Учеба  ->  Высшее образование  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Что такое полярное сияние

Полярные сияния - одно из самых красивых световых явлений в природе, поэтому они привлекали внимание человека на протяжении всей его истории. Упоминания о полярных сияниях можно найти в трудах Аристотеля, Плиния, Сенеки и других древних философов. Долгое время полярные сияния рассматривали как предвестники катастроф - эпидемий, голода и войн. Например, это явление связали с падением Иерусалима и смертью Юлия Цезаря. Во всяком случае, в этом видели проявление гнева богов или других сверхъестественных сил. Люди, проживающие в местах, где полярное сияние не редкость, старались объяснить его появление естественным путем. Например, высказывались предположения о том, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда.

О красоте полярных сияний слагают стихи.

Ах, как играет этот Север!

Ах, как пылает надо мной

Разнообразных радуг веер

В его короне ледяной!

Ему, наверно, по натуре

Холодной страсти красота,

Усилием магнитной бури

Преображенная в цвета.

М. А. Дудин

СЕВЕРНОЕ СИЯНИЕ

То вдруг вспыхнет заревом багряным,

Как пожар или гигантский горн,

То опустит стрелы к океану,

Словно точит их на гребнях волн,

То бледно-зеленой полосою

С алыми оттенками зари

Пробежит над черною волною

И за дальней сопкою сгорит,

То, цветами радуги играя,

Звезды одевает в кружева

Красотища у него такая,

Что ее не выразят слова!

В. Жураковский

С этим замечательным явлением, разыгрывающимся временами на ночном небе, хорошо знакомы жители северных областей нашей Родины, где и расположен мой город Мурманск. Я сама наблюдала, как высоко в небе возникает небольшое светящееся пятно. Оно растет, разливается по небу, становится все ярче и ярче. Светлеет ночь. На темном небе полярной ночи загораются разноцветные переливающиеся дуги, красные, оранжевые, розовые. Вспыхивают пучки ярких, дрожащих лучей. В воздухе как бы висят переливающиеся цветами радуги огромные колыхающиеся занавеси. Мне захотелось более подробно изучить это явление с точки зрения физики.

2. Первый учёный, изучивший природу полярного сияния   

Начало изучению полярных сияний положил великий русский ученый М. В. Ломоносов, высказавший мнение, что причиной этого явления служат электрические разряды в разреженном воздухе.

Наблюдая полярные сияния, Ломоносов определил высоту, на которой происходит это замечательное явление. “Северное сияние нарочито порядочное. — писал он в одном из своих сочинений, — приметил я здесь в С. -Петербурге и сколько возможно было смерил. ”. Ломоносов нашёл, что нижний край наблюдаемого полярного сияния находится примерно на высоте 150 километров от земной поверхности. Таким образом, было установлено, что явления полярного сияния происходят в высоких разреженных слоях атмосферы.

Ломоносов первый предположил, что причиной полярных сияний служат электрические разряды, происходящие в разреженных слоях воздуха (электрическая природа свечения). Ещё раньше, изучая проявления электричества, он нашёл, что в разреженном воздухе можно при известных условиях наблюдать электрическое свечение. Такое свечение Ломоносов называл “электрическим светом третьего рода”. Из этих опытов Ломоносов сделал смелое предположение: “. весьма вероятно, — писал он, — что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезания, движения, цвету и виду, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются”.

3. Природа и происхождение полярных сияний

Природа и  происхождение полярных сияний — предмет интенсивных исследований.

Наше Солнце — это огромный раскалённый газовый шар. В его глубинах протекают различные процессы, связанные с превращениями ядер химических элементов, главным образом с превращением водорода в гелий. В результате этих процессов и выделяется та огромная тепловая энергия, которая даёт жизнь нашей планете. При этих процессах рождаются также мощные потоки электронов; они выбрасываются Солнцем в окружающее пространство с очень большой скоростью.

Наш земной шар представляет собою огромный магнит. Как и всякий другой магнит, он окружён магнитным силовым полем. Магнитные полюсы Земли не совпадают с соответствующими географическими полюсами. Новейшие исследования геомагнитного поля показали, что оно имеет сложную структуру. Оказалось, что на геомагнитное поле существенно влияет солнечный ветер. Действительная картина силовых линий геомагнитного поля показана на рисунке. Солнечный ветер как бы поджимает поле с дневной стороны, при этом на ночной стороне линии поля оказываются отброшенными далеко от Земли, образуя длинный «хвост».

