главным образом к нейтральным и ионизированным атомам и молекулам азота и кислорода, сравнительно редко — водорода.
Полярные сияния связаны с другими геофизическими явлениями, например, с возмущениями магнитного поля Земли, нарушениями нормального состояния ионосферы. Установлена связь сияний с солнечной активностью: в периоды повышенной солнечной активности, когда наблюдаются частые и сильные магнитные бури, наиболее интенсивны и сияния. У жителей Заполярья формируется так называемый синдром полярного напряжения, который вызывается не только частыми геофизическими явлениями, но и длительным периодом с низкими температурами воздуха, полярной ночью, повышенной ионизацией воздуха, дефицитом ультрафиолетовой радиации и др.
Окраска и форма сияний очень разнообразны. Сияния могут быть бесцветными, белесоватыми или окрашенными. Наиболее распространена желто-зеленая и красная расцветка, но иногда появляются голубые и фиолетовые тона. Формы сияний очень быстро изменяются, что проявляется во внезапном изменении окраски, яркости и положения сияния на небосводе. Большая часть сияний возникает на ночной стороне Земли.
В настоящее время выделяют три формы сияний.
1. Лентообразные сияния — в виде дуг и полос. Дуги напоминают арку с правильным, резко очерченным нижним краем, иногда они тянутся через весь небосвод. Если нижний край сияния неправильный, то форма называется полосой.
2. Диффузное сияние — спокойное сияние в виде пятен или вуали. Пятна имеют нечеткие края, они похожи на облака, освещенные луной, белесоватого цвета, иногда красноватого. Вуаль — это бесформенное свечение, которое охватывает большую часть неба.
|
|
|
3. Лучистые сияния — изолированные узкие лучи, или пучки лучей, или ряд параллельных лучей, образующих как бы сплошную полосу, напоминающую колеблющийся занавес (драпри). Цвет обычно зеленоватый или желто-зеленый, короткие лучи бывают красноватыми или фиолетовыми.
Максимальная частота появления полярных сияний на Крайнем Севере — 100 сияний в год; к югу повторяемость сияний резко уменьшается. На широте Нового Порта — 30, на широте Салехарда — 10, в южных районах округа — 5. Народное название сияний — сполохи, пазори и др.
5—6 февраля 1872 г. в Барнауле было отмечено одно из самых удивительных северных сияний. По воспоминаниям Александра Черкасова, оно началось около 9 часов вечера 5 февраля и завершилось в 4 часа утра следующего дня. Вечером и ночью было светло как днем. Поначалу некоторые жители думали, что в городе случился пожар. Вскоре после начала явления стало так светло, что можно было читать книгу. На небе были громадные синевато-белые столбы, расходившиеся с горизонта в виде большого распушенного глухариного хвоста. Звезд почти не было видно, только самые яркие. Это было нечто величественное, непостижимое и вместе с тем удручающе действующее на душу, вызывающее у нервных особ бессознательный трепет, страх и «непонятную ажитацию». По словам Черкасова, в эту ночь заведующий
Барнаульской магнитной обсерваторией инженер Янчу-ковский, человек чрезвычайно нервный, впал в меланхолию, затем окончательно помешался и вскоре умер.
Муравлев А. Неизвестный Алтай: хроники аномалий //«Алтайская правда», 2004, 11. 06.
По мнению известного популяризатора науки, физика О. Л. Вайсберга, «полярные сияния — одно из самых ярких и красочных явлений природы, наблюдаемых невооруженным глазом. Неизгладимое впечатление остается у каждого, кому пришлось видеть эту безмолвную игру красок и сказочную россыпь форм. Ровное, спокойное свечение внезапно переходит в быстрое движение тонких, острых иголок, живущих мгновения. Они образуют то гигантский шатер, то, сливаясь и расходясь, повисают подобно многоскладчатому драпри, уходят вдаль, постепенно гаснут и успокаиваются».
|
|
|
Полярные сияния, как уже отмечалось, способны приводить к нарушению радиосвязи. Они изменяют структуру высоких слоев атмосферы, в которых летают космические корабли и спутники. Они связаны со многими сложными процессами, протекающими в межпланетном и околоземном пространстве. Первое из дошедших до нас описаний полярных сияний принадлежит Аристотелю. Однако изучение этого явления началось лишь в XIX веке, когда физиком Фритцем была очерчена зона их наиболее частой повторяемости. Эта зона представляет собой круг радиусом в 23 градуса, центрированный на магнитный полюс Земли. Направление лучей хорошо совпадает с магнитными силовыми линиями земного поля. Когда лучистая дуга или полоса наблюдается вблизи зенита, она превращается в так называемую корону. Лучи как бы сходятся в одной точке.
