Ю. Г. Мизун
Полярные сияния
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Ответственный редактор
доктор физико-математических наук М. И. Пудовкин
Утверждено к печати Редколлегией научно-популярной литературы Академии наук СССР
Полярные сияния представляют собой одно из самых впечатляющих, грандиозных и красивых явлений природы. Человек невооруженным глазом может наблюдать взаимодействие потоков заряженных частиц, приходящих от Солнца, с атмосферой Земли на высотах 100—1000 км, в результате которого и происходит свечение основных газов атмосферы — кислорода, азота, водорода.
За последние десятилетия исследователи околоземного космического пространства получили в свое распоряжение мощный исследовательский инструмент — искусственные спутники Земли (ИСЗ) и геофизические ракеты. Это позволило получить огромный экспериментальный материал об излучении Солнца, строении магнитосферы Земли, условиях в высоких слоях земной атмосферы. Этот материал позволил существенно продвинуться в понимании характера солнечно-земных связей и природы полярных сияний.
В данной книге в доступной неспециалистам форме рассказывается о магнитосфере Земли, солнечном излучении, верхней атмосфере Земли и, главное, о полярных сияниях. Прослеживается взаимосвязь процессов в околоземном космическом пространстве, а также их связь с процессами на Солнце и в межпланетной среде.
Под давлением экспериментальных данных таинственность и загадочность полярных сияний постепенно отступает. Но интерес к ним остается. Более того, кажется, что в настоящее время мы нащупали только контуры предмета (хотя, конечно, успехи в изучении полярных сияний на сегодняшний день очень велики), а проработка всех тонкостей и деталей впереди.
Человек не мог не заметить полярные сияния, когда они появлялись на небе. Поэтому можно уверенно сказать, что полярные сияния он обнаружил с самой глубокой древности. Полярные сияния в средних и низких широтах наблюдаются очень редко (только при чрезвычайно сильных возмущениях на Солнце, в периоды максимальной его активности).
Письменные упоминания о полярных сияниях встречаются у Аристотеля, Плиния, Сенеки и других греческих и римских философов, живших на берегах Средиземного моря.
В средние века полярные сияния считались предвестниками войн, голода, эпидемий, других больших катастроф. Запомнилось, что как перед падением Иерусалима, так и перед смертью Юлия Цезаря наблюдались вспышки полярных сияний. Все это считалось проявлением гнева богов или другого знамения. В это время в полярных сияниях видели нечто сверхъестественное. Иногда их изображали даже в виде целых армий, вооруженных пиками и сражающихся насмерть.
Население тех мест, где часто наблюдались полярные сияния, т. е. в северных широтах, имело более реалистическое представление об этом явлении. Кое-кто даже пытался естественным путем объяснить происхождение полярных сияний, считая их солнечными лучами, накопившимися в толще льда в течение дня и излучаемыми ночью, или отражением солнечного света от северных морей.
На Руси полярные сияния называли пазорями или сполохами. Слово «пазори» означает «зореподобные», а «сполохи» родственно слову «полошить», т. е. бить в набат. Во время полярных сияний действительно часто приходилось бить в набат. Это отмечалось и в других странах. Так, по свидетельству Сенеки, в 37 г. н. э. «пожар на небе» был таким красным, что люди решили: «горит вся колония Остия». На помощь ее населению император Тиберий послал даже своих солдат.
Подобные случаи имели место и в более позднее время. Так, 25 января 1938 г., когда солнечная активность была максимальной и полярные сияния достигали Европы, пожарные команды некоторых городов Европы направились к громадному зареву в северной части горизонта.
Говоря об истории полярных сияний, нельзя не упомянуть Антония де Уллоа, который во время своего путешествия вокруг мыса Горн в 1745 г. много раз видел полярные сияния в южном полушарии. Кук также наблюдал полярные сияния в южном полушарии, которые совпали по времени с полярными сияниями в северном полушарии (в Европе). Это первые данные о том, что полярные сияния наблюдаются одновременно в обоих полушариях.
