Полярные сияния на Кольском полуострове

Одним из самых интересных явлений природы на Кольском полуострове является полярное сияние. Это своеобразное свечение верхних слоев атмосферы хорошо видно в темное время невооруженным глазом.

Исследование природы полярных сияний — очень заманчивая проблема для многих отраслей науки. Быстрое движение, изменение цвета и яркости придают таинственность этому прекрасному оптическому явлению, этому грандиозному зрелищу.

Полярные сияния обычно возникают в полярных областях, однако в периоды магнитных бурь в годы высокой солнечной деятельности интенсивные сияния наблюдаются в средних и даже низких широтах.

Во время мировой магнитной бури 4 февраля 1872 года сияние охватило настолько большое пространство, что его видели жители почти всего земного шара. Границы сияния доходили до 20° северной и южной широт. Этот факт говорит о том, что полярные сияния тесно связаны с другим природным явлением — магнитными бурями (т. е. интенсивными возмущениями магнитного поля Земли), зарождающимися в верхних слоях земной атмосферы.

Полярные сияния могут возникать в любое время суток, однако из-за большой яркости неба в дневные часы сияние невозможно увидеть простым глазом.

Дневные сияния можно обнаружить радиометодами (с помощью радиолокаторов): радиоволны, отражаясь от ионизированных слоев в области свечения, рисуют его картину. Но в дневное время сияний возникает мало. Максимум их падает на вечернее и ночное время. Много ученых разных стран занимаются исследованием сияний, изучением их форм, высоты, географического положения, распределения в течение суток и года, выяснением связей с другими геофизическими явлениями, а также изучением физических процессов, происходящих в тех слоях атмосферы, где наблюдаются сияния.

На Кольском полуострове исследованиями полярных сияний занимается Полярный геофизический институт Кольского филиала Академии наук СССР.

Особенно много нового о полярных сияниях мы узнали в период Международного геофизического года (1957—1959), когда было положено начало планетарным геофизическим исследованиям. Наблюдения за сияниями велись по единой программе визуальными, радиолокационными, спектральными, электрофотометрическими и другими методами одновременно во многих странах мира.

Полярные сияния с этого времени впервые начали изучаться при помощи ракетной техники. Этот метод дал возможность изучать свойства непосредственно верхних слоев атмосферы.

Географическое распределение полярных сияний

Чтобы понять природу полярного сияния, необходимо прежде всего знать, как оно распределено над Землей и как это явление развивается во времени. Многочисленные наблюдения за полярными сияниями показали, что если нанести на карту земного шара пункты с одним и тем же средним годовым числом сияний и соединить их линиями, то для каждого полушария мы получим систему замкнутых кривых овальной формы. Эти кривые имеют общий центр в некоторой точке, близкой к геомагнитному полюсу.

Кривая, вдоль которой располагаются сияния с максимальными значениями, называется зоной полярных сияний. Зона полярных сияний, представляющая пояс их максимальной повторяемости, для северного полушария проходит вдоль северного побережья Норвегии (севернее Мурманска), через Новую Землю, Таймырский полуостров, через остров Врангеля, по северной Аляске, Канаде и южной оконечности Гренландии. Здесь в темное время года сияния наблюдаются почти каждые сутки. Ширина этой зоны составляет несколько сот километров. К югу от нее среднее годовое число сияний резко уменьшается и их интенсивность слабеет. Такое географическое распределение сияний связано с постоянным магнитным полем Земли.

Как известно, наша Земля обладает магнитным полем. Северный геомагнитный полюс лежит на северо-западе Гренландии, вблизи станции Туле. Южный полюс расположен в Антарктиде около советской станции Восток.

Надо сказать, что в зонах полярных сияний происходит сильное поглощение коротких радиоволн, поэтому, чтобы обеспечить дальнюю радиосвязь в высоких широтах, необходимо знать точное расположение, структуру и поведение зоны полярных сияний. Мурманск расположен на южной границе этой зоны.

Классификация форм и высоты полярных сияний

По форме полярные сияния принято делить на нелучистые и лучистые.

