Полярное сияние

Полярное сияние – это одно из уникальных природных явлений, представляющее собой многоцветное свечение, возникающее в определенных слоях атмосферы вследствие взаимодействия ее магнитного поля с частицами солнечного ветра.

Подобное световое действие на небе – это поистине неимоверное природное явление и его можно лицезреть в ночное время на территории стран, расположенных как на севере земного шара, так и на его юге. Именно от этого и зависит название сияния — северное или южное.

07_semenkevich_oleg_-_severnoe_siyanie_v_g.apatity_murmanskaya_obl.hibiny._-_2020_-_496816.jpg

Овал, гуляющий по кругу

«Боги подхватили Солнце на Западе и несут его вдоль Северного края Земли, чтобы наутро оно взошло на Востоке. Сияния — это отражение солнечного света от далёких полярных льдов».

Поверье эскимосов Гренландии

1882 год объявили «Международным полярным годом». Одной из тем исследований было северное сияние: учёные из разных стран взялись составить подробное описание его «географии». Они целый год наблюдали за природным явлением по всей Арктике и выяснили, что сияния идут кольцом вокруг Северного полюса, но на сам полюс не заходят.

Следующее важное открытие было сделано в 1957 г., известном как «Международный геофизический год — МГГ». Исследователи систематически фотографировали сияния на полярных станциях от Аляски до Кольского полуострова. Измерив полученные данные, они поняли, что кольцо, на самом деле, было овалом – так появился термин «овал полярных сияний». Фотографии, сделанные из космоса, подтвердили – на Землёй действительно висит светящийся овал и, кстати, не один – второй находится над Антарктидой.

Куда поехать, чтобы увидеть полярное сияние

В России, на первый взгляд, почти безграничные возможности наблюдать северное сияние. Еще бы, полярный круг пересекает полстраны, и грандиозное небесное шоу видно и в Карелии, и на Чукотке.

Но зимой во многие места проблематично добраться, а температура кое-где может опускаться до −45 °C. К тому же перелет в удаленные уголки России может быть баснословно дорогим. Поэтому из Москвы и Петербурга лучше всего ехать на охоту за северным сиянием в Архангельскую или Мурманскую области. Это и удобнее, и дешевле, и погода зимой в этих краях не такая резкая, как, скажем, на Таймыре.

Если хорошие дороги и инфраструктура для вас важнее экономии, отправляйтесь на охоту за полярным сиянием за границу. В Норвегии, Швеции, Финляндии и Исландии любоваться фантастическим явлением природы можно даже из теплого номера комфортного отеля.

Насколько важен кислород

Кислород представляет собой необычное вещество, способное возвращаться в своё основное состояние за доли секунды. Излучение им зелёного цвета длится порядка 2-х минут, после чего он превращается в красный тон. Если возникают столкновения с прочими атомными или молекулярными элементами, происходит поглощение энергии и профилактика светового излучения. В верхних атмосферных слоях содержание кислорода является максимально низким. И подобные ситуации возникают достаточно редко. Учащаются они по мере перемещения вглубь атмосферы.

Содержание

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства (Авроральные течения), называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса (авроральные овалы). Выявлением причин, приводящим к высыпаниям заряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика. Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы солнечного ветра.

В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете.

Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с высотой в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 км, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте

110 км. Кроме того, эти факторы обусловливают и форму полярных сияний — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.

Теории происхождения полярных сияний.

Как упоминалось выше, уже давно было известно, что проявления полярных сияний и возмущения магнитного поля Земли, или магнитные бури, имеют некоторые важные общие характеристики. Поэтому любая теория, предлагаемая для объяснения одного из этих явлений, должна объяснять и другое.

Частота проявления возмущений магнитного поля Земли и полярных сияний с периодом 27 дней и 11-летний цикл указывают на связь этих явлений с солнечной деятельностью, поскольку период вращения Солнца составляет ок. 27 суток, а солнечная активность подвержена колебаниям циклического характера со средним периодом ок. 11 лет. Тот факт, что как полярные сияния, так и возмущения магнитного поля Земли концентрируются в одних и тех же поясах, приводит к выводу, что те и другие вызваны воздействием движущихся с высокой скоростью электрически заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых активными областями на Солнце (вспышками) и проникающих в зоны полярных сияний под воздействием магнитного поля Земли (см. также СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ).

