Полярные сияния | Книги о космосе


High Star

Полярные сияния

Полярные сияния

Мы рассмотрели, что собой представляет солнечная радиация, как она движется к Земле и как она взаимодействует с магнитным полем Земли — магнитосферой.

Представляя себе все это, мы можем, наконец, перейти к самому интересному, самому грандиозному явлению, которое человеку дано наблюдать в природе, — полярным сияниям. Это единственное явление, которое человек наблюдает невооруженным глазом и которое, как на экране телевизора, отражает в себе действие космических сил на околоземное пространство. Когда мы говорили о магнитном поле Земли, о магнитных полях солнечных пятен, о том, как солнечная плазма взаимодействует с магнитосферой Земли, — все это воспринимается как результат работы ума человека. Человек об этом догадался, потом измерил на спутниках и подтвердил эти догадки, и т. д.

Совсем другое дело — полярные сияния. Вы стоите на Земле и без всяких научных приборов, без помощи спутников и ракет видите своими глазами, как солнечная плазма вторгается в обширные области околоземного пространства. Вы видите свечение атмосферы на высотах 100 — 1000 км над поверхностью Земли. Если добавить, что при этом по всему небосводу сияния пляшут, изменяя свою окраску, то надо ли удивляться, что это зрелище так сильно впечатляло наших дальних предков. Даже занимаясь изучением полярных сияний и зная о том, что здесь чудес нет, а только явление физики, глядя на полярное сияние, забываешь об этом рациональном объяснении и каждый раз попадаешь в плен грандиозной игры сил космоса и околоземного окружения.

Что же должен был чувствовать древний человек, когда вдруг внезапно (но редко) сияния охватывали все небо и так же внезапно исчезали на много десятков лет. Он воспринимал это, как знамения, как предвестники грядущих событий, чаще всего трагических (голода, эпидемий, войн и других бедствий). Запомнились сложные ассоциации: сияния наблюдались перед падением Иерусалима, перед смертью Юлия Цезаря и др. Понятно, почему сияния изображали в виде воюющих армий, олицетворяя этим нашествие, подобное нашествию вражеских войск. Из того, что уже было сказано, ясно, что в пределах Римской империи сияния могли наблюдаться не очень часто, а лучше сказать, очень редко, только в периоды чрезвычайно высокой солнечной активности.

Полярные сияния

У тех народов, которые наблюдали сияния часто, а в длинную полярную ночь и ежедневно, представление о сияниях было более естественным. Оно для них было как солнечный свет, снег, ветер... Полярные сияния пытались объяснить излучением солнечного света, который был запасен за день во льдах Арктики. Интересно, что у всех северных народов представления были очень похожие и причина сияний усматривалась в самой природе. Однако в период средневековья на этих воззрениях сказался характер эпохи, и в сияниях стали искать проявление гнева богов и т. п.

Полярные сияния вошли в жизнь народов, в их историю, философию, религию, литературу. О них напечатано множество книг научных и популярных. Мы здесь не можем рассказать и малой доли того, что сейчас известно о сияниях и связано с ними. Но мы постараемся рассказать хотя бы самое главное, так как с полярными сияниями действительно связаны многие явления в литосфере и биосфере Земли, в жизни человека. Начнем с самого главного вопроса: что собой представляют полярные сияния?

Полярные сияния — это научный термин. Более широко распространено название «северные сияния». Дело в том, что сияния наблюдаются чаще всего на Севере, в Арктике, и намного реже в средней полосе, и уже совсем редко на юге Европы. Поэтому их назвали северными. Но мореплаватели еще в прошлые века наблюдали сияния и на юге нашей планеты. Кук в 1773 г. наблюдал сияния в южных водах в то же время, когда их наблюдали и в Европе.

Имелись и другие свидетельства того, что сияния видны не только в Арктике, но и в Антарктиде. Затем стали накапливаться данные о том, что сияния на Севере тесно связаны с сияниями на Юге, а с тех пор, как в Антарктиде стали работать постоянные исследовательские экспедиции, этот вопрос изучен достаточно детально и показана четкая связь тех и других сияний. Таким образом, имеются сияния северные и южные. Те и другие вместе мы называем полярными сияниями.

Полярные сияния

Наряду с термином «полярные сияния» в последние десятилетия очень широко в нашу научную литературу вошел термин «авроральный». Мы говорим и читаем: «авроральный овал» (овал полярных сияний), авроральные неоднородности, авроральное поглощение радиоволн, авроральные явления и т. д. Во всех случаях слово «авроральный» (древние римляне назвали сияния именем богини утренней зари Авроры) так или иначе связано с понятием «полярное сияние». Что же такое полярное сияние в физическом смысле? На этот вопрос сейчас можно ответить определенно и кратко: полярное сияние — это свечение верхней атмосферы Земли под действием солнечной корпускулярной радиации. Электроны и протоны, из которых состоит солнечная плазма, вторгаются в верхнюю атмосферу в высоких широтах (в Арктике и Антарктике) и, налетая на атомы и молекулы атмосферного газа, вызывают их свечение. Хотя в такой формулировке это и звучит достаточно просто, однако на самом деле прохождение электронов и протонов солнечной плазмы через земную атмосферу связано с целым комплексом физико-химических процессов, одним из которых и является свечение различных химических элементов (кислорода, азота, водорода и др.), т. е. полярные сияния.

