Природа и физическая сущность полярного сияния

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Лицей ТюмГНГУ

Природа и физическая сущность полярного сияния

Сущность полярного сияния

полярное сияние физическая магнитосфера

Полярное сияние (лат. Aurora Borealis, Aurora Australis) -- свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой (область пространства вокруг планеты или другого намагниченного небесного тела, которая образуется, когда поток заряженных частиц, например солнечного ветра, отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием внутреннего магнитного поля этого тела), вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра(поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300--1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды).

Другими словами, это - свечение верхних слоев атмосферы в результате ионизации солнечным ветром (солнечный ветер - потоки энергии, идущие от солнца).

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса (авроральные овалы). Выявлением причин, приводящим к высыпаниям заряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика. Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы солнечного ветра.

В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера -- линии излучения водорода в ультрафиолете.

Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с высотой в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200--400 км, а совместное свечение азота и кислорода -- на высоте ~110 км. Кроме того, эти факторы обуславливают и форму полярных сияний -- размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.

Полярное сияние Земли

Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли -- авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10--16°, на ночной -- 20--23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67--70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется, и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах -- на 20--25° южнее или севернее границ их обычного проявления.

Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии. Так за одно из зарегистрированных в 2007 году возмущений выделилось 5Ч1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.

При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

Полярное сияние планет Солнечной системы

Магнитные поля планет-гигантов Солнечной системы значительно сильнее магнитного поля Земли, что обуславливает больший масштаб полярных сияний этих планет по сравнению с полярными сияниями Земли. Особенностью наблюдений с Земли (и вообще из внутренних областей Солнечной системы) планет-гигантов является то, что они обращены наблюдателю освещённой Солнцем стороной и в видимом диапазоне их полярные сияния теряются в отражённом солнечном свете. Однако благодаря высокому содержанию водорода в их атмосферах, излучению ионизированного водорода в ультрафиолетовом диапазоне и малому альбедо планет-гигантов в ультрафиолете, с помощью внеатмосферных телескопов (космический телескоп «Хаббл») получены достаточно чёткие изображения полярных сияний этих планет.

Особенностью Юпитера является влияние его спутников на полярные сияния: в областях «проекций» пучков силовых линий магнитного поля на авроральный овал Юпитера наблюдаются яркие области полярного сияния, возбуждённые токами, вызванными движением спутников в его магнитосфере и выбросом ионизированного материала спутниками -- последнее особенно сказывается в случае Ио с её вулканизмом.

На изображении полярного сияния Юпитера, сделанного космическим телескопом «Хаббл» заметны такие проекции: Ио (пятно с «хвостом» вдоль левого лимба), Ганимеда (в центре) и Европы (чуть ниже и справа от следа Ганимеда).

История исследования полярного сияния

Одним из первых, кто занялся исследованием полярного сияния, был Михаил Васильевич Ломоносов, который высказал правильное предположение о том, что полярное сияние имеет электрическую природу. Для подтверждения своих догадок учёный проводил многочисленные эксперименты. Он брал стеклянный шар, выкачивал воздух и пропускал через него электрические заряды.

Учёные продолжившие эксперименты Ломоносова, заполняли полые трубки азотом, водородом, аргоном, неоном и другими разреженными газами и пропускали через них ток. Оказалось, что каждый газ светится по-разному: неон давал красное свечение, аргон - голубое. В результате было научно доказано: полярное сияние в свое основе действительно имеют электрическую природу.

Затем открытия шли одни за другими. Было установлено, что сияние происходит при свечении разреженных газов в верхней части атмосферы, называемой ионосферой. И возникает оно на высоте 80 километров от поверхности земли, а иногда на тысячу и более километров. Позже была установлена связь полярных сияний с активностью солнца. Если на светящейся поверхности Солнца - фотосфере - появляется особенно много пятен (это происходит периодически, примерно через каждые 11 лет), то полярные сияния возникают чаще и охватывают обширные пространства небесного свода. В это время их иногда наблюдают жители. Санкт-Петербурга, Москвы, и даже южных районов - Индии, Египта и других стран.

