Полярное сияние представляет собой поистине завораживающее зрелище: разноцветные дуги, лучи, пятна, кольца, вихри, которые быстро движутся по воздуху, переливаясь различными цветами – от красного сияние, образовавшее дугу длиной 4827 км, но это далеко не предел! Иногда движение и игра цветами этого удивительного природного калейдоскопа может длиться часами, то угасая, то разгораясь с новой силой.
Сейчас ученым известна природа полярного сияния, его могут создавать искусственно и детально классифицировать. Но еще не так давно на протяжении многих веков это удивительное природное явление вызывало у людей суеверный страх или благоговейный трепет. Для древних викингов полярное сияние было ликом их верховного бога Одина и считалось благоприятным знамением. Жители Гренландии уверены, что в сполохах полярного сияния находятся души их предков, живущие после смерти на небесах. А что же видят в этом переливающемся всеми цветами радуги свете ученые? Ответ прост: электрическое свечение верхних разреженных слоев атмосферы.
Общеизвестен факт, что от Солнца во все стороны, наряду с волнами электромагнитного излучения, распространяются с огромной скоростью потоки электрически заряженных частиц (протонов и электронов), получившие названия солнечного ветра. Его взаимодействие с магнитным полем Земли приводит к повышенной концентрации заряженных частиц в зонах, окружающих геомагнитные полюсы нашей планеты, что объясняет, почему именно в Арктике и Антарктике чаще всего можно наблюдать полярное сияние. Сталкиваясь с атомами кислорода и азота, солнечные частицы приводят их в возбужденное состояние, то есть сообщают им электрический заряд, в результате чего, выделяя избыток энергии, молекулы воздушного вещества дают яркое световое излучение. Если замена электронов происходит в молекулах кислорода, излучение приобретает оттенки в зеленой и красной областях спектра, если в молекулах азота – сияние приобретает фиолетовые оттенки. Такие процессы могут происходить только в высоких слоях атмосферы, поскольку в низких, более плотных слоях сталкивающиеся атомы и молекулы воздуха сразу же отнимают друг у друга энергию, полученную от солнечных частиц. Как правило, полярное сияние можно наблюдать на высоте от 80 до 1000 км.
Появление полярного сияния, его частота и интенсивность подвержены определенным закономерностям. Максимальная активность небесного свечения в течение суток отмечается около 23.00, сезонный пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним промежутки времени: март-апрель и сентябрь-октябрь. Если брать более серьезные промежутки времени, то максимальные пики активности полярного сияния представляют собой циклы, состоящие примерно из 27 дней и 11 лет, именно через такие временные промежутки полярное сияние возникает чаще обычного и, помимо северного и южного полюсов, его можно наблюдать и в более низких широтах. Эти циклы совпадают с периодами высокой активности магнитного поля Земли, так называемыми «магнитными бурями». Последние, в свою очередь, связаны с солнечной активностью. 27 суток – это период вращения Солнца, а через каждые 11 лет на нем циклично повышается активность, выражающаяся в появлении мощных групп пятен и сильных вспышек, вследствие чего усиливается интенсивность солнечного ветра – основного фактора, влияющего на возникновение полярного сияния.
Сейчас по классификации, составленной в 1963 году, полярные сияния делятся на три группы: лентообразные, диффузные и лучи. К первым относятся сияния в форме дуг и полос, с непрерывной нижней границей; дуги представляют собой арку с правильным, резко очерченным нижним краем, полосы более подвижны, чем дуги, нижний край у них неправильный, он содержит изгиб или складку. Лентообразные полярные сияния простираются в небе на тысячи километров по горизонтали и на сотни километров по вертикали, при этом толщина их составляет всего несколько сотен метров, из чего ученые делают вывод, что данный тип полярных сияний вызывается узким электронным пучком. Часто лентообразные формы возникают в несколько ярусов, простирающихся один над другим через весь небосвод, что представляет неописуемое и захватывающее зрелище. Диффузные формы полярного сияния имеют вид пятен с нечеткими границами, напоминающих облака, или вид вуали, представляющей собой протяженное однородное свечение. Такие формы обычно возникают в зоне полярных сияний на последней стадии их развития. Лучи представляют собой узкие пучки света и располагаются в небесном пространстве вдоль силовых линий магнитного поля Земли, они бывают различной длины, могут находиться тесно друг возле друга, а могут быть разбросаны по всему небосклону. Лучи часто наблюдаются вместе с другими формами полярного сияния.