Эта идея была выдвинута Ойгеном Гольдштайном еще в 1881 и получила подтверждение в результате лабораторных экспериментов, впервые проведенных Кристианом Биркеланном. Он поместил внутрь катодной трубки железный шар, названный им «терреллой», который является моделью Земли и представляет собой электромагнит, покрытый оболочкой, фосфоресцирующей под действием катодных лучей. Когда Биркеланн подвергал шар действию катодных лучей, испускаемых непосредственно в камере, они падали на поверхность шара вокруг магнитных полюсов, образуя пояса свечения, подобные поясам полярных сияний.

Позднее математическая разработка этой проблемы была реализована Карлом Фредериком Стёрмером. Она получила известность как теория Биркеланна – Стёрмера, однако содержала в своей основе допущение, что от Солнца исходит поток частиц с одинаковыми электрическими зарядами. Правомерность этого допущения весьма спорна, так как такой поток частиц не мог бы приблизиться к Земле из-за электростатического отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Фредерик А.Линдеман предположил в 1919, что поток заряженных частиц в целом электрически нейтрален, так как состоит из одинакового количества положительных и отрицательных зарядов. Эта идея была развита Сидни Чепменом и Винсентом С.А.Ферраро и несколько модифицирована Дэвидом Ф.Мартином. Тем не менее и эта теория тоже вызывает сомнения. Она предполагает существование вакуума в экзосфере и за пределами атмосферы, однако недавние наблюдения в этих областях пространства указывают на наличие заряженных частиц.

Некоторыми исследователями была выдвинута гипотеза, согласно которой облако солнечного газа (плазмы), которое, вероятно, состоит из электронов и протонов, может приближаться к нашей планете на расстояние около шести земных радиусов от центра Земли. При воздействии плазмы на магнитное поле Земли возникают магнитогидродинамические волны. Эти волны и ускоренные заряженные частицы, движущиеся вдоль геомагнитных силовых линий, вызывают магнитные бури. Ускоренные частицы проникают до высоты ок. 95 км в зоны полярных сияний, образуя плотные ядра ионизации вдоль геомагнитных силовых линий и вызывая электромагнитную эмиссию полярных сияний в результате взаимодействия с основными компонентами верхних слоев атмосферы – кислородом и водородом.

Тороидальная область распространения заряженных частиц, окружающая Землю (т.н. радиационный пояс Ван Аллена), также может играть важную роль, особенно в качестве причины возникновения возмущений геомагнитного поля и связанных с ними полярных сияний. Ультрафиолетовое излучение Солнца, метеоры и ветры в высоких слоях атмосферы рассматривались в качестве возможных причин образования полярных сияний. Тем не менее ни одно из названных явлений не может быть первичной причиной, так как магнитуды их изменений недостаточно велики, чтобы объяснить основные характеристики полярных сияний. Необходимо проводить дальнейшие наблюдения в высоких слоях атмосферы Земли и за ее пределами с применением ракет и искусственных спутников, изучать радиоизлучение, а также рентгеновское излучение Солнца и поведение высокоэнергетических частиц в стратосфере – с помощью метеозондов во время магнитных бурь и при появлении полярных сияний.

Где и когда можно наблюдать явление

Вести наблюдение за полярным сиянием лучше всего с сентября по март. Увидеть зрелище можно и летом, но осенью, зимой солнечные частицы проявляют высокую активность. Свечение охватывает следующие страны: Россия, Исландия, Норвегия, Швеция, Финляндия, Канада, Аляска США. Среди российских городов явление охватывает Мурманск, Хибины, Архангельск, Воркуту, Хатангу. Аналогичное явление наблюдает южный полюс и Антарктида.

Чтобы увидеть полноценное свечение нужно соблюдение условий. Наблюдение следует вести ночью. Хороший вариант – наблюдать во время полярной ночи, которая может долго длиться. Следует выехать за город, ведь городской свет фонарей подавляет свечение в небе. Зимой погода облачная, ранняя весна – лучшее время для наблюдения.