Полярное сияние [a] ( мн. aurorae или auroras ), [b] также широко известное как северное сияние ( aurora Borealis ) или южное сияние ( aurora australis ), [c] представляет собой естественное световое явление на небе Земли, преимущественно Встречается в высокоширотных регионах (вокруг Арктики и Антарктики ). Полярные сияния представляют собой динамические узоры ярких огней, которые выглядят как занавески, лучи, спирали или динамические мерцания, покрывающие все небо. [3]
Полярные сияния являются результатом возмущений в магнитосфере , вызванных солнечным ветром . Основные возмущения возникают в результате увеличения скорости солнечного ветра из-за корональных дыр и корональных выбросов массы . Эти возмущения изменяют траектории заряженных частиц в магнитосферной плазме. Эти частицы, в основном электроны и протоны , выпадают в верхние слои атмосферы ( термосферу / экзосферу ). В результате ионизации и возбуждения составляющих атмосферы излучается свет различного цвета и сложности. Форма полярных сияний, возникающих в полосах вокруг обеих полярных областей, также зависит от величины ускорения, сообщаемого высыпающимся частицам.
На большинстве планет Солнечной системы , некоторых естественных спутниках , коричневых карликах и даже кометах также наблюдаются полярные сияния.
Слово «аврора» происходит от имени римской богини зари Авроры , которая путешествовала с востока на запад, возвещая о приходе солнца . [4] Древнегреческие поэты использовали соответствующее имя Эос метафорически для обозначения рассвета, часто упоминая игру цветов на темном небе (например, «розоперстый рассвет»). [5]
Слова Borealis и Australis произошли от имен древних богов северного ветра ( Борея ) и южного ветра ( Остера ) в греческой мифологии .
Большинство полярных сияний происходит в полосе, известной как «авроральная зона» [6] , ширина которой обычно составляет от 3° до 6° (приблизительно 330–660 км) по широте и от 10° до 20° от геомагнитных полюсов в любое местное время. (или долготы), наиболее отчетливо видно ночью на темном небе. Область, в которой в настоящее время наблюдается полярное сияние, называется «авроральным овалом» — полосой, смещенной солнечным ветром к ночной стороне Земли. [7] Ранние доказательства геомагнитной связи получены из статистики наблюдений полярных сияний. Элиас Лумис (1860) [8] , а позднее Герман Фриц (1881) [9] и Софус Тромхольт (1881) [10] более подробно установили, что полярные сияния возникают преимущественно в авроральной зоне.
В северных широтах этот эффект известен как северное сияние или северное сияние. Первый термин был придуман Галилеем в 1619 году от римской богини зари и греческого названия северного ветра. [11] [12] Южный аналог, полярное сияние или южное сияние, имеет характеристики, почти идентичные северному сиянию, и изменяется одновременно с изменениями в северной авроральной зоне. [13] Южное полярное сияние видно из высоких южных широт Антарктиды , Чили , Аргентины , Южной Африки , Новой Зеландии и Австралии . Северное сияние видно из районов вокруг Арктики, таких как Аляска , канадские территории , Исландия , Гренландия , Норвегия , Швеция , Финляндия , Шотландия и Сибирь . В редких случаях северное сияние можно увидеть даже на юге, в Средиземноморье и в южных штатах США.
Геомагнитная буря заставляет авроральные овалы (север и юг) расширяться, перемещая полярные сияния в более низкие широты. Мгновенное распределение полярных сияний («авроральный овал») [6] немного отличается: оно сосредоточено примерно на 3–5° в ночное время от магнитного полюса, так что дуги полярных сияний простираются дальше всего к экватору, когда рассматриваемый магнитный полюс находится между наблюдатель и Солнце . Лучше всего полярное сияние видно в это время, которое называется магнитной полночью .
Полярные сияния, видимые внутри овала сияний, могут находиться прямо над головой, но с большего расстояния они освещают полярный горизонт зеленоватым свечением, а иногда и слабым красным, как если бы Солнце поднималось с необычного направления. Полярные сияния также встречаются к полюсу от авроральной зоны в виде диффузных пятен или дуг [14] , которые могут быть субвизуальными.
Полярные сияния иногда наблюдаются в широтах ниже авроральной зоны, когда геомагнитная буря временно расширяет авроральный овал. Сильные геомагнитные бури наиболее распространены во время пика 11-летнего цикла солнечных пятен или в течение трех лет после пика. [15] [16] Электрон вращается по спирали (вращается) вокруг силовой линии под углом, который определяется векторами его скорости, параллельными и перпендикулярными соответственно вектору локального геомагнитного поля B. Этот угол известен как «питч-угол» "частицы. Расстояние или радиус электрона от силовой линии в любой момент времени известен как его ларморовский радиус. Питч-угол увеличивается по мере того, как электрон перемещается в область большей напряженности поля, расположенную ближе к атмосфере. Таким образом, некоторые частицы могут вернуться или отразиться, если угол станет 90 °, прежде чем войти в атмосферу, и столкнуться там с более плотными молекулами. Другие частицы, не отражающие зеркала, попадают в атмосферу и способствуют появлению полярных сияний на разных высотах. Другие типы полярных сияний наблюдались из космоса; например, «полярные дуги», простирающиеся к Солнцу через полярную шапку, связанное с ними «тета-полярное сияние» [17] и «дневные дуги» около полудня. Они относительно редки и плохо изучены. Встречаются и другие интересные эффекты, такие как пульсирующее полярное сияние, «черное полярное сияние» и его более редкий спутник «античерное полярное сияние» и субвизуальные красные дуги. В дополнение ко всему этому, вокруг двух полярных выступов наблюдается слабое свечение (часто темно-красное), силовые линии, отделяющие те, которые проходят через Землю, от тех, которые уходят в хвост и смыкаются на расстоянии.
