Полярные сияния: природа и виды¶

Полярные сияния (также северное сияние, южное сияние, аврора) — это оптическое атмосферное явление, представляющее собой свечение верхних слоёв атмосферы планеты, возникающее в результате взаимодействия заряженных частиц солнечного ветра с магнитным полем и атмосферой Земли. Явление характерно для высоких широт обоих полушарий, хотя в периоды повышенной солнечной активности может наблюдаться и в средних широтах.

¶Природа явления

¶Физический механизм

Солнце непрерывно испускает поток заряженных частиц — протонов и электронов, — который называется солнечным ветром. При столкновении этого потока с магнитосферой Земли часть частиц захватывается магнитным полем и направляется вдоль силовых линий к полюсам. В верхней атмосфере (на высотах от 80 до 400 км) эти частицы сталкиваются с атомами и молекулами газов — в основном кислорода и азота.

При столкновении энергия передаётся атомам, которые переходят в возбуждённое состояние. Возвращаясь в невозбуждённое состояние, атомы испускают фотоны — так возникает свечение. Цвет и высота сияния зависят от типа газа и высоты столкновения.

¶Роль солнечной активности

Интенсивность и частота полярных сияний напрямую связаны с 11-летним циклом солнечной активности. В годы максимума активности на Солнце происходят мощные вспышки и корональные выбросы массы, которые усиливают солнечный ветер. Это приводит к расширению зоны сияний в сторону экватора и увеличению их яркости.

¶Виды и формы

¶По цвету

• Зелёное свечение — наиболее распространённое, возникает на высотах 100–150 км при возбуждении атомарного кислорода.
• Красное свечение — появляется на больших высотах (свыше 200 км) также при участии кислорода, но при ином механизме возбуждения.
• Синее и фиолетовое свечение — образуется при столкновении частиц с молекулярным азотом на высотах до 100 км.
• Смешанные цвета — наблюдаются при одновременном свечении разных газов, часто образуя розовые или пурпурные оттенки.

¶По форме

• Дуги — наиболее простая форма, представляющая собой светящуюся полосу, вытянутую вдоль магнитного меридиана.
• Полосы — яркие лучистые структуры, часто с вертикальными «лучами».
• Пятна — диффузное свечение без чётких границ.
• Короны — радиально расходящиеся лучи, наблюдаемые в зените, когда наблюдатель находится непосредственно под точкой максимальной интенсивности.
• Пульсирующие формы — свечение, периодически меняющее яркость с интервалом от нескольких секунд до минут.

¶География наблюдений

¶Северное полушарие

Северное сияние (Aurora Borealis) наиболее часто наблюдается в зоне, называемой авроральным овалом, — полосе шириной около 3–6 градусов вокруг геомагнитного полюса. В России лучшие регионы для наблюдения — Мурманская область, Архангельская область, Ямало-Ненецкий автономный округ, Таймыр и Якутия. За пределами России — Скандинавия, Аляска, север Канады, Исландия.

¶Южное полушарие

Южное сияние (Aurora Australis) наблюдается вокруг Антарктиды, а также на южных оконечностях Новой Зеландии, Австралии, Чили и Аргентины. По своей природе оно идентично северному, но доступно для наблюдения значительно меньшему числу людей из-за удалённости регионов.

¶Наблюдение и прогнозирование

¶Условия наблюдения

Для успешного наблюдения необходимы тёмное небо (отсутствие светового загрязнения), ясная погода и достаточная солнечная активность. Наилучшее время — с сентября по март в северном полушарии и с марта по сентябрь в южном, в часы вблизи местной полуночи.

¶Прогнозирование

Прогнозы полярных сияний строятся на основе данных о солнечном ветре и межпланетном магнитном поле, получаемых со спутников (например, DSCOVR). Существуют шкалы интенсивности, в том числе геомагнитный индекс Kp, который используется для оценки вероятности и силы сияний. При значениях Kp 5 и выше сияния могут наблюдаться в средних широтах.

¶Исторические сведения

Первые письменные упоминания полярных сияний встречаются у Аристотеля в IV веке до н. э. Долгое время природа явления оставалась неясной: выдвигались гипотезы о ледяных кристаллах, отражении солнечного света и атмосферном электричестве. В XIX веке норвежский физик Кристиан Биркеланд впервые экспериментально показал связь сияний с магнитным полем Земли и солнечными частицами. Современная теория, основанная на магнитосферной динамике, была разработана во второй половине XX века.

¶Культурное значение

В культурах народов Севера полярные сияния занимали важное место. У саамов, ненцев, эвенков и других народов существовали различные мифологические трактовки явления — от «огненных лис» до «танцующих духов». В современной культуре сияния привлекают туристов и фотографов, а также используются в научно-популярной литературе как символ связи Земли и космоса.

¶Источники

• Акасофу С. И. Полярные сияния. — М.: Мир, 1976.
• Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. — М.: Наука, 1988.
• Космическая погода и её проявления в атмосфере Земли / под ред. А. Д. Данилова. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2002.
• Stern D. P. A Brief History of Magnetospheric Physics. — NASA, 1996.