Полярные сияния

Возмущения геомагнитного поля, как правило, сопровождаются полярными сияниями. Полярные сияния - одно из красивейших явлений природы. Они чаще всего видны под высокими широтами в северном и южном полушариях.

Рис. 44 иллюстрирует распределение частот повторяемости дней с сиянием в среднем за год для северного полушария. Кривыми соединены точки с равной частотой появления сияний. Они начинаются в низких широтах со значения 0,1, т. е. с одного полярного сияния за 10 лет. Максимальная частота появления сияний отмечается около геомагнитной широты 67°. Вблизи этой параллели в поясе, занимающем примерно 5° по широте, свыше 200 дней в году бывают с полярными сияниями. Пояс этих широт называется зоной полярных сияний. К северу и югу от этой зоны частота появления сияний уменьшается. В низких широтах сияния наблюдаются в очень редких случаях и притом лишь в годы с высокой солнечной активностью. Следует заметить, что рис. 44 дает представление лишь о средней многолетней частоте полярных сияний. Между тем давно замечено, что повторяемость сияний тесно связана с солнечной активностью. В годы наибольшей солнечной активности, как это было, например, в 1957-1958 гг., полярные сияния наблюдаются значительно чаще, чем изображено на рис. 44.

Рис. 44. Распределение частоты полярных сияний в северном полушарии Изолинии дают среднее число дней с полярным сиянием за год

В случае спокойного Солнца они появляются реже и к тому же становятся менее яркими. Наиболее яркие полярные сияния создают такую же освещенность, что и Луна в период полнолуния.

Полярные сияния длятся обычно от нескольких минут до нескольких часов. Они сильно различаются по форме, цвету и интенсивности. Все сияния можно разделить на два типа - имеющие лучевую структуру и не имеющие ее. К первому типу относятся лучевые дуги и лучевые полосы, образованные из очень близких лучей; драпри с очень длинными лучами; короны, состоящие из лучей, выходящих из зенита и кончающихся на центральном светлом кольце. Второй тип включает однородные спокойные дуги, резко ограниченные снизу и расплывчатые у верхней границы; однородные полосы и диффузионные светящиеся поверхности. Интересно, что направление лучей совпадает с магнитными силовыми линиями, а среднее направление дуг - с магнитными параллелями.

Преобладающим цветом полярных сияний является зеленовато-желтый, иногда встречается красный и голубовато-белый, а во время максимума солнечной активности - густо-красный.

Исследования показывают, что полярные сияния представляют собой свечение верхних слоев атмосферы в линиях и полосах атомов и молекул кислорода и азота. Они возникают на высотах 80-1000 км, однако большинство сияний происходит между 95 и 120 км. От уровня, на котором возникает сияние, зависит цвет его. Это говорит о том, что состав верхних слоев атмосферы меняется с высотой.

Синхронное фотографирование ночного неба мировой сетью станций показывает, что полярные сияния наблюдаются одновременно на всех долготах в северном и южном полушариях. При этом ширина светящихся областей составляет всего около 100 км, а иногда измеряется расстояниями порядка 1 км. За одно яркое полярное сияние выделяется энергии около 10²⁴ эрг, а мощность составляет несколько единиц 10¹⁸ эрг/сек.

Каким же образом возбуждаются полярные сияния? Почему они тесно связаны с магнитными бурями? Какова природа вариаций геомагнитного поля? Чем вообще обусловлен магнетизм Земли? Прежде чем попытаться ответить на эти вопросы, познакомимся с процессами, протекающими в околоземном космическом пространстве и в самых верхних слоях атмосферы.