Впервые ответ на вопрос в чем заключается сущность полярного сияния егэ

Северное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы, спровоцированное столкновением заряженных частиц солнечного ветра с атомами газов в верхних частях воздушной оболочки. Его хорошо видно в приполярных широтах. Загадочные полярные огни всегда вызывали интерес не только жителей северных стран, но и многочисленных туристов и ученых, изучающих земную атмосферу, магнитосферу. В статье вы узнаете, что такое северное сияние, какова его природа и в каком районе земного шара его видно лучше всего.

Что нужно знать о природном явлении

Северное (полярное) сияние – это одно из интереснейших и загадочных природных явлений. Только недавно ученым удалось узнать, как же оно появляется. Многоцветные полярные сияния возникают преимущественно в верхних слоях атмосферы вследствие взаимодействия заряженных частиц с магнитным полем Земли.

Подобным природным явлением можно любоваться ночью в высоких широтах обоих полушарий. Оно классифицируется по нескольким признакам.

1. В зависимости от формы выделяют лентообразное, диффузное, лучеобразное свечение.
2. В зависимости от интенсивности «сияния Севера» могут изменяться от едва различимых до ярких, красочных.
3. Сияния могут разделяться по цвету: зеленые, красные, красно-розовые. Чаще всего можно наблюдать именно зеленые свечения. Реже наблюдаются фиолетовые или синие огни. Белое сияние бывает чрезвычайно редко.

Во время полярных сияний нередко слышны характерные щелчки, хлопки и другие звуки. Они имеют природное происхождение.

Как появляется полярное сияние

Северное сияние образуется излучением фотонов в верхних областях земной атмосферы, на высоте 80 км и выше. Под воздействием ионов, протонов, электронов молекулы и атомы газов (главным образом азота и кислорода) переходят в измененное состояние. Когда же атом либо молекула возвращаются в основное состояние, происходит излучение кванта света. Разные атомы дают различный свет при переходе в возбужденное или обычное состояние. Так, кислород светится зеленым или багровым цветом, азот – синим или красным.

Под воздействием ряда факторов ширина свечения может составлять 160 км. Длина же сияния может превышать полторы тысячи километров.

Значение кислорода для образования полярного сияния

Кислород может переходить из возбужденного в основное состояние всего за 0,75 сек. Этот газ излучает зеленый цвет в течение двух минут, после чего оттенок изменяется на красный. При столкновении с другими атомами происходит поглощение энергии, в результате чего свечение прекращается.

В верхних слоях атмосферы количество кислорода меньше, чем у поверхности. Поэтому описанные столкновения редки. Этим объясняется появление красивого красного излучения.

По мере уменьшения высоты плотность воздуха увеличивается. Учащение столкновений между атомами способствует прекращению красного свечения атмосферы. Ближе к поверхности прекращают образовываться и зеленые лучи.

Роль солнечного ветра и магнитного поля

Земля все время взаимодействует с солнечным ветром – потоком электронов и положительно заряженных ионов. Эти частицы испускаются Солнцем во всех направлениях. Скорость их движения – примерно 400 километров в секунду, напряжение магнитного поля – от 2 до 5 нанотесла, а плотность ионов – примерно 5 на кубический сантиметр.

Во время магнитных возмущений потоки заряженных частиц значительно усиливаются. Из-за этого многократно усиливается напряженность межпланетного поля.

Под влиянием заряженных частиц и магнитного поля Земли формируется земная магнитосфера. Она отклоняет эти потоки примерно на 70 тыс. км. Ширина магнитосферы составляет около 190 тыс. км. На ночной стороне шлейф распространяется на большее расстояние, превышающее 200 земных радиусов (более 1,2 млн км).

Плазменный поток в магнитосфере увеличивается с ростом плотности и турбулентности солнечного ветра. Магнитосферные потоки плазмы сталкиваются с магнитным полем нашей планеты перпендикулярно. Отдельные плазменные потоки движутся вдоль линий магнитного поля и постепенно теряют энергию. Это и способствует свечению атмосферы.

Влияние активности Солнца

Связь между северным сиянием и активностью Солнца была замечена еще в 80-х гг. 19 века. Дальнейшие исследования показали, что заряженные частицы солнечного ветра перехватываются земной магнитосферой, сталкиваются с молекулами газов.

Температура солнечной короны достигает нескольких миллионов градусов. При этом происходят разнообразные столкновения между ионами. Свободные заряженные частицы на большой скорости вырываются из атмосферы Солнца и улетучиваются. В пространстве около Земли эти частицы отклоняются магнитным полем.

