Полярное сияние что это за явление
Полярное сияние
Красочное действие, происходящее на небосводе, именуется северным сиянием. Фееричное шоу наблюдали жители планеты на протяжении многих тысячелетий, но обосновать с научной точки зрения где и когда оно появляется смогли только недавно. Жители, проживающие в широтах, где наблюдаются полярные ночи, в свое время дали явлению народное название — сполохи или пазори, а также приписывали ему различные мифические свойства и рассказывали интересные легенды.
Что такое полярное сияние
Полярное сияние – это одно из уникальных природных явлений, представляющее собой многоцветное свечение, возникающее в определенных слоях атмосферы вследствие взаимодействия ее магнитного поля с частицами солнечного ветра.
Подобное световое действие на небе – это поистине неимоверное природное явление и его можно лицезреть в ночное время на территории стран, расположенных как на севере земного шара, так и на его юге. Именно от этого и зависит название сияния — северное или южное.
Классификация
Согласно научным исследованиям полярное сияние классифицируется по нескольким признакам.
Исходя из формы явление делится на такие виды:
Кроме того, существует специальная шкала интенсивности свечения, исходя из которой полярные сияния делятся на четыре группы: одно и двухбалльные свечения являются слабыми по интенсивности и выглядят однотонными, а трех и четырехбалльные — более интенсивны и видятся человеческим глазом как цветные (желтые, красные, зеленые, фиолетовые).
Если говорить о цвете свечения, то чаще всего взору представляется красочное световое шоу в зеленых оттенках:
Чрезвычайно редко можно наблюдать феерию цветов красного или красно-розового оттенка. Установлено, что на цвет сияния может влиять высота, где произошло столкновение заряженных частиц:
Цветовая гамма свечения также зависит от того, с какими молекулами происходит столкновение в атмосфере заряженных частиц солнечного ветра. К примеру, красные оттенки могут возникать при соприкосновении частиц с молекулами кислорода:
Если же в этом процессе участвует азот, то взору откроются световые иллюминации с синим или пурпурно-красным оттенком:
Очень редко встречается белое полярное сияние.
Помимо красочного свечения при полярном сиянии можно услышать определенные звуки, к примеру, треск или шуршание. По мнению ученых это связано с активностью Солнца в период очередного выброса энергии в атмосферу. Услышать подобные звуки можно довольно редко и только при условии безветренной погоды и отсутствия вблизи других источников звука.
Учитывая все характеристики, которые исследуются учеными, можно спрогнозировать в какое время и в каких местах можно будет наблюдать необычайной красоты северное и южное сияния.
Как образуется сияние
Согласно современному трактованию отблески светового небесного шоу зарождаются из-за столкновения заряженных частиц небесного светила с магнитными ионами Земли. Происходит мощный выброс энергии, образующий цветные люминесценции. Явление наблюдается в местности, наиболее приближенной к полюсам Земли.
Если не углубляться в научную теорию, северное сияние, как и южное, случаются после выброса небесным светилом в атмосферу заряженных частиц. Эти частицы могут направляться в разные стороны, в том числе по направлению к земной поверхности. Скорость движения потока частиц может достигать 960 км/с. Именно поэтому ученые назвали этот поток «солнечным ветром». Стремясь в сторону Земли с огромной скоростью, частицы ударяются об атмосферу, создавая при столкновении волнение магнитного поля, вследствие чего на небе отображается полярное сияние.
В зависимости от ряда факторов световое действие может распространяться на ширину около 160 километров, а его длина может достигать 1,5 тысяч километров.
Где и когда можно наблюдать
В большинстве случаев активность полярных сияний наблюдается в северных и южных широтах, хотя полюбоваться световым представлением могут и жители Лондона, штата Флорида, а также Антарктиды. Данное небесное действие происходит в период с октября по январь. Отвечая на вопрос, сколько длится полярная ночь, стоит отметить, что активность полярных сияний может продолжаться в течение суток, а иногда может закончится и через час. Световое шоу лучше всего лицезреть в сильный мороз в ночное время. Днем свечения могут быть мало заметны.
Установлено, что появление северного сияния происходит с интервалом в 11 лет.
Во времена Средневековья полярная ночь представлялась взору в Скандинавии, на Севере России, а также в северной части Китая, поскольку магнитный полюс земного шара располагался немного правее, чем сейчас.
В наше время полюбоваться ночной игрой света можно:
Так как северное сияние наблюдается непосредственно вблизи магнитных полюсов Земли, то наиболее заметным явление становится при нахождении наблюдателей за северным полярным кругом. Довольно часто радужную феерию на небе могут посмотреть жители Гренландии, Исландии, северного побережья Норвегии, а также местности, расположенной ближе к северу от Сибири. Южное полярное сияние образуется в кольце вокруг Антарктиды и южной части Индийского океана.
