Полярное сияние [ a] ( мн. ч. aurorae или auroras ), [b] также широко известное как северное сияние ( aurora borealis ) или южное сияние ( aurora australis ), [c] — это естественное световое явление на небе Земли , которое можно наблюдать преимущественно в высокоширотных регионах (вокруг Арктики и Антарктики ). Полярные сияния демонстрируют динамические узоры ярких огней, которые выглядят как занавески, лучи, спирали или динамические мерцания, покрывающие все небо. [3]
Полярные сияния являются результатом возмущений в магнитосфере Земли, вызванных солнечным ветром . Основные возмущения возникают из-за увеличения скорости солнечного ветра из-за корональных дыр и выбросов корональной массы . Эти возмущения изменяют траектории заряженных частиц в магнитосферной плазме . Эти частицы, в основном электроны и протоны , выпадают в верхнюю атмосферу ( термосферу / экзосферу ). Результирующая ионизация и возбуждение атмосферных компонентов излучают свет различного цвета и сложности. Форма полярного сияния, возникающая в полосах вокруг обоих полярных регионов, также зависит от величины ускорения, придаваемого выпадающим частицам.
На большинстве планет Солнечной системы , некоторых естественных спутниках , коричневых карликах и даже кометах также наблюдаются полярные сияния.
Термин «полярное сияние» был придуман Галилеем в 1619 году, от имени римской Авроры, богини рассвета , и греческого Борея, бога холодного северного ветра . [4] [5]
Слово «аврора» происходит от имени римской богини утренней зари Авроры , которая путешествовала с востока на запад, возвещая о приходе Солнца . [6] Древнегреческие поэты использовали соответствующее имя « Эос » метафорически для обозначения рассвета, часто упоминая его игру цветов на темном небе (например, «розовоперстая заря»). [7]
Слова borealis и australis происходят от имен древних богов северного ветра ( Борей ) и южного ветра ( Аустер ) в греко-римской мифологии .
Полярные сияния чаще всего наблюдаются в «зоне полярных сияний» [8], полосе шириной приблизительно 6° (~660 км) по широте с центром на 67° северной и южной широты. [9] Регион, в котором в настоящее время наблюдается полярное сияние, называется «овалом полярных сияний». Овал смещается солнечным ветром, отталкивая его примерно на 15° от геомагнитного полюса (не географического полюса) в направлении полудня и на 23° в направлении полуночи. [9] Пиковая экваториальная протяженность овала немного смещена от географической полуночи. Он центрируется примерно на 3–5° ночью от магнитного полюса, так что дуги полярных сияний достигают наибольшего расстояния по направлению к экватору, когда рассматриваемый магнитный полюс находится между наблюдателем и Солнцем , что называется магнитной полночью .
Ранние доказательства геомагнитной связи исходят из статистики наблюдений за полярными сияниями. Элиас Лумис (1860) [10] , а позднее Герман Фриц (1881) [11] и Софус Тромхольт (1881) [12] более подробно установили, что полярное сияние появлялось в основном в полярной зоне.
В северных широтах этот эффект известен как aurora borealis или северное сияние. Южный аналог, aurora australis или южное сияние, имеет черты, почти идентичные aurora borealis, и изменяется одновременно с изменениями в северной авроральной зоне. [13] Aurora australis видно из высоких южных широт в Антарктиде , Южном Конусе , Южной Африке , Австралазии и в исключительных обстоятельствах даже на севере Уругвая . [14] Aurora northrealis видно из областей вокруг Арктики, таких как Аляска , Канада , Исландия , Гренландия , Фарерские острова , Скандинавия , Финляндия , Шотландия и Россия . Геомагнитная буря заставляет авроральные овалы (северные и южные) расширяться, перенося полярное сияние в более низкие широты. В редких случаях северное сияние можно увидеть даже на юге, в Средиземноморье и южных штатах США, а южное сияние можно увидеть на севере, в Новой Каледонии и регионе Пилбара в Западной Австралии . Во время события Кэррингтона , крупнейшей геомагнитной бури, когда-либо наблюдавшейся, полярные сияния были видны даже в тропиках.
Полярные сияния, наблюдаемые внутри овала полярных сияний, могут быть прямо над головой. Издалека они освещают горизонт в направлении полюса зеленоватым свечением, а иногда и слабым красным, как будто Солнце встает с необычного направления. Полярные сияния также возникают в направлении полюса от зоны полярных сияний в виде диффузных пятен или дуг, [15] которые могут быть субвизуальными.
