Северное сияние как физическое явление
Полярное сияние
Полярное сияние — мистический, непредсказуемый и красивый феномен. Оно внезапно появляется и точно так же неожиданно исчезает.
Причиной северного сияния является солнечный ветер. Этим термином называют вещество, выброшенное из верхней оболочки светила — солнечной короны. Оно состоит из заряженных частиц — электронов и ионов, летящих в космосе с громадной скоростью. Иными словами, солнечный ветер представляет собой поток высокоскоростной плазмы.
Солнечный ветер распространяется от Солнца во всех направлениях, небольшая его часть «дует» и на нас. Попадая в магнитное поле Земли, его заряженные частицы начинают двигаться особым образом: они перемещаются вдоль магнитных силовых линий, одновременно вращаясь вокруг них, то есть двигаются по спирали. Поскольку силовые линии магнитного поля Земли сходятся к полюсам, то и частицы солнечного ветра отклоняются туда же. Вот почему полярные сияния наблюдаются в высоких широтах, то есть ближе к северу.
На высотах от 90 до 1000 км эти энергичные солнечные «посланники» сталкиваются с молекулами верхних слоев атмосферы. Удары весьма чувствительны, так что эти молекулы получают добавочную порцию энергии и переходят в состояние с более высокой энергией.
Возвращаясь в начальное, равновесное состояние, молекулы атмосферы излучают кванты света видимого диапазона, которые проявляются в виде полярного сияния.
Полярное сияние обычно наблюдается на полюсах (откуда и название явления). Полярное сияние, наблюдаемое на южном полюсе, называют южным, а на северном полюсе – северным.
Земному наблюдателю полярное сияние представляется в виде быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос и корон. Это одно из красивейших природных явлений на нашей планете. Полярные сияния могут продолжаться от десятков минут до нескольких суток.
Полярные сияния на других планетах
Это явление встречается не только на нашей планете, но и на ее соседях по Солнечной системе. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет. Например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете. Магнитные поля планет-гигантов Солнечной системы значительно сильнее магнитного поля Земли, что обусловливает больший масштаб полярных сияний этих планет по сравнению с полярными сияниями Земли. С помощью космического телескопа «Хаббл» получены качественные изображения полярных сияний этих планет.
От чего зависит цвет полярного сияния?
Спектры (цвета) полярных сияний зависят от состава атмосферы. Для Земли наиболее яркими являются линии излучения кислорода и азота в видимом диапазоне. Высота появления полярных сияний зависит от параметров атмосферы планеты. На Земле красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200-400 км, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте около 110 км. Для земных полярных сияний характерна размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.
Небесная иллюминация: почему полярное сияние так магнитит туристов
Природа феномена
Что такое северное сияние? Финское название северного сияния «revontulet» (в переводе – «лисьи огни»). Саамы считали, что это полярная лиса взметает пушистым хвостом снежные искорки.
Загадку таинственных огней отгадал еще Михаил Ломоносов. Он пришёл к выводу, что основная роль в сиянии отведена электричеству. Учёный провёл эксперимент: через колбы, наполненные различными газами, пропустил ток – после опыта колбы засияли неповторимыми цветами.
pushica_i_siyanie.jpg
Иначе говоря, Солнце выбрасывает заряженные частицы – солнечный ветер, которые, достигая Земли, заставляют атмосферу переливаться разными огнями. С помощью магнитного притяжения наша планета «ловит» пролетающий солнечный ветер и направляет его туда, где находятся магнитные полюса. Там солнечные частицы моментально притягиваются к ним, и от столкновения солнечного ветра с атмосферой появляется энергия, преобразующаяся в свет, которая и создаёт северное сияние. Волны и переливы, которые видит человек, происходят на высоте от 100 до 300 километров.
Поймать огненную лису за хвост
Полярное сияние в северных широтах России можно наблюдать с сентября по апрель. Мурманская область входит в десятку лучших мест на планете для просмотра этого явления. Легко добраться, относительно тёплые зимы. Весь сезон ежедневно сюда прилетает по 100-150 человек: увидеть, сфотографировать, заняться любовью. У китайцев, которые до сих пор самые многочисленные гости на Кольском полуострове, существует легенда: если зачать ребёнка во время северного сияния – он будет здоров, счастлив и сказочно богат. Говорят, корнями это суеверие уходит в скандинавскую мифологию, но жители Поднебесной восприняли его как родное. А вдруг, правда, сработает?