Чтобы понять, почему атомы и молекулы атмосферы светятся под действием несущихся из космоса электронов и протонов, мы должны начать с того, как сами атомы и молекулы устроены. Молекулы состоят из атомов, поэтому начнем со строения отдельного атома.

Строение атома наиболее легко представить себе наглядно на так называемой планетарной модели атома. Эта модель представляет один атом устроенным так, как устроена наша планетарная система. В центре нашей планетарной системы находится Солнце, в котором сосредоточена основная масса всей системы, а вокруг него обращаются планеты. В атоме вместо Солнца — атомное ядро, а вместо планет обращаются вокруг ядра электроны. Разница этих двух систем (атома и планетарной системы) не только в размерах, но и в том, что «планеты» атома — электроны имеют отрицательный электрический заряд, а само ядро имеет положительный электрический заряд. В нормальных условиях соблюдается электрическое равновесие: сколько электрических зарядов (отрицательных) имеется вокруг ядра, столько же положительных электрических зарядов содержится в самом ядре.

Отличие атома от нашей планетарной системы состоит и в другом. Наша система, к счастью, является устойчивой, планеты движутся по своим орбитам не одну тысячу лет, и ничто им не мешает в этом. Но если на время представить себе, что какая-то быстро пролетающая планета (не из нашей системы) налетела бы на одну из наших планет, то весь этот механизм согласованного, сбалансированного движения планет был бы нарушен. К счастью, такие планеты или другие опасные небесные тела не носятся в космосе и не мешают нашим планетам мирно совершать свое движение по орбитам.

Атомы в отличие от планетарных систем находятся ближе друг к другу, и, кроме того, пролетающих неизвестных гостей вроде электронов, протонов, фотонов и др. имеется достаточное количество, по крайней мере в верхней атмосфере. Поэтому в мире атомов катастрофа, связанная с пролетом электрона, протона или фотона, является делом обычным. Пролетающий электрон, столкнувшись с орбитальным электроном атома, может его полностью вышибить из атома, и там останется дырка (отсутствие электрона, вакансия). Почему вакансия? Потому что внутри атома существует такой порядок, при котором электроны расположены на орбитах в определенном количестве и в определенном порядке. И их должно быть не меньше и не больше на данной орбите. Если электрон из определенной орбиты оказался выбитым, то положение пытаются спасти те электроны, орбиты которых дальше удалены от ядра, чем орбита пострадавшего электрона. Чисто формально, ситуация напоминает ту, которая создается в очереди, если ее кто-либо покидает: образовавшаяся вакансия занимается тем, кто находится сзади ушедшего.

Когда атом потерпел крушение, потеряв один или больше своих электронов, то он уже перестает быть атомом. Его называют ионом. Сам акт называют ионизацией. Он несет на себе избыточный положительный электрический заряд. Для того чтобы он снова стал полноценным, нейтральным атомом, ему надо вернуть его электрон. Такой процесс называется рекомбинацией. В верхней ионосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца постоянно образуются ионы. Все они и составляют ионосферу. Сталкиваясь с электронами, они снова восстанавливаются. Таким образом, число ионов или плотность ионосферы зависит от того, какой процесс идет быстрее — ионизация или рекомбинация. В течение дня ионы создаются интенсивно, зато с заходом Солнца их больше исчезает (рекомбинирует) или, точнее, превращается в атомы, поэтому к концу ночи их остается очень немного. Затем с восходом Солнца все повторяется.

Эти ионы (на каждый ион приходится один свободный электрон, оторванный от атома) играют очень важную роль в нашей практической жизни, несмотря на то, что они расположены на высотах от 100 до 1000 км над поверхностью Земли. Вначале по мере увеличения высоты до 300 км их количество растет (плотность ионосферы увеличивается), а выше 300 км плотность ионосферы уменьшается. А влияет ионосфера на нашу ежедневную жизнь, от нее зависит распространение радиоволн. Ионосфера для нас — это радиосвязь, радиолокация, радионавигация и многое другое, что связано со словом «радио».

Если в средних широтах ионосфера создается главным образом волновым излучением Солнца (ультрафиолетом), то в высоких широтах ионизируют атмосферу и частицы солнечной плазмы — электроны и протоны. Без них полярная ионосфера за длинную полярную ночь, когда атмосфера в высоких широтах не освещается Солнцем, очень скоро перестала бы существовать. Но под действием потоков электронов и протонов поддерживается процесс образования ионов и электронов в полярной ионосфере непрерывно. Ионосфера не исчезает даже на короткое время.

Полярные сияния

Тем не менее многим известно, что в Арктике осуществлять и поддерживать надежную и устойчивую радиосвязь значительно труднее, чем в средних широтах. Собственно, это чувствует каждый, кто пользуется радиоприемником. Радиоволны проходят здесь значительно труднее. Достаточно сказать, что иногда наступают периоды, когда весь эфир молчит. Такой период может продолжаться несколько дней. Ясно, насколько это важно для обеспечения нормальной жизни в Арктике. Такая ситуация связана с вторжением в верхнюю атмосферу высоких широт потоков солнечной плазмы — электронов и особенно протонов.

