Северное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы, спровоцированное столкновением заряженных частиц солнечного ветра с атомами газов в верхних частях воздушной оболочки. Его хорошо видно в приполярных широтах. Загадочные полярные огни всегда вызывали интерес не только жителей северных стран, но и многочисленных туристов и ученых, изучающих земную атмосферу, магнитосферу. В статье вы узнаете, что такое северное сияние, какова его природа и в каком районе земного шара его видно лучше всего.
Что нужно знать о природном явлении
Северное (полярное) сияние – это одно из интереснейших и загадочных природных явлений. Только недавно ученым удалось узнать, как же оно появляется. Многоцветные полярные сияния возникают преимущественно в верхних слоях атмосферы вследствие взаимодействия заряженных частиц с магнитным полем Земли.
Подобным природным явлением можно любоваться ночью в высоких широтах обоих полушарий. Оно классифицируется по нескольким признакам.
- В зависимости от формы выделяют лентообразное, диффузное, лучеобразное свечение.
- В зависимости от интенсивности «сияния Севера» могут изменяться от едва различимых до ярких, красочных.
- Сияния могут разделяться по цвету: зеленые, красные, красно-розовые. Чаще всего можно наблюдать именно зеленые свечения. Реже наблюдаются фиолетовые или синие огни. Белое сияние бывает чрезвычайно редко.
Во время полярных сияний нередко слышны характерные щелчки, хлопки и другие звуки. Они имеют природное происхождение.
Влияние солнечной активности
Связь между северным сиянием и солнечной активностью была заподозрена примерно в 1880 году. Благодаря исследованиям, проведенным с 1950-х, мы теперь знаем, что электроны и протоны солнечного ветра захватываются магнитосферой Земли и сталкиваются с газами в атмосфере.
Температура над поверхностью Солнца (речь идет о короне, сама поверхность Солнца имеет температуру ок. 6000 градусов) составляет миллионы градусов по Цельсию. При этой температуре, столкновения между ионами весьма интенсивны. Свободные электроны и протоны вырываются из солнечной атмосферы в результате вращения Солнца и улетают через прорехи в магнитном поле. В околоземном пространстве, заряженные частицы в значительной степени отклоняются магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли слабее всего на полюсах и поэтому заряженные частицы попадают в атмосферу Земли и сталкиваются с частицами газа именно на полюсах. Эти столкновения излучают свет, который мы воспринимаем как полярное сияние.
Как появляется полярное сияние
Северное сияние образуется излучением фотонов в верхних областях земной атмосферы, на высоте 80 км и выше. Под воздействием ионов, протонов, электронов молекулы и атомы газов (главным образом азота и кислорода) переходят в измененное состояние. Когда же атом либо молекула возвращаются в основное состояние, происходит излучение кванта света. Разные атомы дают различный свет при переходе в возбужденное или обычное состояние. Так, кислород светится зеленым или багровым цветом, азот – синим или красным.
Под воздействием ряда факторов ширина свечения может составлять 160 км. Длина же сияния может превышать полторы тысячи километров.
Значение кислорода для образования полярного сияния
Кислород может переходить из возбужденного в основное состояние всего за 0,75 сек. Этот газ излучает зеленый цвет в течение двух минут, после чего оттенок изменяется на красный. При столкновении с другими атомами происходит поглощение энергии, в результате чего свечение прекращается.
В верхних слоях атмосферы количество кислорода меньше, чем у поверхности. Поэтому описанные столкновения редки. Этим объясняется появление красивого красного излучения.
По мере уменьшения высоты плотность воздуха увеличивается. Учащение столкновений между атомами способствует прекращению красного свечения атмосферы. Ближе к поверхности прекращают образовываться и зеленые лучи.
Роль солнечного ветра и магнитного поля
Земля все время взаимодействует с солнечным ветром – потоком электронов и положительно заряженных ионов. Эти частицы испускаются Солнцем во всех направлениях. Скорость их движения – примерно 400 километров в секунду, напряжение магнитного поля – от 2 до 5 нанотесла, а плотность ионов – примерно 5 на кубический сантиметр.