Первые работы по получению изображений полярных сияний были проведены в 1949 году Университетом Саскачевана с использованием радара SCR-270 . [ нужна цитата ] Высоты, на которых происходят выбросы полярных сияний, были выявлены Карлом Стермером и его коллегами, которые использовали камеры для триангуляции более 12 000 полярных сияний. [18] Они обнаружили, что большая часть света излучается на высоте от 90 до 150 км (56 и 93 миль) над землей, а иногда простирается более чем на 1000 км (620 миль).
По словам Кларка (2007), существует пять основных форм, которые можно увидеть с земли, от наименее заметной до наиболее заметной: [19]
Брекке (1994) также описал некоторые полярные сияния как «занавески». [21] Сходство со шторами часто усиливается за счет складок внутри дуг. Дуги могут фрагментироваться или распадаться на отдельные, порой быстро меняющиеся, часто лучистые детали, которые могут заполнить все небо. Они также известны как дискретные полярные сияния , которые иногда достаточно яркие, чтобы ночью читать газету. [22]
Эти формы согласуются с полярными сияниями, формируемыми магнитным полем Земли. Внешний вид дуг, лучей, завес и корон определяется формой светящихся частей атмосферы и положением зрителя . [23]
Полярные сияния меняются со временем. Ночью они начинаются со свечений и продвигаются к коронам, хотя могут и не достичь их. Они имеют тенденцию исчезать в обратном порядке. [21] Примерно до 1963 года считалось, что эти изменения происходят из-за вращения Земли по шаблону, фиксированному относительно Солнца. Позже путем сравнения пленок всего неба с полярными сияниями из разных мест (собранных во время Международного геофизического года ) было обнаружено, что они часто претерпевают глобальные изменения в процессе, называемом авроральной суббурей . За несколько минут они изменяются от спокойных дуг по всему овалу сияний к активным проявлениям вдоль темной стороны и через 1–3 часа постепенно возвращаются обратно. [27] Изменения полярных сияний с течением времени обычно визуализируются с помощью кеограмм . [28]
В более коротких временных масштабах полярные сияния могут менять свой внешний вид и интенсивность, иногда настолько медленно, что их трудно заметить, а иногда быстро, вплоть до субсекундного масштаба. [22] Феномен пульсирующих полярных сияний является примером изменений интенсивности в течение коротких периодов времени, обычно с периодами 2–20 секунд. Этот тип полярных сияний обычно сопровождается уменьшением пиковой высоты выбросов примерно на 8 км для синих и зеленых выбросов и скоростью солнечного ветра выше средней (около 500 км/с). [29]
Кроме того, полярные сияния и связанные с ними течения производят сильное радиоизлучение частотой около 150 кГц, известное как авроральное километровое излучение (AKR), открытое в 1972 году. [30] Ионосферное поглощение делает AKR наблюдаемым только из космоса. Также было обнаружено рентгеновское излучение, происходящее от частиц, связанных с полярными сияниями. [31]
Шум полярного сияния, похожий на потрескивание, начинается примерно на высоте 70 м (230 футов) над поверхностью Земли и вызывается заряженными частицами в инверсионном слое атмосферы, образовавшимся во время холодной ночи. Заряженные частицы разряжаются, когда частицы Солнца попадают в инверсионный слой, создавая шум. [32] [33]
В 2016 году более пятидесяти гражданских научных наблюдений описали неизвестный им тип полярного сияния, который они назвали « СТИВ », что означает «сильное увеличение скорости теплового излучения». СТИВ не является полярным сиянием, но вызван лентой горячей плазмы шириной 25 км (16 миль) на высоте 450 км (280 миль) с температурой 6000 К (5730 ° C; 10 340 ° F) и текущей со скоростью скорость 6 км/с (3,7 миль/с) (по сравнению со скоростью 10 м/с (33 фута/с) за пределами ленты). [34]
Процессы, вызывающие STEVE, также связаны с полярным сиянием, хотя последнее можно увидеть и без STEVE. [35] [36] Это полярное сияние, потому что оно вызвано выпадением электронов в атмосфере, но оно появляется за пределами аврорального овала, [37] ближе к экватору , чем типичные полярные сияния. [38] Когда рядом со Стивом появляется полярное сияние, оно находится внизу. [36]
Впервые о феномене полярного сияния в дюнах сообщили в 2020 году [39] [40] и подтвердили в 2021 году [41] [42 ] [43] финские гражданские учёные . Он состоит из равномерно расположенных параллельных полос более яркого излучения в зеленом рассеянном сиянии, которые создают впечатление песчаных дюн. [44] Считается, что это явление вызвано модуляцией плотности атомарного кислорода крупномасштабной атмосферной волной, распространяющейся горизонтально в волноводе через инверсионный слой в мезосфере в присутствии высыпаний электронов . [41]
Полярные сияния на конском вороте (HCA) - это полярные сияния, при которых авроральный эллипс смещается к полюсу во время рассвета и сумерек, а полярная шапка приобретает каплевидную форму. Они формируются в периоды, когда межпланетное магнитное поле (ММП) постоянно направлено на север, когда часовой угол ММП мал. Их образование связано с замыканием магнитного потока в верхней части дневной магнитосферы двухлепестковым пересоединением (DLR). В месяц происходит примерно 8 событий HCA без сезонной зависимости, и что МВФ должен находиться в пределах 30 градусов к северу. [45]
Сопряженные полярные сияния — это почти точные зеркальные полярные сияния, обнаруживаемые в сопряженных точках в северном и южном полушариях на одних и тех же силовых линиях геомагнитного поля. Обычно это происходит во время равноденствий , когда существует небольшая разница в ориентации северного и южного геомагнитных полюсов по отношению к Солнцу. Попытки изображения сопряженных полярных сияний предпринимались с помощью самолетов с Аляски и Новой Зеландии в 1967, 1968, 1970 и 1971 годах, имевшие некоторый успех. [46]
Полное понимание физических процессов, которые приводят к различным типам полярных сияний, все еще неполное, но основная причина связана с взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой Земли . Различная интенсивность солнечного ветра приводит к эффектам разной величины, но включает в себя один или несколько из следующих физических сценариев.
