Где и когда наблюдаются полярные сияния

Что же является причиной полярных сияний? Чем они вызываются? Когда их лучше всего наблюдать?

Уже давно норвежские геофизики Биркеланд и Штермер пришли к выводу, что Солнце испускает потоки корпускул — электрически заряженных частиц. По их мысли, эти частицы, попадая в земную атмосферу, могли вызвать возмущения магнитного поля Земли и полярные сияния. В периоды повышения солнечной активности учащаются и усиливаются полярные сияния и магнитные бури на Земле Г. М. Никольский, С. К. Всехсвятский и В. И. Чередниченко отождествили корпускулярные потоки с лучами солнечной короны, рассматривая ее как динамическое образование.

Самые внешние и наиболее горячие слои солнечной атмосферы — солнечная корона — как бы испаряются в межпланетное пространство. Таким образом, возникает поток вещества, текущего от Солнца, который представляет собой дующий от него плазменный ветер. Поток частиц составляет в среднем сотни миллионов частиц (главным образом протонов и электронов) через квадратный сантиметр за секунду. На расстоянии Земли этот ветер «обдувает» верхние слои земной атмосферы со скоростью около 450 км/с. В каждом кубическом сантиметре вещества, проносящегося мимо Земли, содержится в среднем 5 протонов и столько же электронов.

Солнечный ветер вытягивает далеко в межпланетное пространство силовые линии солнечных магнитных полей, концы которых прочно удерживаются солнечной атмосферой. Вращение Солнца придает силовой линии форму спирали. Вследствие этого общая структура межпланетной среды имеет вид спиральных секторов, причем в пределах каждого из этих секторов магнитное поле направлено приблизительно одинаково. Земная магнитосфера находится под постоянным воздействием солнечного ветра. Особенно заметно она реагирует на прохождение через границы секторов, когда резко меняются направление и величина напряженности магнитного поля в солнечном ветре, а также скорость и плотность потока плазмы. Под влиянием солнечно го ветра магнитосфера Земли принимает характерную обтекаемую форму. Земное магнитное поле защищает верхние слои земной атмосферы от непосредственного воздействия солнечного ветра. Тем не менее, в областях высоких географических широт частицы солнечного ветра имеют возможность непосредственно проникать в верхние слои земной атмосферы. При этом они пополняют энергичными частицами области радиационных поясов и вызывают полярные сияния.

Полярные сияния чаще всего, почти ежедневно, наблюдаются в кольцевых зонах радиусом 23° с центром около магнитных полюсов Земли. Самые мощные и высокие полярные сияния наблюдаются не только в высоких и средних широтах, но даже в тропиках, сопровождая собой наступление магнитных бурь, отмечаемых одновременно по всей Земле. Виды и типы полярных сияний, этого электрического свечения в стратосфере, весьма разнообразны. Хотя все они вызваны проникновением в стратосферу частиц высоких энергий, связанных с активностью Солнца, причины существования разных форм сияний неодинаковы. Высота полярных сияний определяется по параллаксу их деталей. Для этого одновременно фотографируют полярное сияние из двух точек и определяют его положение на фоне неба по отношению к звездам. Чаще всего сияния происходят на высотах 95—120 км, но иногда и немного ниже; изредка же сияния можно увидеть на высотах до 1000 км. Знание этой высоты и плотности воздуха на разных высотах позволяет определить скорость и энергию корпускул, вторгающихся в стратосферу. До высоты 100 км могут проникать протоны с энергией 100 кэВ (килоэлектронвольт) и электроны с энергией даже в 10 раз меньшей.

Магнитное поле Земли, в общем, похоже на поле намагниченного железного шара с силовыми линиями, выходящими из одного магнитного полюса и входящими в другой. В связи с этим дуги полярных сияний вытягиваются вдоль геомагнитных параллелей, а их лучи — вдоль геомагнитных силовых линий.

Сияния в области геомагнитных полюсов, аморфного вида, производятся очень энергичными электронами, приходящими непосредственно от Солнца, но отклоняемыми в своем движении магнитным полем Земли. Сияния в области наибольшей их повторяемости — в области полярных кругов — возбуждаются электронами с энергией 10кэВ и меньше, которые не могут прийти прямо от Солнца, а приобрели большую скорость, странствуя в магнитном поле Земли, хотя они и не принадлежат к радиационным поясам Земли.

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. И замечательно — 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.