Когда яркость свечения возрастает, можно видеть богато окрашенные формы — ярко-зеленые, красные, малиновые; реже — желтые, синие. Цвет сияния зависит от высоты, на которой оно происходит, так как состав атмосферы и, следовательно, спектральные характеристики свечения меняются с высотой. В годы наибольшей солнечной активности полярные сияния в зоне их максимальной повторяемости можно видеть почти ежедневно, а самые мощные, сопровождающиеся большими магнитными бурями, могут наблюдаться даже в средних широтах.
В 1989 году, в период высокой солнечной активности, полярное сияние наблюдалось в средних широтах. Нам повезло увидеть это редкое атмосферное явление в г. Харькове. Выйдя вечером на балкон, мы заметили, что небо имеет странную окраску. Было явное преимущество ярко-малинового цвета. Причем небеса словно дышали. Сияние от секунды к секунде делалось то ярче, то слабее. Не сразу мы, профессиональные астрономы, смогли догадаться, что перед нами именно сполохи полярного сияния. Игра красок продолжалась несколько часов. На следующий день мы убедились в том, что наше Солнце действительно в эти дни несет на своей поверхности свидетельство проявленной активности — множество крупных пятен. Через несколько дней сводки о наблюдении небесного сияния стали поступать из других мест. Яркие лучи в виде короны желтоватого цвета в этот период наблюдали на небе в темное время суток даже в Крыму.
На какой же высоте возникает полярное сияние? Большинство сияний происходит на высотах 95—120 км, однако отмечены случаи появления низких форм, на высотах около 80 км. Многие лучистые формы наблюдаются до высот в 200–300 км. В отдельных случаях отмечалось свечение на высоте в 1000 км.
|
|
|
Профессор Цюрихского политехнического института Г. Фритц опубликовал в 1874 г. карту изохазм — линий равной частоты появления полярных сияний на небосводе. Они образовывали семейство подобных друг другу замкнутых кривых, центр которых не совпадал ни с географическим, ни с магнитным полюсами, а располагался на северо-западном побережье Гренландии, более чем в 1000 км от магнитного полюса! Точка эта получила название геомагнитного полюса. Различие в местоположении магнитного и геомагнитного полюсов связано с отклонением реального геомагнитного поля от дипольного. У Фритца линия наибольшей частоты появления полярных сияний проходила через северную оконечность Скандинавии и полуострова Таймыр, Новосибирские острова, затем севернее Чукотского полуострова, вблизи побережья Аляски, центральную часть Гудзонова залива, южнее Гренландии и Исландии. На этой линии сияния появляются каждую ночь! Прошло около века, когда по наблюдениям во время Международного геофизического года (1957–1958), в период повышенной солнечной активности, ученые смогли установить, что зона появления полярных сияний имеет форму овала.
Раз или два в столетие случаются гигантские сияния, простирающиеся вплоть до экватора! Это, как указывалось выше, следствие необычайной активности Солнца. Так, 1 сентября 1859 года полярное сияние было видно в Пуэрто-Рико (18» северной широты), а 15 мая 1921 года — на островах Самоа (14° северной широты).
Наблюдения полярных сияний проводились и в Южном полушарии Земли. Однако там их трудно наблюдать в связи с тем, что области южной максимальной изохазмы расположены над труднодоступными и малонаселенными районами Антарктиды и омывающими ее морями. Южные полярные сияния были зафиксированы экспедициями капитана Кука в 1773 году и Ф. Беллинсгаузена в 1820 году.
Увидеть полярное сияние достаточно просто. Следует только приехать в места, где они наиболее часто видны. Но можно ли услышать полярное сияние? Живущие вблизи зоны наблюдений утверждают, что полярные сияния издают звуки. Эти звуки напоминают слабый шелест или шипение. Но записать эти звуки на магнитофон пока не получается.
Как же рождается сияние небес? Дело в том, что от Солнца непрерывно исходит поток горячей плазмы, так называемый солнечный ветер. Этот сверхзвуковой поток движется со средней скоростью 500 км/с. Он выносит из солнечной атмосферы магнитные поля. Достигнув окрестностей Земли, поток намагниченной плазмы отклоняется земным магнитным полем от первоначального направления. Он как бы обтекает Землю. В результате образуется свободная от частиц солнечного ветра полость — магнитосфера.
