Полярные сияния, свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное взаимодействием атомов и молекул на высотах 90—1000 км с заряженными частицами больших энергий (электронами и протонами), вторгающимися в земную атмосферу из космоса. Соударения частиц с составляющими верхней атмосферы (кислородом и азотом) приводят к возбуждению последних, т. е. к переходу в состояние с более высокой энергией. Возврат в начальное, равновесное состояние происходит путём излучения квантов света характерных длин волн, т. е. Полярные сияния

  Упоминания о Полярные сияния можно найти ещё в классической греческой и римской литературе. М. В. Ломоносов первый предположил электрическую природу свечения. Первые карты изохазм (линий равной частоты появления Полярные сияния), указывающие на существование областей на поверхности Земли, где Полярные сияния появляются наиболее часто, были составлены в 1860—73 Э. Лумисом (США) и Г. Фрицем (Австрия) для Северного полушария и в 1939 Ф. Уайтом и М. Геддесом (Новая Зеландия) — для Южного. Изохазмы в каждом полушарии представляют собой несколько деформированные концентрические окружности с центрами вблизи геомагнитных полюсов. Зона Полярные сияния располагается на 23° от полюсов. Наблюдения последнего десятилетия показали, что свечение обычно появляется вдоль овала Полярные сияния (Я. И. Фельдштейн, О. В. Хорошева, 1960—1963), центр которого (рис. 1) смещен на 3° от полюса вдоль полуночного меридиана. Радиус овала около 20°, так что около полуночи овал совпадает с зоной Полярные сияния, а в остальные часы располагается в более высоких широтах.

Рис. 1. Овалы полярных сияний над поверхностью Земли: а — в виде узкого кольца в магнитно-спокойные периоды и б — в виде заштрихованной области в магнитно-возмущённые периоды. Цифрами указаны высоты овала над поверхностью Земли.

  В конце 19 — начале 20 вв. норвежские учёные К. Биркеланн и К. Стёрмер высказали и развили идеи о солнечном происхождении частиц, вызывающих Полярные сияния Последующие исследования показали, что как частота появления, так и интенсивность Полярные сияния, особенно в средних широтах, явно коррелируют с активностью Солнца. Полярные сияния имеют удивительно разнообразные формы сияний и ситуаций. Однако каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накладывающихся друг на друга элементарных форм сияний, которые в первом приближении можно подразделить на: однородные дуги и полосы (рис. 2, а, б), тянущиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии; лучистые формы со значительной вертикальной протяжённостью (рис. 2, б, в, г); диффузные и неправильные пятна (рис. 2, д); большие однородные диффузные поверхности. Пространственно Полярные сияния во многих случаях располагаются вдоль геомагнитных силовых линий. Средняя толщина лучистых форм ~ 200 м и уменьшается с увеличением яркости.

Рис. 2б. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Однородная и лучистая полосы.

Рис. 2а. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Однородная полоса.

Рис. 2г. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Корона.

Рис. 2в. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Лучистая полоса.

Рис. 2д. Фотография полярных сияний различных форм и структур. Диффузное однородное пятно.

  Исследование спектра Полярные сияния было начато А. Ангстремом в 1869. В 1924 Дж. Мак-Леннан и Г. Шрам (Великобритания) показали, что зелёная линия с длиной волны l = 5577  излучается атомарным кислородом. Атомарный кислород образует также линии красного дублета 6300—6364  на высоте 200—400 км (сияния типа А). Состояния, соответствующие этим излучениям, являются метастабильными, и время жизни возбуждённых атомов 0,74 и 110 сек. Начиная с 50-х гг. 20 в. спектр Полярные сияния исследовался в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Помимо атомарных линий, спектр Полярные сияния состоит из систем полос нейтрального и ионизованного молекулярного азота и кислорода. Излучение с l = 3914  ионизованного азота наряду с l = 5577  является самым ярким в видимой части спектра от 3800 до 7000 . Поскольку максимальная спектральная чувствительность человеческого глаза приходится на l ~ 5550 , то Полярные сияния кажутся нам в большинстве случаев бледно-зелёными. Некоторые Полярные сияния характеризуются пурпурно-красной границей вследствие излучения полос нейтрального молекулярного азота. Полярные сияния с развитыми системами молекулярных полос относятся к типу В.

Вторжения протонов с энергиями 10—100 кэв приводят к появлению в спектре Полярные сияния линий Бальмера серии (Л. Вегард, Норвегия, 1939; А. Б. Мейнел, США, 1950). Наиболее интенсивна линия Н_a с l = 6563 . Водородные линии отличаются от других тем, что они существенно расширены и при наблюдениях в направлении зенита оказываются смещенными в область более коротких волн. Это доплеровское смещение (см. Доплера эффект) водородных линий было первым доказательством того, что излучение Полярные сияния, хотя бы частично, обусловлено вхождением в земную атмосферу потоков заряженных частиц. Свечение, связанное с протонами, имеет вид протяжённой в несколько сот км по широте и несколько тысяч по долготе слабой полосы. В Полярные сияния иногда наблюдаются спектральные линии гелия.

