Северное сияние

Северное сияние (аврора, полярное сияние) — это оптическое явление в верхних слоях атмосферы Земли, возникающее в результате взаимодействия заряженных частиц солнечного ветра с магнитным полем планеты и атмосферными газами. Проявляется в виде быстро меняющихся свечений неба в полярных регионах, преимущественно в высоких широтах обоих полушарий. В Северном полушарии явление называется северным сиянием (Aurora Borealis), в Южном — южным (Aurora Australis).

Физическая природа

Солнечный ветер и магнитосфера

Основной причиной возникновения полярных сияний является солнечная активность. Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц (электронов и протонов), известный как солнечный ветер. При столкновении с магнитным полем Земли (магнитосферой) часть этих частиц захватывается и направляется вдоль силовых линий поля к полюсам. Вблизи магнитных полюсов частицы проникают в верхние слои атмосферы (на высотах от 80 до 600 км), где сталкиваются с атомами и молекулами газов (кислорода и азота).

Механизм свечения

При столкновении быстрых электронов с атомами кислорода или азота происходит возбуждение последних — переход электронов в атомах на более высокие энергетические уровни. При возвращении в исходное состояние атом испускает фотон света. Цвет свечения зависит от типа газа и высоты взаимодействия:

• Кислород на высоте 100–200 км излучает зелёный и жёлто-зелёный свет (наиболее яркий и распространённый цвет).
• Кислород на высоте более 200 км излучает красный свет (редкое явление, обычно на больших высотах).
• Азот на высоте 80–100 км излучает синий и фиолетовый свет, а также может давать красные оттенки на нижних границах.

Геомагнитные бури

Интенсивность и частота сияний напрямую связаны с солнечной активностью. Во время солнечных вспышек и корональных выбросов массы количество заряженных частиц резко возрастает, что вызывает геомагнитные бури. В такие периоды сияния становятся более яркими, распространяются на более низкие широты и могут наблюдаться даже в средних широтах (например, в 1859 году во время «События Каррингтона» сияние наблюдалось в тропиках).

История наблюдений и изучения

Древние представления

В древности северное сияние часто воспринималось как сверхъестественное явление. В скандинавской мифологии оно считалось отражением щитов валькирий или мостом Биврест. В русских летописях упоминания о «небесных знамениях» датируются XI веком. Коренные народы Севера (саамы, ненцы, чукчи) относились к сиянию с почтением, иногда связывая его с духами предков.

Научное изучение

Первые научные попытки объяснить явление предприняли в XVII–XVIII веках. В 1716 году английский астроном Эдмунд Галлей предположил связь с магнитным полем Земли. В 1741 году шведский физик Андерс Цельсий и его ученик Улоф Хиортер установили корреляцию между сияниями и магнитными бурями. В 1896 году норвежский физик Кристиан Биркеланд экспериментально доказал, что заряженные частицы могут вызывать свечение в разреженных газах, и предложил теорию, объясняющую сияния взаимодействием солнечных частиц с атмосферой. Современные исследования проводятся с помощью спутников (например, миссии NASA «THEMIS» и «Aurora»), радаров и наземных обсерваторий.

География и сезонность

Зоны наблюдения

Наиболее благоприятные для наблюдения регионы — так называемые «авроральные овалы» — зоны вокруг магнитных полюсов Земли, где сияния происходят наиболее часто. В Северном полушарии это территории:

• Скандинавия (Норвегия, Швеция, Финляндия);
• Россия (Мурманская область, Архангельская область, Республика Карелия, Ямало-Ненецкий автономный округ, Чукотка, Камчатка);
• Канада (Юкон, Северо-Западные территории, Аляска);
• Исландия, Гренландия.

В Южном полушарии — Антарктида, южные части Австралии, Новой Зеландии и Южной Америки (Огненная Земля).

Сезон и время суток

Наилучшее время для наблюдения — с сентября по март в Северном полушарии (тёмное время суток, отсутствие полярного дня). Пик активности обычно приходится на местное время около полуночи. В России наиболее доступные места — Мурманская область (Кировск, Териберка) и Архангельская область (Соловецкие острова).

Виды и формы

Классификация по внешнему виду

• Диффузное свечение — равномерное, слабое, без чётких границ, часто наблюдается на больших высотах.
• Лучи — вертикальные или наклонные светящиеся полосы, напоминающие столбы света.
• Дуги — изогнутые полосы, часто с резкими границами, могут быть одноцветными или многоцветными.
• Короны — сияние, расходящееся вверх от одной точки, напоминающее корону или веер.
• Занавесы — наиболее эффектная форма: вертикальные складки, напоминающие шторы, которые колеблются и меняют цвет.

Классификация по цвету

• Зелёное — наиболее частое.
• Красное — редкое, обычно на больших высотах.
• Синее и фиолетовое — встречается реже, связано с азотом.
• Розовое — смесь зелёного и красного.

Культурное значение

В мифологии и фольклоре

У многих народов Севера сияние считалось мостом между мирами или отражением битв духов. В саамской традиции его называли «огни лисы» (революция лисы, бегущей по снегу). В норвежской мифологии сияние ассоциировалось с валькириями. В русских народных поверьях оно иногда трактовалось как предвестие войны или неурожая.

В искусстве и литературе

Северное сияние часто изображается в живописи (например, картины норвежского художника Харальда Сольберга), в литературе (романы Жюля Верна «Путешествие к центру Земли», «Двадцать тысяч лье под водой»), в кинематографе («Золотой компас», «Белый плен»). В современной культуре оно стало символом романтики путешествий и экстремального туризма.

Современное значение

Туризм

Северное сияние является одним из главных туристических аттракционов в арктических регионах. Ежегодно тысячи туристов посещают Норвегию, Швецию, Финляндию, Исландию, Канаду и Россию (Мурманская область, Архангельская область, Ямал) для наблюдения за явлением. В России популярны туры в Териберку (Мурманская область), на Кольский полуостров и в Хибины. Развита инфраструктура: отели с прозрачными крышами, экскурсии на снегоходах, прогнозы активности.

Научное значение

Изучение полярных сияний помогает понять процессы в магнитосфере Земли, солнечно-земные связи и влияние космической погоды на спутники, связь и энергосистемы. Данные о сияниях используются для прогнозирования геомагнитных бурь.

Экологический аспект

Явление не оказывает прямого негативного воздействия на окружающую среду, однако рост туризма в уязвимых арктических экосистемах требует осторожного подхода к организации поездок.

Интересные факты

• Северное сияние может издавать звуки — редкое явление, зафиксированное в фольклоре и подтверждённое некоторыми исследованиями (щелчки, шипение).
• В 2016 году NASA запустило миссию «Aurora» для изучения механизмов возникновения сияний.
• Самое мощное зарегистрированное сияние произошло в 1859 году (событие Каррингтона) — оно наблюдалось даже в Риме и на Кубе.
• На других планетах Солнечной системы также наблюдаются полярные сияния — на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне, но они вызваны взаимодействием с их магнитными полями и атмосферами.

Источники

• Биркеланд К. «Экспериментальные исследования полярных сияний» (1908).
• Акасофу С. «Полярные сияния: физика и наблюдения» (1974).
• NASA. «Aurora: The Science Behind the Lights» (2016).
• Рощин В.И. «Полярные сияния: учебное пособие» (М., 2010).
• Большая российская энциклопедия: статья «Полярные сияния» (2017).