Северное сияние: тайна возникновения удивительного явления

Солнце и магнитные поля планет создают эффектное зрелище.

Среди всевозможных природных явлений, с которыми человек сталкивается на планете, полярное сияние — одно из самых безобидных. Хотя энергия, которая выделяется при этом, сопоставима с той, что высвобождается при землетрясении магнитудой в 5—6 баллов.

При этом полярное сияние — один из самых эффектных природных феноменов. Наблюдение и фотосъемка сияний давно уже превратилась в разновидность активного отдыха.

Термин "северное сияние" (раньше не знали о том, что в Антарктике оно тоже есть) — это калька с немецкого Nordlicht. У поморов, живших в Арктике и хорошо знакомых с северным сиянием, для него существовали свои колоритные названия — пазори, сполохи. В науке распространено еще одно название этого явления — аврора.

Физика: солнечный ветер против магнитного поля

Свечение верхних слоев атмосферы в приполярных районах является следствием впечатляющих процессов, происходящих в Солнечной системе. От Солнца постоянно исходит колоссальный поток заряженных частиц — так называемый солнечный ветер. Более того, время от времени наше светило выбрасывает в окружающее пространство дополнительные порции такого вещества. Заряженные частицы несутся прочь от Солнца и в какой-то момент сталкиваются с небесными телами, составляющими нашу Солнечную систему. Поскольку виновником полярных сияний является Солнце, то и возникновение их имеет определенную цикличность, завязанную на период вращения Солнца вокруг своей оси (27 суток) и колебаниям солнечной активности с периодом 11 лет.

Сталкиваясь с молекулами газов, составляющих атмосферы планет, заряженные частицы возбуждают их. При этом выделяется порция энергии в виде электромагнитного излучения. В зависимости от вещества, излучение это имеет определенную частоту, иными словами, столкновение частиц и молекул дает свет различного цвета. Молекулы кислорода дают желтое и зеленое свечение, молекулы азота — красноватое или фиолетовое. А вот водород порождает вспышки ультрафиолета, вообще неразличимые невооруженным глазом. Поскольку в атмосфере Земли преобладает именно азот и кислород, то благодаря этому (а еще неоднородности воздушной оболочки) мы и можем наблюдать столь эффектные световые шоу, устраиваемые самой природой. На других планетах, где атмосферы по большей части состоят из соединений водорода, человек без специальных приборов просто не смог бы увидеть такое зрелище.

Диапазон высот, на которых происходит образование полярного сияния, довольно большой — от 80 до 1000 км над поверхностью Земли. Причем цвет свечения также зависит от высоты.

Форма

В зависимости от стечения природных факторов, меняется и внешний вид свечения. Это могут быть колышущиеся ленты (иногда больше похожие на гигантские шторы), размытые пятна, тонкие лучи или даже короны. При этом форма свечения может постоянно меняться или наоборот — оставаться вялой, почти неизменной.

Место

Области появления сияний обусловлены воздействием магнитного поля Земли. Не будь его, небо могло бы светиться над любым участком планеты. Но наталкиваясь на силовые линии поля, большая часть солнечных частиц огибают нашу планету. И только в районах магнитных полюсов происходит наибольшее взаимодействие их с молекулами атмосферы. Эти области получили название авроральных овалов. Диаметр этих областей колеблется в пределах 2—3 тыс. км.

Максимальная частота полярных сияний в Северном полушарии наблюдается в полосе, проходящей через юг Гренландии и Исландию, север Скандинавского полуострова и арктическое побережье Сибири.

В Южном полушарии лучше всего наблюдать это природное явление на острове Тасмания или южной оконечности Новой Зеландии.

При сильных катаклизмах в "космической погоде" — магнитных бурях или мощных вспышках на Солнце — область возникновения полярных сияний заметно смещается на юг. Так, в январе 1938 года полярное сияние наблюдалось над всей территорией Западной Европы. А в 2015 году в украинских медиа промелькнули сообщения о полярном сиянии, замеченном неподалеку от Киева. В прошлом году по соцсетям гуляло фото, сделанное в Львовской области... Сложно сказать, насколько правдоподобна эти новость. Но в те моменты отмечались необычно сильные магнитные бури. Так что все возможно.

Долгое время считалось, сияния в южном и Северном полушарии происходят одновременно и симметрично. Но в 2001 г. удалось провести одновременное наблюдение полярных регионов из космоса, и оказалось, что сияния в Арктике и Антарктике живут своей особой жизнью, и мало похожи друг на друга.

К слову: именно благодаря магнитному полю на Земле существует жизнь. Не будь его, потоки частиц, налетающих на Землю из Вселенной и со стороны Солнца, просто бы выжгли все на ее поверхности. Не было бы даже шанса появиться сложным молекулам, необходимым для зарождения живой материи.

Время

В самом общем виде полярное сияние непредсказуемо. С ним дело обстоит точно так же, как с землетрясением. Можно определить вероятность его появления, но невозможно точно предсказать время. Кроме того, для эффектного зрелища требуется еще и ясное, безоблачное небо. Ну и, наконец, лучше всего сияние смотрится в темное время суток.

Вот почему эффектные снимки этого явления получают из космоса: здесь всегда ночь и нет облаков.

Существует устойчивое заблуждение, что чаще всего сияния случаются зимой. На самом деле их максимальная частота приходится на время весеннего и осеннего равноденствий. Просто в Арктике и Антарктике в это время уже началась (или еще не закончилась) зима. Так и возникла стойкая взаимосвязь сияний со снегом и морозом.

Космос: земля не уникальна

Земля не единственная планета Солнечной системы, где наблюдаются полярные сияния. Ведь принципиальные условия для возникновения такого явления — наличие у планеты магнитного поля и воздушной оболочки. Нашу Землю в этом плане никак не назовешь исключением.