Земное магнитное поле наиболее слабо на полюсах и в околополярной зоне. Из-за этого заряженные частицы проникают в атмосферу и сталкиваются именно в высоких широтах. Столкновения способствуют образованию квантов света, которые мы и видим, как полярное сияние.

Виды северного сияния

Для оценки типа свечений ученые чаще всего пользуются терминами «диффузное» и «точечное» сияние.

Диффузное

Это «спокойное» сияние без четких границ, в виде пятен или вуали. Светящиеся элементы могут быть похожи на освещенные лунным светом облака. Иногда рассеянный свет может занимать большую часть неба. В отдельных случаях ночных огней может быть не видно.

Точечное сияние

Точечные сияния отличаются по яркости – от едва заметных до ярких. Такие авроры можно видеть только в условиях глубокой ночи.

Наиболее подходящее время и место для наблюдения за полярным сиянием

Полярные сияния видны и в Северном, и в Южном полушарии, в виде овала неправильной формы. Его центр располагается над магнитным полюсом. Интересно, что полярные огни на Южном полюсе являются зеркальным отображением такого же явления на Северном. Зоны, благоприятствующие максимальной видимости полярных сияний, называются авроральными овалами. Они расположены между 67 – 70 градусами широты. В период максимума солнечной активности овал на севере и юге значительно расширяется, и атмосферное свечение видно на более низких широтах – вплоть до 45 градусов и даже ниже.

Полярное сияние в Антарктиде видно точно так же, как и в Арктике.

Наиболее удобное место для наблюдений за северными сияниями – это области земного шара, находящиеся севернее или южнее соответствующих полярных кругов. Также северное полярное сияние доступно наблюдателям южной части Гренландии. Южное сияние видно вокруг Антарктиды.

Указанное природное явление является циклическим. Его интенсивность совпадает с циклом активности Солнца. Самая высокая вероятность увидеть свечение атмосферы зимой. Этому способствует короткий световой день и длинные ночи. Лучшая видимость сияний – около полуночи.

Полярное сияние бывает в любой сезон. Его появление зависит от интенсивности солнечных бурь.

В каких странах наблюдают северное сияние

Северное сияние видимо в:

• США (штат Аляска);
• Канаде;
• Норвегии (наиболее отчетливо – на острове Шпицберген);
• Швеции;
• Шотландии (весной);
• Финляндии;
• России;
• Исландии.

Самые большие российские города, где можно регулярно наблюдать полярные сияния – это Мурманск и Норильск.

Звуки, генерируемые сияниями

Иногда полярное сияние может генерировать звуки, похожие на хлопки, треск. В течение продолжительного времени ученые ставили под сомнение реалистичность таких звуков: их было трудно зафиксировать и описать с точки зрения науки. Тем не менее, финским исследователям удалось записать звуки, издаваемые северными сияниями.

Астрономы также утверждают, что звуки образуются на высоте примерно 70 метров над поверхностью Земли. Они формируются в результате взаимодействия ионов и электронов с атомами атмосферных газов.

Астрономы, работающие в Университете Аляски и изучающие полярные сияния, отмечают, что звуки от полярных сияний чрезвычайно редки. Очень малому количеству людей когда-либо удавалось их услышать. Такие звуки могут появляться только в годы наиболее высокой солнечной активности. Для наблюдения за ними нужно, чтобы ночь была ясной и безветренной, а вблизи не было бы источников шума.

Как часто происходит северное сияние

Весной и осенью сияния наблюдаются гораздо чаще, чем зимой и летом. Самая высокая частота этого явления – в периоды весеннего или осеннего равноденствия. Сияние севера появляется на небе с нерегулярной частотой.

Примерно раз в 11 лет частота возникновения атмосферного свечения резко возрастает. Это связано с пиком активности Солнца. ­

Что влияет на яркость и оттенки северного сияния

Цвет атмосферного свечения зависит от молекул газа, сталкивающихся с частицами солнечного ветра.

1. Зеленый цвет возникает в результате излучения атомарного кислорода на высоте от 80 до 150 км, реже – молекул азота.
2. Красный цвет – это результат излучения молекул азота, атомов кислорода на высотах от 150 до 400 км, и в незначительной степени – атомов водорода.
3. Желтый оттенок появляется в результате процесса ионизации кислорода, а также комбинации красного и зеленого свечения.
4. Синий цвет является результатом излучения атомов азота на высотах от 140 до 160 км. Это явление встречается сравнительно редко.
5. Фиолетовый цвет возникает как следствие излучение молекул азота на высотах менее 120 км.
6. Розовый оттенок появляется от смешивания красного и зеленого цветов.