Во время магнитных возмущений потоки заряженных частиц значительно усиливаются. Из-за этого многократно усиливается напряженность межпланетного поля.
Под влиянием заряженных частиц и магнитного поля Земли формируется земная магнитосфера. Она отклоняет эти потоки примерно на 70 тыс. км. Ширина магнитосферы составляет около 190 тыс. км. На ночной стороне шлейф распространяется на большее расстояние, превышающее 200 земных радиусов (более 1,2 млн км).
Плазменный поток в магнитосфере увеличивается с ростом плотности и турбулентности солнечного ветра. Магнитосферные потоки плазмы сталкиваются с магнитным полем нашей планеты перпендикулярно. Отдельные плазменные потоки движутся вдоль линий магнитного поля и постепенно теряют энергию. Это и способствует свечению атмосферы.
Как образуются полярные сияния
Влияние активности Солнца
Связь между северным сиянием и активностью Солнца была замечена еще в 80-х гг. 19 века. Дальнейшие исследования показали, что заряженные частицы солнечного ветра перехватываются земной магнитосферой, сталкиваются с молекулами газов.
Температура солнечной короны достигает нескольких миллионов градусов. При этом происходят разнообразные столкновения между ионами. Свободные заряженные частицы на большой скорости вырываются из атмосферы Солнца и улетучиваются. В пространстве около Земли эти частицы отклоняются магнитным полем.
Земное магнитное поле наиболее слабо на полюсах и в околополярной зоне. Из-за этого заряженные частицы проникают в атмосферу и сталкиваются именно в высоких широтах. Столкновения способствуют образованию квантов света, которые мы и видим, как полярное сияние.
Солнечный ветер и магнитосфера
Земля постоянно погружена в потоки солнечного ветра — разреженного потока горячей плазмы (газ из свободных электронов и положительных ионов), испускаемых Солнцем во всех направлениях, который образуется в результате воздействия двух миллионов градусов тепла Солнечной короны.
Солнечный ветер, как правило, достигает Земли со скоростью около 400 км/с, плотностью около 5 ионов/см3 и напряженностью магнитного поля 2-5 нТл (Напряженность магнитного поля Земли измеряется в Теслах и у поверхности Земли, она как правило, составляет 30,000-50,000 нТл). Во время магнитных бурь, потоки солнечной плазмы могут быть в несколько раз быстрее и межпланетное магнитное поле (ММП) может быть гораздо сильнее.
Межпланетное магнитное поле формируется на Солнце, в области солнечных пятен, а по его силовым линиям в космос простирается солнечный ветер.
Виды северного сияния
Для оценки типа свечений ученые чаще всего пользуются терминами «диффузное» и «точечное» сияние.
Диффузное
Это «спокойное» сияние без четких границ, в виде пятен или вуали. Светящиеся элементы могут быть похожи на освещенные лунным светом облака. Иногда рассеянный свет может занимать большую часть неба. В отдельных случаях ночных огней может быть не видно.
Диффузное полярное сияние
Точечное сияние
Точечные сияния отличаются по яркости – от едва заметных до ярких. Такие авроры можно видеть только в условиях глубокой ночи.
Точечное полярное сияние
alla_fedina.jpg
Фото: Алла Федина
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.
Ранее с этим странным явлением столкнулся знаменитый полярник Амундсен. Он был штурманом корабля «Бельжик», который стоял на зимовке у берегов Антарктиды. Несколько членов экспедиции «услышали» зов Полярной звезды. Один из них даже сбежал с корабля в снежные просторы, а другой попытался убить топором Амундсена.
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.
Наиболее подходящее время и место для наблюдения за полярным сиянием
Полярные сияния видны и в Северном, и в Южном полушарии, в виде овала неправильной формы. Его центр располагается над магнитным полюсом. Интересно, что полярные огни на Южном полюсе являются зеркальным отображением такого же явления на Северном. Зоны, благоприятствующие максимальной видимости полярных сияний, называются авроральными овалами. Они расположены между 67 – 70 градусами широты. В период максимума солнечной активности овал на севере и юге значительно расширяется, и атмосферное свечение видно на более низких широтах – вплоть до 45 градусов и даже ниже.