Взаимодействие солнечного ветра с геомагнитным полем ведет к образованию естественного гигантского магнитогидродинамического динамо, которое создает поперек магнитосферы разность потенциалов в 100 кВ и токи интенсивностью в десятки миллионов ампер. Кроме того, часть магнитных силовых линий с дневной стороны магнитосферы сносится на ночную, образуя гигантский хвост магнитосферы протяженностью в миллионы километров. Основная часть проникающей из солнечного ветра плазмы движется в антисолнечном направлении вдоль магнитосферной мантии. В процессе этого движения заряженные частицы перемещаются в центральную область хвоста магнитосферы и образуют плазменный хвост. Из него вдоль магнитных силовых линий они могут переходить в ночной сектор. Такой поток высыпающихся в атмосферу частиц постоянно генерирует полярное сияние.
Поскольку мы мыслим масштабами Солнечной системы, можно задать вопрос о том, существует ли свечение атмосферы на других планетах или спутниках? Существование полярных сияний на других телах Солнечной системы зависит от интенсивности их магнитного поля, а также плотности и состава атмосферы. В магнитосфере Меркурия сияния следует ожидать на широтах от 50 до 70 градусов на дневной стороне и от 25 до 35 градусов — на ночной. Тонкая гелиевая атмосфера Меркурия должна приводить к появлению сияний вблизи поверхности планеты в эмиссионных линиях гелия. На Венере очень слабое магнитное поле и плотная атмосфера. Но и там диффузные сияния должны наблюдаться, причем над большей частью поверхности планеты. Тонкая атмосфера Марса и его слабое магнитное поле не очень способствуют возникновению сияний. Наиболее подходящие условия для появления сияний существуют в магнитосфере Юпитера. И магнитное поле у планеты сильное, и атмосфера плотная. Спутники некоторых планет также имеют атмосферы. Например, спутник Сатурна Титан. Космические путешествия в эти далекие миры обязательно подарят исследователям множество чудесных открытий.
Но даже сейчас, когда наблюдатели еще не могут высадиться на поверхность далеких планет, космонавты с орбиты наблюдают полярные сияния. Интересно то, что из космоса полярные сияния видны всегда, и одновременно над большими территориями. Такие наблюдения производят неизгладимое впечатление, потому что отсутствует ослабляющее и искажающее влияние плотных слоев атмосферы. Иногда космонавты даже пролетают сквозь полярное сияние.
На станции «Салют-6» 11 и 12 апреля 1981 года космонавт В. В. Коваленок сделал следующую запись в бортовом журнале: «Вошли в полярное сияние. Идем в полярном сиянии. Слева по курсу оно имеет красный цвет. В 15: 25 наблюдается несколько столбов. Красный цвет достигает Скорпиона (хвоста)… Идем, как в облачности, как в тумане. Сейчас над нами массивные полосы… Красные лучи доходят до Ориона, выше они приобретают голубоватый оттенок, а слева от станции — красно-оранжевый цвет… На фоне Земли видна лучистая структура каждой дуги полярного сияния». В это же самое время была отмечена сильная магнитная буря. 12 апреля 1981 года на 364-ом витке была сделана новая запись: «Очень много голубого цвета. Видим голубые лучи. Bот взметнулся голубой столб, вот взметнулся красный. По высоте голубые столбы 15 градусов. Игра красок: слева от Канопуса красный столб, зеленовато-голубое свечение, справа от него в направлении на Южный Крест — голубой столб. Очень редкое явление в полярных сияниях».
Полярные сияния можно вызвать искусственно! В 1975 году начался советско-французский эксперимент «Араке». Были выбраны две магнитно-сопряженные точки на поверхности земного шара. Это точки, расположенные на одной и той же силовой линии. Точки были выбраны следующие: в Северном полушарии — поселок Согра в Архангельской области, другая — в Южном полушарии, остров Кергелен в Индийском океане.
С острова Кергелен на геофизической ракете подняли небольшой ускоритель частиц — электронную пушку, которая на определенной высоте выбросила поток электронов. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, электроны попали в Северное полушарие. Поскольку силовая линия располагалась на высоте 20 000 км, полярное сияние было действительно мощным. Искусственные полярные сияния позволяют ученым изучать магнитосферу Земли. Иногда в ионосферу выпускают ионы бария с целью изучения атмосферы планеты, а также для выявления погодных изменений. Примерно через 35 секунд, после попадания в облака ионы бария возбуждаются в солнечных лучах и создают яркое малиновое свечение.
|
|
|