322611.jpg
Президент Ассоциации гидов Мурманской области «Арктические гиды» Владимир Онацкий весь сезон возит туристов вслед за полярным сиянием. Рассказывает: самые популярные направления – Териберка, Саамы, Ловозеро, Хибины, Хаски и Мурманск. Но северное сияние очень зависит от погоды. Благодаря тёплому течению Гольфстрим на Кольском полуострове намного теплее, чем, например, на Чукотке. Но оно же увеличивает облачность. Это значит, что увидеть полярное сияние можно не всегда и не везде. Иногда в поисках цветных переливов приходится ездить всю ночь. «Туристы питаются слухами, – сетует Владимир. – Вот кто-то кому-то сказал, что в Териберке самое яркое и продолжительное сияние. Все едут туда. Приехали, встали, небо затянуло тучами. Оттуда только одна дорога, и остаётся только стоять и дожидаться, когда небо очистится. Гораздо лучше, если начинать охоту за сиянием из Мурманска. Из него идут четыре дороги. Это значит, мы смотрим на погоду и уже выезжаем в самый благоприятный район».
Трёхдневный тур «За сиянием» в Мурманскую область стоит от 30 тысяч рублей. Кроме китайцев приезжают тайцы, филиппинцы, индийцы, испанцы. Они гораздо интеллигентнее китайцев, знают английский язык и не экономят на поездке.
518892.jpg
«В Мурманской области официальная статистика по количеству туристов очень отличается от реальных цифр, – говорит Владимир Онацкий. – Гостиницы на этот сезон забронированы за полгода-год. Реальные цифры раз в пять выше. Многие приезжают дикарями, снимают жильё у местных жителей. Самостоятельно едут в популярные места». Отследить через туристические фирмы также невозможно. Последние два-три года увеличилось количество гидов-нелегалов. Показать лучшее северное сияние обещают даже таксисты. Правда, результат они не гарантируют. Честные арктические гиды возят своих гостей до тех пор, пока не удастся поймать огненную лису за хвост.
По словам Владимира, он работает в основном с русскими. Многие из них приезжают вновь – со своей семьёй, коллегами, друзьями. Он считает, крайне важно, когда клиенты довольны и о регионе остаётся приятное впечатление. А недавно на Кольском полуострове туристический бизнес пошёл вслед за спросом: стали строить стеклянные иглу – и небо видно, и тепло.
aleksandr_stepanchenko_2.jpg
Как сфотографировать северное сияние
Кстати, сейчас Русское географическое общество продолжает приём фотографий на V фотоконкурс «Самая красивая страна». Возможно, победителем станет снимок полярного сияния. Подробности здесь.
При чём тут сирены?
Северные люди заметили: полярное сияние отнимает разум. Русские поморы даже ввели понятие «мерячение». Оно обозначает необычное психическое заболевание, которое одновременно возникает у нескольких человек. Эскимосы называют такое «зовом Полярной звезды».
alla_fedina.jpg
Первым, кто отметил это явление с медицинской точки зрения, оказался британский доктор Уотсон. Он участвовал в нескольких полярных экспедициях в самом начале ХХ века. Учёный описал людей, впадавших в странное состояние, которые начинали совершать ритмичные, последовательные движения и двигались в сторону севера. Любые попытки их удержать приводили к активному сопротивлению. Уотсон назвал это состояние экспедиционным или полярным бешенством.