Полярные сияния, свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное взаимодействием атомов и молекул на высотах 90-1000 км с заряженными частицами больших энергий (электронами и протонами), вторгающимися в земную атмосферу из космоса. Соударения частиц с составляющими верхней атмосферы (кислородом и азотом) приводят к возбуждению последних, т. е. к переходу в состояние с более высокой энергией. Возврат в начальное, равновесное состояние происходит путём излучения квантов света характерных длин волн, т. е. Полярные сияния

Упоминания о Полярных сияниях можно найти ещё в классической греческой и римской литературе. М.В. Ломоносов первый предположил электрическую природу свечения. Первые карты изохазм (линий равной частоты появления Полярные сияния), указывающие на существование областей на поверхности Земли, где Полярные сияния появляются наиболее часто, были составлены в 1860-73 Э. Лумисом (США) и Г. Фрицем (Австрия) для Северного полушария и в 1939 Ф. Уайтом и М. Геддесом (Новая Зеландия) - для Южного. Изохазмы в каждом полушарии представляют собой несколько деформированные концентрические окружности с центрами вблизи геомагнитных полюсов. Зона Полярные сияния располагается на 23° от полюсов. Наблюдения последнего десятилетия показали, что свечение обычно появляется вдоль овала. Полярное сияние (Я.И. Фельдштейн, О.В. Хорошева, 1960-1963), центр которого (рис. 1) смещен на 3° от полюса вдоль полуночного меридиана. Радиус овала около 20°, так что около полуночи овал совпадает с зоной Полярные сияния, а в остальные часы располагается в более высоких широтах.

В конце 19 - начале 20 вв. норвежские учёные К. Биркеланн и К. Стёрмер высказали и развили идеи о солнечном происхождении частиц, вызывающих Полярные сияния Последующие исследования показали, что как частота появления, так и интенсивность Полярные сияния, особенно в средних широтах, явно коррелируют с активностью Солнца. Полярные сияния имеют удивительно разнообразные формы сияний и ситуаций. Однако каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накладывающихся друг на друга элементарных форм сияний, которые в первом приближении можно подразделить на: однородные дуги и полосы (рис. 2, а, б), тянущиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии; лучистые формы со значительной вертикальной протяжённостью (рис. 2, б, в, г); диффузные и неправильные пятна (рис. 2, д); большие однородные диффузные поверхности. Пространственно Полярные сияния во многих случаях располагаются вдоль геомагнитных силовых линий. Средняя толщина лучистых форм ~ 200 м и уменьшается с увеличением яркости.

Исследование спектра Полярных сияний было начато А. Ангстремом в 1869. В 1924 Дж. Мак-Леннан и Г. Шрам (Великобритания) показали, что зелёная линия с длиной волны l = 5577 излучается атомарным кислородом. Атомарный кислород образует также линии красного дублета 6300-6364 на высоте 200-400 км (сияния типа А). Состояния, соответствующие этим излучениям, являются метастабильными, и время жизни возбуждённых атомов 0,74 и 110 сек. Начиная с 50-х гг. 20 в. спектр Полярные сияния исследовался в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Помимо атомарных линий, спектр Полярные сияния состоит из систем полос нейтрального и ионизованного молекулярного азота и кислорода. Излучение с l = 3914 ионизованного азота наряду с l = 5577 является самым ярким в видимой части спектра от 3800 до 7000 . Поскольку максимальная спектральная чувствительность человеческого глаза приходится на l ~ 5550 , то Полярные сияния кажутся нам в большинстве случаев бледно-зелёными. Некоторые Полярные сияния характеризуются пурпурно-красной границей вследствие излучения полос нейтрального молекулярного азота. Полярные сияния с развитыми системами молекулярных полос относятся к типу В.

Вторжения протонов с энергиями 10-100 кэв приводят к появлению в спектре Полярного сияния линий Бальмера серии (Л. Вегард, Норвегия, 1939; А. Б. Мейнел, США, 1950). Наиболее интенсивна линия Нa с l = 6563. Водородные линии отличаются от других тем, что они существенно расширены и при наблюдениях в направлении зенита оказываются смещенными в область более коротких волн. Это доплеровское смещение (см. Доплера эффект) водородных линий было первым доказательством того, что излучение Полярные сияния, хотя бы частично, обусловлено вхождением в земную атмосферу потоков заряженных частиц. Свечение, связанное с протонами, имеет вид протяжённой в несколько сот км по широте и несколько тысяч по долготе слабой полосы. В Полярные сияния иногда наблюдаются спектральные линии гелия.