Ситуация выглядит следующим образом. Для того чтобы радиоволна коротковолнового диапазона смогла отразиться от ионосферы (как солнечный зайчик от зеркала) и возвратиться к земле, надо, чтобы в точке отражения было достаточное количество свободных (оторванных от атомов) электронов. Обычно их на высоте 300 км около одного миллиона в кубическом сантиметре. Эти электроны и выполняют роль зеркала при отражении радиоволн. Если электронов мало, то радиоволна не отразится, а пройдет сквозь слой ионосферы, и к точке приема она не придет. Если электронов больше, чем надо, то все будет хорошо, как говорят, маслом кашу не испортишь. Но это только в том случае, если мы говорим о высоте, где происходит отражение радиоволн. Если же радиоволна на своем пути к точке отражения или на обратном пути от места отражения к приемнику встречает много электронов, то эти избыточные электроны будут только мешать. Если они находятся на высоте ниже 100 км, то они станут причиной нарушений радиосвязи в течение длительного времени.

В чем причина такой двойственной роли свободных электронов в ионосфере? Тут весь вопрос в расходовании энергии. Радиоволна при своем распространении переносит определенное количество энергии. Встречая на своем пути электроны, она их раскачивает, так как ее электрическое поле не может не действовать на электрический заряд электрона. Но электрон под действием электрического поля радиоволны раскачивается поперек направления распространения радиоволны без трения и поэтому не теряет свою энергию (а точнее, энергию приобретенную от волны). Раскачиваясь в такт электрическому полю радиоволны, электрон возвращает радиоволне взятую у нее энергию, и она не несет никаких убытков. Но такая ситуация имеет место до тех пор, пока электроны движутся без трения. Если же электроны на своем пути встречают препятствие в том или ином виде, то на его преодоление они теряют энергию радиоволны, и возвращать им обратно волне нечего. Если это будет длиться достаточно долго, то радиоволна потратит всю свою энергию на раскачивание свободных электронов, обратно же от них не получит ничего. После того как радиоволна израсходует всю свою энергию, она перестанет существовать. Специалисты говорят, что радиоволна поглотилась. Вот такое поглощение и является основным бичом радиосвязи в высоких широтах.

Поясним в двух словах, в чем смысл трения электронов. Если в окружающем свободный электрон пространстве имеется достаточное количество атомов и ионов, то электрон при своем раскачивании будет отдавать энергию в столкновениях с ними. Тем самым температура атомов и ионов будет увеличиваться. Энергия радиоволны уйдет на нагрев среды. Такая ситуация лучше всего реализуется в нижней ионосфере (ниже 100 км), где плотность атмосферы намного больше, чем в областях, от которых радиоволны отражаются, т. е. на 300 км.

Поэтому основное поглощение радиоволн происходит в нижней ионосфере в те периоды, когда там под действием проносящейся солнечной плазмы (электронов и протонов) увеличивается количество свободных электронов. Эти электроны отбирают энергию от радиоволны и передают ее окружающей среде, повышая ее температуру. Так солнечная корпускулярная радиация через ионосферу (прежде всего полярную ионосферу) влияет на разные стороны нашей жизни, которые в той или иной степени связаны с распространением радиоволн.

А теперь вернемся к полярным сияниям. Рассмотренные нами процессы ионизации солнечными частицами тесным образом связаны с процессами свечения атомов и молекул, т. е. с полярными сияниями. Ионизация — это отрыв орбитального электрона от ядра. Когда электрон с более удаленной орбиты переходит на более близкую, чтобы там заполнить образовавшуюся вакансию, он обязан избыток своей энергии сбросить, излучить в виде света. По законам атомной физики, на каждой орбите электрон может иметь только определенное, строго лимитированное количество энергии. Причем чем ближе к ядру, тем это количество меньше. Имеется известное соотношение между длиной волны излучения и имеющейся в нем энергии.

От того, с какой орбиты на какую переходит электрон, зависит, какую длину волны он излучает. На этом построена целая наука — спектроскопия, которая по излучению дает информацию о самом веществе. Но кроме такого излучения, связанного с ионизацией, когда отрывается внутренний (не последний) электрон от атома, имеются и излучения, связанные с так называемыми возбужденными состояниями электронов. Мы говорили, что каждый электрон в атоме может быть только на определенной орбите и с определенной энергией, что, другими словами, означает, что электрон находится на определенном энергетическом уровне. Но из этого правила имеются кратковременные исключения. Исключения на время менее одной секунды.

Орбитальному электрону разрешается присвоить на это короткое время часть энергии, при этом электрон переходит на более удаленный от ядра уровень, но по истечении этого времени он должен «опомниться», излучить эту энергию и вернуться в свое основное, законное состояние. Любое видимое свечение связано с возбуждением атомов и молекул.