Интенсивность свечения зависит от активности Солнца. Она оценивается по следующей шкале.

1. 1 балл имеет свечение, приближенное по яркости к Млечному пути.
2. 2 балла – это свет, исходящий от Луны, закрытой перистыми облаками.
3. 3 балла – это свечение, похожее по яркости на свет Луны, скрытой кучевыми облаками.
4. Наивысшая яркость равна свету полной Луны, видимой в ясную ночь.

Искусственные северные сияния

После экспериментов Министерства обороны США с ядерными взрывами в конце 1950-х гг. появилось свечение атмосферы, похожее на полярное. Эти испытания проводились с целью изучения магнитного поля Земли.

Свечение в виде дуги малинового цвета было замечено в начале августа 1958 г. на Гавайях и в акватории о. Апиа после ядерных взрывов на высоте 400 км над поверхностью Земли. Подобное явление было замечено в начале осени того же года в Атлантическом океане после ядерных взрывов, проведенных в ходе операции «Аргус». Взрывы прогремели на высоте сотен километров над поверхностью Земли. Тогда же свечение красного цвета было замечено на Азорских островах.

Проведенные эксперименты показывают, что ядерные взрывы, произведенные на высоте нескольких десятков километров над земной поверхностью, приводили к возмущениям в магнитном поле и вызывали поток заряженных частиц. Искусственные полярные сияния провоцировались потоками электронов, которые образовывались в момент атомного взрыва после бета-распада.

Электроны, двигаясь по касательной к земному магнитному полю, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, вызывали свечение в верхних атмосферных слоях. Этот механизм дал ученым понять, как образуются полярные сияния.

Свечение верхних атмосферных слоев может быть вызвано выбросами натрия и калия из ракетных двигателей. Это – искусственное сияние, в отличие от полярного сияния такого же происхождения.

История изучения

Долгое время ученые не могли узнать, почему возникает северное сияние. Одним из первых в истории наблюдения за полярным сиянием документировались Джеймсом Куком. Тогда же ученые узнали, что красочное явление природы может наблюдаться на двух полюсах одновременно.

В то время высказывались такие гипотезы относительно появления северного сияния:

• небесное свечение возникает в результате гниения рыбы, которая выбрасывалась на побережье из морских глубин;
• северное сияние появляется, если некая «зодиакальная материя» проникает в верхние слои атмосферы.

Наиболее правдивую гипотезу предложил английский астроном Эдмунд Галлей. Он предполагал, что свечение атмосферы вызывает некая «магнитная жидкость».

Первым, кто смог научно объяснить происхождение полярного сияния, был выдающийся русский ученый Михаил Ломоносов. Путем научных экспериментов в лаборатории он воссоздал те процессы, которые происходят в атмосфере. Ученый выкачал из стеклянного шара воздух и пропускал через него разряды электричества. В нем возникали огни, которые напоминали те, которые появляются на небе. Также ученому удалось доказать, что каждый вид газа дает сияние разного цвета.

Эта теория находила дальнейшее развитие, и ученые вскоре установили, что сияние Cевера имеет электрическую природу. Также была установлена связь между частотой этого природного явления и магнитными бурями.

Благодаря развитию современной физики и космических технологий, было дано наиболее точное определение рассматриваемого явления природы.

Северное сияние: легенды и мифы

Не зная, что такое полярное сияние, разные народы издавна приписывали ему мистическое, сверхъестественное происхождение. К примеру, некоторые народы, проживающие на территории Крайнего Севера, и до сегодняшнего дня верят в то, что это так радуются боги. Некоторые же наоборот, считали, что северное сияние – это предвестник беды.

В норвежской мифологии присутствуют повествования о том, что существует некий радужный мост, по которому боги сходят на землю. В определенный период времени он становится видимым для людей. Другие мифы рассказывают о том, что сияние исходит из рук валькирий. От их доспехов образуются самые причудливые линии и узоры.

Древняя финская мифология рассказывает о реке Ружу. Когда она горит, на небе появляется причудливое сияние. Оно разделяет мир живых и мертвых. Существуют легенды, в которых полярные огни называются «лисьими». Они рассказывают о лисе, которая взмахом хвоста разметала в небесах звездную пыль и поднимала яркие вспышки света.