  Спектр Полярные сияния меняется с широтой. В средних широтах обычно преобладают красные сияния типа А, на широтах зоны Полярные сияния — сияния типа В, а в полярной шапке — сияния типа А. В приполюсной области после интенсивных хромосферных вспышек на Солнце возникает равномерное «свечение полярной шапки» с l = 3914 , которое обусловлено непосредственным вхождением солнечных протонов с энергией 1—100 Мэв, проникающих до высот 20—100 км. Интенсивность Полярные сияния измеряется в т. н. международных коэффициентах яркости (IBC) или в баллах. Установлено 4 балла, отличающихся по яркости на порядок: Полярные сияния I балла равно яркости Млечного Пути и соответствует излучению 10²квантов/см²×сек с l = 5577 , или 1 крэлею, а IV — полной Луне, т. е. излучает 10¹²квантов/см²×сек с l = 5577 , т. е. 1000 крэлеев.

Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих Полярные сияния, есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становится асимметричной, вытягиваясь в антисолнечном направлении (рис. 3). Полярные сияния на ночной стороне Земли связаны с процессами в плазменном слое магнитосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3—5 радиусов Земли образуется кольцевой ток протонов. Магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы, и Полярные сияния наблюдаются значительно ближе к экватору, чем район их обычного существования. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями (дневной касп). Последовательность форм Полярные сияния и их движений находится в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, — магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Возвращение в состояние с меньшей энергией носит взрывной характер и сопровождается высвобождением за 1 ч энергии ~ 10²²эрг, что вызывает свечение атмосферы — т. н. авроральную суббурю.

: 1 — полуденная северная граница овала; 2 — полуденная южная граница овала; 3 — полуночная северная граница плазменного слоя; 4 — полуночная северная граница овала; 5 — полуночная южная граница овала и внутренняя граница плазменного слоя; 6 — Дрейфующие во внутренней магнитосфере электроны из плазменного слоя хвоста. Полярные сияния." alt="Рис. 3. Структура магнитосферы и овал полярных сияний. Магнитосфера разрезана по меридиану полдень — полночь и в плоскости геомагнитного экватора (толстые линии): 1 — полуденная северная граница овала; 2 — полуденная южная граница овала; 3 — полуночная северная граница плазменного слоя; 4 — полуночная северная граница овала; 5 — полуночная южная граница овала и внутренняя граница плазменного слоя; 6 — Дрейфующие во внутренней магнитосфере электроны из плазменного слоя хвоста."

Рис. 3. Структура магнитосферы и овал полярных сияний. Магнитосфера разрезана по меридиану полдень — полночь и в плоскости геомагнитного экватора (толстые линии): 1 — полуденная северная граница овала; 2 — полуденная южная граница овала; 3 — полуночная северная граница плазменного слоя; 4 — полуночная северная граница овала; 5 — полуночная южная граница овала и внутренняя граница плазменного слоя; 6 — Дрейфующие во внутренней магнитосфере электроны из плазменного слоя хвоста.

  При взаимодействии быстрых электронов с атомами и молекулами атмосферы образуются рентгеновские лучи как тормозное излучение электронов. Тормозное излучение гораздо более проникающее, чем частицы, поэтому оно достигает высот 30—40 км. Полярные сияния испускают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 сек, которые сопровождаются колебаниями атмосферного давления с амплитудой от 1 до 10 дин/см².

Изучение Полярные сияния имеет два существенно различных аспекта. Во-первых, оптическое излучение, являясь одним из конечных результатов процессов в пространстве между Землёй и Солнцем, может служить источником информации о процессах в околоземном космическом пространстве, в частности для диагностики магнитосферы. Во-вторых, по данным об оптическом излучении можно судить о воздействии первичного потока частиц на ионосферу. Такие исследования необходимы в связи с проблемой распространения радиоволн и др. явлениями в радиодиапазоне [появлением спорадических слоев Е, рассеянием радиоволн, возникновением ОНЧ-излучения (см. Радиоволны) и радиошумов]. Наблюдения Полярные сияния с использованием телевизионной техники позволили установить сопряженность Полярные сияния в двух полушариях, исследовать быстрые изменения и тонкую структуру Полярные сияния Не все проблемы, связанные с Полярные сияния, могут быть решены наземными средствами или наблюдениями естественных Полярные сияния Появление спутников и ракет позволило проводить изучение Полярные сияния в тесной связи с исследованиями околоземного космического пространства и ставить прямые эксперименты во внешней атмосфере Земли и межпланетном пространстве. Так, США в 1969, СССР в 1973 и СССР совместно с Францией в 1975 провели эксперименты по созданию искусственных Полярные сияния, во время которых с ракеты на высоте в несколько сот км инжектировался в атмосферу пучок электронов высоких энергий. Проведение контролируемых экспериментов совместно с наземными наблюдениями открывает новые пути в исследовании Полярные сияния и процессов в верхней атмосфере. В 1971—1972 измерения интенсивности отдельных эмиссий и фотографирование Полярные сияния начато из космоса со спутников на полярных орбитах, что позволяет получать распределение свечения во всей области высоких широт за несколько минут.

 

  Лит.: Исаев С. И., Путков Н. В., Полярные сияния, М., 1958; Красовский В. И., Некоторые результаты исследований полярных сияний и излучения ночного неба во время МГГ и МГС, «Успехи физических наук», 1961, т. 75, в. 3; Чемберлен Дж., Физика полярных сияний и излучения атмосферы, пер. с англ., М., 1963; Акасофу С. И,, Полярные и магнитосферные суббури, пер. с англ., М., 19712 Исаев С. И., Пудовкин М. И., Полярные сияния и процессы в магнитосфере-Земли, Л., 1972; Омхольт А., Полярные сияния, пер. с англ., М., 1974; Stőrmer С., The polar aurora, Oxf., 1955; International Auroral atlas, Edinburgh, 1963.

  Я. И. Фельдштейн.