Kvant. Полярные сияния
Кикоин А. К. Полярные сияния //Квант. — 1989. — № 5. — С. 58-60.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Так называют разноцветные, кажущиеся призрачными «огни», которые можно наблюдать на крайнем севере — в районах, прилегающих к Арктике, и на крайнем юге — в Антарктике.
Северные сияния (в литературе чаще встречается именно это название) известны очень давно. О них упоминали античные авторы, несколько описаний северного сияния сделали средневековые летописцы. Северное сияние, наблюдавшееся в Англии в 1716 году, было описано Галлеем. Ломоносов, проведший детство и юность на севере и часто наблюдавший северные сияния (русские поморы называли их сполохами, позорями), одним из первых высказал предположение об электрической природе этого явления.
Что видит наблюдатель?
Полярные сияния (и северные, и южные) отличаются большим разнообразием. Это могут быть однородные зелено-желтые полосы или дуги с резкой нижней границей и размытой верхней. Высота нижней границы обычно около 100 км, верхней — около 1000 км. Это могут быть дуги или полосы, составленные из своеобразных лучей, перпендикулярных земной поверхности. Можно увидеть и пульсирующие полосы или дуги. Сильное впечатление производят так называемые пылающие полярные сияния, имеющие вид движущихся вверх светящихся волн. Это напоминает картину угасающего огня, раздуваемого порывистым ветром.
Зеленый цвет с примесью желтого — это преобладающие цвета. Значительную роль играет также красный цвет, в меньшей степени — голубой и фиолетовый.
Где видны полярные сияния?
Полярные сияния, в частности северные, можно наблюдать не только вблизи полюса. Их можно увидеть и на Черноморском побережье, и даже в Риме. Но по мере приближения к полюсам частота полярных сияний резко увеличивается.
Многолетние наблюдения позволили нанести на карту линии, соединяющие места с одинаковой частотой полярных сияний (такие линии называются изохазмами). По ним видно, например, что на побережье Черного моря сияния можно наблюдать один раз (одну ночь) за 10 лет, на севере Англии или на Кольском полуострове — 100 ночей в году, а на большей части побережья Северного Ледовитого океана — практически каждую ночь. Мы здесь выражаем частоту полярных сияний числом ночей в год. Это не значит, что полярные сияния наблюдаются только ночью. Они возникают и в дневное время, но на фоне светлого неба сравнительно слабое свечение полярных сияний наблюдать много труднее.
Как и почему возникают полярные сияния?
Ломоносов не напрасно приписывал полярным сияниям электрическую природу. Но, как теперь выяснилось, в сложных процессах, приводящих к полярным сияниям, не менее важную роль играют и магнитные явления. И это не случайно.
Земной шар — это гигантский природный магнит, и поэтому наша Земля окружена магнитным полем. Оно, это поле, похоже на магнитное поле, созданное намагниченным стержнем или соленоидом, по которому течет постоянный ток. На рисунке 1 показана картина линий индукции магнитного поля Земли. Изображенного на рисунке соленоида и питающего его источника тока внутри Земли, конечно, нет, но электрические токи, «виновники» магнитного поля Земли, в ней действительно существуют (в жидкой части ядра Земли). Из рисунка видно, что северный и южный магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, а отклонены от них примерно на 11°. Магнитное поле Земли простирается до расстояния примерно в три земных радиуса (от ее центра). Значение магнитной индукции поля невелико — всего около 5•10-5 Тл.
Вторым, не менее важным «действующим лицом» в рассматриваемом нами процессе является Солнце. Кроме видимого и невидимого света, Солнце (его корона) постоянно испускает еще и плазму, состоящую из быстрых протонов и электронов. Такой поток частиц — солнечный ветер — «дует» и на Землю.
Этих двух фактов достаточно для того, чтобы понять явление полярных сияний.
Солнечный ветер и магнитное поле Земли.
Магнитное поле Земли неоднородное: у полюсов значение магнитной индукции почти вдвое больше, чем у экватора. Неоднородность поля делает его, как теперь хорошо известно, своеобразной ловушкой для попадающих в него заряженных частиц. Попав в такое поле, частица движется вдоль линий индукции (по спирали, охватывающей их), пока она не дойдет до места, где линии индукции сгущаются, т. е. до района магнитного полюса. Здесь частица как бы отражается, движется к другому полюсу, чтобы в свою очередь отразиться и от него. Частицы оказываются запертыми, как говорят, в магнитной «бутылке» с двумя «пробками», роль которых играют места сгущения линий индукции поля у полюсов. Земля оказывается окруженной так называемым радиационным поясом, охватывающим ее со всех сторон, кроме приполярных областей (это схематически показано на рисунке 2). Радиационный пояс условно разделяют на две части — внутренний пояс (А) и внешний (В). Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, а его «толщина» — несколько тыс. км. Внешний пояс находится на высоте 10—15 тыс. км.
Любопытно, что радиационный пояс Земли к полярным сияниям имеет самое прямое отношение. Дело в том, что особые свойства плазмы (радиационный пояс заполнен плазмой) и некоторые происходящие в ней процессы приводят к тому, что магнитные «пробки» оказываются не вполне плотными, и какое-то число частиц «вываливается» из «бутылки». А затем происходит следующее. Быстрые заряженные частицы, «высыпавшиеся» из «бутылки», сталкиваются с атомами или молекулами воздуха (азота, кислорода) и возбуждают их, т. е. переводят их в состояние с большей энергией. Вслед затем молекулы (атомы) возвращаются в исходные состояния, избавляясь от избыточной энергии излучением соответствующих порций (квантов) света. Это и есть свет полярных сияний.
Анализ состава (спектра) этого света показал, что зеленый свет (и частично красный) возникает при возбуждении атомов кислорода. Красное, темно-красное, слабое голубое и фиолетовое излучения связаны с возбуждением молекул азота. Может показаться странным, что мы говорим здесь об атомах, а не о молекулах, кислорода. Но оказывается, что в высоких слоях атмосферы молекулы кислорода под действием ультрафиолетовых лучей Солнца расщепляются на атомы.
Полярные сияния интенсивно изучаются и в лабораториях на Земле, и с помощью искусственных спутников Земли в космосе. Эти исследования дают важные сведения о магнитном поле Земли, о различных физических процессах в околоземном космическом пространстве.