Полярные сияния иногда наблюдаются на широтах ниже зоны полярных сияний, когда геомагнитная буря временно увеличивает овал полярных сияний. Крупные геомагнитные бури чаще всего случаются во время пика 11-летнего цикла солнечных пятен или в течение трех лет после пика. [16] [17] Электрон вращается по спирали (вращается) вокруг силовой линии под углом, который определяется его векторами скорости, параллельными и перпендикулярными, соответственно, локальному вектору геомагнитного поля B. Этот угол известен как «угол наклона» частицы. Расстояние или радиус электрона от силовой линии в любой момент времени известен как его радиус Лармора. Угол наклона увеличивается по мере того, как электрон перемещается в область большей напряженности поля ближе к атмосфере. Таким образом, некоторые частицы могут вернуться или отразиться, если угол станет 90°, прежде чем войти в атмосферу, чтобы столкнуться с более плотными молекулами там. Другие частицы, которые не отражаются, попадают в атмосферу и вносят вклад в полярное сияние в диапазоне высот. Другие типы полярных сияний наблюдались из космоса; например, «полярные дуги», простирающиеся к Солнцу через полярную шапку, связанное с ними «тета-полярное сияние» [18] и «дневные дуги» около полудня. Они встречаются относительно редко и плохо изучены. Встречаются и другие интересные эффекты, такие как пульсирующее полярное сияние, «черное полярное сияние» и их более редкий спутник «анти-черное полярное сияние» и субвизуальные красные дуги. В дополнение ко всему этому, слабое свечение (часто темно-красное) наблюдается вокруг двух полярных выступов, силовые линии разделяют те, которые проходят через Землю, от тех, которые затягиваются в хвост и закрываются на расстоянии.
Ранняя работа по получению изображений полярных сияний была проведена в 1949 году в Университете Саскачевана с использованием радара SCR-270 . [19] Высоты, на которых происходят полярные сияния, были выявлены Карлом Стёрмером и его коллегами, которые использовали камеры для триангуляции более 12 000 полярных сияний. [20] Они обнаружили, что большая часть света создается на высоте от 90 до 150 км (от 56 до 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 до наиболее заметных: [21]
Брекке (1994) также описал некоторые полярные сияния как «занавески». [23] Сходство с занавесками часто усиливается складками внутри дуг. Дуги могут фрагментироваться или распадаться на отдельные, порой быстро меняющиеся, часто лучистые образования, которые могут заполнять все небо. Они также известны как дискретные полярные сияния , которые иногда настолько яркие, что ночью можно читать газету. [24]
Эти формы согласуются с тем, что полярные сияния формируются магнитным полем Земли. Вид дуг, лучей, занавесок и корон определяется формой светящихся частей атмосферы и положением наблюдателя . [25]
Полярные сияния меняются со временем. Ночью они начинаются со свечения и продвигаются к коронам, хотя могут и не достигать их. Они, как правило, затухают в обратном порядке. [23] Примерно до 1963 года считалось, что эти изменения вызваны вращением Земли по схеме, фиксированной по отношению к Солнцу. Позже, сравнивая всенебесные фильмы полярных сияний из разных мест (собранные во время Международного геофизического года ), было обнаружено, что они часто претерпевают глобальные изменения в процессе, называемом авроральной суббурей . Они изменяются за несколько минут от тихих дуг по всему овалу полярных сияний до активных проявлений вдоль темной стороны, и через 1–3 часа они постепенно возвращаются обратно. [29] Изменения полярных сияний с течением времени обычно визуализируются с помощью кеограмм . [30]
В более коротких временных масштабах полярные сияния могут менять свой внешний вид и интенсивность, иногда настолько медленно, что их трудно заметить, а в других случаях быстро, вплоть до субсекундного масштаба. [24] Явление пульсирующих полярных сияний является примером изменений интенсивности в коротких временных масштабах, обычно с периодами 2–20 секунд. Этот тип полярных сияний обычно сопровождается уменьшением пиковых высот эмиссии примерно на 8 км для синих и зеленых излучений и скоростью солнечного ветра выше средней ( около 500 км/с ). [31]
Кроме того, полярное сияние и связанные с ним токи производят сильное радиоизлучение около 150 кГц, известное как авроральное километровое излучение (AKR), открытое в 1972 году. [32] Ионосферное поглощение делает AKR наблюдаемым только из космоса. Также были обнаружены рентгеновские излучения, происходящие от частиц, связанных с полярными сияниями. [33]
