Полярное сияние

С  глубокой древности известно такое чудесное явление, как полярные сияния. Римский философ Луций Сенека, живший 19 веков тому назад, так рассказал об этом потомкам:


«…Временами на небе можно видеть сияния,  иногда не меняющиеся, иногда полные движения. Некоторые из них выглядят как пустота, когда под светящейся короной свечение отсутствует образуется как бы овальный вход в пещеру, другие — как бочки, когда видно большое закругленное пламя, перемещающееся с места место или горящее неподвижно, или — как бездна, когда небеса, кажется, открываются, чтобы извергнуть пламя, которое до этого скрывалось в его глубине… Среди них примечательны те, которые имеют вид огня на небе. Иногда они стоят высоко, сияя среди звезд, иногда так низко, что могут быть приняты за далеко горящую усадьбу или город…»


В северных регионах — на Аляске, в Скандинавии, на Кольском полуострове, в Гренландии и Северной Канаде, на Таймыре и Чукотке полярные сияния пылают очень часто. Северная заря, Aurora Borealis,— так назвал это явление 300 лет тому назад французский мыслитель Поль Гассенди. Это величественное зрелище, которое потрясает даже бывалых, ко всему привычных людей.

Вот описание известного полярного исследователя Карла Вайпрехта, наблюдавшего сияние на Земле Франца-Иосифа:


«…На юге, вблизи горизонта, появляется едва заметная дуга. Вдруг она быстро поднимается и раскидывается к востоку и к западу, начинает внезапно светиться и выбрасывать лучи света. Некоторые из них достигают зенита.

Короткое время все как будто остается постоянным, но затем внезапно оживает. Волны света пробегают с громадной скоростью с востока на запад, нижний их край окрашивается в темно-красный и зеленый цвета и колеблется вверх и вниз. Лучи двигаются более быстро, они становятся все короче, поднимаются кверху и приближаются к магнитному зениту. Все выглядит так, как будто лучи соревнуются, кто первый достигнет зенита.

Но вот он достигнут, и лучи разбегаются во все стороны — к северу, югу, востоку и западу. Идут ли лучи сверху вниз или снизу вверх? Кто может это различить? Из центра льется море пламени. Какое это море, красное, белое или зеленое? Кто может сказать? Здесь все три цвета в одно и то же время. Лучи почти достигают горизонта, все небо объято пламенем.

Природа показывает нам фейерверк, который превосходит все возможности воображения. Невольно мы прислушиваемся: кажется, что такой спектакль обязательно должен сопровождаться звуками. Но ни звука — стоит ничем не прерываемая тишина… Еще раз становится светло на льду, а затем все явление исчезает с такой же непостижимой быстротой, с какой оно возникло, и мрачная ночь снова раскинула свое темное покрывало. Это было сияние во всем его блеске… Никакой карандаш не может запечатлеть его, нет красок, чтобы изобразить его, не существует слова, чтобы описать его во всем его величии…»


Замечательно точное и поэтичное описание. Да, красок нет, но у нас есть теперь цветное кино. Фотографировать сияния начали в начале века. Сейчас фотографирование сияний производится специальными «камерами всего неба», которые снимают не отдельные участки, а весь небосвод. Фотографии полярных сияний, сделанные одновременно из двух пунктов, позволяют определить высоту, на которой они возникают.

Как показали измерения, нижняя граница полярных сияний располагается обычно на высоте 95—110 км, и чем ярче, сильнее сияние, тем ниже эта граница опускается. Верхний же край сияний чаще всего удален на 150—200 км от Земли, однако может достигать 400— 600 км, а то и подниматься до 1000—1100 км.

Ясно, что это геофизическое явление происходит в ионосфере. Ну, а что же это за процесс, чем вызывается? Хорошо было древним —- они просто считали сияния «небесными знамениями», предвещающими войны, эпидемии, голод. Викинги видели в полярных сияниях прекрасных девушек в сверкающих сталью доспехах, валькирий, паривших над полями сражений в поисках очередной жертвы. Американские индейцы считали полярные сияния отблесками костров, на которых северные колдуны поджаривали своих пленников. Нас, увы, такие объяснения устраивают мало.

Первые попытки научного объяснения происхождения полярного сияния сделал Михайло Васильевич Ломоносов более 200 лет назад. В большой работе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» М. В. Ломоносов высказал глубокую мысль, что полярное сияние порождается электрическими силами.

Теперь мы точно знаем, что это так. Какие электрические силы? Да все те же процессы ионизации и рекомбинации, о которых мы уже говорили. Солнечные корпускулы или потоки заряженных частиц, влетая в земную атмосферу, вызывают ионизацию, возбуждают нейтральные частицы, заставляют их светиться. Основным «возбудителем» такого свечения являются быстрые энергичные электроны. Это, как говорят физики, экспериментальный факт, установленный с помощью ракет и искусственных спутников Земли.

