Полярные сияния, свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное взаимодействием атомов и молекул на высотах 90—1000 км с заряженными частицами больших энергий (электронами и протонами), вторгающимися в земную атмосферу из космоса. Соударения частиц с составляющими верхней атмосферы (кислородом и азотом) приводят к возбуждению последних, то есть к переходу в состояние с более высокой энергией. Возврат в начальное, равновесное состояние происходит путём излучения квантов света характерных длин волн, то есть полярные сияния.
Рис. 1. Полярные сияния.
Упоминания о полярных сияниях можно найти ещё в классической греческой и римской литературе. М. В. Ломоносов первый предположил электрическую природу свечения. Первые карты изохазм (линий равной частоты появления полярных сияний), указывающие на существование областей на поверхности Земли, где полярные сияния появляются наиболее часто, были составлены в 1860—73 году Э. Лумисом (США) и Г. Фрицем (Австрия) для Северного полушария и в 1939 году Ф. Уайтом и М. Геддесом (Новая Зеландия) — для Южного. Изохазмы в каждом полушарии представляют собой несколько деформированные концентрические окружности с центрами вблизи геомагнитных полюсов. Зона полярных сияний располагается на 23° от полюсов. Наблюдения последнего десятилетия показали, что свечение обычно появляется вдоль овала полярных сияний (Я. И. Фельдштейн, О. В. Хорошева, 1960—1963), центр которого (рис. 1) смещен на 3° от полюса вдоль полуночного меридиана. Радиус овала около 20°, так что около полуночи овал совпадает с зоной полярных сияний, а в остальные часы располагается в более высоких широтах.
В конце 19 — начале 20 веков норвежские учёные К. Биркеланн и К. Стёрмер высказали и развили идеи о солнечном происхождении частиц, вызывающих полярные сияния. Последующие исследования показали, что как частота появления, так и интенсивность полярных сияний, особенно в средних широтах, явно коррелируют с активностью Солнца. Полярные сияния имеют удивительно разнообразные формы сияний и ситуаций. Однако каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накладывающихся друг на друга элементарных форм сияний, которые в первом приближении можно подразделить на: однородные дуги и полосы (рис. 2, а, б), тянущиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии; лучистые формы со значительной вертикальной протяжённостью (рис. 2, б, в, г); диффузные и неправильные пятна (рис. 2, д); большие однородные диффузные поверхности. Пространственно полярные сияния во многих случаях располагаются вдоль геомагнитных силовых линий. Средняя толщина лучистых форм ~ 200 м и уменьшается с увеличением яркости.
Исследование спектра полярных сияний было начато А. Ангстремом в 1869 году. В 1924 году Дж. Мак-Леннан и Г. Шрам (Великобритания) показали, что зелёная линия с длиной волны λ = 5577 Å излучается атомарным кислородом. Атомарный кислород образует также линии красного дублета 6300—6364 Å на высоте 200—400 км (сияния типа А). Состояния, соответствующие этим излучениям, являются метастабильными, и время жизни возбуждённых атомов 0,74 и 110 сек. Начиная с 50-х годов 20 века спектр полярных сияний исследовался в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Помимо атомарных линий, спектр полярных сияний состоит из систем полос нейтрального и ионизованного молекулярного азота и кислорода. Излучение с λ = 3914 Å ионизованного азота наряду с λ = 5577 Å является самым ярким в видимой части спектра от 3800 до 7000 Å. Поскольку максимальная спектральная чувствительность человеческого глаза приходится на λ ~ 5550 Å, то полярные сияния кажутся нам в большинстве случаев бледно-зелёными. Некоторые полярные сияния характеризуются пурпурно-красной границей вследствие излучения полос нейтрального молекулярного азота. Полярные сияния с развитыми системами молекулярных полос относятся к типу В.
Рис. 2а. Полярные сияния. Однородная полоса.
Рис. 2б. Полярные сияния. Однородная и лучистая полосы.
Рис. 2в. Полярные сияния. Лучистая полоса.
Рис. 2г.
Полярные сияния. Корона.
Рис. 2д. Полярные сияния. Диффузное однородное пятно.
Вторжения протонов с энергиями 10—100 кэв приводят к появлению в спектре полярных сияний линий Бальмера серии (Л. Вегард, Норвегия, 1939; А. Б. Мейнел, США, 1950). Наиболее интенсивна линия Нα с λ = 6563 Å. Водородные линии отличаются от других тем, что они существенно расширены и при наблюдениях в направлении зенита оказываются смещенными в область более коротких волн. Это доплеровское смещение (см. Доплера эффект) водородных линий было первым доказательством того, что излучение полярных сияний, хотя бы частично, обусловлено вхождением в земную атмосферу потоков заряженных частиц. Свечение, связанное с протонами, имеет вид протяжённой в несколько сот километров по широте и несколько тысяч по долготе слабой полосы. В полярных сияниях иногда наблюдаются спектральные линии гелия.