Представим себе, что через группу неподвижных бильярдных шаров пролетает шар с большой скоростью. Он совершит целую серию столкновений с окружающими шарами. Такие столкновения называются упругими, так как сами шары остаются неизменными и их внутреннее строение остается прежним. Когда же энергичный электрон (или протон) проносится сквозь земную атмосферу, то он, наталкиваясь по пути на отдельные атомы и молекулы, отрывает от них электроны, одновременно переводя отдельные орбитальные электроны в возбужденное состояние, которое, как мы видели, приводит к излучению. На своем пути высокоскоростной электрон произведет сотни и тысячи таких актов. При этом будут образовываться свободные электроны (т. е. будет увеличиваться плотность ионосферы) и, естественно, будут наблюдаться полярные сияния.

Формы полярных сияний поражают своим разнообразием, сияния быстро изменяются и очень динамичны. Словами очень трудно описать это явление, если не сказать — невозможно. Приведем одно из наиболее удачных описаний очевидца. Исследователь Северной Земли Г. А. Ушаков в книге «По нехоженной земле» писал:

«Небо пылало. Бесконечная прозрачная вуаль покрывала весь небосвод. Какая-то невидимая сила колебала ее. Вся она горела нежным лиловым светом. Кое-где показывались яркие вспышки и тут же бледнели, как будто на мгновение рождались и рассеивались облака, сотканные из одного света. Сквозь вуаль ярко светились звезды. Вдруг вуаль исчезла. В нескольких местах еще раз вспыхнули лиловые облака. Какую-то долю секунды казалось, что сияние погасло. Но вот длинные лучи, местами собранные в яркие пучки, затрепетали... бледно-зеленым светом. Вот они сорвались с места и со всех сторон, быстрые, как молнии, метнулись к зениту. На мгновение в вышине образовали огромный сплошной венец, затрепетали и потухли... Неведомая сила выбросила целый сноп лучей, похожих на полураскрытый веер. Нежнейшие оттенки цветов — красного, малинового, желтого и зеленого — раскрашивали его. Лучи каждое мгновение тоже меняли свою окраску. Один какую-то долю секунды был малиновым, потом стал пурпуровым, вдруг окрасился в нежно-желтый цвет, сейчас же перешедший в фосфорически-зеленый. Уследить за сменой окраски было невозможно. Около четверти часа продолжалась эта непередаваемая по красоте игра света».

Приведем еще одно описание полярных сияний, взятое из романа «В лесах» Андрея Печерского. Здесь описание дано в терминах, принятых на Руси:

«Пазори — северное сияние... У нас каждый переход столь обычного на Руси небесного явления означается особым метким словом. Так, начало пазорей, когда на северной стороне неба начинает как бы разливаться бледный белый свет, подобный Млечному Пути, зовется отбелью или белью. Следующий затем переход, когда отбель сначала принимает розовый оттенок, потом постепенно багровеет, называется зорями (зори, зорники). После зорей начинают обыкновенно разливаться по небу млечные полосы. Это называют лучами. Если явление продолжается, лучи багровеют и постепенно превращаются в яркие красные и других цветов радуги столбы. Эти столбы краснеют более и более, что называется «багрецы наливаются». Столбы сходятся и расходятся — об этом говорится: «столбы играют».

Такое разнообразие сияний, которое описано выше, вызвано многими причинами. Проследим мысленно путь частиц от Солнца до того места, где они вызовут полярные сияния. Заряженные частицы идут от Солнца с разными скоростями, т. е. с разными энергиями. От этого зависит, как они будут взаимодействовать с магнитным полем Земли. Движение заряженных частиц (солнечной плазмы) в околоземном космическом пространстве также зависит от их энергии, массы, электрического заряда. Значит, в разные точки пространства приходят частицы с разными свойствами. Они способны вызывать свечение различных составляющих атмосферы (азота, кислорода, водорода и др.). Надо добавить, что вся эта картина непрерывно меняется, так как меняются условия на Солнце, в межпланетном космическом пространстве, в магнитосфере. Поэтому и полярные сияния отличаются разнообразием, динамичностью и разноцветностью.

Однако, несмотря на разнообразие, все формы полярных сияний можно свести к некоторым элементарным формам, из которых состоят любые сияния.

Рассмотрим их кратко. Во-первых, надо назвать спокойную однородную дугу полярного сияния. Так ее и называют — дуга. Дуга простирается на весь небосвод в виде несколько изогнутой полосы, арки наподобие радуги. Эти сияния вызываются потоками электронов. Дуга имеет определенную ориентацию, которая определяется тем, что движение электронов направляется магнитными силовыми линиями. Однородная дуга полярного сияния может простираться по долготе (в направлении восток — запад) на несколько тысяч километров.

Измерения со спутников (фотографирование) позволило получать картину полярных сияний на больших площадях. Такие фотографии показывают распределение полярных сияний и их изменение во времени в глобальном масштабе. Однородная дуга полярного сияния в направлении север — юг имеет протяженность от километра до нескольких десятков километров.

В полярных шапках поближе к геомагнитным полюсам спокойные однородные дуги направлены не вдоль долготы, а вдоль линий полдень — полночь. В зонах полярных сияний (на удалении 17° от геомагнитных полюсов) в спокойных условиях однородные спокойные дуги являются основной формой полярных сияний.