Врачи, принимавшие участие в полярных экспедициях, обнаружили закономерность: почти все случаи полярного бешенства совпадали с активностью полярного сияния. Самые страшные – совпадавшие со вспышками красного цвета. Число подобных приступов экспедиционного бешенства серьезно возрастало в годы с зафиксированными пиками солнечной активности, когда и происходили самые яркие полярные сияния.
aleksandr_merkushev_10.jpg
В Петрограде 1918 года появился Институт мозга. Его возглавил академик Бехтерев. Учёный проявил интерес к психическим болезням, проявляющимся в полярных районах. Бехтерев организовал научную экспедицию на Кольский полуостров, но безрезультатную. В 1957 году советские учёные вернулись к этому исследованию. После экспериментов они выяснили: определённые формы полярных сияний пульсируют с частотой, которая близка к основным ритмам человеческого мозга, что и вызывает своеобразный сбой в его работе. А яркие вспышки алого цвета совпадают с частотой, близкой к ритмам мозга. Они вызывают обострение хронических заболеваний и припадки, сходные с эпилептическими. У других подопытных под воздействием таких вспышек появлялись головные боли и сбои в работе вестибулярного аппарата. Такому типу воздействий особенно подвержены люди, склонные к психическим заболеваниям.
Частота их излучения – 8-13 герц, что соответствует частоте бета- и альфа-ритмов человеческого мозга. Человек, наблюдающий полярное сияние, ощущает необъяснимую потребность стать единым целым с чем-то величественным. Полярное сияние сопровождается активным инфразвуком, не ощутимым на слух. Инфразвук непредсказуем: неизвестно, какие изменения при этом происходят с мозгом и сердечно-сосудистой системой человека. Поэтому стать свидетелем северного сияния – означает подвергать себя неизвестной опасности для организма.
sergey_barkov.jpg
Официально
Российская Ассоциация туроператоров сообщила о росте спроса на зимние туры в Россию. Основной объём турпотока зимой России дают страны Азии и Европы. По оценкам специалистов, в зимнем сезоне Россия будет принимать в основном туристов из Китая (около 80 тыс.), Южной Кореи (около 20 тыс.), Израиля (около 15 тыс.), Германии (15 тыс.), Франции (около 10 тыс.), из Италии, Таиланда, Турции – по 6–8 тыс. человек за январь – февраль.
Интуристы выбирают Москву, Санкт-Петербург и Транссиб. И если часть из них едет, чтобы окунуться в новогоднюю сказку в столице, то остальных привлекает северное сияние. На территории нашей страны это явление можно наблюдать практически на всём Севере. Ежегодно количество зрителей природного светового шоу растёт примерно на 20%. Больше всего таких туров продают в Мурманск и Карелию.
Проект «Путешествия с РГО» предлагает три сезонных тура, в которых можно увидеть северное сияние: в Архангельскую область, на Чукотку и в Карелию.
aleksandr_merkushev_9.jpg
Интересные факты о северном сиянии
1. Природный магнетизм
Северное сияние возникает на обоих полюсах Земли. Железное ядро, составляющее основу нашей планеты, действует как гигантский магнит и притягивает к себе заряженные частицы. Сильнее всего это притяжение проявляется на магнитных полюсах, которые расположены поблизости от полюсов географических, хотя и не совпадают с ними.
2. Краски полярного сияния
Цветовая гамма полярного сияния зависит от заряженных частиц солнечного ветра. Азот полыхает фиолетовым, а кислород – красным и зелёным.
3. Свет из небесного окна
Эскимосы Аляски верят: северное сияние – блеск облаков, на которые падает свет из окон небесного дворца. Дворец этот невидим, в нём живут души умерших охотников, над крышей его горит Полярная звезда. Но когда ушедшим хочется взглянуть на родные края, они открывают окна, и на земле видят волшебное сияние в небе.
Древние норвежцы верили, что полярное сияние – мост, по которому боги спускаются на землю. Другая норвежская легенда гласит, что полярное сияние возникает оттого, что свет звёзд отражается от щитов валькирий.
Форма полярного сияния зависит от интенсивности излучения. Обычно его видно в форме пятна или ленты.
7. Как измерить полярное сияние
Существует четыре разряда сияния. Первый класс, самый бледный, объединяет почти незаметные сияния, не ярче Млечного Пути. Самый яркий, четвёртый класс, включает в себя всполохи, светлые, как полная Луна.
О природе полярного сияния
КУЗНЕЦОВ А.И., КУЗНЕЦОВ А.Р.
