Северное (полярное) сияние: что это, его виды, как оно образуется, почему у него бывают разные цвета и ответы на многие другие вопросы

Северное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы, спровоцированное столкновением заряженных частиц солнечного ветра с атомами газов в верхних частях воздушной оболочки. Его хорошо видно в приполярных широтах. Загадочные полярные огни всегда вызывали интерес не только жителей северных стран, но и многочисленных туристов и ученых, изучающих земную атмосферу, магнитосферу. В статье вы узнаете, что такое северное сияние, какова его природа и в каком районе земного шара его видно лучше всего.

Сияние севера

Что нужно знать о природном явлении

Северное (полярное) сияние – это одно из интереснейших и загадочных природных явлений. Только недавно ученым удалось узнать, как же оно появляется. Многоцветные полярные сияния возникают преимущественно в верхних слоях атмосферы вследствие взаимодействия заряженных частиц с магнитным полем Земли.

Подобным природным явлением можно любоваться ночью в высоких широтах обоих полушарий. Оно классифицируется по нескольким признакам.

  1. В зависимости от формы выделяют лентообразное, диффузное, лучеобразное свечение.
  2. В зависимости от интенсивности «сияния Севера» могут изменяться от едва различимых до ярких, красочных.
  3. Сияния могут разделяться по цвету: зеленые, красные, красно-розовые. Чаще всего можно наблюдать именно зеленые свечения. Реже наблюдаются фиолетовые или синие огни. Белое сияние бывает чрезвычайно редко.

Во время полярных сияний нередко слышны характерные щелчки, хлопки и другие звуки. Они имеют природное происхождение.

Как появляется полярное сияние

Северное сияние образуется излучением фотонов в верхних областях земной атмосферы, на высоте 80 км и выше. Под воздействием ионов, протонов, электронов молекулы и атомы газов (главным образом азота и кислорода) переходят в измененное состояние. Когда же атом либо молекула возвращаются в основное состояние, происходит излучение кванта света. Разные атомы дают различный свет при переходе в возбужденное или обычное состояние. Так, кислород светится зеленым или багровым цветом, азот – синим или красным.

Под воздействием ряда факторов ширина свечения может составлять 160 км. Длина же сияния может превышать полторы тысячи километров.

Значение кислорода для образования полярного сияния

Кислород может переходить из возбужденного в основное состояние всего за 0,75 сек. Этот газ излучает зеленый цвет в течение двух минут, после чего оттенок изменяется на красный. При столкновении с другими атомами происходит поглощение энергии, в результате чего свечение прекращается.

В верхних слоях атмосферы количество кислорода меньше, чем у поверхности. Поэтому описанные столкновения редки. Этим объясняется появление красивого красного излучения.

По мере уменьшения высоты плотность воздуха увеличивается. Учащение столкновений между атомами способствует прекращению красного свечения атмосферы. Ближе к поверхности прекращают образовываться и зеленые лучи.

Роль солнечного ветра и магнитного поля

Земля все время взаимодействует с солнечным ветром – потоком электронов и положительно заряженных ионов. Эти частицы испускаются Солнцем во всех направлениях. Скорость их движения – примерно 400 километров в секунду, напряжение магнитного поля – от 2 до 5 нанотесла, а плотность ионов – примерно 5 на кубический сантиметр.

Во время магнитных возмущений потоки заряженных частиц значительно усиливаются. Из-за этого многократно усиливается напряженность межпланетного поля.

Под влиянием заряженных частиц и магнитного поля Земли формируется земная магнитосфера. Она отклоняет эти потоки примерно на 70 тыс. км. Ширина магнитосферы составляет около 190 тыс. км. На ночной стороне шлейф распространяется на большее расстояние, превышающее 200 земных радиусов (более 1,2 млн км).

Плазменный поток в магнитосфере увеличивается с ростом плотности и турбулентности солнечного ветра. Магнитосферные потоки плазмы сталкиваются с магнитным полем нашей планеты перпендикулярно. Отдельные плазменные потоки движутся вдоль линий магнитного поля и постепенно теряют энергию. Это и способствует свечению атмосферы.

Сияние
Как образуются полярные сияния

Влияние активности Солнца

Связь между северным сиянием и активностью Солнца была замечена еще в 80-х гг. 19 века. Дальнейшие исследования показали, что заряженные частицы солнечного ветра перехватываются земной магнитосферой, сталкиваются с молекулами газов.

Температура солнечной короны достигает нескольких миллионов градусов. При этом происходят разнообразные столкновения между ионами. Свободные заряженные частицы на большой скорости вырываются из атмосферы Солнца и улетучиваются. В пространстве около Земли эти частицы отклоняются магнитным полем.

Земное магнитное поле наиболее слабо на полюсах и в околополярной зоне. Из-за этого заряженные частицы проникают в атмосферу и сталкиваются именно в высоких широтах. Столкновения способствуют образованию квантов света, которые мы и видим, как полярное сияние.

