Полярные сияния физика

В тишине бескрайних полярных просторов странные огни играют в небесах – цветные полосы, дуги и вспышки. Это – полярное сияние. В редкие годы, когда оно «добиралось» до небес средневековой Европы, летописцы считали, что это великаны сражаются в небе, а на землю летят их сверкающие разноцветными огнями копья.
Сегодня мы знаем, что полярное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы вследствие взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра вблизи полюсов нашей планеты. В северном полушарии его называют также северным сиянием, а в южном полушарии – южным. В период солнечной активности полярное сияние «спускается» от полюсов к средним широтам и, например, в 2003 году наблюдалось даже в Москве.

Почему возникают полярные сияния? Периодически на Солнце происходит мощнейшая вспышка, и в космос выбрасывается масса частиц, мчащихся с огромной скоростью. Поэтому, как показывают наблюдения со спутников Земли, космос заполнен активной средой – плазмой. Её основные параметры на подлёте к Земле таковы: скорость частиц 400–700 км/с, их концентрация 1–10 частиц/см3, поток массы 108–1010 кг/с, мощность 1019 Вт.

Когда солнечный ветер достигает Земли, его частицы попадают в её магнитное поле, силовые линии которого огибают планету за пределами атмосферы, «уплотняясь» и входя в неё вблизи полюсов (см. рисунок). Рассмотрим, как это влияет на частицы солнечного ветра – почему они попадают в атмосферу Земли чаще всего в полярных областях, в отличие от солнечных лучей.
В большинстве случаев потоки заряженных частиц солнечного ветра направлены под углом к силовым линиям магнитного поля Земли. Поэтому, согласно правилу «левой руки», на все частицы действуют «боковые» силы, которые изменяют направления движений зарядов. Постоянное действие таких сил на каждую частицу приводит к тому, что по пути к Земле их потоки «обматываются» вокруг силовых линий её магнитного поля, двигаясь по спиралям (см. рисунок – тонкие пунктиры).

Вспомним, что силовые линии поля расположены вокруг нашей планеты неодинаково плотно (см. предыдущий рисунок). Поэтому, двигаясь вокруг-вдоль силовых линий, потоки электронов сгущаются там же, где и линии магнитного поля – в полярных областях. Но достигнуть поверхности Земли они всё же не могут. Ведь по мере перемещения вдоль линии поля и приближения к земной поверхности каждый электрон попадает в область всё более сильного поля, которое в итоге выталкивает электроны обратно.
Поэтому, приблизившись к земле приблизительно до 100 км, электроны «отражаются» назад вдоль тех же самых силовых линий. Следуя по спирали вокруг них, электроны вновь опускаются к земной поверхности, но теперь у противоположного полюса планеты (см. толстую красную линию). Благодаря таким потокам частиц, обрушивающимся на полярные области, осуществляется ионизация газов верхний слоёв атмосферы, поэтому возникает свечение. Зелёный и красный цвета возникают из-за ионизации кислорода, а красный – из-за ионизации азота.
Полярное сияние – завораживающее зрелище. Огромные арки переливающихся огней расцвечивают небо всеми цветами спектра – от фиолетовато-белого до жёлто-зеленого и оранжево-красного. Они могут охватывать значительную часть небосвода: совсем недавно, в октябре 2012 года близ села Кепервеем (Чукотка) полярное сияние образовало дугу длиной более 4800 км и высотой более 160 км.

Довгопол Людмила Владимировна (Чукотский АО, с. Кепервеем)