Наблюдать северное сияние также можно и из космоса:
При этом световые шоу достаточно красочно проявляются и на других планетах Солнечной системы, к примеру, на Юпитере, Венере, Марсе.
История изучения явления
Полярное сияние — это зрелище необычайной красоты, которое люди регулярно наблюдают на небосводе. Но как оно образуется долгое время никто точно определить не мог.
Данное явление наблюдалось еще в давние времена и об этом есть упоминания в записях, к примеру:
Ряд гипотез образования сияния даже приблизительно не соответствовали действительности, к примеру:
Наиболее приближенную к современному научному обоснованию гипотезу предложил Э. Галлей, который говорил, что северное сияние вызывает «светящаяся магнитная жидкость».
Первым, кто смог обосновать теорию происхождения красочного действия, является М.В. Ломоносов, который путем научных исследований в лабораторных условиях показал, как получается северное световое шоу. Он взял стеклянный шар, выкачал из него воздух и пропускал через этот шар электрические разряды. При этом в шаре получалось свечение, которое было очень похожее на то, что происходит на небосводе. В своих опытах ученый использовал различные пары газов, и доказал, что каждый вид газа создает разное свечение.
Другие ученые стали развивать гипотезу, предложенную М.В. Ломоносовым, и нашли подтверждение, что северное сияние имеет электрический характер. В дальнейшем стало происходить изучение «солнечного ветра», образующегося из-за выброса Солнцем заряженных частиц, устремляющихся к магнитному полю Земли. Кроме того была установлена взаимосвязь полярного сияния и магнитных бурь, поскольку частицы «солнечного ветра», пытаясь проникнуть в магнитное поле Земли, вызывают его сильнейшее возмущение.
Наиболее точное определение явления было дано только в наше время благодаря значительному развитию современной физики и полученным результатам в области космических исследований. К примеру, в январе 1975 года русскими и французскими учеными был проведен эксперимент по созданию искусственного прототипа северного сияния, которое наблюдалось над северной тайгой. Для этого с острова Кергелен в Индийском океане была запущена ракета «Эридан» с электронной пушкой на борту. В назначенное время из пушки был выпущен поток заряженных частиц. Несмотря на то, что мерцание огней на небосводе было слабым и непродолжительным, ученым открылась новая перспектива, позволяющая более продуктивно подойти к изучению процесса образования северного сияния в околоземном пространстве Земли.
Полярное сияние — это уникальный феномен в природе, который завораживает своей красотой. Данное явление считается единственным заметным для невооруженного человеческого глаза проявлением воздействия солнечной корпускулярной радиации на околоземное пространство и атмосферу нашей планеты.
Северное сияние
Полярное сияние или аврора (Aurora Borealis) это естественное свечение (люминесценция) неба, которое хорошо видно, особенно, в высоких широтах, оно вызвано столкновением заряженных частиц с атомами в верхних слоях атмосферы (термосферы).
Общая информация
Как образуется полярное сияние? Заряженные частицы магнитосферы, которые она захватывает из солнечного ветра, направляются магнитным полем Земли в атмосферу. Большинство сияний происходят в регионах, известных как зоны полярных сияний, которые, как правило, располагаются на удалении 10-20 градусов от магнитного полюса, определяемого осью магнитного диполя Земли. Во время геомагнитной бури, эти зоны расширяются до более низких широт, так что появляется возможность увидеть полярное сияние в Москве.
Классификация
Северное сияние над озером
Полярное сияние как природное явление классифицируются на диффузное и точечное (дискретное). Диффузное выглядит как безликое свечение в небе, которое может быть не видно невооруженным глазом, даже в темную ночь. Точечные — различаются по яркости, от едва видимых невооруженным глазом, до достаточно ярких, настолько, чтобы читать газету в ночное время. Точечное северное сияние можно увидеть только на ночном небе, потому что оно не настолько яркое, чтобы стать заметным и днем. Полярное сияние на севере России известно, как северное полярное сияние.
Сияние в Центральном Иллинойсе
Северное сияние причины возникновения
Северное сияние возникает в стратосфере вблизи магнитного полюса, оно видно в виде зеленоватого свечения, иногда с примесями красного. Точечные полярные сияния часто демонстрируют линии магнитного поля, и могут изменять свою форму от нескольких секунд до нескольких часов. Когда можно увидеть северное сияние? Оно чаще всего происходит вблизи равноденствия.
Магнитное поле Земли и сияния тесно связаны. Магнитное поле Земли захватывает частицы солнечного ветра, многие из которых затем перемещаются по направлению к полюсам, где и сталкиваются с атмосферой Земли. Столкновения между этими ионами, атмосферными атомами и молекулами и приводит к выбросам энергии в виде свечения атмосферы, появляющихся в виде больших кругов вокруг полюсов. Аврора более яркая во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда выбросы корональной массы многократно увеличивают интенсивность солнечного ветра. Полярное сияние на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне можно посмотреть в этой статье.
