Северное сияние
Северное сияние (оно же полярное сияние) представляет собой особое природное явление, возникающее вследствие прямого взаимодействия солнечных частиц ветра с верхними слоями атмосфер, включающих в свой состав магнитосферу.
Какова природа полярных сияний?
Возникновение полярных сияний происходит в ограниченных участках верхних атмосферных слоёв и обуславливается попаданием в полярную ионосферу заряженных частиц солнечного ветра. Эти частицы проникают туда через южный и северный полярные каспы (особые области в магнитосферном слое, имеющие вид воронки).
Когда энергичные частицы солнечного ветра сталкиваются с верхними слоями атмосферы, частицы молекул и атомов газов, входящие в состав атмосферы, приходят в резкое возбуждение. В результате этого в видимых человеческому глазу слоях атмосферы возникает люминесцентное свечение, известное, как северное сияние. Спектр северного сияния может различаться в зависимости то состава атмосфер планет. Например, для нашей Земли характерными будут линии излучения в видимом диапазоне возбуждённых атомов и молекул азота и кислорода. А вот у планеты Юпитер самыми яркими будут линии излучения водорода в ультрафиолетовом свете.
Изучая природу северных сияний, нужно учитывать, что процессы ионизации заряженными низкоэнергичными частичками происходят, когда эти самые частицы находятся в конце своего пути. Кроме того, на больших высотах плотность атмосферы значительно меньше, чем в нижних слоях. Такие особенности прямо указывают на то, что полярные сияния могут возникать на разных высотах, в зависимости от характеристик атмосфер планет. К примеру, атмосфера планеты Земля имеет достаточно сложное устройство. Поэтому азот с кислородом могут излучать свечение на высоте около 110 км, а самостоятельно кислород продуцирует красное свечение на высотах от 200 до 400 км. Различный состав атмосфер планет обуславливает и принятие полярными сияниями определённой формы (с нечёткими верхними и резко очерченными нижними границами).
Полярные сияния планеты Земля
Северные сияния Земли возникают преимущественно в высоких широтах, в особых овальных зонах, опоясывающих магнитные полюса планеты и называемых авроральными овалами. В условиях спокойного Солнца диаметр этих овалов составляет около 3000 км. Угол отклонения между границами авроральных овалов и магнитным полюсом на ночной стороне составляет 20-23º, а на дневной стороне – 10-16º. При вычислении широт, в которых случаются северные сияния, нужно учитывать разницу между географическими и магнитными полюсами Земли (она составляет примерно 12º). Из этого следует, что северные сияния могут наблюдаться в широтах 67-70º.
В те периоды, когда Солнце находится в фазе активности, размеры авроральных овалов увеличиваются, что обуславливает появление северных сияний в более низких широтах (отклонение происходит на 20-25º севернее или южнее того места, где они появляются в периоды солнечного покоя). Существует даже место, где полярные сияния случаются регулярно. Это – остров Стюарт, находящийся на 47º параллели. За постоянные свечения в небе этот остров прозвали «Пылающими Небесами».
Выше уже отмечалось, что спектр полярных сияний земли представлен преимущественно излучениями двух главных компонентов атмосферы – азота и кислорода. Причём линии излучения этих элементов могут быть как атомарными, так и молекулярными (с ионизированными или нейтральными молекулами). Наибольшая интенсивность наблюдается у линий излучения молекулярных ионов азота и атомарного кислорода.
Кислород начинает светиться зелёной линией (с продолжительностью свечения 0.74 с) вследствие возбуждения атомных частиц с длиной волн 557,7 нм, или красной линией в результате возбуждения атомов с дуплетной длиной волны – 636,4 и 630 нм (продолжительность свечения составляет 110 с). Излучение красных дуплетных линий происходит обычно на высоте 1500-400 км, где атмосфера имеет малую плотность (что обуславливает низкую скорость гашения возбуждений атомных частиц).
Молекулярные ионизированные частицы азота могут излучать ближний ультрафиолетовый свет (если длина волн возбуждённых атомов составляет 391,4 нм), зелёный свет (при длине волн 522, 8 нм) и фиолетовый свет (при длине волн 427,8 нм). Все эти данные – лишь условность, поскольку оттенки новых полярных сияний могут изменяться под влиянием погодных факторов и изменений в химическом составе атмосферы.
Изменения спектра полярных сияний происходят и при увеличении высоты. В спектре северного сияния могут преобладать различные линии излучения, и в соответствии с этим происходит разделение этого красивого природного явления на два типа:
- Северные сияния типа А, возникающие на очень больших высотах. В них преобладают атомарные линии излучения.
- Северные сияния типа В, появляющиеся на небольшой высоте (около 80-90 км). Преобладающими линиями излучения в них становятся молекулярные. Высокая плотность атмосферы на низких высотах обуславливает быстрое гашение атомарных линий излучения (поэтому их нельзя видеть в полярных сияниях, возникающих в нижних слоях атмосферы).
Замечено, что появление полярных сияний чаще всего приходится на весну или осень. Максимальная вероятность возникновения красивого свечения в небе приходится на ближайшие к осеннему или весеннему равноденствию дни. Полярное сияние способствует выделению в атмосферу огромного количества тепловой энергии. Например, в 2007 году, во время одного из северных сияний, было выделено около 5·1014 Дж.
Если наблюдать за северным сиянием с земли, можно увидеть, как тёмное небо начинает светиться различными оттенками, по нему двигаются цветные полосы и лучи. Продолжительность у этого явления может быть разной, от нескольких минут (часов) до нескольких суток.