Поскольку состав атмосферы на разных планетах существенно отличается, то и цвет сияний разный. Вплоть до того, что свечение происходит в невидимой для человеческого глаза части диапазона.

Наблюдать и исследовать внеземные полярные сияния стало возможным в последние десятилетия, когда в распоряжении ученых появились новые инструменты: орбитальные телескопы и межпланетные станции, достигшие окрестностей удаленных планет.

Гиганты

У небесных тел, попадающих в эту группу (планеты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), в воздушной оболочке преобладает водород. Поэтому свечение происходит в ультрафиолетовом диапазоне, которое невооруженным глазом не увидишь. Особенно эффектно полярные сияния выглядят на Сатурне и Юпитере. Ведь эти великаны окутаны мощнейшей атмосферой и обладают магнитными полями с напряженностью, в десятки раз превышающей этот показатель у магнитного поля Земли.

Такие условия порождают масштабные полярные сияния, достигающие немыслимых для Земли высот над поверхностью планеты. Рекордсменом здесь является Сатурн — над ним авроры формируются на высоте 1200 км!

В наблюдении за этими планетами огромная заслуга орбитального телескопа "Хаббл", передавшего на Землю множество фото- и видеозаписей свечения над полярными областями Юпитера. Как оказалось, на формирование полярных сияний на этой планете оказывают влияние его спутники. Так, на юпитерианской луне Ио есть действующие вулканы. Они непрерывно извергают вещество в ионосферу Юпитера, и поток заряженных частиц вызывает множество эффектов, которых просто нет на других планетах.

Кроме того, некое подобие полярного сияния отмечено и на самих лунах Юпитера. Один из них, Ганимед, обладает собственным магнитным полем. На Европе атмосфера взаимодействует с мощнейшим магнитным полем Юпитера.

Очень тяжело зафиксировать полярные сияния на такой далекой планете, как Уран. Магнитосфера Урана имеет нестандартную, по сравнению с другими планетами Солнечной системы, структуру. И ученым приходится выжидать момент, чтобы сложилась благоприятная ситуация: магнитосфера оказалась в оптимальной конфигурации, а Урана достиг выброс высокоэнергетичных частиц, извергнутый Солнцем (напомним, что именно они вызывают свечение в атмосфере). Впервые фото вспышек выполнила станция "Вояджер-2" еще в 1986 году. Затем, в 2011 году, это явление зафиксировал неутомимый трудяга "Хаббл". После этого ученым пришлось сторожить планету еще два года. И только в 2014 году были получены новые снимки.

Венера

У этой планеты нет внутреннего "генератора" магнитного поля. Поэтому оно вокруг Венеры довольно слабое. Тем не менее полярные сияния здесь тоже зафиксированы. Выглядят они как размытые пятна неопределенной формы.

Марс

Эта планета лишилась магнитного поля миллиарды лет назад. Но влияния намагниченных горных пород достаточно, чтобы над Красной планетой возникали свечения в ультрафиолетовом диапазоне волн. Например, при очень сильных вспышках на Солнце. Причем из-за отсутствия магнитного поля на Марсе светится весь небосвод, а не только полярные области.

Впервые марсианские авроры увидели в 2004 году. Гораздо более мощное сияние в верхней части марсианской атмосферы было замечено осенью прошлого года.

Странности: звуки и разлады психики

Полярные сияния имеют репутацию явления довольно безвредного. Но при углублении в тему все выглядит не так благообразно — особенно если учесть, что они связаны с состоянием магнитного поля планеты и солнечной активностью. Человеческий организм тоже чувствителен к этим факторам. Так что, вероятнее всего, некое рациональное зерно в многочисленных сообщениях о негативном влиянии полярных сияний на психику людей все-таки есть. Если покопаться в литературе о путешествиях, можно найти сообщения о том, как члены экипажей судов, оказавшихся в Арктике, вдруг теряли рассудок, рвались уйти с корабля. Такие случаи получили название "арктическая истерия". Нечто подобное встречалось и среди коренных северных народов: там в психоз впадали целые группы людей.

Вполне возможно, что разгадка кроется в колебаниях сверхнизкой частоты, которые возникают при возмущениях магнитосферы Земли. Сейчас биологам уже известно угнетающее воздействие таких колебаний на психику людей. Именно с ними, кстати, связывают случаи, когда целые экипажи внезапно покидают суда в различных регионах Мирового океана.

Коренные народы Севера всегда были уверены, что полярные сияния сопровождаются некими звуками. Подтверждения тому стали появляться, когда в СССР началось освоение арктических регионов. С полярными сияниями познакомилось множество вполне образованных людей, и многие нередко говорили о странных звуках. Долгое время рассказы списывали на усталость от нахождения в сложных условиях. Но в 2012 г. ученые из университета Аалто (Финляндия) записали звуки, сопровождающие природное явление. Оказалось, что возникают они на высотах около сотни метров и представляют собой потрескивание, шипение и глухие удары. И хотя взаимосвязь звуков и сияний очевидна, внятного объяснения этому феномену пока не найдено.

Авиация: сияние в салоне лайнера

Пылающие небеса так впечатляют людей, что совсем неразумно не использовать это природное явление в рекламе. Один из самых удачных примеров такого подхода продемонстрировала исландская авиакомпания Icelandair. Принадлежащий ей лайнер Boeing 757 Hekla Aurora облачен в ливрею с мотивами зимних пейзажей острова (Гекла — популярное в Исландии женское имя, и название одного из вулканов). Но дизайнеры не удовлетворились внешним видом самолета. Они развили идею и снабдили салон единственной в мире светодиодной подсветкой, воссоздающей северное сияние.