Южный полюс
Есть ли северное сияние на южном полюсе? Да, полярное сияние на южном полюсе, имеет те же особенности, которые почти идентичны северному. Есть ли северное сияние в Антарктиде, спросите вы? Да, их видно из высоких южных широт Антарктики, Южной Америки, Новой Зеландии и Австралии.
Как образуется северное сияние
Оно является результатом высвобождения фотонов в верхней части земной атмосферы, на высоте примерно 80 км. Молекулы азота и кислорода под действием заряженных солнечных частиц переходят в возбужденное состояние, а при переходе в основное состояние восстанавливается электрон и излучается квант света. Различные молекулы и атомы дают разный цвет свечения, например: кислород — зеленый или коричневато-красный, в зависимости от количества поглощенной энергии, азот синий или красный. Синий цвет азота возникает, если атом восстанавливает электрон ионизации, красный — при переходе в основное состояние из возбужденного.
Роль кислорода
Кислород является необычным элементом с точки зрения его возвращения в основное состояние: этот переход может занимать ¾ секунды, а излучать зеленый свет до двух минут, после чего он становится красным. Столкновения с другими атомами или молекулами поглощают энергию возбуждения и предотвращают излучение света. В верхних частях атмосферы процент кислорода низкий и такие столкновения достаточно редки, что дает время кислороду излучать красный квант света. Столкновения становятся более частыми по мере продвижения вглубь атмосферы, так что ближе к поверхности красное излучение не успевает образоваться, а у поверхности даже зеленое свечение прекращается.
Галерея изображений
Изображения авроры сегодня встречаются значительно чаще, в связи с ростом качества и доступности цифровых камер, которые имеют достаточно высокую чувствительность. Ниже представлена галерея наиболее впечатляющих снимков.
Солнечный ветер и магнитосфера
Земля постоянно погружена в потоки солнечного ветра — разреженного потока горячей плазмы (газ из свободных электронов и положительных ионов), испускаемых Солнцем во всех направлениях, который образуется в результате воздействия двух миллионов градусов тепла Солнечной короны.
Солнечный ветер, как правило, достигает Земли со скоростью около 400 км/с, плотностью около 5 ионов/см3 и напряженностью магнитного поля 2-5 нТл (Напряженность магнитного поля Земли измеряется в Теслах и у поверхности Земли, она как правило, составляет 30,000-50,000 нТл). Во время магнитных бурь, потоки солнечной плазмы могут быть в несколько раз быстрее и межпланетное магнитное поле (ММП) может быть гораздо сильнее.
Межпланетное магнитное поле формируется на Солнце, в области солнечных пятен, а по его силовым линиям в космос простирается солнечный ветер.
Земная магнитосфера
Схема Земной магнитосферы
Земная магнитосфера формируется под воздействием солнечного ветра и магнитного поля Земли. Оно образует собой препятствие на пути солнечного ветра, отвлекая его, на среднем расстояние около 70 000 км (11 радиусов Земли), и формирует головную ударную волну на расстоянии от 12000 км до 15000 км (от 1,9 до 2,4 радиусов). Ширина магнитосферы Земли, как правило составляет 190 000 км (30 радиусов), а на ночной стороне длинный шлейф магнитосферы, из вытянутых силовых линий поля, распространяется на огромные расстояния (> 200 радиусов Земли).
Поток плазмы в магнитосфере растет с увеличением плотности и турбулентности в потоке солнечного ветра.
В дополнение к перпендикулярному столкновению с магнитным полем Земли, некоторые потоки магнитосферной плазмы двигаются вниз и вверх, вдоль силовых линий магнитного поля Земли и теряют энергию в авроральных зонах атмосферы, вот от чего появляется северное сияние. Магнитосферные электроны ускоряются и сталкиваясь с газами атмосферы вызывают свечение атмосферы.
Частота встречаемости
Карта сияний в Евразии
Карты Северной Америки и Евразии с границей полярных сияний при разных уровнях геомагнитной активности; Kp = 3 соответствует низкому уровню геомагнитной активности, в то время как Kp = 9 — самый высокий уровень.
Карта сияний в Америке
Полярное сияние в России иногда наблюдаются и в умеренных широтах, когда магнитная буря временно увеличивает авроральный овал. При индексе геомагнитной активности Кр=6-9 возможно увидеть на широте Москвы.
Северное сияние: прогноз
Магнитные бури и северное сияние наиболее распространены во время пика одиннадцатилетнего цикла солнечной активности и в течение трех лет после этого пика. В авроральной зоне вероятность образования свечения, зависит в основном от уклона межпланетного магнитного поля.