Виды северного сияния

Для оценки типа свечений ученые чаще всего пользуются терминами «диффузное» и «точечное» сияние.

Диффузное

Это «спокойное» сияние без четких границ, в виде пятен или вуали. Светящиеся элементы могут быть похожи на освещенные лунным светом облака. Иногда рассеянный свет может занимать большую часть неба. В отдельных случаях ночных огней может быть не видно.

Диффузное сияние
Диффузное полярное сияние

Точечное сияние

Точечные сияния отличаются по яркости – от едва заметных до ярких. Такие авроры можно видеть только в условиях глубокой ночи.

Дискретное сияние
Точечное полярное сияние

Наиболее подходящее время и место для наблюдения за полярным сиянием

Полярные сияния видны и в Северном, и в Южном полушарии, в виде овала неправильной формы. Его центр располагается над магнитным полюсом. Интересно, что полярные огни на Южном полюсе являются зеркальным отображением такого же явления на Северном. Зоны, благоприятствующие максимальной видимости полярных сияний, называются авроральными овалами. Они расположены между 67 – 70 градусами широты. В период максимума солнечной активности овал на севере и юге значительно расширяется, и атмосферное свечение видно на более низких широтах – вплоть до 45 градусов и даже ниже.

Полярное сияние в Антарктиде видно точно так же, как и в Арктике.

В Антарктике
Полярное сияние в Антарктиде

Наиболее удобное место для наблюдений за северными сияниями – это области земного шара, находящиеся севернее или южнее соответствующих полярных кругов. Также северное полярное сияние доступно наблюдателям южной части Гренландии. Южное сияние видно вокруг Антарктиды.

Указанное природное явление является циклическим. Его интенсивность совпадает с циклом активности Солнца. Самая высокая вероятность увидеть свечение атмосферы зимой. Этому способствует короткий световой день и длинные ночи. Лучшая видимость сияний – около полуночи.

Полярное сияние бывает в любой сезон. Его появление зависит от интенсивности солнечных бурь.

В каких странах наблюдают северное сияние

Северное сияние видимо в:

  • США (штат Аляска);
  • Канаде;
  • Норвегии (наиболее отчетливо – на острове Шпицберген);
  • Швеции;
  • Шотландии (весной);
  • Финляндии;
  • России;
  • Исландии.

Самые большие российские города, где можно регулярно наблюдать полярные сияния – это Мурманск и Норильск.

Звуки, генерируемые сияниями

Иногда полярное сияние может генерировать звуки, похожие на хлопки, треск. В течение продолжительного времени ученые ставили под сомнение реалистичность таких звуков: их было трудно зафиксировать и описать с точки зрения науки. Тем не менее, финским исследователям удалось записать звуки, издаваемые северными сияниями.

Астрономы также утверждают, что звуки образуются на высоте примерно 70 метров над поверхностью Земли. Они формируются в результате взаимодействия ионов и электронов с атомами атмосферных газов.

Астрономы, работающие в Университете Аляски и изучающие полярные сияния, отмечают, что звуки от полярных сияний чрезвычайно редки. Очень малому количеству людей когда-либо удавалось их услышать. Такие звуки могут появляться только в годы наиболее высокой солнечной активности. Для наблюдения за ними нужно, чтобы ночь была ясной и безветренной, а вблизи не было бы источников шума.

Как часто происходит северное сияние

Весной и осенью сияния наблюдаются гораздо чаще, чем зимой и летом. Самая высокая частота этого явления – в периоды весеннего или осеннего равноденствия. Сияние севера появляется на небе с нерегулярной частотой.

Примерно раз в 11 лет частота возникновения атмосферного свечения резко возрастает. Это связано с пиком активности Солнца. ­

Что влияет на яркость и оттенки северного сияния

Цвет атмосферного свечения зависит от молекул газа, сталкивающихся с частицами солнечного ветра.

  1. Зеленый цвет возникает в результате излучения атомарного кислорода на высоте от 80 до 150 км, реже – молекул азота.
  2. Красный цвет – это результат излучения молекул азота, атомов кислорода на высотах от 150 до 400 км, и в незначительной степени – атомов водорода.
  3. Желтый оттенок появляется в результате процесса ионизации кислорода, а также комбинации красного и зеленого свечения.
  4. Синий цвет является результатом излучения атомов азота на высотах от 140 до 160 км. Это явление встречается сравнительно редко.
  5. Фиолетовый цвет возникает как следствие излучение молекул азота на высотах менее 120 км.
  6. Розовый оттенок появляется от смешивания красного и зеленого цветов.

Интенсивность свечения зависит от активности Солнца. Она оценивается по следующей шкале.

  1. 1 балл имеет свечение, приближенное по яркости к Млечному пути.
  2. 2 балла – это свет, исходящий от Луны, закрытой перистыми облаками.
  3. 3 балла – это свечение, похожее по яркости на свет Луны, скрытой кучевыми облаками.
  4. Наивысшая яркость равна свету полной Луны, видимой в ясную ночь.