Считаем, что это также нельзя назвать основой полярного сияния, которое наблюдается и без вспышек на Солнце. Кроме того, вспышки бывают и в летнее время, когда сияния практически почти отсутствуют. Видимый глазу солнечный ветер от вспышек в большей степени доступен для наблюдения на освещенном Солнцем полушарии Земли, а полярное сияние наоборот только на теневой ее стороне, и то не везде. Отговорка, что сияние можно увидеть только в темноте не может служить оправданием. Доказательством того, что цветовые солнечные эффекты можно наблюдать не только ночью, но и в светлое время суток являются утренняя и вечерняя зоря (микроаналог полярного сияния), а также радуга.
Долгое время ученые пытались понять, почему потоки солнечного ветра вызывают на разных полюсах Земли отличные друг от друга сияния. Они считали, что «Полярное сияние — это «солнечный ветер», прорыв заряженных частиц, испускаемых Солнцем, сквозь магнитное поле нашей планеты. Поскольку эти частицы движутся вдоль симметричных линий внутри поля, связывающего северный и южный полюса, напрашивается логичный вывод о том, что они будут зеркально отражать друг друга. Однако в 2009 году были зафиксированы два одновременных сияния на обоих полюсах — и они отличались друг от друга. Для анализа отобрали 10 асимметричных изображений, снятых одновременно на обоих полюсах. Результаты опубликованы в Geophysical Research: Space Physics» [2, с. 1].
Северное сияние можно наблюдать в период с сентября по март месяц. Однако, принято считать, что наиболее вероятно его появление с ноября по февраль. Это объясняется тем, что в северных широтах в этот период продолжительность темного времени суток достигает 20 часов. Это позволяет более отчетливо наблюдать сияния даже небольшой интенсивности.
Современные учёные считают, что огни в небе вызваны столкновением электрически заряженных солнечных частиц и атомов кислорода и азота из нашей атмосферы. Энергия от их столкновения выделяется в виде света. Если это так, то сияние наблюдалось бы на большей территории, а не в отдельных районах Земли. Для того, чтобы свет достиг высоты хотя бы 80 км, не говоря уже о 1000 км, это излучение должно обладать энергией очень большой мощности. Это под силу только световым солнечным лучам. Атмосфера Земли на высоте 80-100 км сильно разрежена, а, следовательно, содержит незначительное количество атомов кислорода и азота, для того, чтобы вызвать столь мощное и продолжительное (от нескольких часов до нескольких дней) сияние. Необходимо учитывать, что выбросы на Солнце чаще носят кратковременный (залповый) характер.
Утверждение, что цвет полярного свечения определяется именно степенью возбуждения, молекул газа заряженными частицами солнечного ветра, т.е. кислород придает желтый и зеленый цвета, а азот – красный и фиолетовый, также сомнительно и маловероятно. Не понятно, почему в полярных сияниях почти всегда преобладает зеленый цвет кислорода, хотя содержание азота в атмосфере почти в 4 раза больше. Кроме того, молекулы кислорода и азота распределены в атмосфере более-менее равномерно, а, следовательно, их свечение также должно носить равномерный характер. Полярное сияние наоборот имеет различные оттенки, и его «рисунок» во время наблюдения непрерывно меняется.
Научное объяснение всех этих явлений отсутствует. Неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков [3, с. 1].
Хотя электрическое происхождение полярных сияний в настоящее время стоит вне всякого сомнения, большинству ясно, что это объяснение носит поверхностный характер. В настоящее время накоплено большое количество материала, позволяющего опровергнуть эту теорию и объяснить все происходящие явления. Постараемся объяснить правоту своих предположений и процессы, происходящие при полярном сияния, опираясь на результаты многочисленных наблюдений и имеющихся научных положений.
Правильное заключение этому явлению очевидно дал еще Галилео Галилей, который высказал мнение, что оно возникает в результате преломления солнечного света в атмосфере [1, с. 1].
Мы придерживаемся аналогичного мнения и считаем, что полярные сияния имеют чисто оптический характер, и в их основе лежит цветовой спектр видимых лучей Солнца. Возникновению цветовых эффектов в значительной мере способствует чистота и разрежённость атмосферы, а также наличие низких температур в этих районах.
