Полярные сияния

Полярные сияния, пожалуй, самое красивое, самое красочное световое явление в природе. Чарующая игра цвета и света, меняющаяся на глазах картина свечения производит неотразимое впечатление.

О полярных сияниях написано много и научных и научно-популярных книг. На русском Севере полярные сияния называли пазорями или сполохами. Пазорями, по-видимому, за сходство по окраске с зорями. Сполохами от слова сполошить - тревожить, беспокоить, поднимать тревогу. Такое название обусловлено тем, что во время полярных сияний небо бывает красным, как при пожаре. Недаром Ломоносов образно назвал полярное сияние "пожаром небес". Случалось, и не однократно, что полярное сияние красного цвета принимали за зарево пожара в северной части горизонта и пожарные команды выезжали "на пожар". Такое имело место в нескольких южноевропейских городах 25 января 1938 г. Бывало и раньше при сильных полярных сияниях.

Формы сияний разнообразны. Они могут быть неподвижными в виде диффузного свечения неба либо пульсирующей по яркости дуги, ленты или поверхности. Подвижные сияния более красивы: часто они имеют вид складок гигантского занавеса (драпри), одиночных лучей или связанных в пучки, встречается коронообразная форма и другие.

Длительное время полярные сияния наблюдали только ночью; позднее было показано, что их можно видеть и днем. Ночные и дневные сияния вместе образуют замкнутую овальную полосу вокруг магнитных полюсов Земли. Их называют авроральными овалами. На ночной половине Земли ширина овальной полосы от 60,5 до 75,5° магнитной широты, а на дневной она смещена ближе к полюсам и занимает область 74,5 - 69,5° магнитных широт (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Положение аврорального овала при магнитных бурях разной интенсивности: а - при слабой, б - при сильной

Полярное сияние - явление, родственное ночному свечению атмосферы. Это также свечение разреженного воздуха на высотах от 80 - 100 км и чаще всего до 400 км. Иногда полярные сияния достигают больших высот: 1000 - 1100 км.

Спектры полярных сияний имеют сходство со спектрами ночного свечения атмосферы, так как в обоих случаях светятся в основном одни и те же газы, составляющие воздух. Но между ними есть и много различий в спектрах, поскольку у них различаются механизмы возбуждения свечения и высоты светящихся слоев.

Причиной полярных сияний являются корпускулярные потоки протонов и электронов, вторгающиеся в атмосферу Земли, главным образом от Солнца. Эти непрерывно идущие от Солнца потоки заряженных частиц называют солнечным ветром. Энергия протонов солнечного ветра составляет несколько сотен электронвольт, а электронов - 20 - 30 тыс. эВ. Плотность электронных потоков при умеренных по интенсивности сияниях составляет около 109 см^-2с^-1, достигая при ярких сияниях 10¹¹ см^-2с^-1. Плотность протонного потока обычно не более 3 ⋅ 10⁸ см^-2с^-1. Поясним эти цифры. Во время полярного сияния на тех высотах, где происходит свечение, через площадку в 1 см² каждую секунду проскакивает (или ее ударяет) 10⁹ электронов и 3 ⋅ 10⁸ протонов, т. е. миллиарды электронов и сотни миллионов протонов. Вот вам и космос, вот и вакуум!

Солнечный ветер - это, по существу, поток солнечной плазмы из постоянно расширяющегося наружного слоя самого Солнца - солнечной короны. Потоки заряженных частиц из солнечной короны пронизывают все околосолнечное пространство, они непрерывно обдувают и нашу Землю.

Потоки солнечного ветра, вторгаясь в верхние слои земной атмосферы, деформируют магнитное поле Земли, нарушая его нормальное состояние. На дневной стороне магнитные силовые линии сгущаются, сжимаются, а на ночной - вытягиваются на миллионы километров, создавая огромный шлейф. Магнитосфера Земли становится похожей на комету с длинным- длинным хвостом. Поэтому полярные сияния всегда сопровождаются магнитными бурями и нарушением состояния верхних ионизированных слоев атмосферы - ее магнитосферы.

С земной поверхности производят фотографирование спектров полярных сияний с последующей их расшифровкой, т. е. установлением, какие линии и полосы в спектре каким газам принадлежат и какова их относительная интенсивность. Специальным фотоаппаратом - камерой всего неба - через короткие интервалы времени (1 мин) автоматически фотографируют положение и площадь, занимаемую полярным сиянием на небосводе. Используют также сканирующие фотометры, перемещающиеся по небосводу и измеряющие яркость сияния по участкам.

Полярное сияние кажется ярким. В действительности, даже при самом сильном полярном сиянии сквозь него всегда видны звезды. А его кажущаяся большая яркость является результатом хорошей адаптации глаза на низкий уровень освещения.

Освещенность при интенсивных полярных сияниях может достичь самое большее лунной освещенности, т. е. порядка 0,1 - 0,2 лк.