Полярные сияния различаются также по структуре. Она бывает однородной, когда отсутствует внутренняя структура свечения, без видимых лучей, волокнистой, состоящей из беспорядочных полосок или волокон, расположенных параллельно нижнему краю, или лучистой, как бы сотканной из массы отдельных, мерцающих лучей. Еще один элемент классификации полярных сияний – степень активности явления. Спокойные формы сияний почти не меняются или меняются, но очень медленно, в то время как активные формы подвержены быстрым изменениям во времени и пространстве, они обычно ярче спокойных.
Существует также несколько локальных особенностей полярных сияний, приводящих к отклонениям явления от общих закономерностей. Так, учеными было обнаружено влияние береговой линии на морфологию этого явления – сияния над морем обладают большой подвижностью, а интенсивность его над островами, мелями и районами опреснения морских вод заметно уменьшается. Помимо этого, береговая линия влияет и на высоту полярного сияния: вблизи берега она минимальна, но повышается как в сторону моря, так и в сторону суши. Ученые еще не до конца изучили эти закономерности, и единственным объяснением «берегового эффекта» на сегодняшний день остается взаимодействие переменного тока в сияниях с токами, наведенными в море. Еще одной локальной особенностью полярных сияний является неравномерность их распределения, постоянная во времени, то есть не зависящая от уровня геомагнитной активности. Области максимальной и минимальной плотности и частоты возникновения полярных сияний были сопоставлены с картами геомагнитного поля, в результате чего области наибольшего сосредоточения сияний совпали с районами магнитных аномалий. Наибольшую активность полярные сияния проявляют в зоне Восточно-Сибирской магнитной аномалии.
Сегодня на вооружении у ученых находится огромное количество современной фото– и видеотехники, лаборатории с новейшим оборудованием, сверхчувствительные радиолокаторы, что дает возможность успешно проводить широкомасштабные исследования полярного сияния по всему миру и отвечать на вопросы, которые в течение многих столетий не давали покоя человечеству. С помощью радиолокации можно проследить движение полярного сияния даже при солнечном свете, точно определить высоту и протяженность этого явления. В 1985 году советскими и французскими учеными был успешно проведен эксперимент по созданию искусственного полярного сияния, получивший название «Араке». Таких экспериментов проводилось еще много, они помогли досконально определить механизм возникновения полярного сияния, дали дополнительные возможности в изучении магнитного поля Земли, солнечного излучения, процессов, происходящих в ионосфере, и влияния этих процессов на погоду вблизи земной поверхности. Последнее десятилетие изучение полярного сияния активно ведется и с искусственных спутников Земли. Однако ученые справились еще не со всеми загадками, которые поставила перед ними природа. Точно предсказать заранее место и время возникновения полярного сияния, его будущие особенности и интенсивность наука пока что не в силах. До сих пор нет объяснения связи этого явления с погодой – остается открытым вопрос о том, почему полярные сияния чаще всего наблюдаются в морозные ночи.
У многих северных народов появление на небе разноцветных мерцающих огней не вызывает чувства восхищения, для них это – дурной знак. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что некоторая доля правды в этом есть. Известно, что это явление напрямую связано с магнитными полюсами Земли и особенно часто возникает во время так называемых «магнитных бурь», которые, в свою очередь, неблагоприятно влияют на человеческий организм. Возможно, за многовековую историю своего существования эти северные народы уловили некоторую закономерность между возникновением полярного сияния и ухудшением самочувствия. Но мы-то знаем, что само по себе это захватывающее явление природы не несет в себе никакого вреда, оно – лишь отражение процессов, происходящих на Солнце, и их взаимосвязи с магнитными полюсами нашей планеты. И вряд ли современный человек, знающий причину возникновения полярных сияний, если ему посчастливится стать свидетелем этого удивительного зрелища, будет в тот момент думать о солнечных частицах и их взаимодействии с земными веществами. Скорее всего, он как завороженный будет наблюдать этот уникальный танец света, цвета и форм, чтобы не забыть его больше никогда. И лишь потом, когда покинут темный небосклон последние отблески этого чуда природы, он, может быть, задумается, откуда взялись в небе столь удивительные и живые краски?