Ось вращения Солнца наклонена 8 градусов по отношению к плоскости орбиты Земли. Солнечный ветер выдувает потоки плазмы быстрее от солнечных полюсов, чем от экватора, тем самым средняя скорость частиц у магнитосферы Земли убывает каждые шесть месяцев. Скорость солнечного ветра наибольшая (в среднем примерно на 50 км/с) в районе 5 сентября и 5 марта, когда Земля располагается под максимально высоким углом к плоскости вращения Солнца.
Почему возникает северное сияние
Из-за столкновений между молекулами и атомами атмосферы Земли и заряженными частицами, захваченными магнитосферой из солнечного излучения. Различия в цвете обусловлены типом газа, который сталкивается. Наиболее распространенным цветом свечения является бледно-желтовато-зеленый, который формируется молекулами кислорода, расположенными на высоте 80 км над землей. Редкие полярные сияния красного цвета формируются атомами кислорода на высоте порядка 300 км. Азот ответственен за синий или пурпурный-красный цвет.
Влияние солнечной активности
Связь между северным сиянием и солнечной активностью была заподозрена примерно в 1880 году. Благодаря исследованиям, проведенным с 1950-х, мы теперь знаем, что электроны и протоны солнечного ветра захватываются магнитосферой Земли и сталкиваются с газами в атмосфере.
Температура над поверхностью Солнца (речь идет о короне, сама поверхность Солнца имеет температуру ок. 6000 градусов) составляет миллионы градусов по Цельсию. При этой температуре, столкновения между ионами весьма интенсивны. Свободные электроны и протоны вырываются из солнечной атмосферы в результате вращения Солнца и улетают через прорехи в магнитном поле. В околоземном пространстве, заряженные частицы в значительной степени отклоняются магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли слабее всего на полюсах и поэтому заряженные частицы попадают в атмосферу Земли и сталкиваются с частицами газа именно на полюсах. Эти столкновения излучают свет, который мы воспринимаем как полярное сияние.
Где наиболее подходящее место для наблюдения Северного сияния
Их можно увидеть в северном или южном полушарии, в виде неправильной формы овала с центром над магнитным полюсом. Ученые узнали, что в большинстве случаев, полярное сияние на разных полюсах являются зеркальным отображением друг друга, которое происходит в то же время, с аналогичной формой и цветом.
Поскольку явления происходят вблизи магнитных полюсов, то северное сияние удобно наблюдать за северным полярным кругом. Их можно также увидеть на южной оконечности Гренландии и Исландии, северном побережье Норвегии и к северу от Сибири. Южные полярные сияния сосредоточены в кольце вокруг Антарктиды и южной части Индийского океана.
Области, которые избежали, так называемое, световое загрязнение — лучшие места, чтобы наблюдать за сияниями.
Наиболее подходящее время наблюдений сияний
Исследователи обнаружили, что полярные сияния является циклическими, достигая пика примерно каждые 11 лет (что совпадает с 11-летним периодом активности Солнца). Предыдущие такой пик пришелся на период 2013 года.
Зима на Севере это хорошее время, чтобы посмотреть на слабое свечение атмосферы. Короткий световой день и длинные, ясные ночи предоставляют множество хороших возможностей для их наблюдения. Обычно лучшее время это полночь.
Звуки генерируемые сияниями
Иногда сияния могут генерировать различные шумы, такие как хлопки, треск и статические звуки, как правило, слабые и короткие. В течение длительного времени ученые сомневались в этом явлении, так как звук было тяжелее задокументировать, к тому же аврора располагается слишком высоко в небе, чтобы быть услышанной на земле. Тем не менее, исследователи из Университета Аалто в Финляндии, опубликовал исследование в 2012 году, в котором было указано то, что им удалось записать различные шумы коррелирующие с визуальным присутствием северного сияния. Ученые утверждают, что эти звуки образовались на высоте около 70 метров над землей. Звуки сформировались в результате взаимодействия солнечных частиц и газов атмосферы. Университет Аляски отмечает, что звуки издаваемые полярными сияниями настолько редки, что существует очень мало людей, которым посчастливилось их услышать. Их образование возможно только во времена максимальной солнечной активности, при безветренной ночи и вдали от других источников шума.
В каких странах можно наблюдать северное сияние
Северное сияние в Австралии
Самое красивое северное сияние чаще всего бывает замечено в высоких широтах — Аляска, Канада, север Скандинавии, Гренландии и Исландия — и во время максимумов солнечного цикла. Где можно увидеть северное сияние в России? Самый дешевый способ увидеть сияния в РФ — поездка в Мурманск.
Ответы на наиболее распространенные вопросы
Полярное сияние с МКС
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!