Полярное сияние

Мало есть в природе явлений, способных сравниться по красоте с полярными сияниями!

«...Небо пылало. Бесконечная прозрачная вуаль покрывала весь небосвод. Какая-то невидимая сила колебала ее. Вся она горела нежным лиловым светом. Кое-где показывались яркие вспышки и тут же бледнели, как будто лишь на мгновение рождались и рассеивались облака, сотканные из одного света... В нескольких местах еще раз вспыхнули лиловые облака. Какую-то долю секунды казалось, что сияние погасло. Но вот длинные лучи, местами собранные в яркие пучки, затрепетали бледно-зеленым светом. Вот они сорвались с места и со всех сторон, быстрые, как молнии, метнулись к зениту. На мгновение замерли в вышине, образовался огромный сплошной венец, затрепетали и потухли».

Таким видел полярное сияние исследователь Северной Земли Г. А. Ушаков.

Не менее красочно описал это явление и Фритьоф Нансен: «К зениту ото всей ленты метнулись лучи, и, не успел я опомниться, как вся южная часть неба, от дуги до зенита, была объята светлым пламенем. Оно сверкало и горело, кружилось, словно вихри ветра, лучи летали взад и вперед, то красные и красно-фиолетовые, то желтые, зеленые и ослепительно белые... Выше и выше поднималось пламя...».

А вот репортаж космонавта Георгия Михайловича Гречко: «Тысячи прожекторов выстроились в такие извилистые линии над Америкой и били вверх... У Земли — были зеленого цвета. Сквозь нас проходили и выше уходили — красного цвета. Тысячи их там переливались огнями... фантастическое совершенно зрелище».

Видимо, из-за этой огненной феерии северные сияния иногда принимали за пожары. Так, по свидетельству римского философа Сенеки, в 37 году н. э. было сияние такое яркое и красное, что римляне решили — это горит колония Остия, и император Тиберий поспешил выслать туда своих солдат на помощь. Любопытно, что и почти две тысячи лет спустя сияние произвело точно такое же впечатление: 25 января 1938 года пожарные команды некоторых европейских городов по тревоге выехали по направлению к сильному зареву в северной части горизонта.

Почти во все времена полярные сияния в Средней и Южной Европе вызывали страх. Их считали знамением небесным.

Конечно же, ученые не могли оставить без внимания столь грандиозное природное явление.

Так, норвежская летопись, она же научный трактат, «Королевское зерцало», составленная в первой половине XIII века, содержит отзвуки горячих дискуссий об их происхождении. Примечателен сам автор этого труда, имя которого, к сожалению, осталось неизвестным. Рассуждая, он оперирует совершенно реальными свойствами полярных сияний, выясняет детали в беседах с путешественниками, удивляется, что люди, во множестве видевшие полярные сияния, не имеют четкого представления о них.

Посвятил некоторые исследования северному сиянию и великий русский ученый Ломоносов. Выходец с севера, не раз наблюдавший это великолепное зрелище, — в одном из своих стихотворений вопрошал: «Как может быть, чтоб мерзлый пар среди зимы рождал пожар?»

И, безусловно, пытался ответить на свой вопрос. Ученый предположил, что причиной полярных сияний служат электрические разряды в разреженном воздухе. Чтобы убедиться в справедливости своего предположения, он выкачивал воздух из стеклянного шара и пропускал через шар электричество. «...Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их месте выскакивают, так что беспрерывное блистанье быть кажется», — записал он.

Кроме Ломоносова, эффекты при прохождении электрического тока через разреженные газы изучали другие ученые. И хотя в лабораториях они и получили маленькие полярные сияния, однако полного ответа на вопрос, который волновал Ломоносова, они не дали.

Например, почему полярные сияния «приписаны» к полюсам нашей планеты — Северному и Южному? И чем объяснить разнообразные непрестанно изменяющиеся формы этого явления?

В XIX веке норвежский физик Биркеланд поставил интересный опыт. Он изготовил маленькую модель нашей Земли — шар, который можно было намагничивать. Кроме того, он был покрыт краской, которая от ударов заряженных частиц начинала светиться.

Ученый поместил шар в сосуд с разреженным воздухом и «обстрелял» его из ионной пушки потоком заряженных частиц. Пока шар не был намагничен, летящие частицы бомбардировали всю поверхность полушария, обращенного к ионной пушке, и оно равномерно светилось. Но когда шар намагнитили, свечение появилось только у его магнитных полюсов.

Опыт тем самым еще раз показал четкую связь полярных сияний с потоком электрических частиц. Продемонстрировал он и то, что в этом явлении как-то участвуют силы земного магнетизма. Но какие же электрически заряженные частицы могут вызывать в высоких слоях атмосферы полярные сияния, откуда они берутся?

Было известно: сияния особенно часты и сильны в те годы, когда на Солнце наблюдается наибольшее число пятен. Количество их и размеры в разные годы различны. Примерно каждые одиннадцать лет число пятен бывает наибольшим. Затем они постепенно пропадают, и в годы минимума на Солнце месяцами их почти не наблюдают.

Ученые установили прямую связь земных сполохов с пятнами на Солнце. Отмечено, что, когда большое пятно проходит центральный меридиан Солнца, на Земле через 20-40 часов почти всегда начинают играть сполохи и разражается магнитная буря. Она резко ухудшает радиосвязь на коротких волнах, вносит сумятицу в работу телеграфа и телефона. Показания компаса становятся неточными.