Доказано, что в обычных условиях исходящий от Солнца свет со средним значением длины волны спектра излучения около 500 нм мы воспринимаем как белый цвет. В атмосфере Земли коротковолновая часть спектра рассеивается и поглощается, и ее значение вблизи земной поверхности сдвигается к 550 нм, что соответствует желтовато-зеленому цвету. Именно этот цвет является преобладающим для большинства наблюдаемых на Земле полярных сияний.
Основной причиной полярного сияния является то, что в то время, когда на северном или на южном полюсе царит зима, то длительное время Солнце находится ниже горизонта, и его лучи проходят через атмосферу Земли, т.е. наблюдается движение потока солнечных лучей в обратном направлении. Та часть из них, которая проходит через слой атмосферы, испытывает аналогичный эффект рассеивания и поглощения. Следовательно, за пределами атмосферы на высоте свыше 80 – 100 км, где наблюдаются полярные сияния, свет будет иметь примерно такой же желто-зеленый окрас. При этом возможны некоторые отклонения, как в одну, так и в другую сторону, из-за особенностей атмосферного слоя вблизи горизонта на данном участке.
Согласно многолетним наблюдениям весна и осень являются сезоном северных сияний. По причинам, до сих пор не до конца установленным, несколько недель до солнцестояния длится пик северных сияний. В период осеннего равноденствия, когда Земля и Солнце выстраиваются так же, как и весной, происходит второй всплеск активности полярных сияний. Установлено, что на весну и осень приходится вдвое больше сияний, чем на лето и зиму. Также в последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.
Считаем, что основная причина этого заключается в свойственном этим периодам и местам колебаниям влагосодержания атмосферы. Как известно, по законам физики воздух при разных температурах может содержать различное максимальное количество воды (влажность). Весной и осенью, в период равноденствия, а также вблизи морей и океанов, повышение температуры в дневное время суток приводит к увеличению содержания влаги в атмосфере и образованию облаков. Облака переносятся ветрами на огромные расстояния, в результате чего осуществляется постоянный влагообмен между различными областями нашей планеты.
С наступлением сумерек температура понижается и, в соответствии с законами физики, идет обратный процесс снижения содержания влаги в атмосфере. При этом в облаках, происходит образование и выделение мельчайших ледяных кристалликов.
В отличии от капелек воды (которые отличаются только размером) ледяные кристаллы бывают разной формы и могут летать в воздухе разными способами: парить, вращаться, медленно падать и т.д. Всего физикам известно 17 форм кристаллов льда, образующихся в различных условиях. Однако на Земле большинство из них не встречаются. Ледяные кристаллики облака чаще всего имеют форму шестигранных призм-столбиков длиной порядка 0,1 мм и шестиугольных пластинок размером 0,1. 0,5 мм [4, с. 1].
В большинстве случаев северное сияние сопровождается ясным небом в верхних слоях атмосферы и наличием облачности вблизи горизонта. Очевидно, именно облака, а вернее содержащиеся в них кристаллики льда играют основную роль в образовании северного сияния и его многообразии.
Поскольку внутри облака, постоянно идут разнообразные процессы перемешивания слоев, с образованием завихрений, то льдинки непрерывно перемещаются и вращаются. Учитывая, что толщина слоя облаков составляет около километра, лучи Солнца, проходя через них, при встрече с ледяными кристалликами, из которых они состоят, испытывают многократное преломление и отражение во всевозможных направлениях. Доказано, что, когда солнечный свет преломляется и рассеивается на льдинках, в облаке присутствует зеленоватый оттенок.
Поскольку форма самого облака, а также его положение, плотность и толщина в объеме непрерывно меняются, то наблюдается постоянное изменение интенсивности цвета проходящих через него лучей, а, следовательно, картинки и цвета окраски отдельных зон сияния. Ослабление свечения сияния по высоте объясняется как за счет рассеяния и поглощения света в облаке, так и за счет снижения количества ледяных кристалликов по мере увеличения его высоты от поверхности Земли.