Детали этих явлений до конца не изучены. Однако ясно, что основным источником авроральных частиц является солнечный ветер, питающий магнитосферу, резервуар, содержащий зоны радиации и временно магнитно-захваченные частицы, удерживаемые геомагнитным полем, в сочетании с процессами ускорения частиц. [47]
Непосредственная причина ионизации и возбуждения компонентов атмосферы, приводящая к выбросам полярных сияний, была обнаружена в 1960 году, когда новаторский полет ракеты из Форт-Черчилль в Канаде обнаружил поток электронов, входящих в атмосферу сверху. [48] С тех пор с 1960-х годов многими исследовательскими группами, использующими ракеты и спутники для пересечения авроральной зоны, кропотливо и с постоянно улучшающимся разрешением была собрана обширная коллекция измерений. Основные выводы заключаются в том, что полярные дуги и другие яркие формы возникают из-за электронов, которые были ускорены в течение последних нескольких 10 000 км или около того после их погружения в атмосферу. [49] Эти электроны часто, но не всегда, имеют пик в своем энергетическом распределении и преимущественно ориентированы вдоль локального направления магнитного поля.
Электроны, в основном ответственные за диффузные и пульсирующие полярные сияния, напротив, имеют плавно падающее энергетическое распределение и угловое (питч-угол) распределение, предпочитающее направления, перпендикулярные локальному магнитному полю. Было обнаружено, что пульсации возникают в экваториальной точке пересечения силовых линий магнитного поля авроральной зоны или вблизи нее. [50] Протоны также связаны с полярными сияниями, как дискретными, так и диффузными.
Полярные сияния возникают в результате испускания фотонов в верхних слоях атмосферы Земли на высоте более 80 км (50 миль), в результате ионизированных атомов азота , возвращающих электрон, а также атомов кислорода и молекул на основе азота , возвращающихся из возбужденного состояния в основное состояние . [51] Они ионизируются или возбуждаются при столкновении частиц, выпавших в атмосферу. В этом могут участвовать как поступающие электроны, так и протоны. Энергия возбуждения теряется в атмосфере из-за испускания фотона или столкновения с другим атомом или молекулой:
Кислород необычен с точки зрения его возвращения в основное состояние: для испускания зеленого света с длиной волны 557,7 нм может потребоваться 0,7 секунды, а для красного излучения с длиной волны 630,0 нм может потребоваться до двух минут. Столкновения с другими атомами или молекулами поглощают энергию возбуждения и предотвращают излучение, этот процесс называется столкновительным тушением . Поскольку самые высокие части атмосферы содержат более высокий процент кислорода и более низкую плотность частиц, такие столкновения достаточно редки, чтобы у кислорода было время излучать красный свет. Столкновения становятся более частыми, распространяясь вниз в атмосферу из-за увеличения плотности, так что красные выбросы не успевают произойти, и в конечном итоге даже выбросы зеленого света предотвращаются.
Вот почему существует разница в цвете с высотой; на больших высотах преобладает красный кислород, затем зеленый кислород и синий/фиолетовый/красный азот и, наконец, синий/фиолетовый/красный азот, когда столкновения не позволяют кислороду что-либо выделять. Зеленый – самый распространенный цвет. Затем следует розовый, смесь светло-зеленого и красного, за ним следует чистый красный, затем желтый (смесь красного и зеленого) и, наконец, чистый синий.
Осаждающиеся протоны обычно производят оптическое излучение в виде падающих атомов водорода после получения электронов из атмосферы. Протонные полярные сияния обычно наблюдаются в более низких широтах. [52]
Яркие полярные сияния обычно связаны с течениями Биркеланда (Schield et al., 1969; [53] Zmuda and Armstrong, 1973 [54] ), которые стекают в ионосферу с одной стороны полюса и выходят с другой. Между ними часть тока проходит напрямую через слой E ионосферы (125 км); остальная часть («область 2») движется в обход, снова уходя через силовые линии ближе к экватору и замыкаясь через «частичный кольцевой ток», переносимый магнитно захваченной плазмой. Ионосфера является омическим проводником , поэтому некоторые считают, что такие токи требуют движущего напряжения, которое может обеспечить пока неопределенный динамо-механизм. Зонды электрического поля на орбите над полярной шапкой показывают напряжение порядка 40 000 вольт, которое поднимается до более чем 200 000 вольт во время интенсивных магнитных бурь. В другой интерпретации токи являются прямым результатом ускорения электронов в атмосферу в результате взаимодействия волн и частиц.