Первые однородны по структуре, имеют вид дуг бледно-зеленого и очень редко — красного цвета. К этой группе относятся сияния в виде однородных полос и лент, в виде светящихся облаков, похожих на прозрачную вуаль от нежно-фиолетового до интенсивно-красного цвета, а также пульсирующие сияния, которые с периодами в несколько секунд ритмично появляются в одном и том же месте.

К лучистым сияниям относятся дуги, как бы сотканные из большого числа отдельных очень тонких лучей; расположенных перпендикулярно дуге. Полосы и ленты также могут иметь лучистое строение; в этом случае они состоят как бы из массы плотно сомкнутых мерцающих лучей.

Иногда эти формы приобретают вид веера или занавеси (драпри).

Очень редки так называемые пылающие сияния. По форме они имеют вид волн, быстро движущихся вверх одна за другой через каждые несколько секунд.

На какой высоте наблюдаются полярные сияния?

В настоящее время определение высот и положения сияний в пространстве производится исключительно при помощи фотографии. Если с двух точек одновременно делать снимки полярных сияний на фоне звезд, то по величине смещения сияния относительно одних и тех же звезд высоту сияния можно определить с точностью до 1—2 километров.

В период Международного геофизического года фотографирование полярных сияний проводилось на 184 станциях; 34 станции Советского Союза были оборудованы специальными автоматическими фотокамерами С-180, которые фиксировали полярные сияния, возникающие в любой части неба.

Многочисленными измерениями установлено, что нижняя граница сияний проходит на высоте 100 км, меняясь в пределах от 90 до 110 км, в зависимости от формы и интенсивности сияния. Однородные дуги чаще всего появляются на высоте 105—150 км. Особый интерес представляют весьма редкие дуги красного цвета, нижний край которых спускался до 65—70 км. Это самые низкие сияния, обнаруженные фотографическим методом. Лучистые сияния простираются до высот 200—300 км. Вершины отдельных лучей полярных сияний при особых условиях иногда достигают высоты 800—1100 км. До недавнего времени эта высота принималась за условную границу атмосферы Земли. Только с запуском искусственных спутников Земли стало ясно, что граница земной атмосферы расположена на значительно больших расстояниях.

Связь полярных сияний с магнитными бурями и солнечной деятельностью

Полярные сияния тесно связаны не только с постоянным магнитным полем Земли, как мы уже отмечали выше, но и с его переменной частью — магнитными бурями; связаны они и с активностью Солнца.

Установлено, что во время магнитных бурь полярные сияния перемещаются по направлению к экватору, причем сияния и магнитные бури наступают одновременно. Установлено также, что магнитные возмущения наиболее часты и интенсивны в зонах полярных сияний. Такое замечательное совпадение двух явлений не может быть случайным. Магнитные бури и полярные сияния вызываются одними и теми же источниками.

Где же находятся эти источники?

Уже давно известно, что полярные сияния и магнитные бури часто совпадали с наличием пятен на Солнце. Позднее обнаружилась тесная зависимость между сильными полярными сияниями и наиболее выдающимся солнечным явлением — интенсивными вспышками. Почти одновременно со вспышками на Солнце наблюдается и резкое увеличение интенсивности космических лучей.

Во время больших солнечных вспышек происходит резкое возрастание ионизации в ионосфере, что приводит к катастрофическим нарушениям радиосвязи на коротких волнах.

Причиной ионизации является коротковолновое, рентгеновское и корпускулярное излучение Солнца. Корпускулярное излучение Солнца представляет собой поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем особенно усиленно во время вспышек. В этот период и возникают полярные сияния и магнитные возмущения.

Для чего изучаются полярные сияния

Может возникнуть вопрос, для чего нам нужно изучать полярные сияния, какую практическую пользу дают эти исследования?

Мы знаем, что Земля окружена воздушной оболочкой — атмосферой, простирающейся вверх на многие сотни километров. Меняя с высотой свои физические свойства, атмосфера переходит в межпланетное пространство.