Полярные сияния, возникающие в южном и северном полушариях, являются асимметричными относительно друг друга. Изначально считалось, что появляющиеся в разных полушариях Земли свечения имеют одинаковую форму и размер. Но после наблюдений за северным сиянием из космоса это мнение было опровергнуто.
Другие разновидности полярных сияний
Полярные сияния возникают не только на Земле. Их наблюдают и на других планетах – Венере и Марсе. Полярные сияния на Венере лучше всего видны с ночной стороны. Возникают они вследствие ударения частиц солнечного ветра об атмосферу планеты. Свечения на Венере проявляют себя в виде светлых пятен разной формы и размера. Интересно, что магнитное поле Венеры отличается малой интенсивностью, но сияния при этом всё же появляются здесь. Иногда свечения даже охватывают весь диск планеты.
В августе 2004 года космические исследования доказали, что полярные излучения возникают и на Марсе. Свечение было обнаружено на участке Terra Cimmeria, расположенном на широте 52º ю. ш., 177º в. д. Высота излучающей области составила примерно 8 км, а её общий размер в поперечном сечении – около 30 км. На основании полученных с космического корабля Mars Global Surveyor данных была составлена карта разломов коры Марса.
По ней было определено, что свечения на Марсе локализуются в районе прохождения магнитного поля планеты. Это говорит нам о природе световых излучений. Они являются ничем иным, как потоком электронов, передвигающихся к верхним атмосферным слоям вдоль линий магнитного поля. Фотографии с космических аппаратов демонстрируют появление полярных сияний на Юпитере, Нептуне и Уране.
Интересно, что полярные сияния можно создавать искусственно, а затем исследовать их поведение. Подобный эксперимент уже был проведён в 1975 году советско-французскими исследователями.
Полет на параплане через северное сияние
26 января 2016 года 33-летний испанец Орасио Льоренс совершил полёт на параплане сквозь северное сияние. Видеосъемка столь необычного мероприятия проходила над Тромсё в Норвегии. Скорость полета параглайдера при этом достигала 60 км/ч.
Для защиты экстремала от переохлаждения были использованы гидрокостюм и перчатки с подогревом. Температура воздуха на земле на момент съемки ыла -15ºC. Даже в случае аварийной посадки на воду, пилот смог бы провести в гидрокостюме время до прибытия спасателей.
Источник
Полярные сияния: что это, где и когда их можно увидеть?
Полярные сияния завораживали и вдохновляли людей на протяжении тысячелетий. Озаряемое цветными переливами небо упоминается в мифологии многих культур, включая древние народы Северной Америки, Скандинавии, Рима и Греции. Средневековые европейцы считали их знаком высших сил.
Благодаря развитию современной астрономии, теперь мы знаем, что такое Aurora Borealis и Aurora Australis, или северное и южное полярные сияния. Но тем не менее они остаются предметом восхищения и научных изысканий, притягивающим туристов со всего мира. И только для тех, кто живет севернее 60-й параллели, это фантастическое световое шоу — явление вполне обычное.
Полярные сияния возникают за счет взаимодействия энергетически заряженных частиц от Солнца с магнитным полем Земли. Невидимые линии поля магнитосферы направлены от северного магнитного полюса к южному. Когда заряженные частицы достигают магнитного поля, они отклоняются, создавая вокруг Земли головную ударную волну (англ. bow shock).
Магнитное поле у полюсов слабее, и в этих областях некоторые частицы входят в атмосферу Земли, где сталкиваются с частицами газа. Эти столкновения порождают свечение, которое мы и воспринимаем как цветные переливающиеся волны.
Различия в цвете обусловлены разными типами газовых частиц. Распространенный желтовато-зеленый исходит от молекул кислорода, расположенных примерно в 100 км над Землей. Кислород на высоте 320 км вызывает красные сияния. А взаимодействие заряженных частиц с азотом приводит к синим или пурпурно-красным сияниям.
Видимость северных и южных сияний зависит от многих факторов, так же, как и любой другой вид метеорологической активности. Хотя они, как правило, видны в далеких северных и южных регионах земного шара, были случаи, когда их наблюдали ближе к экватору, например в Мексике.
Часто полярные сияния можно увидеть зимними ночами на Аляске, в Северной Канаде, Норвегии и Сибири. Несмотря на то, что они происходят круглый год, видно их становится только в темноте, поэтому они более заметны в те месяцы, когда ночи длиннее.
Так как они зависят от солнечного ветра, сияния более многочисленны в пиковые периоды цикла солнечной активности. Этот цикл длится 11 лет и характеризуется увеличением и уменьшением количества пятен на поверхности Солнца.
Идеальные места для наблюдения полярных сияний в основном находятся в регионах, расположенных к северу от 60-й параллели. К ним относятся Северная Канада, Гренландия, Исландия, Скандинавия, Аляска и север России. Многие организации поддерживают сайты, предназначенные для отслеживания оптимальных для наблюдений условий.
Понимание источника сияний не сделало их менее удивительными. Каждый год бесчисленное множество людей отправляется в суровые края, чтобы своими глазами увидеть танцующие в темном небе огни. Но, конечно, самые сильные впечатления созерцание этого чуда доставляет экипажу МКС!
У нас есть аккаунт в «Инстаграме», там мы каждый день публикуем что-то интересное о неизведанном мире вокруг. Подписывайтесь!
Источник