Ионосферное сопротивление имеет сложную природу и приводит к протеканию вторичного тока Холла . По странному повороту физики магнитное возмущение на Земле, вызванное основным током, почти нейтрализуется, поэтому большая часть наблюдаемого эффекта полярных сияний обусловлена вторичным током, авроральной электроджетой . Индекс авроральной электроджеты (измеряется в нанотеслах) регулярно определяется на основе наземных данных и служит общей мерой авроральной активности. Кристиан Биркеланд [55] пришел к выводу, что токи текут в направлении восток-запад вдоль авроральной дуги, и такие токи, текущие от дневной стороны к (приблизительно) полуночи, позже были названы «авроральными электроструями» (см. также Токи Биркеланда ). Ионосфера может способствовать формированию авроральных дуг через нестабильность обратной связи в условиях высокого сопротивления ионосферы, наблюдаемую в ночное время и в темном зимнем полушарии. [56]
Земля постоянно погружена в солнечный ветер — поток намагниченной горячей плазмы (газа свободных электронов и положительных ионов), испускаемой Солнцем во всех направлениях, в результате двухмиллионной температуры внешнего слоя Солнца, корона . Солнечный ветер достигает Земли со скоростью обычно около 400 км/с, плотностью около 5 ионов/см 3 и напряженностью магнитного поля около 2–5 нТл (для сравнения: поле поверхности Земли обычно составляет 30 000–50 000 нТл). В частности, во время магнитных бурь потоки могут быть в несколько раз быстрее; межпланетное магнитное поле (ММП) также может быть намного сильнее. Джоан Фейнман в 1970-х годах пришла к выводу, что долгосрочные средние значения скорости солнечного ветра коррелируют с геомагнитной активностью. [57] Ее работа стала результатом данных, собранных космическим кораблем Explorer 33 .
Солнечный ветер и магнитосфера состоят из плазмы (ионизированного газа), проводящей электричество. Хорошо известно (со времен работы Майкла Фарадея около 1830 г.), что когда электрический проводник помещается в магнитное поле, а относительное движение происходит в направлении, в котором проводник пересекает ( или пересекает ), а не вдоль , линии магнитного поля в проводнике индуцируется электрический ток. Сила тока зависит от а) скорости относительного движения, б) напряженности магнитного поля, в) количества соединенных вместе проводников и г) расстояния между проводником и магнитным полем, при этом от направления потока зависит от направления относительного движения. Динамо-машины используют этот основной процесс (« эффект динамо »), при этом все без исключения проводники, твердые или иные, подвергаются такому воздействию, включая плазму и другие жидкости.
ММП зарождается на Солнце, связанном с солнечными пятнами , а его силовые линии (силовые линии) вытягиваются солнечным ветром. Уже одно это могло бы выровнять их в направлении Солнце-Земля, но вращение Солнца поворачивает их к Земле примерно на 45 градусов, образуя спираль в плоскости эклиптики, известную как спираль Паркера . Таким образом, линии поля, проходящие через Землю, в любой момент времени обычно связаны с линиями вблизи западного края («лимба») видимого Солнца. [58]
Солнечный ветер и магнитосфера, представляющие собой две электропроводящие жидкости, находящиеся в относительном движении, в принципе должны быть способны генерировать электрические токи за счет действия динамо-машины и передавать энергию от потока солнечного ветра. Однако этому процессу препятствует тот факт, что плазма легко проводит ток вдоль силовых линий магнитного поля, но с трудом перпендикулярно им. Энергия более эффективно передается за счет временной магнитной связи между силовыми линиями солнечного ветра и магнитосферы. Неудивительно, что этот процесс известен как магнитное пересоединение . Как уже упоминалось, это происходит чаще всего, когда межпланетное поле направлено на юг, в том же направлении, что и геомагнитное поле во внутренних областях как северного магнитного полюса , так и южного магнитного полюса .
Полярные сияния более часты и ярче во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда корональные выбросы массы увеличивают интенсивность солнечного ветра. [59]
Магнитосфера Земли формируется под воздействием солнечного ветра на магнитное поле Земли. Это образует препятствие для потока, отклоняя его на среднем расстоянии около 70 000 км (11 радиусов Земли или Re), [60] создавая головную ударную волну на расстоянии от 12 000 км до 15 000 км (1,9–2,4 Re) дальше вверх по течению. Ширина магнитосферы по ряду с Землей обычно составляет 190 000 км (30 Re), а на ночной стороне длинный «хвост магнитосферы» из вытянутых силовых линий простирается на большие расстояния (> 200 Re).
Магнитосфера высоких широт заполняется плазмой, когда солнечный ветер проходит мимо Земли. Поток плазмы в магнитосферу увеличивается с дополнительной турбулентностью, плотностью и скоростью солнечного ветра. Этому потоку благоприятствует южный компонент ММП, который затем может напрямую соединяться с высокоширотными силовыми линиями геомагнитного поля. [61] Схема течения магнитосферной плазмы в основном направлена от хвоста магнитосферы к Земле, вокруг Земли и обратно в солнечный ветер через магнитопаузу на дневной стороне. Помимо движения перпендикулярно магнитному полю Земли, некоторая часть магнитосферной плазмы движется вниз вдоль силовых линий магнитного поля Земли, получает дополнительную энергию и теряет ее в атмосферу в авроральных зонах. Острия магнитосферы, отделяющие линии геомагнитного поля, проходящие через Землю, от тех, которые закрываются удаленно, позволяют небольшому количеству солнечного ветра напрямую достигать верхних слоев атмосферы, создавая полярное сияние.