Спектр Полярного сияния меняется с широтой. В средних широтах обычно преобладают красные сияния типа А, на широтах зоны Полярные сияния - сияния типа В, а в полярной шапке - сияния типа А. В приполюсной области после интенсивных хромосферных вспышек на Солнце возникает равномерное «свечение полярной шапки» с l = 3914 , которое обусловлено непосредственным вхождением солнечных протонов с энергией 1-100 Мэв, проникающих до высот 20-100 км. Интенсивность Полярных сияний измеряется в т. н. международных коэффициентах яркости (IBC) или в баллах. Установлено 4 балла, отличающихся по яркости на порядок: Полярные сияния I балла равно яркости Млечного Пути и соответствует излучению 102 квантов/см2Чсек с l = 5577 , или 1 крэлею, а IV - полной Луне, т. е. излучает 1012 квантов/см2Чсек с l = 5577 , т. е. 1000 крэлеев.

Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих Полярные сияния, есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становится асимметричной, вытягиваясь в антисолнечном направлении (рис. 3). Полярные сияния на ночной стороне Земли связаны с процессами в плазменном слое магнитосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3-5 радиусов Земли образуется кольцевой ток протонов. Магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы, и Полярные сияния наблюдаются значительно ближе к экватору, чем район их обычного существования. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями (дневной касп). Последовательность форм Полярные сияния и их движений находится в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, - магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Возвращение в состояние с меньшей энергией носит взрывной характер и сопровождается высвобождением за 1 ч энергии ~ 1022 эрг, что вызывает свечение атмосферы - т. н. авроральную суббурю.

При взаимодействии быстрых электронов с атомами и молекулами атмосферы образуются рентгеновские лучи как тормозное излучение электронов. Тормозное излучение гораздо более проникающее, чем частицы, поэтому оно достигает высот 30-40 км. Полярные сияния испускают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 сек, которые сопровождаются колебаниями атмосферного давления с амплитудой от 1 до 10 дин/см2.

Изучение Полярных сияний имеет два существенно различных аспекта. Во-первых, оптическое излучение, являясь одним из конечных результатов процессов в пространстве между Землёй и Солнцем, может служить источником информации о процессах в околоземном космическом пространстве, в частности для диагностики магнитосферы. Во-вторых, по данным об оптическом излучении можно судить о воздействии первичного потока частиц на ионосферу. Такие исследования необходимы в связи с проблемой распространения радиоволн и др. явлениями в радиодиапазоне [появлением спорадических слоев Е, рассеянием радиоволн, возникновением ОНЧ-излучения (см. Радиоволны) и радиошумов]. Наблюдения Полярных сияний с использованием телевизионной техники позволили установить сопряженность Полярных сияний в двух полушариях, исследовать быстрые изменения и их тонкую структуру. Не все проблемы, связанные с Полярным сиянием, могут быть решены наземными средствами или наблюдениями естественных Полярные сияния Появление спутников и ракет позволило проводить изучение Полярные сияния в тесной связи с исследованиями околоземного космического пространства и ставить прямые эксперименты во внешней атмосфере Земли и межпланетном пространстве. Так, США в 1969, СССР в 1973 и СССР совместно с Францией в 1975 провели эксперименты по созданию искусственных Полярные сияния, во время которых с ракеты на высоте в несколько сот км. инжектировался в атмосферу пучок электронов высоких энергий. Проведение контролируемых экспериментов совместно с наземными наблюдениями открывает новые пути в исследовании Полярных сияний и процессов в верхней атмосфере. В 1971-1972 гг. измерения интенсивности отдельных эмиссий и фотографирование Полярных сияний начато из космоса со спутников на полярных орбитах, что позволяет получать распределение свечения во всей области высоких широт за несколько минут.

Литература

1. Исаев С.И., Путков Н.В., Полярные сияния, М., 1958;

2. Красовский В.И., Некоторые результаты исследований полярных сияний и излучения ночного неба во время МГГ и МГС, «Успехи физических наук», 1961, т. 75, в.

3. Чемберлен Дж., Физика полярных сияний и излучения атмосферы, пер. с англ., М., 1963;

4. Акасофу С.И. Полярные и магнитосферные суббури, пер. с англ., М., 19712

5. Исаев С.И., Пудовкин М.И., Полярные сияния и процессы в магнитосфере-Земли, Л., 1972;

6. Омхольт А., Полярные сияния, пер. с англ., М., 1974; Stхrmer С., The polar aurora, Oxf., 1955; International Auroral atlas, Edinburgh, 1963.

Размещено на Allbest.ru