Шум полярного сияния , похожий на треск, начинается на высоте около 70 м (230 футов) над поверхностью Земли и вызывается заряженными частицами в инверсионном слое атмосферы, образованном холодной ночью. Заряженные частицы разряжаются, когда частицы от Солнца попадают в инверсионный слой, создавая шум. [34] [35]
В 2016 году более пятидесяти гражданских научных наблюдений описали то, что было для них неизвестным типом полярного сияния, которое они назвали « STEVE » (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement). STEVE — это не полярное сияние, а вызвано полосой горячей плазмы шириной 25 км (16 миль ) на высоте 450 км (280 миль) с температурой 3000 °C (3270 K; 5430 °F) и скоростью 6 км/с (3,7 миль/с) (по сравнению с 10 м/с (33 фута/с) за пределами ленты). [36]
Процессы, вызывающие STEVE, также связаны с полярным сиянием типа «частокол», хотя последнее можно увидеть и без STEVE. [37] [38] Это полярное сияние, потому что оно вызвано осаждением электронов в атмосфере, но оно появляется за пределами овала полярных сияний, [39] ближе к экватору , чем типичные полярные сияния. [40] Когда полярное сияние типа «частокол» появляется со STEVE, оно находится ниже. [38]
Впервые сообщено в 2020 году [41] [42] и подтверждено в 2021 году [43] [44] явление дюнного сияния было обнаружено [45] финскими гражданскими учеными . Оно состоит из регулярно расположенных параллельных полос более яркого излучения в зеленом диффузном сиянии, которые создают впечатление песчаных дюн. [46] Считается, что это явление вызвано модуляцией плотности атомарного кислорода крупномасштабной атмосферной волной, распространяющейся горизонтально в волноводе через инверсионный слой в мезосфере в присутствии электронных осадков . [43]
Полярные сияния типа «хвостик» (HCA) — это полярные сияния, при которых эллипс полярных сияний смещается к полюсу во время рассвета и заката, а полярная шапка становится каплевидной. Они образуются в периоды, когда межпланетное магнитное поле (IMF) постоянно направлено на север, когда угол часов IMF мал. Их образование связано с замыканием магнитного потока в верхней части дневной магнитосферы за счет пересоединения двух долей (DLR). В месяц происходит около 8 событий HCA, без сезонной зависимости, и IMF должно находиться в пределах 30 градусов от севера. [47]
Сопряженные полярные сияния — это почти точные зеркальные полярные сияния, обнаруженные в сопряженных точках в северном и южном полушариях на тех же геомагнитных силовых линиях. Обычно они случаются во время равноденствий , когда ориентация северного и южного геомагнитных полюсов по отношению к солнцу мало отличается. Попытки получить изображения сопряженных полярных сияний с помощью самолетов с Аляски и Новой Зеландии были предприняты в 1967, 1968, 1970 и 1971 годах, с некоторым успехом. [48]
Полное понимание физических процессов, которые приводят к различным типам полярных сияний, все еще неполно, но основная причина заключается во взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли . Различная интенсивность солнечного ветра производит эффекты различной величины, но включает 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 захваченные магнитным полем частицы, удерживаемые геомагнитным полем, в сочетании с процессами ускорения частиц. [49]
Непосредственная причина ионизации и возбуждения атмосферных компонентов, приводящих к авроральным выбросам, была обнаружена в 1960 году, когда первый полет ракеты из Форт-Черчилля в Канаде выявил поток электронов, входящих в атмосферу сверху. [50] С тех пор обширный набор измерений был получен кропотливо и с постоянно улучшающимся разрешением с 1960-х годов многими исследовательскими группами, использующими ракеты и спутники для пересечения авроральной зоны. Главные выводы заключались в том, что авроральные дуги и другие яркие формы обусловлены электронами, которые были ускорены в течение последних нескольких 10 000 км или около того их погружения в атмосферу. [51] Эти электроны часто, но не всегда, демонстрируют пик в своем распределении энергии и преимущественно выстраиваются вдоль локального направления магнитного поля.
Электроны, в основном ответственные за диффузные и пульсирующие полярные сияния, напротив, имеют плавно падающее распределение энергии и угловое (питч-угол) распределение, благоприятствующее направлениям, перпендикулярным локальному магнитному полю. Было обнаружено, что пульсации возникают в экваториальной точке пересечения линий магнитного поля полярной зоны или вблизи нее. [52] Протоны также связаны с полярными сияниями, как дискретными, так и диффузными.