26 февраля 2008 года зонды THEMIS впервые смогли определить пусковое событие начала магнитосферных суббурь . [62] Два из пяти зондов, расположенных примерно на одной трети расстояния до Луны, измеряли события, предполагающие событие магнитного пересоединения за 96 секунд до усиления полярных сияний. [63]
Геомагнитные бури , вызывающие полярные сияния, могут возникать чаще в месяцы, близкие к равноденствиям . Это еще не совсем понятно, но геомагнитные бури могут меняться в зависимости от времени года на Земле. Два фактора, которые следует учитывать, - это наклон оси Солнца и Земли к плоскости эклиптики. Когда Земля вращается по орбите в течение года, она испытывает межпланетное магнитное поле (ММП) с разных широт Солнца, которое наклонено на 8 градусов. Аналогично, наклон оси Земли на 23 градуса, вокруг которого геомагнитный полюс вращается с суточными вариациями, меняет среднесуточный угол, который геомагнитное поле представляет с падающим ММП в течение года. Сочетание этих факторов может привести к незначительным циклическим изменениям в деталях связи МФМ с магнитосферой. В свою очередь, это влияет на среднюю вероятность открытия двери [ разговорное слово ] , через которую энергия солнечного ветра может достичь внутренней магнитосферы Земли и тем самым усилить полярные сияния. Недавние данные 2021 года показали, что отдельные отдельные суббури на самом деле могут быть коррелирующими сетевыми сообществами. [64]
Подобно тому, как существует много типов полярных сияний, существует множество различных механизмов, которые ускоряют полярные частицы в атмосферу. Электронные сияния в зоне полярных сияний Земли (т.е. обычно видимые полярные сияния) можно разделить на две основные категории с разными непосредственными причинами: диффузные и дискретные полярные сияния. Диффузные полярные сияния кажутся наземному наблюдателю относительно бесструктурными, с нечеткими краями и аморфными формами. Дискретные полярные сияния состоят из отдельных элементов с четко выраженными краями, таких как дуги, лучи и короны; они также имеют тенденцию быть намного ярче, чем диффузное сияние.
В обоих случаях электроны, которые в конечном итоге вызывают полярное сияние, начинаются как электроны, захваченные магнитным полем магнитосферы Земли . Эти захваченные частицы отскакивают вперед и назад вдоль силовых линий магнитного поля , и им не позволяется попасть в атмосферу магнитное зеркало , образованное возрастающей напряженностью магнитного поля ближе к Земле. Способность магнитного зеркала улавливать частицу зависит от питч-угла частицы : угла между направлением ее движения и локальным магнитным полем. Полярное сияние создается в результате процессов, которые уменьшают угол наклона многих отдельных электронов, освобождая их из магнитной ловушки и заставляя их попадать в атмосферу.
В случае диффузных полярных сияний питч-углы электронов изменяются в результате их взаимодействия с различными плазменными волнами . Каждое взаимодействие по существу представляет собой рассеяние волн и частиц ; энергия электрона после взаимодействия с волной аналогична его энергии до взаимодействия, но направление движения изменено. Если конечное направление движения после рассеяния близко к силовой линии (в частности, если оно попадает в конус потерь ), то электрон попадет в атмосферу. Диффузные полярные сияния вызваны коллективным эффектом множества таких рассеянных электронов, попадающих в атмосферу. Этот процесс опосредован плазменными волнами, которые становятся сильнее в периоды высокой геомагнитной активности , что приводит к усилению диффузных полярных сияний в это время.
В случае дискретных полярных сияний захваченные электроны ускоряются по направлению к Земле электрическими полями, которые формируются на высоте около 4000–12 000 км в «области аврорального ускорения». Электрические поля направлены от Земли (т.е. вверх) вдоль линии магнитного поля. [65] Электроны, движущиеся вниз через эти поля, получают значительное количество энергии (порядка нескольких кэВ ) в направлении вдоль линии магнитного поля к Земле. Это продольное ускорение уменьшает угол наклона для всех электронов, проходящих через эту область, в результате чего многие из них попадают в верхние слои атмосферы. В отличие от процесса рассеяния, приводящего к диффузным полярным сияниям, электрическое поле увеличивает кинетическую энергию всех электронов, проходящих вниз через область ускорения, на одну и ту же величину. Это ускоряет электроны, начиная с магнитосферы, с изначально низкими энергиями (десятки эВ или меньше) до энергий, необходимых для создания полярного сияния (100 эВ или больше), позволяя этому большому источнику частиц способствовать созданию полярного сияния.
Ускоренные электроны переносят электрический ток вдоль силовых линий магнитного поля ( ток Биркеланда ). Поскольку электрическое поле направлено в том же направлении, что и ток, происходит чистое преобразование электромагнитной энергии в энергию частиц в области аврорального ускорения (электрическая нагрузка ). Энергия для питания этой нагрузки в конечном итоге обеспечивается намагниченным солнечным ветром, обтекающим препятствие магнитного поля Земли, хотя то, как именно эта энергия течет через магнитосферу, все еще является активной областью исследований. [66] Хотя энергия для питания полярного сияния в конечном итоге поступает от солнечного ветра, сами электроны не перемещаются напрямую от солнечного ветра в авроральную зону Земли; Линии магнитного поля из этих областей не соединяются с солнечным ветром, поэтому для электронов солнечного ветра нет прямого доступа.
Некоторые полярные сияния также создаются электронами, ускоренными дисперсионными альфвеновскими волнами . На малых длинах волн, поперечных фоновому магнитному полю (сравнимых с инерционной длиной электрона или гирорадиусом иона ), альфвеновские волны создают значительное электрическое поле, параллельное фоновому магнитному полю. Это электрическое поле может ускорять электроны до энергии в кэВ , что важно для образования авроральных дуг. [67] Если электроны имеют скорость, близкую к фазовой скорости волны, они ускоряются аналогично тому, как серфер ловит океанскую волну. [68] [69] Это постоянно меняющееся волновое электрическое поле может ускорять электроны вдоль силовой линии, в результате чего некоторые из них попадают в атмосферу. Электроны, ускоренные этим механизмом, имеют тенденцию иметь широкий энергетический спектр, в отличие от резко пикового энергетического спектра, типичного для электронов, ускоренных квазистатическими электрическими полями.
Помимо дискретных и диффузных электронных сияний, протонные сияния возникают при столкновении протонов магнитосферы с верхними слоями атмосферы. В результате взаимодействия протон приобретает электрон, и образующийся нейтральный атом водорода испускает фотоны. Получающийся свет слишком тусклый, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом. Другие полярные сияния, не охваченные приведенным выше обсуждением, включают трансполярные дуги (образующиеся к полюсу от авроральной зоны), полярные сияния (образующиеся в двух небольших высокоширотных областях на дневной стороне) и некоторые внеземные полярные сияния.
