КУЗНЕЦОВ А.И., КУЗНЕЦОВ А.Р.
Полярное сияние – это свечение верхних слоев атмосферы Земли на высоте более 80 - 100 км. Давно доказано, что чаще всего полярное сияние наблюдается в районе магнитных полюсов Земли. Основной причиной этого принято считать наибольшую величину магнитного поля и разрежённость атмосферы в этих районах. Однако, в настоящее время ученые доказали наличие полярных сияний не только в других районах Земли кроме полюсов, но и на других планетах Солнечной системы, в частности на Марсе [1, с. 2]. Учитывая, что на ряде планет магнитное поле отсутствует совсем или имеет незначительную величину, можно предположить, что это не является основной причиной образования сияний.
Поскольку у Земли два полюса то различают южное и северное сияние. Для большинства людей это явление больше известно, как северное сияние. Это связано с тем, что северная часть нашей планеты является более заселенной и потому наиболее доступна для большинства людей, чем южная. Наиболее вероятным местом для наблюдения сияния является любая точка за полярным кругом, а необходимым условием - экологическая чистота региона.
Ученые считают, что причиной возникновения полярного сияния является Солнце, на котором постоянно возникают вспышки и взрывы. Сияние - это видимый глазу солнечный ветер. Чем сильнее вспышка на солнце, тем ярче и продолжительнее сияние.
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.
Классическое полярное сияние имеет желтовато-зеленый цвет в различных оттенках интенсивности. Присутствует в сиянии также красный цвет, синий и пурпурно-красный. В разных регионах Земли полярное сияние различно по окрасу. Имеющие место северные сияния с многообразием различных цветов спектра могут определяться конкретным местом наблюдения или температурными условиями периода (сезонностью). Это следствие эффекта радуги. Он наблюдается при наличии в нижней части облака капелек воды, в которых происходит преломление и дисперсия света. Доказано, что в облаке может находиться переохлажденная вода, незамерзающая при температурах до -20оС. Это более характерно для берегов океанов и морей, или Исландии, где повышенная влажность определяется наличием гейзеров. Другим условием этого может являться наличие в облаке (атмосфере) призм-льдинок, имеющих зауженную часть, на которой также происходит дисперсия света.
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].
Именно поэтому сияния обычно наблюдаются не вблизи поверхности земли, а на высоте более 80 - 100 км (иногда до 1000 км). Высота распространения сияния, очевидно, определяется интенсивностью светового потока, зависящего от вспышек на Солнце, наличием сильного мороза и безоблачностью в верхних слоях атмосферы. Учитывая чрезвычайную подвижность и изменение ориентации кристалликов льдинок в облаках, обуславливающих распространение преломленных и отраженных световых лучей в различных направлениях, цветовые лучи полярного сияния, в отличии от радуги, часто наблюдаются в виде отдельных быстро сменяющихся разрозненных мерцающих лучей.
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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фактрум. Наука. 30.08.2013. Как возникает северное сияние. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.factroom.ru/facts/41194/ [Дата обращения 26.11.2019].
2. Почему северное сияние не похоже на южное. [Электронный ресурс]. – URL: [Дата обращения 26.11.2019].
3. Реферат КГПУ им. К.Э. Циолковского Оптические явления в атмосфере. Калуга 2009. [Электронный ресурс]. – URL: https://works.doklad.ru/view/AvfwrAs3bTU/all.html [Дата обращения 16.12.2019].
4. Livejournal. Занимательная физика на пальцах: гало. [Электронный ресурс]. – URL: https://yuritkachev.livejournal.com/9819.html. [Дата обращения 27.12.2019].
5. АwesomeWorld.ru. Интересные факты о закате и восходе Солнца. [Электронный ресурс]. – URL:
[Дата обращения 27.11.2019].