Полярные сияния привлекали внимание человечества на протяжении всей его истории на Земле. И не просто привлекали, а захватывали, волновали, пугали. С этими удивительно красивыми явлениями связывали несчастья и катаклизмы, считали, что они являются предвестниками беды, неизбежных изменений. Это не удивительно, ведь обычно люди боятся того, чего не понимают.

Постичь природу полярных сияний удалось в полной мере лишь с появлением искусственных спутников и ракет, которые позволили наблюдать сияния из космоса, дали ценную информацию о магнитном поле нашей планеты.

Полярные сияния наблюдаются на высоких широтах Земли, вблизи полюсов на высоте сотен километров. Эти свечения атмосферы имеют форму полос или пятен. Полосам соответствуют более интенсивные сияния. Теряя интенсивность, полосы распадаются на пятна и угасают.

Полярные сияния по яркости принято делить на 4 класса. Интенсивность сияния согласно международной шкале оценивается в баллах.

Сияние в один балл имеет яркость, сравнимую с яркостью Млечного пути, в четыре балла – со светом полной Луны.

Физики связывают возникновение полярных сияний с взаимодействием магнитного поля, окружающего нашу планету, и потока электрически заряженных частиц, летящих от Солнца с большой скоростью, так называемого «солнечного ветра». По принятой терминологии полярные сияния представляют собой флуоресцентные свечения, вызванные взаимодействием заряженных частиц, попадающих из космоса, с атомами и молекулами верхней атмосферы. Остановимся на этом подробнее.

Наша планета представляет собой гигантский шаровидный магнит, южный полюс которого расположен вблизи северного географического полюса, а северный – вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли (геомагнитные линии) выходят из области северного магнитного полюса, охватывают нашу планету и входят в неё в области южного магнитного полюса Земли.

В первом приближении на не слишком далёких расстояниях от Земли её магнитное поле такое, словно земной шар представляет собой магнит с осью, наклонённой на 11° относительно оси вращения Земли.

Напряжённость магнитного поля составляет у полюсов 0,62 Гс, а вблизи экватора – 0,31 Гс. Однако наблюдается много отклонений от чисто дипольного поля, которые называют магнитными аномалиями.

В современную эпоху северный магнитный полюс расположен в южном полушарии, однако, как показывают исследования, так было не всегда. На основе изучения намагниченности изверженных и осадочных пород на суше и морском дне получены свидетельства того, что дипольное магнитное поле Земли порой имело почти противоположное направление по сравнению с современным.

Долгое время считалось, что близкое к дипольному магнитное поле Земли простирается неограниченно далеко в вакууме межпланетного пространства. Проведённые на космических аппаратах измерения показали, что это не так. Оказывается, собственное магнитное поле Земли является препятствием на пути ионизированного газа, непрерывно излучаемого Солнцем – солнечного ветра. В результате магнитное поле концентрируется в области конечных размеров. С освещённой Солнцем стороны Земли эта область ограничена 10-15 радиусами Земли, а с противоположной – вытянута, подобно хвосту кометы, на расстояние до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Область пространства, заполненную геомагнитными линиями, называют магнитосферой.

Согласно современным представлениям, магнитосфера Земли действует как огромная электронно-лучевая трубка, которая фокусирует заряженные частицы солнечного ветра в узкие пучки и направляет их к полярным областям Земли. Как это происходит? Солнечный ветер состоит в основном из протонов и электронов высоких энергий. Когда такая частица попадает в магнитосферу в направлении, параллельном направлению силовых линий магнитного поля, то поле никак не влияет на её траекторию. В высоких широтах Земли (вблизи полюсов) силовые линии почти вертикальные, что создаёт благоприятные условия для проникновения частиц в атмосферу.

Пусть частица движется перпендикулярно магнитному полю. При этом на неё действует сила Лоренца, закручивая её вокруг силовой линии магнитного поля. В результате при отсутствии столкновений с другими частицами такой электрон или протон будет просто вращаться вокруг силовой линии. Столкновения могут привести к перескоку из одних круговых орбит на другие.

В низких широтах силовые линии почти параллельны поверхности Земли. Поэтому, чтобы частицы, вызывающие полярное сияние, могли здесь проникнуть в атмосферу, они должны прорваться поперёк силовых линий Земли, а это для них практически невозможно.

Если частица движется под некоторым углом к направлению магнитного поля, то её траектория окажется спиральной.

