Магнитосфера Земли. Полярные сияния

8. Интенсивность свечения и цвет.

Интенсивность свечения полярных сияний обычно оценивается визуально и  выражается в баллах по принятой международной  шкале. Слабые полярные сияния, по интенсивности  свечения приблизительно соответствующие  Млечному Пути, оцениваются в I балл. Полярные сияния с интенсивностью, аналогичной лунной совещенности тонких перистых облаков – в II балла, а кучевых облаков – в III балла, свету полной Луны – в IV балла. Так, например, интенсивность в III балла, исходящая от дуги полярного сияния, соответствует свету нескольких микросвечей на 1 кв. см. Объективным методом определения интенсивности свечения полярного сияния является измерение суммарной освещенности с помощью фотоэлементов. Установлено, что соотношение интенсивности самых ярких к самым слабым полярным сияниям составляет 1000:1.

Полярные сияния интенсивностью свечения в I, II и III (близ нижней границы) балла  не кажутся разноцветными, так как  интенсивность отдельных цветов в них ниже порога восприятия. Полярные сияния с интенсивностью свечения в IV и III (у верхней границы) балла  кажутся цветными, как правило желтовато-зелеными, иногда – фиолетовыми и красными. С тех пор как в 1867 Андерс Ангстрем впервые направил спектроскоп на полярные сияния, в них было обнаружено и исследовано большое число спектральных линий и полос. Основная часть излучения испускается азотом и кислородом, главными компонентами высоких слоев атмосферы. Атомарный кислород обычно придает полярным сияниям желтоватые тона, иногда окраска вообще отсутствует, в спектре появляется зеленая линия с длиной волны 5577 Å, а также бывают красные лучистые полярные сияния с длиной волны 6300 Å (тип А). Сильное излучение молекулярного азота на волнах 4278 Å и 3914 Å наблюдается в красных и фиолетовых полярных сияниях в нижней части дуг или драпри (тип В). В некоторых формах полярных сияний обнаружено излучение водорода, что важно для понимания природы полярных сияний, так как эта эмиссия указывает на поступление потока протонов. 

9. Теории происхождения полярных сияний.

Как упоминалось выше, уже давно  было известно, что проявления полярных сияний и возмущения магнитного поля Земли, или магнитные бури, имеют  некоторые важные общие характеристики. Поэтому любая теория, предлагаемая для объяснения одного из этих явлений, должна объяснять и другое.

Частота проявления возмущений магнитного поля Земли и полярных сияний с  периодом 27 дней и 11-летний цикл указывают  на связь этих явлений с солнечной  деятельностью, поскольку период вращения Солнца составляет ок. 27 суток, а солнечная активность подвержена колебаниям циклического характера со средним периодом ок. 11 лет. Тот факт, что как полярные сияния, так и возмущения магнитного поля Земли концентрируются в одних и тех же поясах, приводит к выводу, что те и другие вызваны воздействием движущихся с высокой скоростью электрически заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых активными областями на Солнце (вспышками) и проникающих в зоны полярных сияний под воздействием магнитного поля Земли.

Эта идея была выдвинута Ойгеном Гольдштайном еще в 1881 и получила подтверждение в результате лабораторных экспериментов, впервые проведенных Кристианом Биркеланном. Он поместил внутрь катодной трубки железный шар, названный им «терреллой», который является моделью Земли и представляет собой электромагнит, покрытый оболочкой, фосфоресцирующей под действием катодных лучей. Когда Биркеланн подвергал шар действию катодных лучей, испускаемых непосредственно в камере, они падали на поверхность шара вокруг магнитных полюсов, образуя пояса свечения, подобные поясам полярных сияний.

Позднее математическая разработка этой проблемы была реализована Карлом Фредериком Стёрмером. Она получила известность как теория Биркеланна – Стёрмера, однако содержала в своей основе допущение, что от Солнца исходит поток частиц с одинаковыми электрическими зарядами. Правомерность этого допущения весьма спорна, так как такой поток частиц не мог бы приблизиться к Земле из-за электростатического отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Фредерик А.Линдеман предположил в 1919, что поток заряженных частиц в целом электрически нейтрален, так как состоит из одинакового количества положительных и отрицательных зарядов. Эта идея была развита Сидни Чепменом и Винсентом С.А.Ферраро и несколько модифицирована Дэвидом Ф.Мартином. Тем не менее и эта теория тоже вызывает сомнения. Она предполагает существование вакуума в экзосфере и за пределами атмосферы, однако недавние наблюдения в этих областях пространства указывают на наличие заряженных частиц.

Некоторыми исследователями была выдвинута гипотеза, согласно которой  облако солнечного газа (плазмы), которое, вероятно, состоит из электронов и  протонов, может приближаться к нашей  планете на расстояние около шести  земных радиусов от центра Земли. При  воздействии плазмы на магнитное  поле Земли возникают магнитогидродинамические волны. Эти волны и ускоренные заряженные частицы, движущиеся вдоль  геомагнитных силовых линий, вызывают магнитные бури. Ускоренные частицы  проникают до высоты ок. 95 км в зоны полярных сияний, образуя плотные ядра ионизации вдоль геомагнитных силовых линий и вызывая электромагнитную эмиссию полярных сияний в результате взаимодействия с основными компонентами верхних слоев атмосферы – кислородом и водородом.

Тороидальная область распространения  заряженных частиц, окружающая Землю (т.н. радиационный пояс Ван Аллена), также  может играть важную роль, особенно в качестве причины возникновения  возмущений геомагнитного поля и  связанных с ними полярных сияний. Ультрафиолетовое излучение Солнца, метеоры и ветры в высоких  слоях атмосферы рассматривались  в качестве возможных причин образования  полярных сияний. Тем не менее ни одно из названных явлений не может быть первичной причиной, так как магнитуды их изменений недостаточно велики, чтобы объяснить основные характеристики полярных сияний. Необходимо проводить дальнейшие наблюдения в высоких слоях атмосферы Земли и за ее пределами с применением ракет и искусственных спутников, изучать радиоизлучение, а также рентгеновское излучение Солнца и поведение высокоэнергетических частиц в стратосфере – с помощью метеозондов во время магнитных бурь и при появлении полярных сияний.

Заключение

С наличием магнитосферы связаны  многие проявления космической погоды, такие как геомагнитная активность, геомагнитная буря и суббуря.

Магнитосфера обеспечивает защиту, без которой жизнь на Земле  была бы невозможна.

Полярные сияния при наблюдении с поверхности Земли имеют  разнообразные формы. Как правило, свечение начинается в виде однородной дуги без лучистой структуры: её яркость  бывает как постоянной, так и пульсирующей с периодом минуты и более. В том  случае, если яркость сияния начинает увеличиваться, возникают лучи, «драпри» (оптический эффект, напоминающий драпировку гардинами), всполохи, пятна, пульсирующие лучистые дуги или «короны» - когда  лучи сходятся к вершине. 
Полярные сияния могут продолжаться от десятков минут до нескольких суток. Они чаще возникают весной и осенью, с пиком частотности в периоды весеннего и осеннего равноденствия (обычно в марте – апреле и сентябре – октябре). Интересно, что за короткое время полярного сияния выделяется огромное количество энергии, иногда почти столько же, сколько во время землетрясений. 
 

Список литературы

1. Ландсберг Г. С. - Электричество и магнетизм;

 
2. Александров Н. Л. - Полярные сияния;

 
3. Дмитриева В.Ф. - Физика.