+7(904)3314610

Полярное сияние или Aurora

moveinfo.ru

баннер статьи

Дата:

Причины и особенности возникновения полярных сияний, возможности прогнозирования и наблюдения. Полярные сияния на Земле, других планетах и спутниках.

Полярное сияние или Aurora. Полярное сияние – особый вид природных явлений, проявляющийся на планетах (и их спутниках) с атмосферой и собственным магнитным полем в виде свечения, как результат взаимодействия быстро движущихся частиц плазмы (плазменного ветра) с частицами газа верхних слоев атмосферы в областях магнитных полюсов. Источником плазменного ветра служит звезда планетарной системы. Полярные сияния на Земле также называются северное (Aurora Borealis) или южное сияние (Aurora Australis).

Природа полярных сияний

При возникновении вспышек на Солнце вместе с постоянным солнечным ветром в пространство выходят огромные потоки энергии в виде электромагнитного излучения и плазмы. Скорость потока частиц плазмы может иметь значения 1000 км/сек, и более. Землю защищает от плазменного потока магнитное поле, оно является своеобразным щитом, силовые линии магнитного поля вытягиваются, по направлению от Солнца, образуя подобие хвоста кометы. Значительное количество частиц плазмы тормозится и рассеивается. Заряженные частицы, вектор движения которых перпендикулярен линиям магнитной индукции Земли, тормозятся и рассеиваются наиболее интенсивно. Частицы, вектор движения которых оказывается сонаправленным с линиями магнитной индукции, магнитного поля Земли испытывают иное воздействие, в дополнение к своему поступательному движению, они начинают вращаться, в плоскости перпендикулярной линиям магнитной индукции. Некоторые из этих частиц через особые точки магнитосферы, дневные полярные каспы или через нейтральный слой в хвосте магнитосферы (с её ночной стороны), проникают в так называемые радиационные пояса (или магнитные ловушки) и начинают специфическое движение вдоль линий магнитной индукции проходящих от периметра области полярного сияния северного и южного полюсов. Авторы открытия "Внешний радиационный пояс Земли" русские астрофизики: П.В.Вакулов, С.Н.Вернов, А.Е.Чудаков, Ю.И.Логачев, Е.В.Горчаков [1].

Область периметра полярного сияния имеет форму близкую к овальной и радиусом около 3000 км. она расположена между 60 и 70° северной и южной широты, и охватывает магнитные полюса. Радиационные пояса Земли частично пополняются за счёт захвата протонов и электронов солнечных космических лучей, проникающих во внутренние области магнитосферы. Магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны, альфа-частицы), обладающие кинетической энергией от десятков кэв до сотен Мэв, в разных областях Радиационного пояса Земли энергия частиц различна. Движение частиц происходит по винтообразной траектории вдоль силовых линий магнитного поля, под действием собственной кинетической энергии и силы Лоренца. Когда частица движется по спирали в сторону увеличения магнитного поля (приближаясь к Земле), радиус спирали и её шаг уменьшаются. В некоторой точке (её называют зеркальной) происходит "отражение" частицы. Она начинает двигаться в обратном направлении — к сопряжённой зеркальной точке в другом полушарии. Одно колебание вдоль силовой линии из Северного полушария в Южное протон с энергией ≈100 Мэв совершает за время ≈0,3 сек. Время нахождения ("жизни") такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет (≈ 3×109 сек), за это время он может совершить до 1010 колебаний. В среднем захваченные частицы большой энергии совершают до нескольких сотен миллионов колебаний из одного полушария в другое. Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью. В зависимости от энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток. Положительные ионы дрейфуют в западном направлении, электроны — в восточном [2]. Пополнение радиационных поясов частицами происходит преимущественно в периоды повышения вспышечной активности солнца.