Двигаясь по спирали вокруг магнитной силовой линии, которая увеличивается по мере продвижения частицы вперёд (поскольку силовые линии вблизи полюсов сгущаются), частица замедляет своё движение и, наконец, начнёт двигаться в противоположном направлении, то есть в другое полушарие. Там повторяется аналогичное отражение, и частица возвращается и первое полушарие.

Этот процесс повторяется до тех пор, пока частица не потеряет энергию при соударении с нейтральными частицами в плотной атмосфере вблизи поверхности Земли.

Таким образом, энергичные частицы совершают вторжения в атмосферу нашей планеты вблизи полюсов, несмотря на то, где оказались сначала. Атмосфера на высотах, доступных электронам и протонам солнечного ветра, состоит преимущественно из атомов и молекул кислорода и азота. При столкновении с частицей солнечного ветра они ионизируются или возбуждаются. Заметим, что энергии для этого у частиц солнечного ветра больше, чем достаточно. Так, протоны имеют энергию 100-200 еВ, электроны – 10-20 кеВ, при том, что пороги ионизации кислорода 13,6 еВ, азота -14,5 еВ, а пороги возбуждения ещё меньше. Возвращаясь в исходное состояние, атомы и молекулы излучают кванты характерных длин волн. Таким образом, спектр полярного сияния может дать подробную информацию о составе верхней атмосферы.

Возбуждённые атомы кислорода вызывают как зелёное, так и красное свечение с длинами волн соответственно 5577 и 6300-6364А°. Ионизированные молекулы азота интенсивно излучают свет, особенно в инфракрасной и фиолетовой областях спектра, где расположены полосы 3914, 4278, 4709А°. Другой источник красного свечения – это излучение возбуждённых атомов водорода. Изначально в атмосфере появляются протоны, которые при движении в атмосфере захватывают электроны и образуют атомы водорода. При соударении или захвате электронов эти атомы водорода приходят в возбуждённое состояние и затем при переходе к исходному состоянию излучают известные бальмеровские линии.

Полярные сияния исследуют с помощью радиолокаторов. Радиоволны отражаются областями ионизации, возникающими в атмосфере под влиянием полярных сияний. Результаты фото – и радиолокационных наблюдений свидетельствуют, что активность полярных сияний меняется в течение суток и сезона. Продолжительность основных циклов составляет 27 дней и около 11 лет. Все эти цифры показывают, что существует связь между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли, то есть полярные сияния возникают в периоды высокой активности магнитного поля.

Исследователи создали карты с «изохазмами» – линиями равной средней годовой частоты появления видимых полярных сияний. Чаще всего эти яркие явления происходят в полярных районах обоих полушарий, однако после очень сильной вспышки на Солнце их наблюдают и в гораздо более низких широтах, иногда так близко к экватору, как, например, в Сингапуре.

С полярными сияниями связано немало явлений, охватывающих различные области физики. Например, при торможении в атмосфере электроны, вызывающие полярные сияния, излучают рентгеновские лучи, которые значительно более проникающие, чем сами электроны. Это рентгеновское излучение может достигать 30 км над поверхностью Земли, в то время как сами электроны не опускаются ниже 90 км.

Бомбардировка частицами солнечного ветра создаёт интенсивную дополнительную ионизацию, которая может вызвать сильное поглощение радиоволн, или даже «блекаут» (полное поглощение) радиосвязи. Из-за изменения коэффициента преломления благодаря аномальной плотности электронов возможно быстрое периодическое замирание сигналов от космических источников радиоизлучения, радиосигналов от спутников.

Заряженные частицы не только возбуждают или ионизируют составляющие атмосферы, но и дают некоторое количество кинетической энергии. Верхние слои атмосферы существенно нагреваются (в 4-5 раз), это приводит к движению вверх газовых потоков, уплотняет газовую среду на больших высотах и приводит к торможению искусственных спутников.

Интенсивные сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Во время полярных сияний в огромных областях пространства образуются вихревые токи, что в свою очередь индуцирует сильные магнитные поля. Развиваются так называемые магнитные бури, которые способны влиять на самочувствие и здоровье людей.

Итак, полярное сияние не только удивительное зрелище, но и сложное важное явление, изучение которого даст много полезной информации о нашей планете и Вселенной.

Литература
1. С. Акасофу. Полярные сияния. «Успехи физических наук», 1966, №89.
2. В.Л. Булат. Оптические явления в природе, М. «Просвещение», 1974.

Марина Квасница