Интересно, что уже в прошлые века была подмечена связь между магнитным полем Земли и полярными сияниями. Поморы, жившие на берегах северных морей, знали, что во время полярных сияний стрелка компаса начинает метаться. «На пазорях компас дурит», — говорили они.

Магнитное поле Земли влияет на поток электрически заряженных частиц, идущий от Солнца. На движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля Земли действует сила Лоренца. В зависимости от угла, под которым влетает частица в магнитное поле, от её заряда траектории движения могут быть различны.

Если магнитное поле однородно и частица влетает перпендикулярно силовым линиям поля, то она совершает движение по окружности вокруг силовых линий поля в направлении, обратном по отношению к направлению движения положительно заряженной частицы. Если смотреть навстречу силовым линиям поля, то положительно заряженная частица совершает поворот по часовой стрелке, а отрицательно заряженная — против часовой стрелки.

Если частица влетает в магнитное поле под углом не равным 90, то частица будет двигаться в однородном магнитном поле по спиральной траектории, которая как бы намотана на силовые линии поля.

Если магнитное поле Земли неоднородно, то заряженная частица будет описывать спиральную траекторию вокруг силовых линий. Но в отличие от однородного поля, спираль эта обладает двумя особенностями. Во-первых, по мере перемещения частицы вдоль силовой линии радиус спирали теперь не остается неизменным. Если частица, перемещаясь, попадает в область более сильного поля, то ее гирорадиус уменьшается; при перемещении же частицы в направлении, в котором поле ослабевает, ее гирорадиус возрастает. Во-вторых, изменяется также и шаг спирали.

Под действием этого поля поток электронов отклоняется к магнитным полюсам Земли — северному и южному (именно поэтому полярные сияния и возникают близ полюсов), и вызывает полярные сияния. Свет полярных сияний — это люминесценция. Для люминесценции необходимо, чтобы предварительно в среде накопилась энергия; ее называют энергией возбуждения. Эта энергия затем высвечивается средой — возникает люминесцентный свет. Люминесценцию полярных сияний следует отнести к флуоресценции, когда высвечивание может происходить практически сразу же после получения телом энергии возбуждения — через время порядка всего 10 Флуоресценция полярных сияний — это катодолюминесценция, т. е. возбуждение за счёт энергии пучка электронов, бомбардирующих люминесцирующее вещество. Она вызывается потоками электронов, которые вторгаются в земную атмосферу. Люминесцирующим «экраном» является в данном случае сама атмосфера, или, правильнее сказать, атомы, молекулы и ионы атмосферы.

Так объясняется загадка самого величественного природного явления — полярного сияния.

4. Исследования полярных сияний на Кольском полуострове

Кольский полуостров, Мурман, привлекал внимание исследователей процессов в полярной атмосфере и магнитных явлений с восемнадцатого века.

Начало регулярных геофизических наблюдений на Кольском полуострове (полярных сияний, геомагнитного поля, ионосферы, космических лучей) связано с образованием в Мурманске В 1953г. отделения Научно-исследовательского института земного магнетизма.

Начальником Мурманского отделения НИИЗМа был назначен Исаев Сергей Иванович. Инициатором создания МО НИИЗМа был директор Института Николай Васильевич Пушков - выдающийся организатор науки, человек с широким научным кругозором.

Вскоре обнаружилось, что спектры полярных сияний, получаемые в Мурманске, содержат линии и полосы не только самих полярных сияний, но и городского освещения. Разраставшийся город создавал помехи наблюдениям геомагнитных вариаций. В 1955г. станция была перенесена за город в Лопарскую.

Первые домики в Лопарской были деревянными, щитовыми. В этих домиках жили сотрудники, устанавливались приборы. Строительство шло не без трудностей. Целое лето ушло на то, чтобы довести до необходимого уровня сопротивление заземления силовой подстанции. Закопали в землю большой лист железа, в траншею засыпали несколько машин соли (соль возили из рыбного порта). Непросто было и со строительством линии связи. В конечном счете была налажена и связь - оперативная постоянная связь с Мурманском (МО НИЗМИРом), кроме телефона, осуществлялась также по телетайпу и по радио.

Первые регулярные наблюдения в Лопарской - наблюдения полярных сияний (И. Г. Фришман), вариаций геомагнитного поля (Р. А. Зевакина), космических лучей (Бронислав Коткин).

В 1958г. в НИЗМИРе были созданы установки для измерения поглощения радиоволн в ионосфере (импульсным методом - А1) и дрейфов в ионосфере (методом разнесенного приема - D1). Аппаратура была сконструирована и установлена в Лопарской Ю. В. Кушнеревским и Г. В. Васильевым.