Значительный интерес представляют карты полярных сияний для реального времени [4], составленные на основе данных спутникового наблюдения. Неоднородность интенсивности северного сияния по периметру, говорит о различии плотности частиц в радиационных поясах. Карта полярных сияний представляет своеобразный срез радиационных поясов, видно, что при движении вдоль земных параллелей плотность в областях среза значительно меняется, а в областях срезов Северного и Южного полушарий принадлежащих одним и тем же меридианам плотности имеют близкие значения. Карты полярных сияний режима реального времени позволяют наблюдать за изменением плотности частиц в радиационных поясах, изучать изменение этой плотности и делать выводы о текущей активности полярных сияний в приполярных областях. По карте видно, что в областях на 5-7° опережающих полуденный меридиан активность полярного сияния минимальна, такая картина распределения интенсивности характерна. Это можно объяснить тем, что в результате наиболее интенсивного воздействием солнечного ветра на магнитное поле Земли в области полуденного меридиана происходит "уплотнение" магнитного поля, т.е. увеличение напряженности в радиальном направлении и сжатие радиационных поясов, что приводит к вытеснению частиц. Возникает своеобразная волна подъемы и спады, которой соответствуют степени активности полярных сияний, а период обращения вокруг Земли 24 часа.

Достигая атмосферных слоев над областью полярного сияния, заряженные частицы попадают в верхние слои атмосферы, где могут соударяться с атомами и молекулами газов, приводя их в возбужденное состояние, такие процессы происходят на высотах от 100 до 400 км. При переходе атома из возбужденного состояния в стационарное он испускает квант света соответствующей энергии, а значит и длинны волны (цвета). Любой специфический цвет полярного сияния зависит от атмосферного газа с которым частицы претерпевают столкновения. Кислород испускает кванты света с длинной волны 630 нм (оттенок красного) и 557,7 нм (зеленовато-желтый оттенок). Азот способен вызывать свечение линейчатого спектра в диапазоне 600–700 нм (оттенки красного).

Большинство наблюдаемых полярных сияний имеет зеленовато-желтый оттенок, в верхних слоях наблюдается красный свет. В редких случаях когда верхние слои полярного сияния подсвечивает Солнце, появляются голубые оттенки. Крайне редко (примерно раз в 10 лет) полярное сияние может иметь глубокий красный цвет сверху донизу. Кроме видимого светового излучения, частицы радиационного пояса вызывают значительный разогрев, вызывая инфракрасное излучение и штормовые ветры в верхних слоях атмосферы. Интересно, что полярные сияния могут простираться от горизонта до горизонта, и уходить вверх, на сотни километров имея при этом ширину не более 100 метров, образуя гигантские "световые занавесы".

Значительные колебания магнитного поля Земли (магнитные бури) происходящие в результате изменения интенсивности воздействия потока солнечной плазмы, приводят к колебаниям формы и яркости "световых занавесов" полярных сияний, создавая при этом невероятно красивые картины во все небо. При увеличении интенсивности потока солнечной плазмы происходит перемещение южного края северного сияния в более низкие широты. Магнитные бури могут вызывать аварийные ситуации в протяженных линиях электропередач, создавать помехи радиосвязи. Магнитные бури могут повторяться с различной интенсивностью несколько раз в день. Длительность магнитной бури может варьироваться от нескольких часов до нескольких дней, при этом в полярных сияниях за короткое время выделяется колоссальное количество энергии сотни ТДж (тера 1012).

Наблюдение за магнитным полем Земли и регистрацию магнитных бурь производят при помощи приборов называемых магнитометры, такие приборы устанавливают на наземных и спутниковых станциях наблюдения. Магнитные бури принято характеризовать следующими величинами (индексами): K – трехчасовой (время GMT) квазилогарифмический индекс, был введен Дж. Бартельсом в 1938 г., рассчитывается относительно спокойного магнитного поля имеет значения от 0 (очень спокойное) до 9 (очень сильное возмущение), увеличивается на единицу при увеличении возмущенности приблизительно в два раза; Kp – трехчасовой планетарный индекс, введенный в Германии основан на K индексе по результатам анализа данных от 12-13 станций наблюдения распределенных по всему миру; A – индекс ежедневный индекс геомагнитной активности, полученной как среднее число из восьми трехчасовых значений, измеряется в [нТ] (нано Теслах) и характеризует вариабельность магнитного поля Земли в данной точке пространства; Ap – планетарный индекс получаемый на основании усредненных данных по A индексам получаемых со станций расположенных по всему миру. Поскольку магнитные возмущения проявляются по разному в различных местах на Земном шаре, то для каждой обсерватории существует своя Таблица отношений и расчетов индексов, построенная так, чтобы различные обсерватории в среднем за большой интервал времени давали одинаковые индексы.