Эскимосы и до сегодняшнего дня верят, что полярное сияние можно вызвать. Для этого следует всего лишь посвистеть. «Убрать» же небесный огонь можно хлопком в ладоши.

Эскимосы Аляски опасались появления сияния, так как оно, по их мнению, приносит только одни беды и несчастья. Перед тем, как выйти на улицу, следовало взять с собой оружие. Если же долго наблюдать за свечением, то можно вызвать помешательство и даже душевную болезнь. Северные жители верили в то, что во время сияний души умерших предков открывают окна своих жилищ в поисках новых жителей.

Полярное сияние – это интереснейшее явление в природе, завораживающее своей невероятной красотой. Это единственное заметное для невооруженного глаза действие солнечной радиации на земную атмосферу и на околоземное пространство. Исследования полярных сияний помогут поглубже узнать особенности магнитосферы Земли, будущее магнитных полюсов и узнать, как будут в будущем изменяться силовые линии земного магнитного поля.

Полярное сияние  — одно из самых красивых явлений в природе. Формы полярного сияния очень разнообразны: то это своеобразные светлые столбы, то изумрудно-зелёные с красной бахромой пылающие длинные ленты, расходящиеся многочисленные лучи-стрелы, а то и просто бесформенные светлые, иногда цветные пятна на небе.

Причудливый свет на небе сверкает, как пламя, охватывая порой больше чем полнеба. Эта фантастическая игра природных сил длится несколько часов, то угасая, то разгораясь.

Полярные сияния чаще всего наблюдаются в приполярных регионах, откуда и происходит это название. Полярные сияния могут быть видны не только на далёком Севере, но и южнее. Например, в 1938 году полярное сияние наблюдалось на южном берегу Крыма, что объясняется увеличением мощности возбудителя свечения  — солнечного ветра.

Начало изучению полярных сияний положил великий русский учёный М. В. Ломоносов, высказавший гипотезу о том, что причиной этого явления служат электрические разряды в разреженном воздухе.

Опыты подтвердили научное предположение учёного.

Полярные сияния  — это электрическое свечение верхних очень разреженных слоёв атмосферы на высоте (обычно) от 80 до 1000 км. Свечение это происходит под влиянием быстро движущихся электрически заряженных частиц (электронов и протонов), приходящих от Солнца. Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли приводит к повышенной концентрации заряженных частиц в зонах, окружающих геомагнитные полюса Земли. Именно в этих зонах и наблюдается наибольшая активность полярных сияний.

Столкновения быстрых электронов и протонов с атомами кислорода и азота приводят атомы в возбуждённое состояние. Выделяя избыток энергии, атомы кислорода дают яркое излучение в зелёной и красной областях спектра, молекулы азота  — в фиолетовой. Сочетание всех этих излучений и придаёт полярным сияниям красивую, часто меняющуюся окраску. Такие процессы могут происходить только в верхних слоях атмосферы, потому что, во-первых, в нижних плотных слоях столкновения атомов и молекул воздуха друг с другом сразу отнимают у них энергию, получаемую от солнечных частиц, а во-вторых, сами космические частицы не могут проникнуть глубоко в земную атмосферу.

Полярные сияния происходят чаще и бывают ярче в годы максимума солнечной активности, а также в дни появления на Солнце мощных вспышек и других форм усиления солнечной активности, так как с её повышением усиливается интенсивность солнечного ветра, который является причиной возникновения полярных сияний.

• Формы полярных сияний.
• Высотное и широтное распространение.
• Активность полярных сияний и связанные с ними явления.
• Интенсивность свечения и цвет.
• Теории происхождения полярных сияний.
• Искусственные «полярные сияния».

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ, поразительное явление свечения, наблюдаемое на небе, чаще всего в полярных областях. В Северном полушарии его называют также северным сиянием, а в высоких широтах Южного полушария – южным. Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний – предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории.

Явление свечения, до некоторой степени близкое полярным сияниям, называемое «свечением ночного неба», можно наблюдать при помощи специальных приборов на любой широте.

Формы полярных сияний.

В последние годы полярные сияния наблюдались визуально и фотографировались, в частности с применением прибора нового типа, называемого «аппаратом кругового обзора». Полярные сияния имеют весьма разнообразные формы, включая проблески, пятна, однородные дуги и полосы, пульсирующие дуги и поверхности, всполохи, лучи, лучистые дуги, драпри и короны. Свечение, как правило, начинается в виде сплошной дуги, которая является одной из самых обычных форм и не имеет лучистой структуры. Яркость может быть довольно постоянной во времени или же пульсировать с периодом менее минуты. Если яркость сияния увеличивается, однородная форма часто распадается на лучи, лучистые дуги, драпри или короны, в которых лучи как бы сходятся к вершине. Всполохи в форме быстро движущиеся вверх волн света часто венчаются короной.