Регулярные наблюдения на этих установках начались в 1958 г. Первые наблюдатели - Т. Якубович, Л. Лобанова, Л. Комина. Тамара Якубович проживает в настоящее время в Мурманске.

Мурманское отделение НИЗМИРа и его обсерватория в Лопарской приняли активное участие в проведении Международного геофизического и года Международного геофизического сотрудничества (1957-1959 гг. ). Данные, полученные в Мурманске и Лопарской, обрабатывались и отправлялись в Мировой центр данных и широко использовались для международного обмена.

В 1953г. в печати появилась работа, в которой описывалось использование космического радиоизлучения для измерения поглощения радиоволн в ионосфере. Метод оказался особенно пригодным для применения в высоких широтах. В 1958-1959 гг. в Лопарской выполнял дипломную работу студент 5-го курса МГУ Б. П. Потапов. Он создал установку, позволявшую измерять поглощение космического радиоизлучения на частоте 31 МГц. Измерения проводились с декабря 1958г. по март 1959г. Результаты этих измерений послужили основой дипломной работы Б. П. Потапова. Статья с анализом полученных результатов была опубликована в 1960г.

В 1963г. в Лопарской появились риометры РП-1-32 (на частоте 32МГц) и РП-1-40 (на 40 МГц), изготовленные заводом Министерства радиопромышленности. В 1964 г началось научное сотрудничество между ПГИ и НИРФИ (Нижний Новгород), в частности с лабораторией Бенедиктова. Сотрудники этой лаборатории подготовили и установили в Лопарской аппаратуру для измерения поглощения в ионосфере космического иоизлучения (А 2. ) на частотах 9, 13 и 25 МГц (В. В. Беликович). Данные наблюдений этим методом на частоте 32 МГц обрабатывались и отправлялись в МЦД (в 1964-1972).

В 1959г. НИЗМИР перешел из Министерства связи в Академию наук и стал называться Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Академии наук СССР (ИЗМИРАНом), соответственно изменилось название Мурманского отделения.

В 1960г. на базе МО ИЗМИРАНа и других академических обсерваторий, расположенных на Кольском полуострове в Лопарской (Института физики атмосферы) и Ловозере (Института физики Земли) было решено образовать Полярный геофизический институт и включить его в состав Кольского филиала АН СССР.

Недавно исполнилось сорок лет со дня создания Полярного геофизического института. Институт один из немногих в мире, нацеленный на изучение комплекса геофизических явлений именно в высоких широтах. Основным предметом наших исследований является физика верхней атмосферы и околоземного космического пространства.

За сорок лет объект исследований практически не изменился, но фантастически расширились наши представления о солнечно-земных связях. Был обнаружен овал полярных сияний, это та зона, где можно наблюдать фантастические авроральные картины, Земля "обрела" магнитосферу; оказалось, что у магнитосферы есть "хвост", который, возможно, отрывается при сильных возмущениях. При участии сотрудников института открыто и объяснено новое природное явление, так называемый эффект Гетманцева. Ряд сотрудников удостоен правительственных наград, работа коллектива под руководством директора института Е. Д. Терещенко в 1998 году удостоена Государственной премии РФ.

В институте более тридцати лет ведутся непрерывные наблюдения на станции космических лучей, которые сегодня в реальном времени представлены в Интернете. Расширяя регион, в котором институт проводит наблюдения, возобновилась работа экспедиции на архипелаге Шпицберген, измерения состава атмосферы проводятся от Мурманска до Кисловодска, ведется непрерывный мониторинг ионосферы от Черного моря до арктических широт.

Исследования ионосферной плазмы и ее динамики, магнитосферных возмущений и вариации космических лучей несомненно имеют фундаментальный характер, однако сегодня практическая деятельность людей настолько тесно связана с околоземным пространством, что задача, скажем, предсказания "космической погоды" выдвигается в ряд важнейших для мирового сообщества.

Сегодня институт работает в тесном контакте с десятками российских и зарубежных научных центров, геофизики имеют большой опыт работы в северных регионах.

5. Связь “солнечных пятен” и полярных сияний

Наукой установлено, что особенно мощные потоки электронов выбрасываются Солнцем из областей так называемых “солнечных пятен”. Связь “солнечных пятен” и полярных сияний на Земле была замечена уже давно. Дело в том, что количество пятен на Солнце, а также площадь, которую они занимают, не одинаковы в разные годы. В отдельные годы число пятен сильно уменьшается, а в другие — значительно возрастает. Замечено, что солнечные пятна бывают особенно многочисленны через каждые одиннадцать лет. Полярные сияния усиливаются и ослабевают также через каждые одиннадцать лет. В годы, когда на Солнце наблюдается наибольшее число пятен, полярные сияния особенно часты и мощны. Убывает число солнечных пятен — и полярные сияния наблюдаются реже.

Виктор Трошенков - создатель и руководитель Мурманского астрономического общества, наблюдая в период с 19 сентября 2003 по 8 апреля 2004 года события на Солнце (гигантские группы пятен на Солнце) провел 55 наблюдений полярных сияний в районе города Мурманска, подтвердив тем самым зависимость появления многочисленных полярных сияний от пятен на Солнце.

6. Форма, яркость и длительность

Полярные сияния имеют весьма разнообразные формы.

Согласно принятой классификации формы полярных сияний делятся на три группы: лентообразные, диффузные и лучи.

К лентообразным относятся дуги и полосы. Они характеризуются непрерывной нижней границей. Дуги имеют вид арки, протянутой с запада на восток с правильным, обычно резко очерченным нижним краем. Часто встречаются мультиплетные дуги с интервалом 30-40 км. Если нижний край сияний неправильный и содержит изгиб или складку, форма сиянии называется полосой. Полоса обычно более подвижна, чем дуга.

Лентообразные сияния простираются в направлении восток- запад на несколько тысяч километров, а по вертикали - на несколько сотен километров. Дуги, например, могут простираться на расстояние до 5-6 тыс. км и более, а поперечные размеры их - до 6°. В редких случаях ширина дуги вдоль меридиана достигает 13-14°. Сама лента имеет толщину всего несколько сотен метров, из чего можно сделать вывод, что сияния такого типа вызываются узким электронным пучком. Ленточные формы часто имеют вид многоярусных занавесей, висящих одна на другой и простирающихся через весь небосвод.

Когда лента становится несколько более активной и подвижной, она образует тончайшие складки толщиной в несколько километров. Такая форма свечения кажется состоящей из отдельных вытянутых струй или лучей света; тогда она называется "лучистой дугой". При повышении активности складки расширяются до нескольких десятков километров.

Когда на большие складки налагается тонкая структура "лучей", то такую форму свечения называют "лучистой полосой".

Диффузные формы сияния могут иметь вид пятен с нечеткими границами, напоминающих облака, освещенные луной, и вид вуали. Вуаль представляет собой протяженное однородное свечение, которое часто покрывает большую часть неба. Пятна возникают обычно в зоне полярных сияний на последней стадии развития явления.

Лучи, узкие пучки света, расположенные в пространстве вдоль силовых линий магнитного поля Земли, подразделяются на три группы (в зависимости от их длины): короткие (яркие у нижнего края и бледнеющие с высотой), средние (одинаковая яркость по всей высоте) и длинные (обычно однородные по яркости, но довольно слабые). Могут наблюдаться пучки лучей, расположенных тесно Друг около друга либо разбросанных. Часто лучи наблюдаются одновременно с другими формами.

Пламенное сияние рассматривалось раньше как самостоятельная форма. Теперь признано, что эта форма является редким видом пульсации, одновременно происходящей на большой площади. Это явление, как известно, протекает в виде волн света, вздымающихся вверх одна за другой. Такое сияние возникает при определенных условиях синхронизации пульсации и движения.

Наиболее эффектная форма - "корона" также является несамостоятельной формой, так как она возникает лишь в случае появления лучей в магнитном зените.

Очень важным элементом новой классификации является описание активности сияния.

Спокойные формы почти не меняются или меняются очень медленно.

Активная форма подвержена быстрым изменениям во времени и пространстве. Активные сияния обычно яркие. Введено четыре группы активности (а1-а4), учитывающие характер движения как внутри самой формы сияния (образование складок вдоль границы, движение лучей, появление новых форм), так и при ее движении в целом.

Активность полярных сияний развивается от спокойных форм, обычно с однородных дуг, затем спокойные формы образуют лучи, и завершается процесс развития облакообразными пятнами. Однако многие формы сияний исчезают, даже не успев разбиться на пятна.

Когда активность сияний спадает, складки исчезают, лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура свечения представляет собой фундаментальное свойство полярных сияний, а складки и спирали связаны с процессом роста активности явления. Основной формой свечения на вечернем небе высоких широт считается однородная спокойная дуга со средней интенсивностью. Распределение интенсивности свечения в дуге наиболее равномерное: более яркое внизу и постепенно исчезающее кверху на фоне свечения неба.

Следующим параметром, характеризующим сияния, является яркость. Яркость визуальных наблюдаемых сияний оценивается международным коэффициентом яркости. При определении яркости учитывается максимальная интенсивность в данной форме. Для самой интенсивной линии полярного сияния (5577 А), принадлежащей атомному кислороду, индекс яркости определяется по международной шкале (табл. 1); за единицу измерения принят релей (R). Новая световая единица введена специально для измерения спектральной интенсивности свечения ночного неба и полярных сияний.

Таблица 1    Международная шкала яркости полярных сияний

Интенсивность Индекс интенсивности Примечание эмиссии 5577 А, kR

0. 1 0 Сияние визуально не фиксируется, может быть обнаружено инструментально

1 I Яркость сравнима с яркостью Млечного пути.

10 II Яркость сравнима с яркостью перистых облаков, освещенных Луной.

100 III Яркость сравнима с яркостью кучевых облаков, освещенных Луной.

1000 IV Яркость много больше III.

Интенсивность свечения в один релей соответствует эмиссии 106 квантов, испускаемых в одну секунду в столбе атмосферы сечением 1 см2:

1R=106 фотонов/ (колонна) см2 сек.

Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

7. Карты изохазм

Первые карты линий равной частоты появления полярных сияний (карты изохазм), указывающие на существование областей на поверхности Земли, где они появляются наиболее часто, были составлены в 1860 – 1873 годах Э. Лумисом (США) и Г. Фрицем (Австрия) для Северного полушария и в 1939 году Ф. Уайтом и М. Геддесом (Новая Зеландия) — для Южного. Изохазмы в каждом полушарии представляют собой несколько деформированные концентрические окружности с центрами вблизи геомагнитных полюсов.

8. Распространение полярных сияний в Северном полушарии изохазмы соответствуют среднему годовому количеству полярных сияний

9. Искусственные полярные сияния

Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Эксперимент позволяет понять причины и механизм явления.

Это удалось сделать и для полярного сияния - создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты. Эксперимент, получивший название "Аракс", начат в 1985 году совместно российскими и французскими исследователями. Название "Аракс" составлено из первых букв французских слов Artificiel polaire aurore - Kergelen - Sogra, которые в переводе означают "искусственное полярное сияние-Кергелен-Согра".

В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряженные точки на поверхности Земли, то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля. Ими были в южном полушарии французский остров Кергелен в Индийском океане и в северном полушарии поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20000 км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили визуально наблюдать это сияние с поверхности Земли. Однако радарные установки четко зарегистрировали его возникновение.

10. Полярные сияния на других планетах солнечной системы

Магнитные поля планет-гигантов Солнечной системы значительно сильнее магнитного поля Земли, что обуславливает больший масштаб полярных сияний этих планет по сравнению с полярными сияниями Земли. Особенностью наблюдений с Земли планет-гигантов является то, что они обращены наблюдателю освещённой Солнцем стороной и в видимом диапазоне их полярные сияния теряются в отражённом солнечном свете. Однако с помощью внеатмосферных телескопов (космический телескоп «Хаббл») получены достаточно чёткие изображения полярных сияний этих планет.

Полярное сияние на Юпитере, снимок в ультрафиолете

Полярное сияние на Сатурне, комбинированный снимок в ультрафиолете и видимом свете

11. Заключение

Проблема полярных сияний оказывается слишком сложной и многоплановой. В настоящее время ещё невозможно не только описать количественно это явление, но даже предсказать заранее многие закономерности предстоящего полярного сияния. Например, до сих пор неясна связь полярных сияний с погодой. Мы северяне хорошо знаем, что полярные сияния чаще наблюдаются в морозные ночи, однако, объяснения этому пока нет.

Полярные сияния сигнализируют о месте и времени воздействия Космоса на земные процессы. Вызывающее их вторжение заряженных частиц влияет на многие стороны нашей жизни. Изменяется содержание озона и электрический потенциал ионосферы, нагрев ионосферной плазмы возбуждает волны в атмосфере. Все это сказывается на погоде. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере начинают течь значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают магнитное поле Земли, что прямо влияет на здоровье многих людей. Таким образом, через полярные сияния и связанные с ними процессы Космос воздействует на окружающую нас природу и ее обитателей. Изучение этого необыкновенно красивого явления природы будет продолжаться еще не один год. Будут еще сделаны новые открытия закономерностей проявления и влияния полярного сияния на процессы, происходящие на Земле.

Таким образом, выбор темы по изучению северного сияния, его видов и особенностей был продиктован желанием узнать как можно больше об этом удивительном и интересном явлении. Много осталось ещё неизвестным, поэтому я буду продолжать изучение полярного сияния!

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)