При усилении солнечной активности изменяются энергия солнечной плазмы, ее плотность и другие характеристики. Это приводит и к изменению форм полярных сияний. Однородная дуга перестает быть однородной. Она теряет свою правильную геометрическую форму. Начинают появляться формы в виде спиралей и вихрей. Часто наблюдаются двойные и тройные дуги.

Более общим случаем однородной дуги является однородная полоса. Она не имеет правильной структуры. Полосы и дуги полярных сияний наблюдаются на высотах 100 — 150 км.

Другой основной формой полярных сияний являются лучи. Это узкие пучки света. Длина их меняется от нескольких десятков до нескольких сотен километров. По ширине они простираются на расстояния от нескольких десятков метров до нескольких километров. Лучи полярных сияний появляются вдоль силовых линий геомагнитного поля (это напоминает путь трассирующей пули), вдоль которых вторгаются электроны солнечной плазмы. Наблюдаются как одиночные лучи, так и целые связки их. Лучи полярных сияний наблюдаются на тех же высотах, что и дуги и полосы. Если лучи полярных сияний наблюдаются над головой, т. е. в зените, то они видны как корона. Это объясняется тем, что в линейной перспективе магнитные силовые линии кажутся сходящимися в магнитном зените. В условиях возмущений наблюдаются дуги и полосы полярных сияний, пронизанные лучистыми формами.

Кроме дуг и лучей, наблюдаются и диффузные пятна полярных сияний. Они занимают на небе площадь около 100 км2. Форма этих пятен неправильная, одновременно наблюдается несколько таких пятен. Имеется еще так называемая «вуаль». Это однородные светящиеся поверхности, которые занимают большую часть небосвода. Эти сияния называют еще фоновым свечением.

Описанные формы, как правило, накладываются друг на друга; кроме того, каждая форма движется и излучение меняет свою интенсивность. Спокойные формы полярных сияний движутся со скоростями до 50 км/с.

Можно привести еще довольно много форм полярных сияний. Так, наблюдаются пульсирующие полярные сияния, их интенсивность пульсирует во времени. Эти пульсации видны невооруженным глазом. Пульсирующие сияния делятся еще на несколько подтипов: собственно пульсирующие, пламенные, мерцающие и струящиеся.

Пламенные сияния подобны движению пламени: волны света быстро движутся к магнитному зениту — от уровня 100 км вверх (значительно реже вниз) со скоростями до 100 км/с. Иногда эти скорости достигали 1000 км/с.

Мерцающие сияния — такие, в которых сияние мерцает. Мерцающие пятна имеют размер 1 — 5 км и мерцают с частотой 10 Гц. Эти мерцания одинаковы в обоих полушариях, они между собой сопряжены геомагнитными силовыми линиями.

Яркость струящихся полярных сияний изменяется беспорядочно. Неправильные вариации яркости сияния быстро распространяются вдоль однородных дуг горизонтально. Получается такая картина, как будто солнечный зайчик бежит вдоль дуги сияния.

Яркость пульсирующих полярных сияний изменяется в среднем с частотой 1 Гц. Области, занятые сиянием, имеют толщину 30 — 120 км и перемещаются на расстояния в 150 км и более. Пульсирующие полярные сияния видны в тех же местах, что и спокойные дуги. Когда свечение усиливается, то сияния видны на более низких высотах. Это значит, что сияния вызываются частицами более высоких энергий.

Пульсирующие полярные сияния очень тесно связаны с пульсациями геомагнитного поля. Эта связь не удивительна, так как и те и другие пульсации вызываются одной и той же первопричиной — потоками электронов. Эти потоки, взаимодействуя с атомами и молекулами атмосферных газов, вызывают их разрушение, при котором образуются ионы и новые электроны и происходит высвечивание квантов света — полярные сияния. Пульсации в магнитном поле Земли связаны прежде всего с изменением проводимости ионосферы, т. е. с количеством свободных электронов. А весь процесс ионизации и свечения (его развитие во времени, т. е. пульсирующий характер) связан с характером вторгающегося в атмосферу потока электронов. Этот тип полярного сияния больше всего привлекает наше внимание при рассмотрении проблемы влияния на здоровье человека, так как именно пульсирующие изменения магнитного поля наиболее пагубно действуют на человеческий организм.

Различают пульсирующие сияния правильной формы, когда период колебаний не изменяется, и неправильной формы. Часто периоды правильных пульсирующих сияний разделены последовательностями неправильных изменений. Наблюдаются также пульсирующие сияния более редкого типа, которые характеризуются затухающими колебаниями с одним сильным пиком, за которым следуют 5 или 8 импульсов с все уменьшающейся амплитудой. Интервал времени между соседними импульсами во всех конкретных случаях постоянный (от 1 до 3 с).

В средних широтах также имеют место полярные сияния, но они не видны невооруженным глазом. Это так называемые красные дуги, или М-дуги. Эти сияния (в красном цвете) регистрируются только приборами и наблюдаются на высотах от 300 до 700 км.

Красные дуги простираются в направлении восток — запад на несколько тысяч километров, а иногда даже вокруг всей Земли, по широте они могут занимать 600 км. Красные дуги появляются одновременно в обоих полушариях. Их появление тесно связано с геомагнитной и солнечной активностью. Они могут «висеть» в течение целых суток.