Высотное и широтное распространение.

Расчеты, выполненные на основе множества фотонаблюдений на Аляске, в Канаде и особенно в Норвегии, показывают, что ок. 94% полярных сияний приурочено к высотам от 90 до 130 км над земной поверхностью, хотя для разных форм полярных сияний характерно свое собственное высотное положение. Максимальная до сих пор зарегистрированная высота появления полярного сияния – ок. 1130 км, минимальная – 60 км.

Герман Фриц и Гарри Вестайн на основе большого числа наблюдений в Арктике установили географические закономерности встречаемости полярных сияний, охарактеризовали их относительную частоту в каждой конкретной точке как среднее за год количество суток их появления. Линии равной частоты возникновения полярных сияний (изохазмы) имеют форму несколько деформированных окружностей с центром, примерно совпадающим с Северным магнитным полюсом Земли, находящимся в районе Туле в северной Гренландии (см. рис.). Изохазма максимальных частот проходит через Аляску, Большое Медвежье озеро, пересекает Гудзонов залив, южную часть Гренландии и Исландию, север Норвегии и Сибири. Аналогичная изохазма максимальных частот полярных сияний для Антарктического региона была выявлена во время исследований, проводившихся в рамках Международного геофизического года (МГГ, июль 1957 – декабрь 1958). Эти пояса максимальной частоты полярных сияний, представляющие собой почти правильные кольца, называются северной и южной зонами полярных сияний. Наблюдения во время МГГ подтвердили, что полярные сияния появляются почти одновременно в обеих зонах. Некоторые исследователи высказывали предположение о существовании спиралевидной или двойной кольцевой зоны полярных сияний, не получившее, однако, подтверждения. Полярные сияния могут проявляться и вне упомянутых зон (см. ниже). Исторические материалы свидетельствуют о том, что полярные сияния иногда отмечались даже на весьма низких широтах, например, на п-ове Индостан.
См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ.

Активность полярных сияний и связанные с ними явления.

Полярные сияния исследуются с помощью радиолокаторов. Радиоволны с частотами от 10 до 100 МГц при определенных условиях отражаются областями ионизации, которые возникают в высоких слоях атмосферы под воздействием полярных сияний. При использовании высокочастотных радиосигналов и антенн дальнего действия можно получать отраженные волны на частотах до 800 МГц. Радиолокационным методом ионизация обнаруживается даже днем при солнечном освещении, а также фиксируются очень быстрые перемещения полярных сияний. Результаты фото- и радиолокационных наблюдений свидетельствуют, что активность полярных сияний подвержена как суточным, так и сезонным изменениям. Максимальная активность в течение суток отмечается ок. 23 ч, сезонный же пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним временные интервалы (март – апрель и сентябрь – октябрь). Эти пики активности полярных сияний повторяются через относительно правильные промежутки, а продолжительность основных циклов составляет примерно 27 дней и ок. 11 лет. Все эти цифры показывают, что существует корреляция между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли, поскольку пики их активности совпадают, т.е. полярные сияния обычно возникают в периоды высокой активности магнитного поля, которые называются «возмущениями» и «магнитными бурями». Именно во время сильных магнитных бурь полярные сияния прослеживаются в более низких, чем обычно, широтах.

Пульсирующие полярные сияния обычно сопровождаются пульсациями магнитного поля и очень редко – слабыми свистящими звуками. Они, по-видимому, также генерируют радиоволны с частотой 3000 МГц. Ионосферные наблюдения в радиоволновом диапазоне показывают, что на высотах 80–150 км во время полярных сияний повышается ионизация. Наблюдения, проводимые при помощи геофизических ракет, указывают, что плотные ядра повышенной ионизации вдоль силовых линий магнитного поля связаны с полярными сияниями, а при интенсивных полярных сияниях температура верхних слоев атмосферы возрастает.

Интенсивность свечения и цвет.

