Полярное сияние (северное сияние) — свечение верхних слоёв атмосферы планеты, обладающих магнитосферой, вследствии их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра. Это потрясающее по красоте, захватывающее дух зрелище. Оно может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток.
При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон. оно выглядит как сияющая занавеска, переливающаяся сине — зелеными огнями с вкраплениями розового и красного. Эти цветные ленты имеют ширину до 160 километров, а длину до 1600 километров.
Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли . Эти зоны называют авроральнмих овалами и диаметр их составляет примерно 3000 километров во время спокойного Солнца. Однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться и в более низких широтах.
Чтобы понять природу полярного сияния, сначала вспомним, что такое Солнце. Солнце — это раскаленный газовый шар, состоящий из атомов водорода и гелия. В ядре этих атомов находятся частицы, которые называются протонами. Вокруг протонов вращаются другие частицы. Они называются электронами. Протоны несут единичный положительный заряд, электроны — отрицательный. Облако сверхгорячего газа, окутывающее Солнце (солнечная корона), постоянно выбрасывает в пространство во всех направлениях частицы и осколки атомов. Эти кусочки летят в космосе со скоростью 960 километров в секунду. Такие потоки называются солнечным ветром. Иногда корона буквально взрывается вихрем частиц, добавляя новые раскаленные порции к солнечному ветру.
Когда солнечный ветер достигает Земли, его частицы попадают в ее магнитное поле. Силовые линии этого магнитного поля проходят в космическом пространстве, а сходятся у Северного и Южного полюсов Земли. Ведь Земля — это гигантский магнит. Магнитное притяжение Земли как бы засасывает пролетающие мимо нее заряженные частицы. Эти притянутые частицы движутся в виде длинных «лучей» вдоль силовых линий магнитного поля, которые уходят под землю в области магнитных полюсов. Эти полюса находятся вблизи Северного и Южного полюсов Земли, хотя и не совпадают с ними. Летящие вдоль силовых невидимых линий частицы «бесцеремонно затаскиваются» в атмосферу вблизи полюсов. И тут-то все и начинается.
При столкновении энергетических частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. При этом некоторые из атомов теряют часть своих электронов, а другие — «возбуждаются», получая дополнительную энергию. Когда атом «успокаивается» после столь бурной атаки, то есть возвращается в нормальное энергетическое состояние, он испускает световой фотон.
Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота. Молекулы азота при столкновении обычно теряют электроны. В связи с этим они люминесцируют синий и фиолетовый свет. Если же молекула азота возбуждается без потери электрона, то происходит испускание лучей красной части спектра. При столкновении солнечного ветра с молекулами кислорода, потери электронов не происходит. Молекула возбуждается, а затем испускает кванты зеленого и красного света.
Красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 километров, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте ~110 километров. Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям.
Ответ на вопрос, что же это такое, первым нашел Михаил Ломоносов. Проведя бесчисленное количество опытов, он высказал предположение об электрической природе этого явления. Ученые, продолжившие изучение этого феномена, на основе опытов подтвердили правильность его гипотезы. Они заполняли полые трубки азотом, неоном, водородом, аргоном и другими разреженными газами, пропуская через них электрический ток. Каждый газ светился (люминесцировал) по-разному. Затем было установлено, что свечение разреженных газов происходит в верхней части атмосферы — ионосфере (на высоте от 80 до 1 000 километров). Также была выявлена тесная связь с активностью деятельности Солнца — чем активнее Солнце, тем северное сияние охватывает большее пространство небесного свода. Особенно сильным это явление бывает в период максимума 11-летнего цикла солнечной активности. Каждое явление обладает своей неповторимой гаммой. Это обусловлено непостоянством химического состава атмосферы и погодных факторов.
Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии. Так, за одно из зарегистрированных в 2007 году возмущений выделилось 5·1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.
На Северном полюсе полярное сияние бывает почти каждую ночь, в Скандинавии и Северной Америке — от 20 до 200 раз в году. Пять — десять раз в году северное сияние бывает на широтах Парижа и Лондона. Один раз северное сияние наблюдали даже в Мехико.
Наблюдают за полярными сияниями и из космоса, где, помимо всего прочего, нет искажающего влияния нижних плотных слоев атмосферы. Наблюдения с пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций дали богатый материал о пространственном расположении сияний, их изменении во времени и о многих особенностях этого явления. Более того, космические аппараты позволили выполнять измерения внутри полярного сияния. Таким способом можно наблюдать сияния и на дневной стороне Земли.
Полярное сияние происходит не только на Земле. С помощью космического телескопа «Хаббл» можно наблюдать полярные сияния планет-гигантов Солнечной системы — Сатурна, Юпитера. Магнитные поля этих планет значительно сильнее магнитного поля Земли, что обусловливает больший масштаб полярных сияний этих планет по сравнению с полярными сияниями Земли. Благодаря высокому содержанию водорода в их атмосферах, излучению ионизированного водорода в ультрафиолетовом диапазоне и невысокому значению рассеивающей способности их поверхности, получены достаточно четкие изображения полярного сияния Сатурна и Юпитера.
Источники:
http://www.voprosy-kak-i-pochemu.ru
http://ru.wikipedia.org
http://lifeglobe.net