Имеется еще один тип полярных сияний, который наблюдается в полярной шапке. Эти сияния в отличие от дуг и полос занимают более обширное пространство. Они вызываются солнечными космическими лучами, которые вызывают не только эти сияния, но и поглощение радиоволн. Солнечные космические лучи (протоны с энергиями 1 — 100 МэВ) очень однородны в пространстве и мало меняются во времени. Поэтому и сияния, вызываемые ими, занимают всю полярную шапку вплоть до широты 60°. Эти явления, связанные с выбросом из Солнца потоков протонов, длятся в течение нескольких суток. В течение первых суток после начала явления интенсивность свечения увеличивается. Затем в течение нескольких последующих суток она постепенно спадает.

Наблюдаются еще сияния диффузного характера, без четкой формы и очертаний. Они часто простираются по всему небу, и наибольшая интенсивность их регистрируется в утренние и вечерние часы. Такие сияния в зоне полярных сияний называют мантийными. Их распределение в зонах полярных сияний отличается от распределения дискретных форм сияний, таких, как дуги, полосы и лучи. Чаще всего мантийные сияния появляются при максимальной солнечной активности и намного реже при минимальной. Когда усиливается геомагнитная активность, области, занятые этими сияниями не увеличиваются, растет только интенсивность свечения и величина утреннего максимума.

Мы несколько раз упоминали, что полярные сияния очень разнообразны. Поэтому все наблюдаемые сияния трудно втиснуть в перечисленные формы, Так, учеными были предложены и некоторые другие формы. Например, полярное сияние в форме листа представляет собой дугу полярного сияния, но очень тонкую в виде листа. Такая тонкая дуга имеет форму латинской буквы S. Чаще всего такие сияния наблюдаются в вечерние часы на северной кромке овала полярных сияний (если в Северном полушарии).

Очень широкая дуга полярного сияния была названа диффузной дугой. Тонкие и диффузные дуги полярных сияний часто наблюдаются вместе. Наблюдаются также полярные сияния, напоминающие по форме дым сигареты. Эти сияния дрейфуют и вращаются. В них иногда видна и тонкая структура, но реже чем у дискретных дуг и полос. Дымчатое полярное сияние появляется обычно вблизи границы свечения.

Имеются также светящиеся полоски и бороздки. Эти полярные сияния выглядят как диффузные дуги, если полосчатость в них меняется очень быстро. Но и это еще не все. Имеются и так называемые «сияния наоборот», т е. четко выраженные области на небе, где отсутствуют какие-либо излучения, области «пустого пространства», «чёрные дыры». Эти дыры вкраплены в области, занятые полярными сияниями. Эти черные дыры более научно еще называют «черными полярными сияниями». Они имеют форму тонких лент или вытянутых эллиптических отверстий. Черные сияния дрейфуют в восточном направлении после полуночи и в западном направлении — до полуночи. Такие экзотические «полярные сияния наоборот» наблюдаются при переходе от диффузных сияний к дискретным. В этом смысле можно считать, что они являются промежуточными формами. Если судить о формах полярных сияний и об их движениях не только по тому, что мы видим невооруженным глазом, но и по измерениям чувствительной аппаратурой, то картина становится еще более разнообразной и динамичной. Современная техника, используемая в научных исследованиях полярных сияний, позволяет это делать. В настоящее время для этих целей используются многоканальные телевизионные системы. Такие системы позволили измерить скорости, с которыми движутся полярные сияния, вплоть до 10 км/с. Это дает возможность измерять тонкую структуру сияний различной формы.

Наблюдаются полярные сияния в форме спиралей и завитков. Если смотреть с Земли, то спирали разворачиваются по направлению вращения часовой стрелки. В поперечнике их размеры меняются от 20 до 1300 км, чаще всего они равны 250 — 500 км. Сияния в виде спиралей наблюдаются в вечерние и полуночные часы. Завитки полярных сияний намного меньше, чем спирали. Они закручены в противоположную сторону. В одних и тех же формах полярных сияний могут наблюдаться и спирали, и завитки.

Спиральные полярные сияния связаны с электрическими токами, которые текут вдоль геомагнитных силовых линий между ионосферой и магнитосферой.

Дуги полярных сияний испытывают кручения, искривления, расщепления и другие деформации, которые наблюдаются вдоль дуги с определенной периодичностью.

Все полярные сияния вызываются или электронами или протонами. Протонные полярные сияния отличаются от тех, которые вызываются электронами. Это отличие определяется прежде всего тем, что протон по пути своего движения через атмосферу может на некоторое время превращаться в нейтральный атом водорода. Для этого ему надо приобщить к себе один свободный электрон из окружающего пространства. Это очень важное обстоятельство, так как пока протон движется в чистом виде, то его движение направляется магнитными силовыми линиями. После того как он стал атомом водорода (с нулевым суммарным электрическим зарядом), он вправе не замечать наличие магнитных силовых линий. Это позволяет ему уйти достаточно далеко в сторону от той силовой линии, вдоль которой он двигался, будучи протоном. С электронами такого произойти не может, они не могут преобразоваться в атомы. Поэтому, зная, где находится область, занятая полярными сияниями, мы можем сказать, откуда пришли те электроны, которые вызвали эти сияния.