Корпускулы движутся с разными скоростями: одни—быстрее, другие — медленнее. Чем быстрее частица, тем глубже она проникает в атмосферу, тем ярче свечение, ею вызываемое. Способность разреженных газов светиться под действием электрически заряженных частиц используется для изучения самих этих газов. Существуют приборы — спектрометры, которые исследуют спектры светящихся газов. Спектры сияний изучаются как в видимой части, так и в невидимых ультрафиолетовых и инфракрасных лучах. Спектры эти состоят из отдельных линий и полос: это указывает на то, что они излучаются как атомами, так и молекулами газов, образующих атмосферу.

Спектры сияний дают нам возможность судить о газовом составе атмосферы и его распределении с высотой. Они позволяют также оценить температуру верхних слоев атмосферы.

Спектры показали, что сияния возникают в основном в результате излучения нейтральных и ионизованных атомов и молекул кислорода и азота, то есть основных газовых составляющих атмосферы. Атомарный кислород, например, находясь в состоянии некоторого возбуждения, излучает яркую зеленую линию. При другой степени возбуждения атомарный кислород светится красным светом. В средних и низких широтах обычно и наблюдаются красные сияния.

Состав спектра сияний и относительная яркость отдельных линий и полос сильно меняются в зависимости °т их формы, высоты, широты местности, где они наблюдаются. Исследователи установили, что наряду с молекулярным азотом и кислородом в верхних слоях атмосферы в большом количестве содержатся атомарный азот и кислород, причем чем выше, тем их относительная концентрация больше. Распад молекул на атомы пооисходит тоже под действием ионизирующих излучений. А в самых верхних слоях обнаружено наличие водорода и гелия.

Спектр может дать сведения не только о существовании, скажем, протонов, но и о том, как они движутся: куда и с какой скоростью. Есть такое физическое явление— эффект Доплера. Если стоять у железнодорожного полотна и слушать, как звучит гудок тепловоза, который сначала приближается к нам, а потом удаляется, то можно заметить, что в тот момент, когда состав проносится мимо, тон гудка резко меняется с высокого на низкий. И дело тут не в том, что как-то меняется работа самого гудка. Сирена посылает все время звук одной частоты, то есть производит одно и то же число звуковых колебаний в секунду. Но когда поезд мчится к нам, он как бы подгоняет звуковую волну и до нас доходит большее число звуковых колебаний в секунду, чем посылает сама сирена,— мы слышим более высокий тон. А когда поезд быстро удаляется от нас, он увлекает волну за собой и мы улавливаем уже меньшее число колебаний в секунду—воспринимаем более низкий тон. И чем быстрее движется поезд, тем заметнее изменения тона гудка.

Эффект изменения частоты колебаний, если источник колебаний движется, это и есть эффект Доплера. Он существует и в звуковых колебаниях, и в электромагнитных, то есть для светового излучения, ультрафиолетового, инфракрасного, радиоволн. Если измерить, насколько меняется частота, то можно определить направление   и   скорость   движения   источника   колебаний.

В спектрах эффект Доплера проявляется в том, что спектральные линии расширяются и смещаются по сравнению со спектрами неподвижных атомов и молекул. В сияниях обнаружены частицы, движущиеся к Земле со скоростью несколько тысяч километров в секунду. Длинные лучи сияний, простирающиеся на сотни километров и имеющие в поперечнике всего несколько сотен метров, дуги и ленты толщиной опять-таки не более сотни метров — все это говорит о том, что источником ионизации могут быть только заряженные частицы больших энергий, движущиеся по спирали вокруг магнитных силовых линий.

За полярными сияниями в настоящее время пристально следят ученые-геофизики. Десятки станций в Арктике и Антарктике производят в полярные ночи непрерывные съемки сияний. Фотографические наблюдения полярных сияний дополняются круглосуточными наблюдениями с помощью радиолокаторов, позволяющих обнаруживать ионизированные области при любой погоде и в любое время суток. Работают десятки высокочувствительных спектрографов. В средних широтах тысячи метеорологических постов не только проводят стандартные метеорологические наблюдения, но и фиксируют случаи появления сияний и их характеристики. То же самое делают вахтенные на судах, пересекающих Северную Атлантику и южную часть Индийского океана, штурманы самолетов, курсирующих между Европой и Америкой.

Большой комплекс таких исследований проводится на геофизических ракетах и искусственных спутниках Земли. Здесь уже не косвенно, а непосредственно, в тех областях, где появляются сияния, измеряется энергия и состав тех частиц, которые их вызывают. Первые наблюдения сияний из космоса осуществил экипаж советского космического корабля «Восход» (В. М. Комаров, К. П. Феоктистов, Б. Б. Егоров).

Современная техника позволяет прямо со спутника увидеть и получить изображение всей зоны полярных сияний в глобальном масштабе. Как правило, это несимметричный овал вокруг геомагнитного полюса. И он, этот овал, «дышит», сужаясь и расширяясь, смещаясь то к полюсу, то к экватору. Это «дыхание» и смещение отражают изменчивость физических процессов, вызывающих полярные сияния. Часто в научной литературе вместо «зона сияний» говорят «овал сияний», поскольку расположены они вокруг полюсов в виде сравнительно узких полос, центрированных около широты примерно 67° как в северном, так и в южном полушарии.

