Як працює полярне сяйво?

Полярне сяйво (Aurora Australis) – це вражаюче за красою оптичне явище, яке найчастіше спостерігається в полярних областях, однак за допомогою спеціальних приладів люмінесценцію верхніх шарів атмосфери можна спостерігати в небі Північного і Південного півкуль на будь-якій широті. Походження і природа «північних (і південних) сяйв» є предметом наукових досліджень і розробки численних теорій.

Полярне сяйво виникає в результаті бомбардування верхніх шарів атмосфери Землі зарядженими частинками сонячного вітру, які рухаються до планеті із плазмового шару (область навколоземного простору космосу) уздовж силових ліній геомагнітного поля. Проекція плазмового шару має кільцеподібну форму. Ці кільця, звані так само «авроральними овалами», оточують південний і північний магнітні полюси Землі. Їх діаметр становить близько 3000 кілометрів під час нормальної активності Сонця, на денній стороні планети межа зони відстоїть від магнітного полюса менше (на 10-16°), ніж на нічний (20-23°). У зв’язку з тим, що магнітні полюси Землі не збігаються з географічними на 12°, полярні сяйва зазвичай спостерігаються у високих широтах: 67-70°. Але в періоди високої сонячної активності і магнітних бур вони можуть спостерігатися у більш низьких широтах: 20-25° північніше або південніше їх звичайних меж прояву.

При зіткненні енергійних частинок плазмового шару з верхніми шарами атмосфери входять до її складу атоми і молекули газів приходять у стан збудження, що змушує їх світитися у видимому нам діапазоні. Висота появи полярного сяйва в певній мірі залежить від складності складу атмосфери планети: на висотах 200-400 кілометрів спостерігають зелене і жовте свічення кисню, на висоті близько 110 кілометрів – спільне свічення кисню і азоту (червоний і фіолетовий), так само доведено, що водень теж бере в цьому процесі участь. Максимальної зареєстрованої висотою появи полярного сяйва вважається 1130 кілометрів, мінімальної – 60.

Полярні сяйва при спостереженні з поверхні Землі мають різноманітні форми. Як правило, світіння починається у вигляді однорідної дуги без променистої структури: її яскравість буває як постійної, так і пульсуючої з періодом хвилини і більше. У тому випадку, якщо яскравість сяйва починає збільшуватися, виникають промені, «драпрі» (оптичний ефект, що нагадує драпіровку гардинами), сполохи, плями, пульсуючі променисті дуги або «корони» – коли промені сходяться до вершини.

Інтенсивність світіння полярних сяйв зазвичай виражають у балах за міжнародною шкалою:

• Слабкі полярні сяйва, що наближаються по інтенсивності світіння до Чумацькому Шляху, оцінюються в 1 бал.
• Середня інтенсивність світіння, аналогічна освітленості тонких перистих хмар Місяцем оцінюється в 2 бали, купчастих хмар – в 3 бали.
• Сильна інтенсивність світіння, відповідна світлі повного Місяця оцінюється в 4 бали – це єдиний тип полярного сяйва, що здається людині різнобарвним.

Полярні сяйва можуть тривати від десятків хвилин до декількох діб. Вони частіше виникають навесні і восени, з піком частотності в періоди весняного і осіннього рівнодення (зазвичай у березні – квітні і вересні – жовтні). Цікаво, що за короткий час полярного сяйва виділяється величезна кількість енергії, іноді майже стільки ж, скільки під час землетрусів!

Полярні сяйва спостерігаються і на інших планетах Сонячної системи. Спектри люмінесценції так само залежать від складу атмосфер планет – точніше, від їх основних компонентів. І якщо на Землі це кисень і азот, то, наприклад, для найбільшої планети системи, – Юпітера, – водень. Та й від магнітних полів північні сяйва залежать не менше – у планет-гігантів Сонячної системи вони значно сильніше, що обумовлює незрівнянно більший масштаб свечений.

Спостереження з Землі газових гігантів в пошуках полярних сяйв вкрай скрутні, адже до нас вони звернені освітленій стороною, і видимі атмосферні явища губляться у відбитому сонячному світлі. Але з допомогою позаатмосферних телескопів (таких як «Хаббл» та інші) отримані достатньо чіткі зображення полярних сяйв – завдяки великому вмісту іонізованого водню в їх атмосферах, чиє випромінювання можна побачити в ультрафіолетовому діапазоні.

На полярні сяйва Юпітера впливають так само його супутники: особливо яскраві полярні сяйва спостерігають в областях проекцій пучків силових ліній магнітного поля на авроральный овал планети. Їх збудження викликається струмами від руху в його магнітосфері супутників, і викидом ними іонізованого матеріалу. Особливо це стосується Іо, якій притаманні процеси активного вулканізму.

Як виникають штучні «полярні сяйва»?

У США проводилися експерименти для вивчення радіаційного пояси Ван Аллена, а так само фізичної природи полярних сяйв. Світіння, подібні полярних сяйв, можуть виникати у високих шарах атмосфери в результаті ядерних вибухів. Такого роду сяйва відбувалися на Гавайських островах Самоа і після ядерних вибухів «Оріндж» і «Тік», що проводяться на висоті близько 70 і 40 кілометрів в центральній частині Тихого океану в серпні 1958 року. Світіння складалися з малиновою дуги з променями, змінювали колір спочатку з фіолетового на червоний, поступово переходячи в зелений. При цьому штучне червоне сяйво спостерігалося і на протилежній від місця вибуху точці планети, на іншому кінці відповідних силових ліній магнітного поля планети. Штучні сяйва як у районі вибуху, так і на території, яка геомагнитно пов’язана з ним, були викликані високоенергетичними електронами, які утворилися в результаті бета-розпаду під час ядерного вибуху й рухалися вздовж силових ліній земної геомагнітного поля, формуючи при цьому штучні радіаційні пояси Ван Аллена, що і призвело до утворення штучних полярних сяйв на двох кінцях силових ліній. Ще один феномен світіння високих шарів атмосфери, пов’язаний з діяльністю людини, обумовлений ракетними викидами, що включають газоподібний калій або натрій.

Як спостерігати полярні сяйва частіше?

На основі великої кількості спостережень в Арктиці Германом Фріцем і Гаррі Вестайном було встановлено географічні закономірності появи полярних сяйв. Так само вчені визначили їх відносну частоту в кожній конкретній точці Землі в якості середньої кількості діб появи полярних сяйв за рік. Лінії з рівною частотою їх виникнення були названі «изохазмы». За формою вони нагадують дещо деформовані кола, а їх центр майже збігається з Північним магнітним полюсом Землі, тобто з районом Тулі на півночі Гренландії. Лінія изохазмы максимальних частот в Північній півкулі проходить через Гудзонова затока, Аляску, Велике Ведмеже озеро, Гренландії та Ісландії, північ Норвегії і Сибір; у Південній півкулі теж є аналогічна антарктична изохазма. Тому якщо у вас є бажання частіше насолоджуватися прекрасним видовищем переливається нічний «веселки» – осядете де-небудь в туманній Фінляндії чи на півночі Канади.