Для этого нам надо отправиться в путь вдоль силовых линий, которые проходят через область сияния. В случае протонных сияний этого сделать нельзя, так как протоны не все время шли вдоль силовой линии магнитного поля, а часть своего пути (или отдельные его участки) совершали, не считаясь с магнитным полем. Процесс превращения протона в атом водорода затем продолжится обратным превращением атома водорода снова в протон и электрон. Затем все может повториться. Поэтому путь протона состоит из отдельных участков, на которых он движется, сообразуясь с магнитной силовой линией, а между этими участками может достаточно далеко удаляться от данной силовой линии в поперечном направлении. Весь описанный выше процесс называется перезарядкой, т. е. между протоном и атомом водорода идет обмен электрическим зарядом (электроном). Интересно, что при прохождении протонов через атмосферу возникают протонные сияния, но при этом образуются вторичные электроны, которые имеют достаточную энергию для того, чтобы вызывать ионизацию нейтральных атомов и молекул, а также их возбуждение. При этом возникают полярные сияния.

Протонные полярные сияния чаще всего имеют форму широкой дуги, которая вытянута в направлении с востока на запад. С севера на юг эта дуга простирается от 3 до 10° по широте, или от 300 до 1000 км. Протонные сияния (линии излучения водорода) часто наблюдаются в диффузных пятнах, но отсутствуют в дискретных формах.

Те протонные сияния, которые наблюдаются севернее широты 70°, характеризуются тем, что их интенсивность не увеличивается с ростом возмущения геомагнитного поля.

Остановимся на пространственном распределении полярных сияний. Это один из главных вопросов, так как он дает представление об их физической природе. Для нас этот вопрос интересен и тем, что пространственное распределение сияний дает нам представление о том, что происходит с плазмой в окружающем Землю космическом пространстве. Как мы уже говорили, сияние — это как бы изображение на телеэкране того, что происходит в космосе. Первые карты с зонами полярных сияний появились более 100 лет назад. Сейчас в научных кругах бытует термин «зона Фритца». Немецкий ученый Карл Фритц в 1874 г. опубликовал обширный каталог полярных сияний и построил карту с линиями, соединяющими области, где полярные сияния появляются одинаково часто. Эти линии были названы изохазмами. (Аналогично линиям одинакового давления, называемым изобарами, и одинаковой температуры — изотермами.) Слово «хазмы» в переводе с латинского на русский язык означает «пробел». Этот термин ввел в обиход еще Аристотель в книге «Метеорология».

По данным, опубликованным Фритцем в прошлом веке, линии одинаковой частоты появления полярных сияний (изохазмы) имеют форму деформированных окружностей, центр которых в первом приближении совпадает с геомагнитным полюсом. Затем эти карты уточнялись, но название осталось прежнее — зона, в которой полярные сияния в ночное время появляются наиболее часто, называется зоной Фритца.

Было установлено, что максимум этой зоны удален от геомагнитного полюса на 23°, т. е. приходится на геомагнитную широту 67°. В Северном полушарии эта зона проходит через северную часть Скандинавского полуострова, через Мурманск (чуть севернее его), Новую Землю, южную часть полуострова Таймыр, между Новосибирскими островами, через о. Врангеля, Аляску и южную часть Гудзонова залива. Дальше она продолжается к югу от Гренландии и пересекает Исландию.

Зона Фритца, или зона полярных сияний, имеет протяженность по широте в несколько градусов. Но чем дальше мы удаляемся от ее максимума, тем частота полярных сияний становится меньше. Так, при удалении до Ленинграда частота сияний уменьшится в 20 раз, т. е. только в 5% тех случаев, когда видны сияния в максимуме зоны, будут видны они и в Ленинграде. Если мы удалимся еще дальше к югу от зоны полярных сияний и окажемся на широте 40 — 45°, то здесь полярные сияния наблюдаются один раз за весь 11-летний цикл. Не удивительно, что их появление вызывало так много толков и ассоциаций, тем более что в год максимума солнечной активности (когда сияния можно увидеть и в средней полосе) активизируется «отрицательная» деятельность и других стихий природы — активизируются вулканы, усиливаются наводнения и др.

Зона Фритца и позднейшие ее модификации были построены по данным Северного полушария. Только значительно позднее (в 1939 г.) была построена такая же зона по данным Южного полушария. Затем она была уточнена по наблюдениям, проведенным в 1957 — 1958 гг. усилиями разных стран в рамках программы Международного геофизического года (МГГ).

Уточним, что очертания зоны полярных сияний (зона Фритца) получатся, если регистрировать те сияния, которые видны ночью. Днем сияния также имеются, но невооруженным оптикой глазом они не регистрируются.