Искусственные северные сияния

После экспериментов Министерства обороны США с ядерными взрывами в конце 1950-х гг. появилось свечение атмосферы, похожее на полярное. Эти испытания проводились с целью изучения магнитного поля Земли.

Свечение в виде дуги малинового цвета было замечено в начале августа 1958 г. на Гавайях и в акватории о. Апиа после ядерных взрывов на высоте 400 км над поверхностью Земли. Подобное явление было замечено в начале осени того же года в Атлантическом океане после ядерных взрывов, проведенных в ходе операции «Аргус». Взрывы прогремели на высоте сотен километров над поверхностью Земли. Тогда же свечение красного цвета было замечено на Азорских островах.

starfish
Полярное сияние, образованное в результате взрыва ядерной боеголовки

Проведенные эксперименты показывают, что ядерные взрывы, произведенные на высоте нескольких десятков километров над земной поверхностью, приводили к возмущениям в магнитном поле и вызывали поток заряженных частиц. Искусственные полярные сияния провоцировались потоками электронов, которые образовывались в момент атомного взрыва после бета-распада.

Электроны, двигаясь по касательной к земному магнитному полю, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, вызывали свечение в верхних атмосферных слоях. Этот механизм дал ученым понять, как образуются полярные сияния.

Свечение верхних атмосферных слоев может быть вызвано выбросами натрия и калия из ракетных двигателей. Это – искусственное сияние, в отличие от полярного сияния такого же происхождения.

История изучения

Долгое время ученые не могли узнать, почему возникает северное сияние. Одним из первых в истории наблюдения за полярным сиянием документировались Джеймсом Куком. Тогда же ученые узнали, что красочное явление природы может наблюдаться на двух полюсах одновременно.

В то время высказывались такие гипотезы относительно появления северного сияния:

  • небесное свечение возникает в результате гниения рыбы, которая выбрасывалась на побережье из морских глубин;
  • северное сияние появляется, если некая «зодиакальная материя» проникает в верхние слои атмосферы.

Наиболее правдивую гипотезу предложил английский астроном Эдмунд Галлей. Он предполагал, что свечение атмосферы вызывает некая «магнитная жидкость».

Первым, кто смог научно объяснить происхождение полярного сияния, был выдающийся русский ученый Михаил Ломоносов. Путем научных экспериментов в лаборатории он воссоздал те процессы, которые происходят в атмосфере. Ученый выкачал из стеклянного шара воздух и пропускал через него разряды электричества. В нем возникали огни, которые напоминали те, которые появляются на небе. Также ученому удалось доказать, что каждый вид газа дает сияние разного цвета.

Эксперимент
Ученым из NASA удалось воспроизвести полярное сияние в лабораторных условиях

Эта теория находила дальнейшее развитие, и ученые вскоре установили, что сияние Cевера имеет электрическую природу. Также была установлена связь между частотой этого природного явления и магнитными бурями.

Благодаря развитию современной физики и космических технологий, было дано наиболее точное определение рассматриваемого явления природы.

Северное сияние: легенды и мифы

Не зная, что такое полярное сияние, разные народы издавна приписывали ему мистическое, сверхъестественное происхождение. К примеру, некоторые народы, проживающие на территории Крайнего Севера, и до сегодняшнего дня верят в то, что это так радуются боги. Некоторые же наоборот, считали, что северное сияние – это предвестник беды.

В норвежской мифологии присутствуют повествования о том, что существует некий радужный мост, по которому боги сходят на землю. В определенный период времени он становится видимым для людей. Другие мифы рассказывают о том, что сияние исходит из рук валькирий. От их доспехов образуются самые причудливые линии и узоры.

Древняя финская мифология рассказывает о реке Ружу. Когда она горит, на небе появляется причудливое сияние. Оно разделяет мир живых и мертвых. Существуют легенды, в которых полярные огни называются «лисьими». Они рассказывают о лисе, которая взмахом хвоста разметала в небесах звездную пыль и поднимала яркие вспышки света.

Эскимосы и до сегодняшнего дня верят, что полярное сияние можно вызвать. Для этого следует всего лишь посвистеть. «Убрать» же небесный огонь можно хлопком в ладоши.

Эскимосы Аляски опасались появления сияния, так как оно, по их мнению, приносит только одни беды и несчастья. Перед тем, как выйти на улицу, следовало взять с собой оружие. Если же долго наблюдать за свечением, то можно вызвать помешательство и даже душевную болезнь. Северные жители верили в то, что во время сияний души умерших предков открывают окна своих жилищ в поисках новых жителей.

Полярное сияние – это интереснейшее явление в природе, завораживающее своей невероятной красотой. Это единственное заметное для невооруженного глаза действие солнечной радиации на земную атмосферу и на околоземное пространство. Исследования полярных сияний помогут поглубже узнать особенности магнитосферы Земли, будущее магнитных полюсов и узнать, как будут в будущем изменяться силовые линии земного магнитного поля.

Денисов О. В.

Кандидат физико-математических наук

Оцените автора
Mirax
Добавить комментарий

Adblock
detector