Как возникают полярные сияния.

Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» – поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетаю на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».6

Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10-19 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. Для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше.7

Возбужденные атомов газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота.

Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.8

Электронные полярные сияния

Различают два типа полярных сияний — вызываемые потоками космических электронов (электронные сияния) и вызываемые потоками протонов (протонные сияния). Вклад протонных сияний в свечение неба относительно невелик. Главную же роль играют электронные сияния. Все формы сияний, имеющие достаточно четко выраженную структуру (дуги, лучистые полосы, ленты), обусловлены электронами. Фактически лишь диффузные пятна могут быть обязаны своим происхождением протонам. Поэтому в нашей работе мы будем рассматривать именно электронные полярные сияния.

Формы полярных сияний

Полярные сияния -- одно из самых красивых явлений в природе, всегда необычайно величественное зрелище. Они отличаются большим разнообразием: то это своеобразные светлые столбы, то это изумрудно-зеленые, с красной бахромой занавеси, пылающие длинные ленты, расходящиеся многоцветные лучи-стрелы, а то и просто бесформенные светлые, порой цветные пятна на небе. Но при всем разнообразии можно выделить несколько определенных их форм.

Обычно выделяют четыре основные формы.

Наиболее простая форма — однородная дуга (однородная полоса). Она имеет довольно ровное свечение, более яркое в нижней части дуги и постепенно исчезающее вверху. Дуга простирается обычно через весь небосвод в направлении восток — запад; ее протяженность достигает тысяч километров, тогда как толщина составляет всего несколько километров. Протяженность светящейся полосы в вертикальном направлении измеряется сотнями километров; нижний край полосы находится, как правило, на высотах 100—150 км. Однородные дуги (полосы) бывают беловато-зеленого, а также красноватого или лилового цвета.

Следующая форма сияний — лучи. На небе видны тесно вы строившиеся друг за другом узкие вертикальные светящиеся линии, как будто множество поставленных в ряд мощных прожекторов светят вверх . Для наблюдателя, который смотрит на сияние не сбоку, а непосредственно снизу, лучи представляются сходящимися в вышине (эффект перспективы); вспомним у Рокуэлла Кента: «сходящиеся снопы лучей». Начинаясь с высоты при мерно 100 км, лучи уходят вверх на сотни и даже тысячи кило метров. Все вместе они образуют лучистую полосу. Обычно она зеленоватого цвета; внизу полоса часто имеет розовато-оранжевую кайму.

Особенно сильное впечатление производят свечения, имеющие форму лент, которые могут образовывать складки или закручиваться в своеобразные спирали. Высоко в небе повисают гигантские занавеси, они колышутся, волнуются, меняют очертания и яркость. Их-то и называл Рокуэлл Кент «покрывалом Изольды». Толщина этих занавесей порядка километра; по высоте они располагаются примерно от 100 до 400 км. Окраска лент в основном зеленовато-синяя, с переходом к розоватым и красным тонам в нижней части.

Наконец, надо отметить сияния, имеющие форму размытых пятен, похожих на гигантские светящиеся облака; их называют диффузными пятнами. Отдельное такое пятно имеет площадь порядка 100 км Как правило, пятна окрашены в белесые или красноватые тона. Образуются они на высотах около 100 км, а также на высотах 400...500 км.

Различные формы полярных сияний могут возникать одновременно, накладываясь одна на другую. Лучи, ленты, пятна вовсе не неподвижны: они перемещаются и при этом интенсивность их свечения со временем изменяется. Скорость движения лучей и лент может достигать десятков кило метров в секунду. В течение ночи можно наблюдать постепенное превращение одних форм сияний в другие. Например, однородная дуга может вдруг разбиться на лучи или превратиться в складки ленты, а последняя может затем распасться на облакообразные пятна.

Таким образом, форма наблюдаемого полярного сияния оказывается непостоянной — она способна совершенно измениться в течение часа и даже нескольких минут.