Интенсивность свечения полярных сияний обычно оценивается визуально и выражается в баллах по принятой международной шкале. Слабые полярные сияния, по интенсивности свечения приблизительно соответствующие Млечному Пути, оцениваются в I балл. Полярные сияния с интенсивностью, аналогичной лунной совещенности тонких перистых облаков – в II балла, а кучевых облаков – в III балла, свету полной Луны – в IV балла. Так, например, интенсивность в III балла, исходящая от дуги полярного сияния, соответствует свету нескольких микросвечей на 1 кв. см. Объективным методом определения интенсивности свечения полярного сияния является измерение суммарной освещенности с помощью фотоэлементов. Установлено, что соотношение интенсивности самых ярких к самым слабым полярным сияниям составляет 1000:1.

Полярные сияния интенсивностью свечения в I, II и III (близ нижней границы) балла не кажутся разноцветными, так как интенсивность отдельных цветов в них ниже порога восприятия. Полярные сияния с интенсивностью свечения в IV и III (у верхней границы) балла кажутся цветными, как правило желтовато-зелеными, иногда – фиолетовыми и красными. С тех пор как в 1867 Андерс Ангстрем впервые направил спектроскоп на полярные сияния, в них было обнаружено и исследовано большое число спектральных линий и полос. Основная часть излучения испускается азотом и кислородом, главными компонентами высоких слоев атмосферы. Атомарный кислород обычно придает полярным сияниям желтоватые тона, иногда окраска вообще отсутствует, в спектре появляется зеленая линия с длиной волны 5577 Å, а также бывают красные лучистые полярные сияния с длиной волны 6300 Å (тип А). Сильное излучение молекулярного азота на волнах 4278 Å и 3914 Å наблюдается в красных и фиолетовых полярных сияниях в нижней части дуг или драпри (тип В). В некоторых формах полярных сияний обнаружено излучение водорода, что важно для понимания природы полярных сияний, так как эта эмиссия указывает на поступление потока протонов.
См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.

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.

Искусственные «полярные сияния».

Свечения, подобные полярным сияниям, возникали в результате ядерных взрывов в высоких слоях атмосферы, проводившихся министерством обороны США во время МГГ. Эти эксперименты были важны для изучения радиационного пояса Ван Аллена и природы естественных полярных сияний. Такого рода сияния наблюдались в районе островов Мауи (Гавайские о-ва) и Апиа (о-ва Самоа) вскоре после ядерных взрывов «Тик» и «Ориндж», которые проводились на высотах ок. 70 и 40 км над атоллом Джонстон в центральной части Тихого океана 1 и 12 августа 1958. Свечение, видимое над Апиа 1 августа, состояло из дуги малинового цвета и лучей, которые сначала были фиолетовыми, затем красными и постепенно переходили в зеленые. Другие искусственно вызванные сияния, связанные со взрывами «Аргус I, II и III», проведенными на высоте ок. 480 км 27 и 30 августа и 6 сентября 1958, наблюдались в районе взрывов в южной части Атлантического океана. Цвет их был красным с примесью желтовато-зеленого. Во время взрыва «Аргус III» красное искусственное сияние наблюдалось также около Азорских о-вов, на противоположном от места взрыва конце соответствующих силовых линий магнитного поля Земли (т.е. на территории, геомагнитно сопряженной с данной).

Эти наблюдения ясно показывают, что искусственные сияния в районе взрыва и на геомагнитно сопряженной с ним территории были вызваны такими высокоэнергетическими частицами, как электроны, образовавшиеся в результате b-распада при ядерном взрыве. Иными словами, частицы с высокой энергией, образовавшиеся в результате взрыва, двигались вдоль силовых линий геомагнитного поля, формируя искусственные радиационные пояса Ван Аллена, и привели к образованию «полярных сияний» на обоих концах силовых линий. Судя по высоте появления и цветовой гамме этих сияний, можно предположить, что причиной их возникновения является возбуждение атмосферного кислорода и азота в результате соударений с заряженными частицами, обладающими высокой энергией, что имеет большое сходство с механизмом образования естественных полярных сияний.

С упомянутыми взрывами в высоких слоях атмосферы, особенно с экспериментами «Тик» и «Ориндж», были связаны также существенные возмущения магнитного поля Земли и ионосферы. Таким образом, в результате проведенных экспериментов была получена важная информация о естественных полярных сияниях и связанных с ними явлениях.

Существует еще один антропогенный феномен свечения высоких слоев атмосферы, обусловленный выбросами ракетами газообразного натрия или калия. Это явление можно назвать искусственным свечением в отличие от искусственного полярного сияния, так как его причины близки к тем, которые вызывают естественное свечение воздуха.