Обнаружение в 2017 году японского дневника 1770 года , изображающего полярные сияния над древней японской столицей Киото , позволило предположить, что шторм мог быть на 7% сильнее, чем событие Кэррингтона , которое затронуло телеграфные сети. [70] [71]
Однако полярные сияния, возникшие в результате « великой геомагнитной бури » 28 августа и 2 сентября 1859 года, считаются самыми впечатляющими в новейшей зарегистрированной истории. В докладе Королевскому обществу от 21 ноября 1861 года Бальфур Стюарт описал оба полярных сияния, задокументированные самозаписывающим магнитографом в обсерватории Кью, и установил связь между полярной бурей 2 сентября 1859 года и вспышкой Кэррингтона -Ходжсона, когда он заметил, что «не исключено, что в данном случае наше светило было взято с поличным ». [72] Второе событие полярного сияния, произошедшее 2 сентября 1859 года, было результатом (невидимого) выброса корональной массы, связанного с исключительно интенсивной солнечной вспышкой белого света Кэррингтона-Ходжсона 1 сентября 1859 года. Это событие вызвало столь широко распространенные и масштабные полярные сияния. необычайно яркими, что их видели и о них сообщалось в опубликованных научных измерениях, судовых журналах и газетах в Соединенных Штатах, Европе, Японии и Австралии. Газета «Нью-Йорк Таймс» сообщила , что в Бостоне в пятницу, 2 сентября 1859 года, полярное сияние было «настолько ярким, что около часа дня при свете можно было прочитать обычный шрифт». [73] Один час по восточному стандартному времени в пятницу, 2 сентября, должен был быть 6:00 по Гринвичу; самозаписывающийся магнитограф в обсерватории Кью регистрировал геомагнитную бурю , длительность которой на тот момент составляла один час, с полной интенсивностью. Между 1859 и 1862 годами Элиас Лумис опубликовал серию из девяти статей о Великой выставке полярных сияний 1859 года в Американском журнале науки, где он собрал всемирные отчеты о полярных сияниях. [8]
Считается, что это полярное сияние было вызвано одним из самых интенсивных корональных выбросов массы в истории. Примечательно оно и тем, что впервые были однозначно связаны явления авроральной активности и электричества. Это понимание стало возможным не только благодаря научным измерениям магнитометра той эпохи, но и в результате того, что значительная часть из 125 000 миль (201 000 км) телеграфных линий , находившихся тогда в эксплуатации, была значительно повреждена на многие часы во время шторма. Однако некоторые телеграфные линии, похоже, имели подходящую длину и ориентацию, чтобы создавать достаточный геомагнитно-индуцированный ток из электромагнитного поля , чтобы обеспечить непрерывную связь с отключенными источниками питания телеграфного оператора. [74] Следующий разговор произошел между двумя операторами Американской телеграфной линии между Бостоном и Портлендом, штат Мэн , в ночь на 2 сентября 1859 года и был опубликован в газете Boston Traveler :
Оператор из Бостона (оператору из Портленда): «Пожалуйста, полностью отключите аккумулятор [источник питания] на пятнадцать минут».
Портлендский оператор: «Сделаю так. Сейчас он отключен».
Бостон: «Мой отключен, и мы работаем с полярным током. Как вы восприняли мое письмо?»
Портленд: «Лучше, чем при включенных батареях. Ток приходит и уходит постепенно».
Бостон: «Мой ток временами очень сильный, и мы можем лучше работать без батарей, поскольку полярное сияние, кажется, поочередно нейтрализует и усиливает наши батареи, временами делая ток слишком сильным для наших магнитов реле. Предположим, мы работаем без батарей, пока мы затронуты этой бедой».
Портленд: «Очень хорошо. Могу ли я продолжить дело?»
Бостон: «Да. Давай».
Разговор продолжался около двух часов, вообще не используя заряд батареи и работая исключительно на токе, индуцированном полярным сиянием, и было сказано, что это был первый зарегистрированный случай, когда таким образом было передано более одного или двух слов. . [73] Такие события привели к общему выводу, что
Влияние Авроры на электрический телеграф обычно заключается в увеличении или уменьшении электрического тока, генерируемого при работе проводов. Иногда он полностью нейтрализует их, так что в них фактически не обнаруживается никакой жидкости [тока]. Северное сияние, по-видимому, состоит из массы электрического вещества, во всех отношениях напоминающего то, что генерируется электрической гальванической батареей. Токи от него меняются, приходя по проводам, а затем исчезают: масса полярного сияния катится от горизонта к зениту. [75]
Самая ранняя датируемая запись о полярном сиянии была записана в «Бамбуковых анналах» , исторической хронике истории древнего Китая, в 977 или 957 году до нашей эры. [76] Полярное сияние было описано греческим исследователем Пифеем в 4 веке до нашей эры. [77] Сенека писал о полярных сияниях в первой книге своего Naturales Quaestiones , классифицируя их, например, как pithaei («бочкообразные»); часмата («пропасть»); pogoniae («бородатый»); cyparissae («похожие на кипарисы »); и описывая их разнообразные цвета. Он писал о том, находились ли они над облаками или под ними , и вспоминал, что при Тиберии над портовым городом Остией образовалось полярное сияние , которое было настолько интенсивным и красным, что когорта армии, расквартированная поблизости для пожарной службы, поскакала на помощь. . [78] Было высказано предположение, что Плиний Старший изобразил северное сияние в своей « Естественной истории» , когда он ссылается на трабе , хасму , «падающее красное пламя» и «дневной свет в ночи». [79]
Самое раннее изображение полярного сияния, возможно, было на наскальных рисунках кроманьонцев на севере Испании, датируемых 30 000 годом до нашей эры. [80]