Это связано с тем, что из солнечных пятен выбрасываются потоки частиц, включая положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Когда протоны и электроны достигают верхних, разреженных слоев атмосферы Земли, они, как и в газоразрядной трубке, сталкиваются с атомами и молекулами воздуха, главным образом азота и кислорода, и заставляют их светиться. Так возникают полярные сияния в естественных условиях. Происходит все это на высоте примерно от восьмидесяти до тысячи и более километров над поверхностью Земли.

А почему у полюсов?

Да потому, что наша планета — это огромный природный магнит со своим полем, настолько мощным, что оно способно отклонять потоки частиц, летящих от Солнца, к магнитным полюсам, которые ныне находятся вблизи географических полюсов планеты. В связи с этим, чем дальше наблюдатель находится от северного или южного полюса, тем реже он видит полярные сияния. С другой стороны, тщательное изучение этого явления показало, что максимума интенсивности оно достигает не на северном и не на южном географическом полюсе, а в узкой полосе, расположенной примерно в 23° от магнитного полюса. Вне этой зоны максимальной магнитной активности количество видимых полярных сияний убывает как в сторону магнитного полюса, так и в сторону экватора.

Следует сказать, что хотя формы полярных сияний столь же разнообразны, как и формы летних облаков, но тем не менее их можно разделить на конкретные типы.

Так, все полярные сияния принадлежат к одной из двух основных форм: с лучевой или безлучевой структурой.

Одной из наиболее распространенных форм является арка, которая полукольцом опоясывает северный небосвод. Одни арки просто светятся, не обладая сколько-нибудь заметной внутренней структурой, другие отбрасывают от себя множество лучей, похожих на зубья гребешка. Обычно световой рисунок медленно изменяет свою яркость и очертания, но иногда он мерцает и вспыхивает, словно пламя костра. Таким образом, имеются три основных типа арки — однородные, лучистые и пульсирующие. Когда эти арки находятся так далеко, что их самые яркие участки оказываются ниже горизонта, лишь слабое свечение неба указывает на полярное сияние. Лучи появляются по одному или пучками, иногда их яркость остается неизменной, а иногда они слабо мерцают. Нередко на небе возникают драпри, свисающие изящными складками, которые колышутся, словно занавес или длинное платье, развевающееся по ветру. Когда арки не имеют четких очертаний, небо бороздят светлые полосы, однородные или лучистые. Иногда же мы видим лишь однообразную рассеянную пульсирующую поверхность.

При очень интенсивном полярном сиянии свечение нередко достигает зенита или даже минует его и образует великолепную корону. Корона обычно состоит из нескольких коротких полос, расходящихся лучами из темного центра; если бы магнитная стрелка компаса могла свободно вращаться как по горизонтали, так и по вертикали, она указала бы на этот центр. Мы называем эту точку «магнитным зенитом».

Цветовая гамма полярных сияний обусловлена химическими соединениями, находящимися в воздухе. Так, характерное зеленое свечение возникает благодаря атомам кислорода. Однако кислород при определенных условиях может придать полярному сиянию и красный оттенок. Азот, самый распространенный газ в земной атмосфере, тоже может вызвать ярко-красное свечение. Во время полярных сияний иногда наблюдается излучение самого легкого из атомов — атома водорода.

Когда солнце выбрасывает с большой скоростью особенно мощные потоки частиц, полярное сияние может оказаться совсем не полярным. Так, в сентябре 1957 года его видели жители Астрахани — это редчайший случай. Вполне закономерно, что такие случаи вызывают необычайный интерес населения, своевременно ответить на вопросы которого позволяют современные средства массовой информации.

В 1941 году полярное сияние видели в Воронежской области. По словам очевидцев, ночью на дворе было светло, как днем. Причем странная заря занималась не на востоке, а на севере.

Но так как природа полярных сияний продолжает волновать ученых, появляются и новые гипотезы, которые пытаются объяснить максимальное количество фактов, связанных с этим феноменом.

Так, новейшие данные, полученные с помощью современных средств исследования, приводят некоторых ученых к предположению о том, что полярные сияния есть следствие взаимодействия ультрафиолетового излучения Солнца с очень разреженным воздухом, который на больших высотах находится в атомарном состоянии. Происходит ионизация воздуха — превращение нейтральных атомов в заряженные ионы. Существование в верхних слоях атмосферы ионосферы области, хорошо проводящей электричество, уже доказано.

Высказываются и другие предположения о механизмах полярных сияний, но то, что в действие их запускает наше дневное светило, по всей видимости, ни у кого не вызывает сомнения.

Это же предположение подтвердил и грандиозный эксперимент «Араке», осуществленный в январе 1975 года советскими и французскими учеными.

С острова Кергелен в Индийском океане была запущена ракета «Эридан» с электронной пушкой. В заданное время в атмосферу был выброшен поток заряженных частиц, вызвавший над северной тайгой искусственное полярное сияние, зарегистрированное установками в Пинежском районе. И хотя сияние было слабым и коротким, и погода не благоприятствовала проведению эксперимента, все же опыт удался. Он еще раз доказал, что механизм, который запускает полярные сияния, находится на Солнце.