Изучение верхних слоев атмосферы имеет большое практическое значение: во-первых, потому, что здесь располагаются ионизированные области, обеспечивающие радиосвязь на большие расстояния; во-вторых, потому, что верхние слои атмосферы являются средой, в которой движутся искусственные спутники Земли и космические ракеты. Стало быть, изучение верхних слоев атмосферы, в том числе полярных сияний, приоткрывает «окно» в космос, помогает осуществлению вековой мечты человечества о межпланетных полетах. Результаты исследований спектров полярных сияний, а также новые данные, полученные за последнее время при помощи искусственных спутников Земли и ракет, позволили нам лучше узнать состав верхних слоев атмосферы, их структуру, температуру и химические реакции, которые там протекают. С другой стороны, экспериментальные данные позволяют получить ценную информацию о потоках разнообразных частиц, испускаемых Солнцем, которые в значительной степени определяют состояние межпланетной среды. Физические процессы в тех областях, где происходят полярные сияния, раскрывают природу взаимосвязи этого явления с возмущениями магнитного поля Земли и замираниями радиосвязи.

Состав верхних слоев атмосферы

Земная атмосфера на уровне моря в основном состоит из азота — около 78% и кислорода — 21%; 1% составляют молекулы аргона, углекислоты, неона, гелия, криптона и других элементов. В нижних слоях атмосфера хорошо перемешана.

Существует три типа процессов, которые определяют изменение состава атмосферы с высотой:

1. перемешивание, стремящееся сделать атмосферу однородной;
2. диффузионное разделение вследствие разницы в молекулярных весах различных составных частей атмосферы;
3. фотохимические изменения.

С высоты примерно выше 80 км молекулы, составляющие атмосферу, начинают располагаться согласно своему молекулярному весу. Это разделение тяжелых и легких газов под влиянием силы тяжести носит диффузионный характер и протекает крайне медленно. Высота, на которой диффузионное разделение начинает преобладать над перемешиванием, пока точно не установлена, но примерно до 80—100 км атмосфера однородна и по своему химическому составу не отличается от приземного слоя. Выше 85 км состав верхних слоев атмосферы, находясь под постоянным воздействием электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца, начинает меняться: молекулы азота и кислорода расщепляются (диссоциируют) на атомы.

В первую очередь на высоте 100 км распадаются ш атомы молекулы кислорода; молекулы азота распадаются на высоте примерно 200 км.

Кроме того, под действием различных излучений Солнца образуются ионизированные молекулы азота, кислорода и окиси азота, ионы атомарного кислорода и азота, относительная концентрация которых с высотой увеличивается. Процесс ионизации заключается в отрыве электрона от атома или молекулы.

Выше 1000 км ионы становятся, по-видимому, основными частицами атмосферы.

Такова в общих чертах картина строения атмосферы вплоть до высоты 1000 км.

Окончательные суждения о составе верхней атмосферы Земли можно будет составить лишь после новых экспериментов.

Полярные сияния и радиационные пояса Земли

Одним из самых интересных открытий, сделанных за последние годы, является открытие, при помощи спутников и космических ракет, существования радиационных поясов Земли. Было обнаружено, что огромная область вокруг Земли занята заряженными частицами — протонами и электронами, движущимися вдоль магнитных силовых линий с огромными скоростями.

Оказалось, что вокруг Земли существуют, удерживаемые ее магнитным полем, три радиационных пояса: внутренний, внешний и самый внешний пояс, причем во внутреннем поясе излучение, состоящее в основном из протонов высоких энергий, представляет собой большую опасность для космонавтов.

Радиационные пояса можно представлять как кольцевые токи, существующие в околоземном пространстве.

Сразу же после открытия радиационных поясов появились попытки увязать их с возникновением полярных сияний. Предполагается, что внешний радиационный пояс, подверженный сильным изменениям в зависимости от солнечных потоков, играет роль промежуточного резервуара для заряженных частиц. Магнитное поле Земли для заряженных частиц служит своеобразной магнитной ловушкой, в которой концентрируется большое количество электронов и протонов, в результате чего Земля оказывается окруженной областями ионизующих излучений высокой интенсивности — радиационными поясами.