Составление карт видимости и интенсивности полярных сияний необходимо для решения многих научных и практических задач. Во-первых, это дает сведения об ионосфере, во-вторых, на высотах полярных сияний уже сейчас проходят маршруты реактивных самолетов. Через зону сияний проходит и радиосвязь с межпланетными кораблями. Данные наблюдений полярных сияний важны для многих смежных наук — электродинамики, спектроскопии, атЬмной физики, химии и т. д. Для нас же имеет значение то, что дополнительная ионизация, возникающая при полярных сияниях, приводит иногда к образованию в нижней части ионосферы плотных ионизированных слоев, благодаря которым сигналы даже очень маломощных передатчиков неожиданно могут быть приняты на огромных расстояниях. Но, с другой стороны, полярные сияния часто сопровождаются длительными нарушениями радиосвязи на всех частотах. Самыми уязвимыми в этом смысле являются зоны, где сияния наиболее интенсивны и возникают чаще всего. Поэтому, чтобы наметить обходные пути для радиосвязи между пунктами, находящимися вблизи опасной зоны, очень важно точно знать местоположение зоны сияний.

Конечно, полярные сияния могут дать ценную информацию об ионосфере, но, увы, на большей части нашей планеты они наблюдаются крайне редко. Но существует явление, родственное полярным сияниям,— это светящееся ночное небо, которое можно наблюдать в любом месте, если нет облачности.

В ясную погоду с наступлением ночи перед нами открывается великолепная картина звездного неба. Тысячи звезд мерцают на ночном небосклоне. Фактически их гораздо больше, чем видно невооруженным глазом. От каждого светила идет слабый свет, но, хотя звезд много, общая яркость звездного неба невелика. Ученые всегда стремятся все измерить, и вот, когда астрономы получили в свое распоряжение достаточно мощные инструменты, чтобы составлять подробнейший каталог всех видимых звезд, планет, туманностей, оказалось, что в безлунную ночь яркость небосвода в два раза больше, чем можно было ожидать.

Откуда все же этот дополнительный свет? Удалось установить, что светится сама атмосфера. Днем обнаружить этот слабый свет с поверхности Земли невозможно. Но ночью, имея чувствительные фотометры, измеряющие яркость того участка небосвода, куда направляется объектив, можно убедиться, что свечение неба наблюдается на всем земном шаре. Кроме того, существуют спектрографы, разлагающие видимый свет в спектр, в лучи разного цвета. Изучая спектр свечения, который является как бы паспортом светящегося вещества, геофизик устанавливает элементы, входящие в его состав, узнает, в каком состоянии находятся атомы и молекулы — нейтральном или ионизированном. По ширине и смещению спектральных линий он определяет температуру и движение частиц.

Направляя объектив спектрографа в ночное небо, исследователь получает данные о верхних слоях атмосферы. Конечно, расшифровать сложные спектры очень нелегко. Сначала надо получить в лаборатории модели природных спектров, то есть изучить различные смеси газов, их спектры, а уж потом можно сравнивать эти спектры со спектрами тех газов, которые мы реально наблюдаем в природе.

Иногда проходят десятки лет, прежде чем удается раскрыть тайну свечения, возникающего в космических глубинах. Так, например, 100 лет назад физики обнаружили в спектре ночного неба яркую зеленую линию. Ни в одном из лабораторных спектров такой линии не было. Предположили даже, что это обнаружен неизвестный на Земле газ, и дали ему название — «геокороний». Но оказалось, что зеленая линия излучается атомами кислорода, которых в приземном воздухе нет, а на высотах 100 км и более — очень много. Таким образом, было сделано открытие, которое затем ракеты и спутники блестяще подтвердили.

Исследования показали, что молекулярный спектр верхней атмосферы создается в основном свечением молекул азота (N2), кислорода (О2 и О) и гидроксила (ОН). Но многие полосы спектра до сих пор не расшифрованы. Какие сложные вещества скрываются за ними, нам еще предстоит узнать.

Свечение ночного неба опять-таки обусловлено процессами ионизации, возбуждения частиц и рекомбинаций. Ионизирующее излучение Солнца днем непрерывно возбуждает частицы (отодвигает электроны с более близких к ядру орбит на дальние), разбивает их на пары — молекулы и атомы, а затем атомы — на ионы и электроны. Во всех этих процессах частицы поглощают, запасают и аккумулируют энергию Солнца. Ночью же, когда электроны возвращаются обратно на более близкие к ядру орбиты, когда атомы объединяются в молекулы, а ионы с электронами — в нейтральные частицы, все эти процессы сопровождаются выделением энергии, мгновенными вспышками света. И таких вспышек миллиарды и миллиарды, они-то и создают непрерывное свечение неба. Полное количество энергии, которое могло бы таким путем высвободиться из ионосферы, оценивается в 40 млн. кВт-ч.


Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: