Полярні сяяння
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Полярні сяяння

Полярні сяяння , свічення верхніх розріджених шарів атмосфери, викликане взаємодією атомів і молекул на висотах 90—1000 км. із зарядженими частками великих енергій (електронами і протонами), що вторгаються в земну атмосферу з космосу. Зіткнення часток із складовими верхньої атмосфери (киснем і азотом) приводять до збудження останніх, тобто до переходу в стан з вищою енергією. Повернення в початкове, рівноважне стан відбувається шляхом випромінювання квантів світла характерних довжин хвиль, тобто П. с.

загрузка...

  Згадки о П. с. можна знайти ще в класичній грецькій і римській літературі. М. В. Ломоносов перший передбачив електричну природу свічення. Перші карти ізохазм (ліній рівної частоти появи П. с.), вказуючі на існування областей на поверхні Землі, де П. с. з'являються найчастіше, були складені в 1860—73 Е. Лумісом (США) і Г. Фріцем (Австрія) для Північної півкулі і в 1939 Ф. Уайтом і М. Геддесом (Нова Зеландія) — для Південного. Ізохазми в кожній півкулі є декілька деформовані концентричні кола з центрами поблизу геомагнітних полюсів. Зона П. с. розташовується на 23° від полюсів. Спостереження останнього десятиліття показали, що свічення зазвичай з'являється уздовж овалу П. с. (Я. І. Фельдштейн, О. Ст Хорошева, 1960—1963), центр якого ( мал. 1 ) зміщений на 3° від полюса уздовж північного меридіана. Радіус овалу біля 20°, так що близько півночі овал збігається із зоною П. с., а в останні години розташовується у вищих широтах.

  В кінці 19 — початку 20 вв.(століття) норвезькі учені К. Біркеланн і К. Стермер висловили і розвинули ідеї про сонячне походження часток, що викликають П. с. Подальші дослідження показали, що як частота появи, так і інтенсивність П. с., особливо в середніх широтах, явно корелюють з активністю Сонця. П. с. мають дивно всілякі форми сяянь і ситуацій. Проте кожну миттєву ситуацію можна розглядати як що складається з різних елементарних форм сяянь, які в першому наближенні можна підрозділити на, що накладаються один на одного: однорідні дуги і смуги ( мал. 2 , а, би) , що тягнуться через весь небозвід у вигляді прямій або зігнутій лінії; променисті форми із значною вертикальною протяжністю ( мал. 2 , би, в, г); дифузні і неправильні плями ( мал. 2 , д) ; великі однорідні дифузні поверхні. Просторово П. с. у багатьох випадках розташовуються уздовж геомагнітних силових ліній. Середня товщина променистих форм ~ 200 м-код і зменшується із збільшенням яскравості.

  Дослідження спектру П. с. було почато А. Ангстремом в 1869. У 1924 Дж. Мак-Леннан і Г. Шрам (Великобританія) показали, що зелена лінія з довжиною хвилі l = 5577  випромінюється атомарним киснем. Атомарний кисень утворює також лінії червоного дублету 6300—6364  на висоті 200—400 км. (сяяння типа А ). Стани, відповідні цим випромінюванням, є метастабільними, і час життя збуджених атомів 0,74 і 110 сек. Починаючи з 50-х рр. 20 ст спектр П. с. досліджувався в інфрачервоній і ультрафіолетовій областях. Окрім атомарних ліній, спектр П. с. складається з систем смуг нейтрального і іонізованного молекулярного азоту і кисню. Випромінювання з l = 3914  іонізованного азоту поряд з l = 5577  є найяскравішим у видимій частині спектру від 3800 до 7000 . Оскільки максимальна спектральна чутливість людського ока доводиться на l ~ 5550, то П. с. здаються нам в більшості випадків блідо-зеленими. Деякі П. с. характеризуються пурпурно-червоним кордоном унаслідок випромінювання смуг нейтрального молекулярного азоту. П. с. з розвиненими системами молекулярних смуг відносяться до типа Ст

  Вторгнення протонів з енергіями 10—100 кев приводять до появи в спектрі П. с. ліній Бальмера серії (Л. Вегард Норвегія, 1939; А. Б. Мейнел, США, 1950). Найбільш інтенсивна лінія Н а з l = 6563 . Водневі лінії відрізняються від інших тим, що вони істотно розширені і при спостереженнях у напрямі зеніту виявляються зміщеними в область коротших хвиль. Це доплеровськоє зсув (див. Доплера ефект ) водневих ліній був першим доказом того, що випромінювання П. с., хоч би частково, обумовлено входженням в земну атмосферу потоків заряджених часток. Свічення, пов'язане з протонами, має вигляд протяжною в декілька сотів км. по широті і декілька тисяч по довготі слабкої смуги. У П. с. інколи спостерігаються спектральні лінії гелію.

  Спектр П. с. міняється з широтою. У середніх широтах зазвичай переважають червоні сяяння типа А, на широтах зони П. с. — сяяння типа В, а в полярній шапці — сяяння типа А. В приполюсної області після інтенсивних спалахів хромосфер на Сонці виникає рівномірне «свічення полярної шапки» з l = 3914, яке обумовлене безпосереднім входженням сонячних протонів з енергією 1—100 Мев, проникаючих до висот 20—100 км. Інтенсивність П. с. вимірюється В т. н. міжнародних коефіцієнтах яскравості (IBC) або в балах. Встановлено 4 бали, що відрізняються по яскравості на порядок: П. с. I балу дорівнює яскравості Молочного Шляху і відповідає випромінюванню 10 2 квантов/см 2 × сік з l = 5577, або 1 крелею, а IV — повній Луне, тобто випромінює 10 12 квантов/см 2 × сік з l = 5577, тобто 1000 крелєєв .

  Вторгнення в атмосферу часток, що викликають П. с., є результат складної взаємодії сонячного вітру з геомагнітним полем. Під дією сонячного вітру магнітосфера стає асиметричною, витягуючись в антисонячному напрямі ( мал. 3 ). П. с. на нічній стороні Землі пов'язані з процесами в плазмовому шарі магнітосфери. Під час магнітних бурь усередині магнітосфери на відстані 3—5 радіусів Землі утворюється кільцем струм протонів. Магнітне поле цього струму деформує силові лінії магнітосфери, і П. с. спостерігаються значно ближче до екватора, чим район їх звичайного існування. На денній стороні Землі плазма сонячного вітру досягає верхніх шарів атмосфери через воронку, утворену силовими лініями, що розходяться (денний касп). Послідовність форм П. с. і їх рухів знаходиться в тісному зв'язку із специфічними явищами, що відбуваються в магнітосфері, — магнітосферичними суббурямі, під час яких магнітосфера приходить в нестійкий стан. Повернення в стан з меншою енергією носить вибуховий характер і супроводиться вивільненням за 1 ч енергії ~ 10 22 ерг, що викликає свічення атмосфери — т.з. авроральную суббурю.

  При взаємодії швидких електронів з атомами і молекулами атмосфери утворюються рентгенівські промені як гальмівне випромінювання електронів. Гальмівне випромінювання набагато більш проникаюче, ніж частки, тому воно досягає висот 30—40 км. П. с. випускають інфразвукові хвилі з періодами від 10 до 100 сік, які супроводяться коливаннями атмосферного тиску з амплітудою від 1 до 10 дін/см 2 .

  Вивчення П. с. має два істотно різних аспекту. По-перше, оптичне випромінювання, будучи одним з кінцевих результатів процесів в просторі між Землею і Сонцем, може служити джерелом інформації про процеси в навколоземному космічному просторі, зокрема для діагностики магнітосфери. По-друге, за даними про оптичне випромінювання можна судити про дію первинного потоку часток на іоносферу. Такі дослідження необхідні у зв'язку з проблемою поширення радіохвиль і ін. явищами в радіодіапазоні [появою спорадичних шарів Е, розсіянням радіохвиль, виникненням ОНЧ-віпромінювання (див. Радіохвилі ) і радіошумів]. Спостереження П. с. з використанням телевізійної техніки дозволили встановити зв'язаність П. с. в двох півкулях, досліджувати швидкі зміни і тонку структуру П. с. Не всі проблеми, зв'язані с П. с., можуть бути вирішені наземними засобами або спостереженнями природних П. с. Поява супутників і ракет дозволила проводити вивчення П. с. в тісному зв'язку з дослідженнями навколоземного космічного простору і ставити прямі експерименти в зовнішній атмосфері Землі і міжпланетному просторі. Так, США в 1969, СРСР в 1973 і СРСР спільно з Францією в 1975 провели експерименти по створенню штучних П. с., під час яких з ракети на висоті в декілька сотів км. інжектіровался в атмосферу пучок електронів високих енергій. Проведення контрольованих експериментів спільне з наземними спостереженнями відкриває нові дороги в дослідженні П. с. і процесів у верхній атмосфері. У 1971—1972 виміри інтенсивності окремих емісій і фотографування П. с. почато з космосу з супутників на полярних орбітах, що дозволяє отримувати розподіл свічення у всій області високих широт за декілька хвилин.

  Літ.: Ісаєв С. І., Путков Н. Ст, Полярні сяяння, М., 1958; Красовський Ст І., Деякі результати досліджень полярних сяянь і випромінювання нічного піднебіння в час МГГ і МГС, «Успіхи фізичних наук», 1961, т. 75, ст 3; Чемберлен Дж., Фізика полярних сяянь і випромінювання атмосфери, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1963; Акасофу С. І,, Полярні і магнітосферичні суббурі, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 19712 Ісаєв С. І., Пудовкин М. І., Полярні сяяння і процеси в Магнітосферу-землі, Л., 1972; Омхольт А., Полярні сяяння, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1974; Stőrmer С., The polar aurora, Oxf., 1955; International Auroral atlas Edinburgh, 1963.

  Я. І. Фельдштейн.

Мал. 2д. Фотографія полярних сяянь різних форм і структур. Дифузна однорідна пляма.

Мал. 2в. Фотографія полярних сяянь різних форм і структур. Промениста смуга.

Мал. 2г. Фотографія полярних сяянь різних форм і структур. Корона.

Мал. 1. Овали полярних сяянь над поверхнею Землі: а — у вигляді вузького кільця в магнітно-спокійні періоди і б — у вигляді заштрихованої області в магнітно-обурені періоди. Цифрами вказані висоти овалу над поверхнею Землі.

Мал. 2а. Фотографія полярних сяянь різних форм і структур. Однорідна смуга.

Мал. 3. Структура магнітосфери і овал полярних сяянь. Магнітосфера розрізає по меридіану полудень — північ і в плоскості геомагнітного екватора (товсті лінії): 1 — полуденний північний кордон овалу; 2 — полуденний південний кордон овалу; 3 — північний північний кордон плазмового шару; 4 — північний північний кордон овалу; 5 — північний південний кордон овалу і внутрішній кордон плазмового шару; 6 — електрони, що Дрейфують у внутрішній магнітосфері, з плазмового шару хвоста.

Мал. 2б. Фотографія полярних сяянь різних форм і структур. Однорідна і промениста смуги.