Полярные сияния бывают не только на Земле

Полярные сияния замечены не только на Земле. Первая фотография полярного сияния на Сатурне была сделана космическим кораблем Pioneer-11 в 1979 году. В 1997 с помощью высокочувствительной системы STIS удалось сфотографировать полярное сияние Сатурна в ультра фиолетовом (УФ) диапазоне с Земли, когда Сатурн был на расстоянии 1,3 миллиарда километров. На фотографии видно полярное сияние на полюсах планеты, высота сияния достигает 1600 км., над поверхностью. Полярное сияние Сатурна вызвано повышением вспышечной активности Солнца. В отличии от Земли полярное сияние на Сатурне наблюдается только в УФ диапазоне. Это обусловлено составом атмосферы Сатурна в которой превалирующим элементом является водород (96%) в атомарных и молекулярных формах. Изучение Сатурна активно продолжается сейчас на пути к нему космический корабль NASA/ESA's Cassini, расчетное время подлета приходится на начало следующего десятилетия [3].

Полярные сияния на Юпитере сфотографированы космическим кораблем обсерваторией Hubble, 26 ноября 1998 года. Фотография сделана в УФ диапазоне. Хотя полярное сияние на Юпитере напоминает то же явление на Земле, есть принципиальное отличие, на полярное сияние Юпитера оказывают значительное действие его три главных спутника Ио, Европа, Ганимед. На фотографии видны следы влияния спутников. Ио оставил свой след с левой стороны, Ганимед по центру, Европа ниже справа от следа Ганимеда. Это эмиссионные следы возникают в результате протекания токов по верхним слоям атмосферы Юпитера вызванных движением спутников, обладающих собственным магнитным полем [3].

Полярные сияния и народные приметы

Красивые и многообразные формы полярного сияния всегда привлекали внимание в восхищали своим величием. В поверьях северных народов считали, что полярное сияние приносит войны и мор. Такие приметы могли возникнуть в результате наблюдений за происходящими процессами в обществе и ассоциированием этих процессов с природными явлениями. Известно, что наибольшая активность полярных сияний наблюдается в годы наибольшей вспышечной активности Солнца. Как действует изменение интенсивности солнечного излучения, а следовательно и магнитного поля Земли на отдельного человека и общество в целом, изучено недостаточно. Еще Л.Н. Гумилев и А.Л. Чижевский развивал идеи о значимости космических процессов в ходе развития человечества. Чижевский высказывал мысли о влиянии солнечной активности на политические и социальные процессы, на психическое состояние людей, Гумилев манипулировал, более абстрактным понятием "космические лучи".

Наблюдения полярных сияний

Возможность наблюдения полярного сияния в первую очередь зависит от двух факторов степени солнечной активности и вашего географического положения. Вероятны наблюдения полярных сияний между 60 и 70° широты обоих полушарий Земли, наиболее оптимальным для наблюдения является местоположение в районе 67°. Стоит обратить внимание, что чаще сияния возникают весной и осенью, чем зимой и летом. Современные наблюдатели полярных сияний могут воспользоваться специально составленными картами при помощи наземных и спутниковых космических станций наблюдения [4], они отображают интенсивность полярного сияния на текущий момент. Благодаря тому, что от момента возникновения вспышки на Солнце до подлета плазмы к Земле проходит 1-2 дня, с учетом прогнозирования самих вспышек по интенсивности возникновения пятен (числу Вольфа), возможно делать достаточно точный прогноз на несколько дней.

Литература

  1. МГУ Кафедра физики космоса.
  2. Большая Советская Энциклопедия.
  3. NASA/ESA, Habble – сайт спутниковой обсерватории.
  4. Space Weather Prediction Center (Центр прогнозов космической погоды).
  5. Space Environment Center (Космический центр окружающей среды).
  6. Российская Астрономическая Сеть.