Самое старое известное письменное упоминание о полярном сиянии содержится в китайской легенде, написанной около 2600 г. до н.э. Осенью около 2000 г. до н. э., [81] согласно легенде, молодая женщина по имени Фубао сидела одна в пустыне у залива, когда внезапно появилась «волшебная полоса света», похожая на «движущиеся облака и текущую воду», превратив в яркий ореол вокруг Большой Медведицы , который излучал бледно-серебряный блеск, освещая землю и заставляя формы и тени казаться живыми. Тронутая этим зрелищем, Фубао забеременела и родила сына, императора Сюаньюаня , известного в легендах как зачинатель китайской культуры и предок всего китайского народа. [ нужна цитата ] В «Шаньхацзин » существо по имени Шилун описывается как красный дракон, сияющий в ночном небе, с телом длиной в тысячу миль. В древние времена у китайцев не было четкого слова для обозначения полярного сияния, поэтому его называли в соответствии с различными формами полярного сияния, такими как «Небесная собака» (天狗), «Звезда-меч/нож» (刀星), «Знамя Чию» (蚩尤旗), «Открытые глаза неба» (天开眼) и «Звезды, подобные дождю» (星陨如雨). [ нужна цитата ]
В японском фольклоре фазаны считались посланниками небес. Однако исследователи из Высшего университета перспективных исследований Японии и Национального института полярных исследований заявили в марте 2020 года, что хвосты красных фазанов, замеченные в ночном небе над Японией в 620 году нашей эры, могут быть красным полярным сиянием, возникшим во время магнитной бури. [82]
В традициях австралийских аборигенов Aurora Australis обычно ассоциируется с огнем. Например, народ Гундитджмара в западной Виктории называл полярные сияния puae buae («пепел»), в то время как народ Гунай в восточной Виктории воспринимал полярные сияния как лесные пожары в духовном мире. Жители Диери из Южной Австралии говорят, что полярное сияние — это кучи , злой дух, создающий большой пожар. Точно так же народ нгарринджери в Южной Австралии называет полярные сияния, наблюдаемые над островом Кенгуру, кострами духов в «Земле мертвых». Аборигены [ какие? ] на юго-западе Квинсленда считают, что полярные сияния - это огни Ула Пикка , призрачных духов, которые разговаривали с людьми через полярные сияния. Священный закон запрещал кому-либо, кроме старейшин мужского пола, наблюдать или интерпретировать послания предков, которые, по их мнению, были переданы через полярное сияние. [83]
У народа маори в Новой Зеландии полярное сияние или Тахунуи-а-ранги («большие факелы в небе») были зажжены предками, которые плыли на юг, в «землю льда» (или их потомками); [84] [85] эти люди, как говорили, были экспедиционным отрядом Уи-те-Рангиоры , достигшим Южного океана . [84] примерно в VII веке. [86]
В Скандинавии первое упоминание о norðrlós (северном сиянии) встречается в норвежской хронике Konungs Skuggsjá от 1230 года нашей эры. Летописец услышал об этом явлении от соотечественников, вернувшихся из Гренландии , и приводит три возможных объяснения: что океан был окружен обширными пожарами; что солнечные вспышки могут распространяться по всему миру до его ночной стороны; или что ледники могут накапливать энергию и в конечном итоге становятся флуоресцентными . [87]
Уолтер Уильям Брайант писал в своей книге «Кеплер» (1920), что Тихо Браге «похоже, был чем-то вроде гомеопата , поскольку он рекомендует серу для лечения инфекционных заболеваний, «вызванных сернистыми парами северного сияния » ». [88]
В 1778 году Бенджамин Франклин в своей статье « Северное сияние. Предположения и предположения к формированию гипотезы для ее объяснения» предположил , что полярное сияние вызывается концентрацией электрического заряда в полярных регионах, усиленной снегом и влажностью воздуха: [89] [90] [91]
Не может ли тогда большое количество электричества, принесенное в полярные регионы облаками, которые там конденсируются, выпасть в снег, и тогда электричество попадет в землю, но не сможет проникнуть сквозь лед; не может ли он, говорю я (как перезаряженная бутылка), прорваться через эту нижнюю атмосферу и помчаться в вакууме по воздуху к экватору, расходясь по мере увеличения градусов долготы, отчетливо видимый там, где он наиболее плотный, и становящийся менее видимым по мере того, как он больше расходится; пока он не найдет проход на землю в более умеренном климате или не смешается с верхними слоями воздуха?
Наблюдения за ритмичным движением стрелок компаса под влиянием полярного сияния были подтверждены в шведском городе Уппсала Андерсом Цельсием и Олофом Хиортером . В 1741 году Хиортер смог связать большие магнитные колебания с наблюдаемым над головой полярным сиянием. Эти данные помогли поддержать их теорию о том, что «магнитные бури» ответственны за такие колебания компаса. [92]
Зрелище окружает множество индейских мифов. Европейский исследователь Сэмюэл Хирн путешествовал с Чипевианом Дене в 1771 году и записал их взгляды на эд-тон («карибу»). По словам Хирна, жители дене увидели сходство между полярным сиянием и искрами, возникающими при поглаживании меха карибу . Они верили, что огни — это души их ушедших друзей, танцующие в небе, и когда они ярко сияли, это означало, что их умершие друзья были очень счастливы. [93]
Ночью после битвы при Фредериксбурге с поля боя было видно полярное сияние. Армия Конфедерации восприняла это как знак того, что Бог на их стороне, поскольку огни редко можно было увидеть так далеко на юге. Картина «Северное сияние» Фредерика Эдвина Чёрча широко интерпретируется как изображение конфликта Гражданской войны в США . [94]
Британский источник середины XIX века утверждает, что до XVIII века полярные сияния были редким явлением. [95] Он цитирует Галлея , который сказал, что до полярного сияния 1716 года ни одно такое явление не было зарегистрировано в течение более 80 лет, и ни одно из каких-либо последствий не было зафиксировано с 1574 года . между 1666 и 1716 годами; и то одно полярное сияние, зафиксированное в Берлинском сборнике за 1797 год, было названо очень редким событием. Было заявлено, что один из них, наблюдавшийся в 1723 году в Болонье , был первым, когда-либо замеченным там. Цельсий (1733 г.) утверждает, что до 1716 года старейшие жители Упсалы считали это явление большой редкостью. Период примерно между 1645 и 1715 годами соответствует минимуму Маундера активности солнечных пятен.