Как же выглядит область, которая сияет в данный конкретный момент времени, если подняться над магнитным полюсом достаточно высоко, чтобы регистрировать сияния над всем Арктическим регионом? Такую регистрацию можно вести со спутников, что сейчас и делается. На основании анализа данных о полярных сияниях за 1957 — 1959 гг. было установлено, что область одновременного свечения представляет собой овал, который с дневной стороны находится на удалении около 10° от геомагнитного полюса, а на ночной стороне овал, естественно, совпадает с зоной полярных сияний. По определению, зона полярных сияний формируется ночной частью овала полярных сияний в течение суток. Овал полярных сияний все время располагается (фиксируется) в определенном положении относительно Солнца. Можно сказать, что под неподвижным относительно Солнца овалом прокручивается Земля, и в тех местах, над которыми при этом проходит ночная часть овала, полярные сияния видны наиболее часто и совокупность этих мест за целые сутки и составит зону полярных сияний.

Мы уже говорили, что области, занятые полярными сияниями, могут быть соединены вдоль силовых линий геомагнитного поля с соответствующими областями в магнитосфере, из которых приходят те частицы, которые вызывают сияния.

Таким образом, Земля в течение суток прокручивается под двумя светящимися «нимбами», располагающимися над Арктикой и Антарктикой и ориентированными определенным образом относительно Солнца. Эти два «нимба» светятся потому, что в этих двух местах (в овалах полярных сияний) космос соприкасается е Землей. Точнее сказать, не просто соприкасается (соприкосновение имеет место вдоль всей границы магнитосферы), а передает свою энергию Земле и окружающему ее пространству.

Полярные сияния наблюдаются не только в овалах полярных сияний. Они наблюдаются и в полярных шапках и даже на средних широтах. Но в овалах полярных сияний они наблюдаются наиболее часто и, кроме того, имеют определенные дискретные формы.

В утреннем секторе, кроме овала полярных сияний, имеется и вторая область в виде полосы, которая простирается от полуночной части овала. Эта полоса проходит южнее овала полярных сияний. Полярные сияния в ней вызываются потоками электронов, которые имеют энергию больше, чем те электроны, которые вызывают полярные сияния в овале. Поскольку энергия электронов, вторгающихся в эту область, больше, то они проникают на более низкие высоты, ниже 100 км. Здесь условия в атмосфере за счет ее большей плотности такие, что ионосферные токи течь не могут. Поэтому полярные сияния на этих высотах не сопровождаются магнитными возмущениями (магнитные возмущения связаны с ионосферными токами).

Полярные сияния, наблюдаемые в овалах и вызываемые вторгающимися в эти области электронами, окружены диффузной полосой протонного полярного сияния. Протоны приходят сюда из кольцевого электрического тока, который течет вокруг Земли на удалении нескольких земных радиусов. Во время мировых магнитных бурь эта область околоземного пространства пополняется протонами (образуется протонный пояс).

Овалы полярных сияний при различных уровнях геомагнитной активности изменяются как по форме, так и по положению. Во-первых, они с усилением активности становятся шире. Во-вторых, они несколько смещаются к более низким широтам. Это связано с изменением конфигурации магнитосферы под действием солнечной плазмы. На дневной стороне солнечная плазма проникает в атмосферу высоких широт через дневные полярные каспы. При усилении давления потока солнечной плазмы на магнитосферу Земли с дневной стороны эти воронки (каспы) смещаются к более низким широтам. На ночной стороне солнечная плазма поступает в атмосферу из хвоста магнитосферы. Изменение формы и положения овала полярных сияний на ночной стороне отражает изменения формы магнитосферы. Кроме того, отдельные формы полярных сияний во время бурь и суббурь совершают движения, которые также обусловлены движением плазмы в хвосте магнитосферы.

Суббуря в полярных сияниях протекает следующим образом. Она имеет фазу развития и фазу восстановления. Подготовку суббури рассматривают как фазу зарождения суббури. Началом суббури в полярных сияниях считается внезапное более яркое свечение одной из спокойных дуг, которые расположены в полуночном секторе овала полярных сияний. Если в спокойных условиях дуги в этом месте не было, то с началом суббури она образуется. Затем начинается быстрое движение этой дуги по направлению к полюсу. Движение приводит к образованию выпуклости в полярных сияниях. Это показано на рис. 15.

Суббури в полярных сияниях
Рис. 15. Схема, иллюстрирующая суббури в полярных сияниях

В области выпуклости начинается распад полярных сияний. Затем по мере развития суббури эта выпуклость расширяется во всех направлениях. На вечерней стороне выпуклости появляется крупномасштабная складка, которая движется с большой скоростью к западу вдоль дуги полярного сияния. Ее принято называть движущимся к западу изгибом. На утренней стороне выпуклости дуги полярных сияний распадаются на отдельные пятна. Эти пятна дрейфуют к востоку со скоростью 300 м/с.

После того как расширяющаяся выпуклость достигнет наибольшей ширины, начинается фаза восстановления. Движущийся к западу изгиб, в конце концов, вырождается в нерегулярные полосы. Движущиеся к востоку пятна в утреннем секторе сохраняются до конца фазы восстановления. Затем к концу фазы восстановления складывается та же ситуация, что и в начале суббури. Через какое-то время может начаться новая суббуря.

Очень ценную информацию о протекании полярных сияний, их расположении над всеми полярными областями дали измерения с помощью высотных самолетов и особенно с помощью спутников.

(Мизун Ю. Г., Мизун П. Г. Космос и здоровье)