Сияние как оптическое явление¶
Сияние — общее название группы оптических явлений в верхних слоях атмосферы и вблизи горизонта, связанных со свечением разреженного газа или рассеянием света. В узком смысле под сиянием чаще всего понимают полярное сияние — свечение верхней атмосферы, возникающее при взаимодействии заряженных частиц солнечного ветра с магнитным полем и газовой оболочкой Земли. В более широком смысле термин охватывает также зодиакальный свет, серебристые облака, гало и некоторые атмосферные свечения иной природы.
¶Физическая природа
Основой большинства атмосферных сияний служит люминесценция — излучение света возбуждёнными атомами и молекулами. В полярных сияниях поток заряженных частиц (электронов и протонов) солнечного ветра направляется магнитным полем Земли к полярным областям. Там частицы сталкиваются с атомами кислорода и азота на высотах примерно от 90 до 400 км, возбуждают их, и при переходе в основное состояние атомы испускают фотоны.
Цвет свечения определяется тем, какой газ и на какой высоте излучает:
- зелёный и жёлто-зелёный — атомарный кислород на высоте около 100–150 км;
- красный — атомарный кислород выше 200 км;
- синий и фиолетовый — молекулярный азот.
Интенсивность сияния зависит от солнечной активности: во время геомагнитных бурь свечение становится ярче и наблюдается в более низких широтах. Существует общепринятая шкала возмущённости магнитного поля, позволяющая прогнозировать видимость полярных сияний.
¶Виды сияний
| Явление | Причина | Где наблюдается |
|---|---|---|
| Полярное сияние | Солнечный ветер и магнитосфера | Высокие широты обоих полушарий |
| Зодиакальный свет | Рассеяние солнечного света на межпланетной пыли | Тропические и средние широты, перед рассветом |
| Серебристые облака | Рассеяние света на ледяных кристаллах в мезосфере | Летом в средних и высоких широтах |
| Гало | Преломление и отражение света в ледяных кристаллах | Вокруг Солнца и Луны |
| Свечение ночного неба | Хемилюминесценция в верхней атмосфере | Повсеместно, слабо |
¶Наблюдения в России
Территория России расположена в высоких и средних широтах, что делает полярные сияния регулярно наблюдаемыми явлениями. Устойчивые «авроральные овалы» проходят над Мурманской областью, Карелией, Архангельской областью, Республикой Коми, Ямало-Ненецким и Чукотским автономными округами. В годы высокой солнечной активности сияния фиксируются в Санкт-Петербурге, Москве, Екатеринбурге и других городах средних широт.
Наблюдения ведутся сетью геофизических обсерваторий, в том числе на Кольском полуострове и в Якутии. Данные используются для изучения магнитосферы, ионосферы и влияния солнечной активности на радиосвязь, навигацию и работу энергосистем. Прогнозы полярных сияний публикуются на основе измерений параметров солнечного ветра космическими аппаратами.
¶История изучения
Первые описания полярных сияний встречаются в летописях и хрониках разных народов. В русских источниках упоминания о «небесных огнях» относятся к средневековью. Научное объяснение явления формировалось постепенно: в XVIII веке М. В. Ломоносов связывал свечение с электрическими процессами в атмосфере и проводил опыты с электрическими разрядами в разреженном газе.
В XX веке норвежский физик Кристиан Биркеланд предложил модель движения заряженных частиц к полярным областям, а исследования советских и зарубежных геофизиков в период Международного геофизического года (1957–1958) уточнили связь сияний с магнитосферными процессами. Спутниковые измерения окончательно подтвердили роль солнечного ветра.
¶Культурное значение
Полярное сияние занимает заметное место в культуре северных народов. У саамов, ненцев, якутов и других народов Севера существовали мифы, объясняющие свечение неба как отражение битв, огней предков или духов. В русской литературе и поэзии XIX–XX веков образ «северного сияния» использовался как символ сурового, но величественного Севера.
Сегодня сияние — объект научного туризма: в Мурманской области, Карелии и других северных регионах организуются туры для наблюдения за явлением. Развитие фотографии и цифровых камер сделало съёмку сияний доступной широкой аудитории.
¶Смежные явления
Помимо полярных, к сияниям относят свечения, связанные с другими механизмами. Гало и венцы возникают из-за преломления и дифракции света в атмосферных кристаллах и каплях. Зодиакальный свет объясняется рассеянием солнечного света на пыли в плоскости эклиптики. Слабое свечение ночного неба имеет хемилюминесцентную природу и не связано с солнечным ветром. Объединяет эти явления то, что все они представляют собой свечение, наблюдаемое на небе и имеющее естественное, а не техногенное происхождение.
¶Изучение и прогнозирование
Современные исследования сияний опираются на данные наземных магнитометров, радаров некогерентного рассеяния, оптических камер всего неба и космических аппаратов. Прогноз геомагнитной активности строится на измерении солнечного ветра в точке Лагранжа L1, что даёт запас времени порядка десятков минут. Это важно не только для наблюдателей, но и для предупреждения о возможных сбоях в работе спутников, линий электропередачи и систем связи. В России такие задачи решают геофизические институты и обсерватории, ведущие непрерывный мониторинг магнитного поля и ионосферы.
Источники: Ломоносов М. В. «Избранные труды по физике»; материалы Международного геофизического года; публикации геофизических обсерваторий России; научно-популярные издания по физике атмосферы и магнетизму Земли.