В сатирической поэме Роберта У. Сервиса «Баллада о северном сиянии» (1908) старатель Юкона обнаруживает, что полярное сияние — это свечение радиевой шахты. Он заявляет о своем праве, а затем отправляется в город в поисках инвесторов.
В начале 1900-х годов норвежский учёный Кристиан Биркеланд заложил основу [ разговорного языка ] современного понимания геомагнетизма и полярных сияний.
В саамской мифологии северное сияние возникает из-за того, что умершие, истекшие кровью, порезались, и их кровь пролилась на небо. Многие аборигенные народы северной Евразии и Северной Америки разделяют схожие представления о северном сиянии как о крови умерших, причем некоторые полагают, что оно вызвано брызгами крови мертвых воинов, разбрызгивающими небо, когда они играют в игры, катаются на лошадях или развлекаются в некоторых местах. другой путь. [ нужна цитата ]
И Юпитер , и Сатурн имеют магнитные поля, которые сильнее, чем у Земли (напряженность экваториального поля Юпитера составляет 4,3 гаусса по сравнению с 0,3 гаусса у Земли), и оба имеют обширные радиационные пояса. Полярные сияния наблюдались на обеих газовых планетах, наиболее четко с помощью космического телескопа «Хаббл» , космических аппаратов «Кассини » и «Галилео» , а также на Уране и Нептуне . [96]
Похоже, что полярные сияния на Сатурне, как и на Земле, питаются солнечным ветром. Однако полярные сияния Юпитера более сложны. Главный овал полярных сияний Юпитера связан с плазмой, производимой вулканической луной Ио , и переносом этой плазмы внутри магнитосферы планеты . Неопределенная часть полярных сияний Юпитера питается солнечным ветром. Кроме того, спутники, особенно Ио, также являются мощными источниками полярных сияний. Они возникают из-за электрических токов вдоль силовых линий («выровненные по полю токи»), генерируемых механизмом динамо из-за относительного движения между вращающейся планетой и движущейся луной. Ио, имеющая активный вулканизм и ионосферу, является особенно сильным источником, а ее течения также генерируют радиоизлучения, которые изучаются с 1955 года. С помощью космического телескопа Хаббла наблюдались полярные сияния над Ио, Европой и Ганимедом.
Полярные сияния наблюдались также на Венере и Марсе . Венера не имеет магнитного поля, поэтому венерианские полярные сияния выглядят как яркие и рассеянные пятна различной формы и интенсивности, иногда распределенные по всему диску планеты. [97] Венерианское полярное сияние возникает, когда электроны солнечного ветра сталкиваются с ночной атмосферой.
Полярное сияние было обнаружено на Марсе 14 августа 2004 года прибором SPICAM на борту Mars Express . Полярное сияние располагалось на Терра Киммерия , в районе 177° восточной долготы, 52° южной широты. Общий размер эмиссионной области составлял около 30 км в поперечнике и, возможно, около 8 км в высоту. Анализируя карту магнитных аномалий земной коры, составленную на основе данных Mars Global Surveyor , ученые заметили, что область выбросов соответствовала области, где локализовано самое сильное магнитное поле. Эта корреляция указывала на то, что источником светового излучения был поток электронов, движущихся вдоль магнитных линий коры и возбуждающих верхнюю атмосферу Марса. [96] [98]
В период с 2014 по 2016 год кометные полярные сияния наблюдались на комете 67P/Чурюмова-Герасименко несколькими приборами космического корабля Розетта . [99] [100] Полярные сияния наблюдались в дальнем ультрафиолете . Наблюдения за комой выявили выбросы атомов водорода и кислорода, вызванные фотодиссоциацией ( а не фотоионизацией , как в земных полярных сияниях) молекул воды в коме кометы. [100] Взаимодействие ускоренных электронов солнечного ветра с частицами газа в коме является причиной полярного сияния. [100] Поскольку у кометы 67P нет магнитного поля, полярное сияние рассеяно вокруг кометы. [100]
Было высказано предположение, что экзопланеты , такие как горячие Юпитеры , испытывают ионизацию в своих верхних слоях атмосферы и генерируют полярные сияния, изменяемые погодой , в их турбулентных тропосферах . [101] Тем не менее, в настоящее время не существует обнаружения полярного сияния на экзопланете.
Первые внесолнечные полярные сияния были обнаружены в июле 2015 года над звездой коричневого карлика LSR J1835+3259 . [102] Было обнаружено, что преимущественно красное полярное сияние в миллион раз ярче северного сияния в результате взаимодействия заряженных частиц с водородом в атмосфере. Было высказано предположение, что звездные ветры могут срывать материал с поверхности коричневого карлика для производства собственных электронов. Другое возможное объяснение полярных сияний заключается в том, что еще не обнаруженное тело вокруг карликовой звезды выбрасывает материал, как в случае с Юпитером и его спутником Ио. [103]
Кеплер. Компания Макмиллан (1920) стр.23.