Объяснений причины полярного сияния было предложено очень много. Были среди них и очень наивные (вроде того, что это свечение гнилой рыбы, выброшенной на берег разбушевавшимся северным морем), и весьма прозорливые. Так, француз Ж.-Д. Мейран в середине XVIII в. предполагал, что сияния возникают тогда, когда «материя зодиакального света» попадает в атмосферу, а Э. Галлей считал, что появление полярных сияний связано со «светящейся магнитной жидкостью». Последнее предположение очень близко к истине.
М. В. Ломоносов также серьезно интересовался проблемой полярных сияний. Он писал: «Весьма вероятно, что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезновения, движения, цвету и виду, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются». Подобного мнения были Ж. Кэнтон в Англии и Б. Франклин в Америке.
Полярное сияние — самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Невооруженным глазом видно свечение атмосферы на высотах в сотни и на удалениях в тысячи километров. Свечение настолько разноцветно и динамично, что производит впечатление чего-то живого, движущегося, дышащего. Даже после 20 лет наблюдения полярных сияний это впечатление не пропадает. Привыкнуть к картине полярных сияний невозможно, каждый раз оно воспринимается как что-то новое, иное, чем вчера, более завлекающее. Недаром считают, что полярные сияния принадлежат к наиболее красивым явлениям природы.
Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является и единственным проявлением воздействия солнечной корпускулярной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое на больших пространствах можно видеть невооруженным глазом.
Полярное сияние — это свечение земной атмосферы под действием потоков электронов и протонов, которые вторгаются в верхнюю атмосферу. Первоисточником этих заряженных частиц является Солнце. Солнечные корпускулярные потоки, подходя к Земле, обтекают ее, поскольку Земля экранирована от заряженных частиц своим магнитным полем — магнитосферой. Однако конфигурация магнитосферы такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а затем, трансформируясь, и в верхнюю атмосферу. Здесь под действием электронов и протонов происходит ионизация нейтральных атмосферных газов (кислорода и азота), а также возбуждение их атомов и молекул. Это и является причиной свечения атомов и молекул кислорода, азота, водорода и других атмосферных газов.
Полярные сияния, которые вызываются электронами, по своим свойствам отличаются от сияний, вызываемых протонами. Если измерить характеристики излучения (длину волны, интенсивность), то можно сделать заключение о том, какие атомы или молекулы излучили эти волны, а также какими заряженными частицами (с какими энергиями) было вызвано возбуждение излучающих атомов и молекул.
Полярные сияния отличаются по форме, цвету (т. е. длине волны излучения), интенсивности свечения, высоте над поверхностью Земли и другим характеристикам. Дело в том, что они зависят от многих изменчивых факторов. Ото прежде всего потоки заряженных частиц — электронов и протонов, которые зависят от солнечной активности, широты и долготы данного места, времени суток, сезона и др. Потоки заряженных частиц характеризуются энергией, энергетическим спектром и интенсивностью. Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то важным представляется и распределение скоростей заряженных частиц относительно направления магнитной спловой линии. Это так называемое распределение заряженных частиц по питч-углам (это угол между направлением скорости частицы и направлением магнитной силовой линии). От характеристик потоков заряженных частиц, и прежде всего от конфигурации магнитосферы, зависит, в какие области земной атмосферы эти частицы смогут вторгаться. Другими словами, в каких местах на земной поверхности будут наблюдаться полярные сияния.
Это один из основных вопросов, касающихся полярных сияний, и мы его рассмотрим весьма подробно. Здесь только укажем, что имеются две области в земной атмосфере, куда эти частицы проникают наиболее часто. Эти области представляют собой два овала (в северном и южном полушариях), удаленные от геомагнитных полюсов ночью приблизительно на 20°, а днем на 10°. Протяженность этих овальных областей по широте составляет всего несколько градусов (т. е. несколько сот километров). В областях, окруженных этими овалами, т. е. в полярных шапках, полярные сияния наблюдаются реже, чем в овалах полярных сияний, а в периоды сильных возмущений, когда сияния в овалах наиболее интенсивны, в полярных шапках они исчезают вовсе.