Полярное сияние в Антарктиде видно точно так же, как и в Арктике.
Полярное сияние в Антарктиде
Наиболее удобное место для наблюдений за северными сияниями – это области земного шара, находящиеся севернее или южнее соответствующих полярных кругов. Также северное полярное сияние доступно наблюдателям южной части Гренландии. Южное сияние видно вокруг Антарктиды.
Указанное природное явление является циклическим. Его интенсивность совпадает с циклом активности Солнца. Самая высокая вероятность увидеть свечение атмосферы зимой. Этому способствует короткий световой день и длинные ночи. Лучшая видимость сияний – около полуночи.
Полярное сияние бывает в любой сезон. Его появление зависит от интенсивности солнечных бурь.
aleksandr_stepanchenko_2.jpg
Фото: Александр Степаненко
Как сфотографировать северное сияние
- Нужен штатив, чтобы надёжно зафиксировать фотоаппарат в момент съёмки.
- Стоит запастись терпением, поскольку северное сияние не загорается по расписанию. Оденьтесь теплее и возьмите с собой термос с тёплым напитком.
- В ожидании полярного сияния лучше держать камеру в кофре или под одеждой.
- Съёмку необходимо производить с фокусом на бесконечность (режим пейзажной съёмки).
- И – самое важное – надо выставить выдержку не менее чем на 15 секунд. Иначе снимки получатся тёмными, а сияние будет незаметно.
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».
Звуки, генерируемые сияниями
Иногда полярное сияние может генерировать звуки, похожие на хлопки, треск. В течение продолжительного времени ученые ставили под сомнение реалистичность таких звуков: их было трудно зафиксировать и описать с точки зрения науки. Тем не менее, финским исследователям удалось записать звуки, издаваемые северными сияниями.
Астрономы также утверждают, что звуки образуются на высоте примерно 70 метров над поверхностью Земли. Они формируются в результате взаимодействия ионов и электронов с атомами атмосферных газов.
Астрономы, работающие в Университете Аляски и изучающие полярные сияния, отмечают, что звуки от полярных сияний чрезвычайно редки. Очень малому количеству людей когда-либо удавалось их услышать. Такие звуки могут появляться только в годы наиболее высокой солнечной активности. Для наблюдения за ними нужно, чтобы ночь была ясной и безветренной, а вблизи не было бы источников шума.
518892.jpg
Фото: Александр Меркушев
«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.
Что влияет на яркость и оттенки северного сияния
Цвет атмосферного свечения зависит от молекул газа, сталкивающихся с частицами солнечного ветра.
- Зеленый цвет возникает в результате излучения атомарного кислорода на высоте от 80 до 150 км, реже – молекул азота.
- Красный цвет – это результат излучения молекул азота, атомов кислорода на высотах от 150 до 400 км, и в незначительной степени – атомов водорода.
- Желтый оттенок появляется в результате процесса ионизации кислорода, а также комбинации красного и зеленого свечения.
- Синий цвет является результатом излучения атомов азота на высотах от 140 до 160 км. Это явление встречается сравнительно редко.
- Фиолетовый цвет возникает как следствие излучение молекул азота на высотах менее 120 км.
- Розовый оттенок появляется от смешивания красного и зеленого цветов.
Интенсивность свечения зависит от активности Солнца. Она оценивается по следующей шкале.
- 1 балл имеет свечение, приближенное по яркости к Млечному пути.
- 2 балла – это свет, исходящий от Луны, закрытой перистыми облаками.
- 3 балла – это свечение, похожее по яркости на свет Луны, скрытой кучевыми облаками.
- Наивысшая яркость равна свету полной Луны, видимой в ясную ночь.
sergey_barkov.jpg
Фото: Сергей Барков
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.
Искусственные северные сияния
После экспериментов Министерства обороны США с ядерными взрывами в конце 1950-х гг. появилось свечение атмосферы, похожее на полярное. Эти испытания проводились с целью изучения магнитного поля Земли.
