Что такое северное сияние с точки зрения современной науки?
Северное сияние всегда приводило в трепет тех, кто имел возможность наблюдать за ним. Небо словно застывает, похожее на ледяную ленту, подсвеченную с обратной стороны всеми цветами радуги, а затем эта лента оживает и начинает двигаться.
Завораживающее зрелище воспринималось как некое знамение, и на протяжении столетий человечество, не имевшее в своем распоряжении специального научного оборудования, приписывало северному сиянию магические свойства.
Где можно увидеть полярное сияние?
Полярное сияние чаще всего можно увидеть на Аляске, в Канаде, в России (Ямало-Ненецкий округ, за полярным кругом) – то есть в очень северной части Северного полушария Земли. Наблюдают это явление и на Южном полюсе, и иногда даже в средних широтах.
Кстати, сияние, которое можно увидеть в Антарктиде, получило свое название – «Южное сияние». Еще не так давно ученые считали, что природа обоих явлений, на Северном и Южном полюсах, идентична. Но наблюдения из космоса и тщательный научный анализ показали: между сияниями на двух полюсах есть существенная разница, в частности, в отношении их интенсивности, конфигурации и типа свечения.
Сияния, аналогичные полярному, могут случаться и на других планетах Солнечной системы, например, на Сатурне или Венере. Причина заключается в том, что эти планеты так же, как и Земля, имеют атмосферу.
Как появляется северное сияние?
Источником этого сияния является солнечный ветер. Так называют поток протонов и нейтронов, исходящий в космос от Солнца. Заряженные частицы солнечного ветра проходят через полярные области Земли и проникают в атмосферу. Здесь же они сталкиваются с молекулами содержащихся в атмосфере газов – кислорода, азота, аргона – вследствие чего и возникает свечение.
Атомы кислорода обретают красное свечение, азота – синеватое, прочие атомы – другие оттенки, в частности, зеленый. И все это происходит на высоте примерно двухсот километров над Землей.
Северное сияние, с точки зрения современной науки, – это еще и проявление космической погоды (те самые вспышки на Солнце и магнитные бури). Ученые установили однозначную связь между ситуацией на Солнце и появлением сияния. Если Солнце спокойно, и вспышек на нем нет, значит, не появится и северное сияние. В случае, когда на Солнце появляются пятна или языки пламени, над Землей почти наверняка появится переливающаяся лента полярного сияния.
Есть ли звук?
Многие очевидцы, наблюдавшие северное сияние, говорили, что при появлении в небе свечения в воздухе появляется слабое шипение. И более того: некоторые люди слышат голоса и начинают вести себя необычно. Случаются состояния, похожие на гипноз (потом человек объясняет это тем, что прислушивался к звучащему внутри голосу), а кто-то разговаривает с несуществующим собеседником.
Ученые тщательно исследовали этот феномен и сделали вывод: причина – в реакции мозга на электромагнитные волны. При появлении северного сияния эти волны излучаются в диапазоне, укладывающемся в ритмы «альфа» и «бета» головного мозга – от 8 до 13 герц. Ухо человека не воспринимает инфразвук, но эти волны оказывают на мозг непредсказуемое воздействие. И даже то шипение, о котором говорят многие очевидцы – это, с точки зрения науки, не что иное, как звуковые помехи, связанные со строением нашего организма.
Оптический нерв, находясь рядом со слуховым нервом, под воздействием инфразвука становятся источниками взаимных помех друг для друга, поэтому у человека может сложиться впечатление, что он слышит слабое шипение. Ученые настаивают: шум, исходящий от дуги северного сияния, можно было бы услышать, если увеличить его в две тысячи раз.
Источник
Ученым удалось полностью объяснить природу полярных сияний
Вид развевающихся в небе полярных сияний издревле зачаровывал людей. Десятилетиями учёные ограничивались теоретическими обоснованиями возникновения данного феномена, однако в рамках нового исследования физики наконец сумели экспериментально доказать корректность существующих теорий. В частности, исследователи подтвердили причастность к образованию полярных сияний альвеновских волн, возникающих в магнитосфере Земли во время геомагнитных бурь.
Модель полярной зоны
В середине XX века учёные выдвинули предположения о том, что цветные огни полярных сияний являются следствием возбуждения молекул кислорода и азота в верхних слоях атмосферы под воздействием солнечного ветра. Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц – электронов, который «осыпает» Землю на скорости 300—1200 км/с. В результате столкновения с солнечным ветром молекулы в атмосфере получают излишек энергии, который выделяется в виде красочного свечения. В 1946 году советский физик Лев Ландау описал теоретическое явление, получившее название «затухание Ландау». Данный феномен отражает затухание электромагнитных волн плазмы при взаимодействии с резонансными частицами. Затухание происходит из-за поглощения электронами энергии волны, которая в свою очередь провоцирует их многократное ускорение. Другими словами, электроны несутся на гребне электромагнитной волны подобно оседлавшему волну сёрферу.
Физическая интерпретация явления затухания Ландау: если скорость волны (Vw) выше тепловой скорости электронов (Vp), то частицы получают резонансное ускорение, а волна постепенно затухает
Резонансное ускорение заряженных частиц солнечного ветра происходит под воздействием альвеновских волн. Эти потоки плазмы формируются во время магнитосферных суббурь – геомагнитных возмущений в полярных областях планеты. Динамика геомагнитных штормов запускает в магнитном хвосте Земли процесс магнитного пересоединения, в котором силовые линии магнитного поля планеты «ломаются», перестраиваются и устремляются обратно к её поверхности, будто резко отпущенная канцелярская резинка. Перезамыкание силовых линий магнитного поля и запускает альвеновские волны. На расстоянии около 20 тысяч км от поверхности Земли скорость этих волн превышает тепловую скорость электронов. Как следствие, движущиеся в одном направлении с альвеновскими волнами электроны получают значимое ускорение благодаря эффекту затухания Ландау.
Модель распределения электронов
Космические аппараты и прежде фиксировали движение альвеновских волн по направлению к Земле. Однако до сих пор учёные не имели возможности произвести прямое наблюдение затухания Ландау в земной магнитосфере и осуществить все необходимые измерения для доказательства прямой связи между альвеновскими волнами и появлением полярных сияний. Спустя десятки лет теоретического обсуждения данного процесса физики из Университета штата Айова, Уитонского колледжа и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе наконец сумели воспроизвести его в лабораторных условиях.
LPD 
Изображение основных элементов LPD и график движения альвеновских волн внутри него
Исследователи провели эксперимент на базе Большого плазменного устройства (Large Plasma Device или LPD), действующего в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе при поддержке Министерства энергетики США и Национального научного фонда. При помощи LPD физики создали поток плазмы, достаточно мощный для поддержки альвеновских волн с параметрами, свойственными высоте, на которой наблюдается большая часть северных сияний. Параллельно этому учёные отслеживали изменения в распределении скоростей электронов, которые ускорялись под воздействием электромагнитного поля альвеновских волн. Измерения подтвердили факт передачи энергии от электромагнитных волн электронам, предсказанный теоретическими расчётами. Оказалось, что резонансное ускорение вследствие феномена затухания Ландау затрагивает менее 0,1% заряженных частиц солнечного ветра. Впрочем, последующие расчёты и компьютерные симуляции показали, что даже этого количества ускоренных электронов достаточно для возбуждения атомов кислорода и азота, которые отдают излишек энергии в виде полярных сияний.
Источник