Полярные сияния возникают в результате испускания фотонов в верхних слоях атмосферы Земли , выше 80 км (50 миль), от ионизированных атомов азота , возвращающих электрон, и атомов кислорода и молекул на основе азота , возвращающихся из возбужденного состояния в основное состояние . [53] Они ионизируются или возбуждаются столкновением частиц, выпадающих в атмосферу. Могут быть задействованы как входящие 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: ему может потребоваться 0,7 секунды, чтобы испустить зеленый свет 557,7 нм, и до двух минут для красного излучения 630,0 нм. Столкновения с другими атомами или молекулами поглощают энергию возбуждения и предотвращают испускание; 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 дать кислороду время испустить красный свет. Столкновения становятся более частыми по мере продвижения вниз в атмосферу из-за увеличения плотности, так что красные излучения не успевают произойти, и в конечном итоге даже зеленые излучения света предотвращаются.
Вот почему существует цветовая разница с высотой: на больших высотах доминирует кислородный красный, затем кислородный зеленый и азотный сине-фиолетово-красный, затем, наконец, азотный сине-фиолетово-красный, когда столкновения не позволяют кислороду что-либо испускать. Зеленый — самый распространенный цвет. Затем идет розовый, смесь светло-зеленого и красного, за которым следует чистый красный, затем желтый (смесь красного и зеленого) и, наконец, чистый синий.
Осаждающиеся протоны обычно производят оптические излучения как падающие атомы водорода после получения электронов из атмосферы. Протонные полярные сияния обычно наблюдаются на более низких широтах. [54]
Яркие полярные сияния обычно связаны с токами Биркеланда (Schield et al., 1969; [55] Zmuda and Armstrong, 1973 [56] ), которые впадают в ионосферу с одной стороны полюса и выходят с другой. Между тем, часть тока напрямую соединяется через ионосферный слой E (125 км); остальная часть («область 2») огибает, снова выходя 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 еще не определенный механизм динамо. Зонды электрического поля на орбите над полярной шапкой предполагают напряжение порядка 40 000 вольт, возрастающее до более чем 200 000 вольт во время интенсивных магнитных бурь. В другой интерпретации токи являются прямым результатом ускорения электронов в атмосфере за счет взаимодействия волн и частиц.
Ионосферное сопротивление имеет сложную природу и приводит к вторичному току Холла . По странному повороту физики, магнитное возмущение на земле из-за основного тока почти отменяется, поэтому большая часть наблюдаемого эффекта полярных сияний обусловлена вторичным током, авроральным электроджетом . Индекс аврорального электроджета (измеряемый в нанотеслах) регулярно выводится из наземных данных и служит общей мерой авроральной активности. Кристиан Биркеланд [57] пришел к выводу, что токи текли в направлениях восток-запад вдоль авроральной дуги, и такие токи, текущие с дневной стороны к (приблизительно) полуночи, позже были названы «авроральными электроджетами» (см. также токи Биркеланда ). Ионосфера может способствовать формированию авроральных дуг через неустойчивость обратной связи в условиях высокого ионосферного сопротивления, наблюдаемую в ночное время и в темном зимнем полушарии. [58]
Земля постоянно погружена в солнечный ветер , поток намагниченной горячей плазмы (газа свободных электронов и положительных ионов), испускаемый Солнцем во всех направлениях, в результате температуры в два миллиона градусов внешнего слоя Солнца, короны . Солнечный ветер достигает Земли со скоростью, как правило, около 400 км/с, плотностью около 5 ионов/см3 и напряженностью магнитного поля около 2–5 нТл (для сравнения, поверхностное поле Земли обычно составляет 30 000–50 000 нТл). Во время магнитных бурь , в частности, 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. [59] Ее работа стала результатом данных, собранных космическим аппаратом Explorer 33 .
Солнечный ветер и магнитосфера состоят из плазмы (ионизированного газа), которая проводит электричество. Хорошо известно (со времен работы Майкла Фарадея около 1830 года), что когда электрический проводник помещается в магнитное поле, а относительное движение происходит в направлении, в котором проводник пересекает ( или пересекается ), а не вдоль , линий магнитного поля, внутри проводника индуцируется электрический ток. Сила тока зависит от a) скорости относительного движения, b) силы магнитного поля, c) количества проводников, соединенных вместе, и d) расстояния между проводником и магнитным полем, в то время как направление потока зависит от направления относительного движения. Динамо используют этот базовый процесс (« эффект динамо »), любые и все проводники, твердые или иные, подвергаются такому воздействию, включая плазму и другие жидкости.