Свечение в виде дуги малинового цвета было замечено в начале августа 1958 г. на Гавайях и в акватории о. Апиа после ядерных взрывов на высоте 400 км над поверхностью Земли. Подобное явление было замечено в начале осени того же года в Атлантическом океане после ядерных взрывов, проведенных в ходе операции «Аргус». Взрывы прогремели на высоте сотен километров над поверхностью Земли. Тогда же свечение красного цвета было замечено на Азорских островах.
Полярное сияние, образованное в результате взрыва ядерной боеголовки
Проведенные эксперименты показывают, что ядерные взрывы, произведенные на высоте нескольких десятков километров над земной поверхностью, приводили к возмущениям в магнитном поле и вызывали поток заряженных частиц. Искусственные полярные сияния провоцировались потоками электронов, которые образовывались в момент атомного взрыва после бета-распада.
Электроны, двигаясь по касательной к земному магнитному полю, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, вызывали свечение в верхних атмосферных слоях. Этот механизм дал ученым понять, как образуются полярные сияния.
Свечение верхних атмосферных слоев может быть вызвано выбросами натрия и калия из ракетных двигателей. Это – искусственное сияние, в отличие от полярного сияния такого же происхождения.
Находим Арктику на карте
Прежде всего, нужно понять, куда мы направляемся. Поэтому мы достаем географическую карту и смотрим, где находится пункт назначения. Карту можно повесить на стену, чтобы она всегда была на виду. Но нам больше нравится расстилать карту на полу и перемещать по ней любимые игрушки на их книжках-кораблях.
Доезжая по карте до Северного полюса, мы попутно называем океаны, по которым проплываем и другие места, которые нам уже знакомы.
Замечательно будет, если вы найдете Арктику не только на карте, но и на глобусе. Я обнаружила, что уже после того, как дочь немного ориентировалась на карте, могла показать все материки, примерное расположение нашего города, она совершенно потерялась на глобусе, и отказывалась узнавать на нем, казалось бы, знакомые материки. Поэтому полезно параллельно с картой изучать еще и глобус, к тому же это будет формировать у ребенка представление о Земле, как о шаре.
История изучения
Долгое время ученые не могли узнать, почему возникает северное сияние. Одним из первых в истории наблюдения за полярным сиянием документировались Джеймсом Куком. Тогда же ученые узнали, что красочное явление природы может наблюдаться на двух полюсах одновременно.
В то время высказывались такие гипотезы относительно появления северного сияния:
- небесное свечение возникает в результате гниения рыбы, которая выбрасывалась на побережье из морских глубин;
- северное сияние появляется, если некая «зодиакальная материя» проникает в верхние слои атмосферы.
Наиболее правдивую гипотезу предложил английский астроном Эдмунд Галлей. Он предполагал, что свечение атмосферы вызывает некая «магнитная жидкость».
Первым, кто смог научно объяснить происхождение полярного сияния, был выдающийся русский ученый Михаил Ломоносов. Путем научных экспериментов в лаборатории он воссоздал те процессы, которые происходят в атмосфере. Ученый выкачал из стеклянного шара воздух и пропускал через него разряды электричества. В нем возникали огни, которые напоминали те, которые появляются на небе. Также ученому удалось доказать, что каждый вид газа дает сияние разного цвета.
Ученым из NASA удалось воспроизвести полярное сияние в лабораторных условиях
Эта теория находила дальнейшее развитие, и ученые вскоре установили, что сияние Cевера имеет электрическую природу. Также была установлена связь между частотой этого природного явления и магнитными бурями.
Благодаря развитию современной физики и космических технологий, было дано наиболее точное определение рассматриваемого явления природы.
aleksandr_merkushev_10.jpg
Фото: Александр Меркушев
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.
Инфразвук – причина многих трагедий, происходящих в море. Незначительное воздействие инфразвука влечёт за собой морскую болезнь, среднее – вызывает нарушения функций мозга, иногда до лишения зрения и слуха. Считается, что инфразвук 7 герц смертелен для человека. Смерть наступает по причине вибрации внутренних органов, что приводит к остановке сердца. Учёные считают, что легенды о морских сиренах, манящих мореплавателей, напрямую связаны с полярным сиянием.