Рис. 3. Структура магнитосферы и овал полярных сияний.
Спектр полярных сияний меняется с широтой. В средних широтах обычно преобладают красные сияния типа А, на широтах зоны полярных сияний — сияния типа В, а в полярной шапке — сияния типа А. В приполюсной области после интенсивных хромосферных вспышек на Солнце возникает равномерное «свечение полярной шапки» с λ = 3914 Å, которое обусловлено непосредственным вхождением солнечных протонов с энергией 1—100 Мэв, проникающих до высот 20—100 километров. Интенсивность полярных сияний измеряется в так называемых международных коэффициентах яркости (IBC) или в баллах. Установлено 4 балла, отличающихся по яркости на порядок: полярные сияния I балла равно яркости Млечного Пути и соответствует излучению 102 квантов/см2·сек с λ = 5577 Å, или 1 крэлею, а IV — полной Луне, то есть излучает 1012 квантов/см2·сек с λ = 5577 Å, то есть 1000 крэлеев.
Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих полярные сияния, есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становится асимметричной, вытягиваясь в антисолнечном направлении (рис. 3). Полярные сияния на ночной стороне Земли связаны с процессами в плазменном слое магнитосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3—5 радиусов Земли образуется кольцевой ток протонов. Магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы, и полярные сияния наблюдаются значительно ближе к экватору, чем район их обычного существования. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями (дневной касп). Последовательность форм полярных сияний и их движений находится в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, — магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Возвращение в состояние с меньшей энергией носит взрывной характер и сопровождается высвобождением за 1 ч энергии ~ 1022 эрг, что вызывает свечение атмосферы — так называемую авроральную суббурю.
При взаимодействии быстрых электронов с атомами и молекулами атмосферы образуются рентгеновские лучи как тормозное излучение электронов. Тормозное излучение гораздо более проникающее, чем частицы, поэтому оно достигает высот 30—40 км. Полярные сияния испускают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 сек, которые сопровождаются колебаниями атмосферного давления с амплитудой от 1 до 10 дин/см2.
Изучение полярных сияний имеет два существенно различных аспекта. Во-первых, оптическое излучение, являясь одним из конечных результатов процессов в пространстве между Землёй и Солнцем, может служить источником информации о процессах в околоземном космическом пространстве, в частности для диагностики магнитосферы. Во-вторых, по данным об оптическом излучении можно судить о воздействии первичного потока частиц на ионосферу. Такие исследования необходимы в связи с проблемой распространения радиоволн и другими явлениями в радиодиапазоне [появлением спорадических слоев Е, рассеянием радиоволн, возникновением ОНЧ-излучения (см. Радиоволны) и радиошумов]. Наблюдения полярных сияний с использованием телевизионной техники позволили установить сопряженность полярных сияний в двух полушариях, исследовать быстрые изменения и тонкую структуру полярных сияний. Не все проблемы, связанные с полярными сияниями, могут быть решены наземными средствами или наблюдениями естественных полярных сияний. Появление спутников и ракет позволило проводить изучение полярных сияний в тесной связи с исследованиями околоземного космического пространства и ставить прямые эксперименты во внешней атмосфере Земли и межпланетном пространстве. Так, США в 1969 году, СССР в 1973 году и СССР совместно с Францией в 1975 году провели эксперименты по созданию искусственных полярных сияний, во время которых с ракеты на высоте в несколько сот километров инжектировался в атмосферу пучок электронов высоких энергий. Проведение контролируемых экспериментов совместно с наземными наблюдениями открывает новые пути в исследовании полярных сияний и процессов в верхней атмосфере. В 1971—1972 годах измерения интенсивности отдельных эмиссий и фотографирование полярных сияний начато из космоса со спутников на полярных орбитах, что позволяет получать распределение свечения во всей области высоких широт за несколько минут.
Исаев С. И., Путков Н. В., Полярные сияния, М., 1958; Красовский В. И., Некоторые результаты исследований полярных сияний и излучения ночного неба во время МГГ и МГС, «Успехи физических наук», 1961, т. 75, в. 3; Чемберлен Дж., Физика полярных сияний и излучения атмосферы, пер. с англ., М., 1963; Акасофу С. И., Полярные и магнитосферные суббури, пер. с англ., М., 19712 Исаев С. И., Пудовкин М. И., Полярные сияния и процессы в магнитосфере-Земли, Л., 1972; Омхольт А., Полярные сияния, пер. с англ., М., 1974; Stőrmer С., The polar aurora, Oxf., 1955; International Auroral atlas, Edinburgh, 1963; Мизун Ю.Г., Полярные сияния. Москва. Наука. 1983.