Разновидностью такого атмосферного явления считаются образующиеся в морозную погоду изморозь или ледяные иглы — твёрдые осадки в виде мельчайших ледяных кристаллов, парящих в воздухе. Днём они сверкают в свете лучей солнца, ночью — в лучах луны или при свете фонарей. Чаще всего ледяные иглы образуются в ночное время и являются причиной красивых светящихся «столбов», идущих от источников света вверх в небо. Они наблюдаются чаще всего при ясном или малооблачном небе, иногда выпадают из перисто-слоистых или перистых облаков. Днем под действием лучей Солнца и при незначительном повышении температуры они быстро исчезают. Изморозь появляется при сильных и умеренных морозах, и, чаще всего, образуется ночью. Может наблюдаться с поздней осени до начала весны. Было установлено, что изморозь как природное явление имеет особую функцию – она обеспечивает подпитку слою векового льда в центральной части Антарктиды и ледников северного острова Новой Земли.
Таким образом, из выше приведенных данных следует, что скорее всего именно наличие в атмосфере Земли и в выше расположенных слоях льдинок также является одной из основных причин возникновения северного сияния во время сумерек, которые в приполярных районах длятся от двух часов до трех недель [5, с. 1].
При этом, не степень возбуждения молекул (атомов) кислорода и азота, а форма льдинок и их положение в пространстве обеспечивает многообразие цветовой гаммы полярного сияния. Дело в дисперсии — свойстве, при котором лед по-разному преломляет свет разного цвета (с различной длинной волны). Если средний коэффициенте преломления света льдом составляет 1,31, то для красного света показатель преломления меньше (1,307), а для фиолетового света будет 1,317. Углы преломления разноцветных лучей различаются незначительно, примерно на 1;. Если «вблизи» это практически не заметно, то при большом количестве преломлений и отражений в потоке льдинок, на больших расстояниях расхождение лучей (дисперсия) становится существенным (радуга, например) [4, с. 1].
Расположение цветов в радуге обычно всегда постоянно. Красный цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый – на нижнем. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют или слабо выражены синий, темно-синий и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель (кристаллов) происходит сужение цветных полос радуги, сами же цвета становятся более насыщенными [3, с. 2].
Утверждение, что чем сильнее вспышка на Солнце, тем ярче и продолжительнее сияние считаем верным. Однако, причина этого не в возбуждении молекул (атомов) кислорода и азота, а в увеличении интенсивности светового излучения.
Иногда во время северного сияния можно различить шорохи и потрескивание. Это явление пока не находит объяснения. Финские ученые связали появление звука с заряженными частицами, «застрявшими» в слое атмосферы, что служит причиной раздающихся шорохов и потрескиваний.
Думаем не в этом главная причина. Шорохи очевидно объясняются трением друг о друга опускающихся в атмосфере льдинок и ледяных игл, а потрескивание – их частичным разрушением при этом, а также от воздействия солнечных лучей и падения на землю. Подтверждением этому может служить потрескивание льда на речке и поскрипывание снега при ходьбе в морозный день. Это связано с процессом разрушения ледяных кристалликов (льдинок), выпавших из воздуха ночью на землю.
Таким образом, согласно проведенному анализу имеющихся результатов по наблюдению и изучению полярных сияний установлено:
— полярные сияния имеют не электрическое происхождение, а носят чисто оптический характер и возникают в результате преломления, отражения и рассеивания солнечного света в атмосфере;
— причиной их возникновения на полюсах является то, что зимой здесь Солнце значительное время находится ниже горизонта, его лучи направлены от поверхности Земли вверх. Проходя через атмосферу Земли, они испытывают эффект рассеивания и поглощения. Среднее значение длины волны спектра при этом сдвигается к 550 нм. Следовательно, за пределами атмосферы на высоте свыше 80 – 100 км, где наблюдаются полярные сияния, свет будет иметь желто-зеленый окрас;
— шорохи при полярном сиянии очевидно объясняются трением друг о друга опускающихся в атмосфере льдинок и ледяных игл, а потрескивание – их частичным разрушением при этом, а также от воздействия солнечных лучей и падения на землю.