Как показал анализ материалов наблюдений в период Международного геофизического года, во время возмущений на Солнце этот резервуар как бы переполняется и излишние электроны «сбрасываются» в атмосферу. Небольшая часть энергии этих частиц освобождается в виде свечения полярного сияния на более низких широтах.

Анализ данных МГГ показывает также, что интенсивные сияния, по-видимому, появляются одновременно в двух полушариях, в так называемых магнитно-сопряженных областях, расположенных в непосредственной близости от концов одной и той же магнитной силовой линии.

Таким образом, наблюдения за полярными сияниями могут дать важную информацию о поведении радиационных поясов Земли, помогут лучше понять сущность процессов, протекающих в них.

Искусственное полярное сияние

Итак, мы установили, что внешняя часть атмосферы состоит преимущественно из ионизированных частиц; магнитное поле Земли захватывает эти частицы, и они движутся по спирали вдоль магнитных силовых линий из одного полушария в другое. Из-за малой плотности атмосферы на больших высотах заряженные частицы могут долгое время колебаться вдоль магнитных силовых линий. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, частицы попадают в область малых высот и больших широт, вызывая полярные сияния, магнитные бури и ионосферные возмущения. Подтверждение этому положению мы находим в опытах с ночными взрывами, при которых в атмосферу «впрыскиваются» ионизированные атомы, образующие облако заряженных частиц достаточной плотности. При этих опытах имитируется вторжение частиц от Солнца. Во время таких взрывов наблюдались искусственные полярные сияния заметной интенсивности на низких широтах как в районе, близком к месту взрыва, так и в геомагнитно-сопряженных местах, расположенных на концах одной и той же силовой магнитной линии, вдоль которой канализировались заряженные частицы; возникшие во время взрыва.

О теории полярных сияний

Таким образом, согласно современным представлениям, полярные сияния и связанные с ними магнитные возмущения возникают под воздействием на верхние слои земной атмосферы заряженных частиц, летящих к нам от Солнца.

Поток частиц, приближаясь к Земле со скоростью примерно 1000 км/сек, пересекает магнитное поле Земли. Захваченные магнитным полем, такие частицы, «привязанные» к магнитным силовым линиям, колеблются между двумя крайними положениями: в южном и северном полушариях. Столкновение этих частиц с атомами и молекулами атмосферы в местах, где частицы испытывают «отражения», приводит к возбуждению и обусловливает свечение атмосферы. Полярные сияния, таким образом, как бы очерчивают область, где заканчиваются пути заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Согласно расчетам, суммарная планетарная мощность заряженных потоков, вызывающих сильное свечение, в течение нескольких часов может достигать 10²¹ эрг/сек. Но мы пока еще не знаем точно состав корпускулярного потока, свойств первичных частиц, механизма взаимодействия потока с магнитным полем Земли. Не получил полного объяснения и механизм связи между полярными сияниями и другими геофизическими явлениями.

Исследования спектров полярных сияний показали, что протоны являются одной из составных частей потока солнечных частиц, приносящих с собой энергию, достаточную, чтобы вызвать свечение полярных сияний. Однако протоны не являются доминирующим агентом в возбуждении сияний.

С появлением ракетной техники появилась возможность непосредственного измерения частиц, создающих видимое полярное сияние. Таких экспериментов было проведено несколько. В каждом из них было найдено, что основная часть свечения полярного сияния создавалась электронами. Пока еще мало получено данных относительно межпланетной среды, через которую распространяются солнечные частицы, вызывающие полярные сияния.

В последнее время теория полярных сияний подвергается существенному пересмотру в соответствии с современными достижениями в области физики, геофизики и астрофизики. Новые экспериментальные данные будут получены в период проведения нового международного мероприятия — Года спокойного Солнца (1964—1965 гг.).

В верхней атмосфере имеются уникальные экспериментальные условия, которые еще не удавалось получить в лаборатории, поэтому подробные исследования будут продолжаться на спутниках и ракетах. Пройдет еще некоторое время, пока будет разработана стройная теория, которая объяснит все стороны такого сложного физического явления как полярное сияние.

Источник: Отв. ред. В.А. Токарев. Природа Мурманской области. Мурманское книжное издательство. Мурманск. 1964