© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

О полярных сияниях

Мы упомянули выше о том, что магнитосфера Земли направляет электроны и протоны так называемого солнечного ветра к магнитным полюсам, где в верхней атмосфере они "салютуют" фантастически красивыми полярными сияниями. Об этом чудесном явлении природы стоит рассказать подробнее.

Обычно полярные сияния наблюдаются за северным или южным полярными кругами, т.е. в Арктике или Антарктике. Но иногда их можно наблюдать и в средних широтах обоих полушарий. Например, в сентябре 1859 года метеостанции зафиксировали явление полярного сияния по всему северному полушарию Земли, а в феврале 1872 года полярное сияние наблюдалось в Египте, Индии, Гватемале. В 1958 году им любовались в Москве и Одессе. В Петербурге (60° сев. широты) в ясные ночи часто можно увидеть слабое сияние. Чем сильнее проявляет себя полярное сияние в высоких широтах, тем больше область его возможного наблюдения. Из космоса оно выглядит грандиозным красочным сиянием.

В зависимости от того, как выглядят полярные сияния для наблюдателя и каковы они по размерам, метеорологи объединяют все разновидности этих сияний в три группы: ленточные, диффузные и лучистые.

Ленточные сияния выглядят в виде полос и дуг и характеризуются очень большой протяжённостью полос - иногда до десятков тысяч километров, а размер по вертикали составляет несколько сотен километров. Дуги несколько короче: пять-шесть тысяч километров при толщине всего несколько сотен метров. Часто ленты располагаются одна над другой, образуя многоярусные серебряные занавеси (драпри). Лучистые сияния создаются многочисленными яркими световыми пучками, идущими от горизонта до зенита… Впрочем, описать словами красоту и величие полярного сияния совершенно невозможно: его надо видеть.

Жители Севера давно задумывались над причиной полярных сияний. Среди учёных М.В. Ломоносов первый высказал предположение об электрической природе полярного сияния. Только полтора столетия спустя электрическая природа этого явления была научно установлена. Исследователи обратили внимание на зависимость качества радиосвязи от интенсивности полярных сияний. В моменты разгорания полярных сияний резко ухудшалась коротковолновая радиосвязь в Арктике и Антарктике, а длинноволновая улучшалась. Было ясно, что красивые световые эффекты на небе — это свечение разреженных газов в верхних слоях атмосферы, вызванное влиянием магнитного поля Земли. Но понять, как передается это влияние, не удавалось до тех пор, пока не началось регулярное зондирование верхних слоёв атмосферы при помощи геофизических ракет.

Первая такая ракета была запущена советскими учёными в 1957 году с острова Хейса на Земле Франца-Иосифа. В дальнейшем зондирование с помощью ракет стало одним из основных методов изучения атмосферы. Зондирование показало, что на высотах около тысячи километров над поверхностью Земли существуют мощные потоки отрицательно и положительно заряженных частиц. Это электроны и протоны, составляющие так называемый солнечный ветер, достигающий окрестностей нашей планеты. Скорость этого "ветра" от 300 до 600 километров в секунду. Интенсивность солнечного ветра особенно велика после вспышек на Солнце. В эти краткие мгновения Солнце выбрасывает в окружающее космическое пространство огромную массу своего вещества в виде потока заряженных частиц колоссальной мощности. Часть этого потока достигает окрестностей Земли и, встретившись с магнитным полем планеты, отклоняется от направления первоначального движения и устремляется по силовым линиям к геомагнитным полюсам. Вокруг магнитных полюсов частицы солнечного ветра образуют овальную зону, отстоящую от точки магнитного полюса на 23° по широте. Такую зону ещё называют авроральным овалом. Средний диаметр авроральных овалов составляет около 3000 км во время спокойного Солнца. Хотя геомагнитное поле и препятствует проникновению частиц солнечного ветра в атмосферу, тем не менее часть из них прорывается в плотные слои атмосферы, причём тем большая, чем плотнее поток солнечного ветра. Здесь частицы солнечного ветра взаимодействуют с молекулами воздуха, ионизируют их. Приведенные таким образом в активное состояние, молекулы воздуха начинают излучать электромагнитные волны различной длины, в том числе рентгеновского спектра. По яркости полярные сияния делят на четыре класса, отличающиеся друг от друга в 10 раз. К первому классу относятся еле заметные сияния, сходные по своей яркости со свечением Млечного Пути. Сияния же четвертого класса по яркости сравнимы с полной Луной.

Итак, солнечный ветер приносит к Земле два вида частиц, рождённых на Солнце - электроны, слетевшие с атомных орбит и ядра атомов водорода, утративших электроны (протоны). Большая часть сияний вызывается электронами, т.к. они несут большую часть энергии солнечного ветра. Их движение образует на поверхности магнитосферы Земли сильные электрические токи. Протоны, сталкиваясь с молекулами воздуха, теряют энергию, которая излучается и воспринимается наблюдателем в виде поразительной по красоте световой картины. Интенсивность протонных потоков, а значит, и водородных сияний в два-три раза слабее, чем электронных. Но они тоже ионизируют воздух, превращая его в плазму. В результате вокруг Земли когда-то возник и постоянно находится бескрайний плазменный океан.

Однако приведённые рассуждения передают лишь упрощённую схему физических процессов, реально протекающих в атмосфере и за её пределами и вызывающих полярные сияния. Учёным предстоит ещё многое уточнить и понять в процессе изучения этого сложного явления природы. Широкая сеть метеостанций и геофизических обсерваторий по всему земному шару оснащена современной научной аппаратурой, позволяющей наблюдать и изучать самые разнообразные физические процессы и явления в атмосфере и за её пределами. Координацию таких работ осуществляет Всемирная метеорологическая организация (ВМО — WMO), основанная в 1947г. Штаб-квартира этой организации находится в Женеве.