IMF возникает на Солнце, связано с солнечными пятнами , и его силовые линии (линии силы) вытягиваются солнечным ветром. Это само по себе должно было бы выстроить их в направлении Солнце-Земля, но вращение Солнца наклоняет их к Земле примерно на 45 градусов, образуя спираль в плоскости эклиптики, известную как спираль Паркера . Поэтому силовые линии, проходящие через Землю, обычно связаны с линиями вблизи западного края («лимба») видимого Солнца в любое время. [60]
Солнечный ветер и магнитосфера, будучи двумя электропроводящими жидкостями в относительном движении, должны быть способны в принципе генерировать электрические токи посредством динамо-действия и передавать энергию из потока солнечного ветра. Однако этот процесс затруднен тем фактом, что плазма легко проводит вдоль линий магнитного поля, но менее легко перпендикулярно им. Энергия более эффективно передается посредством временной магнитной связи между линиями поля солнечного ветра и линиями поля магнитосферы. Неудивительно, что этот процесс известен как магнитное пересоединение . Как уже упоминалось, это происходит легче всего, когда межпланетное поле направлено на юг, в направлении, аналогичном геомагнитному полю во внутренних областях как северного магнитного полюса , так и южного магнитного полюса .
Полярные сияния случаются чаще и становятся ярче во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда выбросы корональной массы увеличивают интенсивность солнечного ветра. [61]
Магнитосфера Земли формируется под воздействием солнечного ветра на магнитное поле Земли. Это создает препятствие для потока, отклоняя его, на среднем расстоянии около 70 000 км (11 радиусов Земли или Re), [62] создавая ударную волну на 12 000–15 000 км (1,9–2,4 Re) выше по течению. Ширина магнитосферы рядом с Землей обычно составляет 190 000 км (30 Re), а на ночной стороне длинный «магнитный хвост» вытянутых линий поля простирается на большие расстояния (> 200 Re).
Высокоширотная магнитосфера заполняется плазмой, когда солнечный ветер проходит мимо Земли. Поток плазмы в магнитосферу увеличивается с дополнительной турбулентностью, плотностью и скоростью в солнечном ветре. Этому потоку благоприятствует южный компонент ММП, который затем может напрямую соединяться с линиями геомагнитного поля высоких широт. [63] Схема потока магнитосферной плазмы в основном идет от хвоста магнитосферы к Земле, вокруг Земли и обратно в солнечный ветер через магнитопаузу на дневной стороне. Помимо движения перпендикулярно магнитному полю Земли, часть магнитосферной плазмы перемещается вниз вдоль линий магнитного поля Земли, получает дополнительную энергию и теряет ее в атмосфере в авроральных зонах. Выступы магнитосферы, разделяющие линии геомагнитного поля, которые закрываются через Землю, от тех, которые закрываются удаленно, позволяют небольшому количеству солнечного ветра напрямую достигать верхней части атмосферы, создавая авроральное свечение.
26 февраля 2008 года зонды THEMIS впервые смогли определить событие, инициирующее начало магнитосферных суббурь . [64] Два из пяти зондов, расположенных примерно на расстоянии одной трети от Луны, измерили события, предполагающие событие магнитного пересоединения за 96 секунд до усиления полярных сияний. [65]
Геомагнитные бури , вызывающие полярные сияния, могут чаще происходить в месяцы около равноденствий . Это не совсем понятно, но геомагнитные бури могут меняться в зависимости от сезонов на Земле. Следует учитывать два фактора: наклон как солнечной, так и земной оси к плоскости эклиптики. Поскольку Земля вращается по орбите в течение года, она испытывает воздействие межпланетного магнитного поля (ММП) с разных широт Солнца, которое наклонено на 8 градусов. Аналогично, наклон оси Земли на 23 градуса, вокруг которой вращается геомагнитный полюс с суточным изменением, изменяет среднесуточный угол, который геомагнитное поле представляет для падающего ММП в течение года. Эти факторы в совокупности могут привести к незначительным циклическим изменениям в подробностях того, как ММП связывается с магнитосферой. В свою очередь, это влияет на среднюю вероятность открытия двери [ разговорное выражение ], через которую энергия солнечного ветра может достичь внутренней магнитосферы Земли и тем самым усилить полярные сияния. Последние данные, полученные в 2021 году, показали, что отдельные суббури на самом деле могут быть взаимосвязанными сетевыми сообществами. [66]
Так же, как существует множество типов полярных сияний, существует множество различных механизмов, которые ускоряют полярные частицы в атмосферу. Электронное полярное сияние в полярной зоне Земли (т. е. обычно видимое полярное сияние) можно разделить на две основные категории с различными непосредственными причинами: диффузное и дискретное полярное сияние. Диффузное полярное сияние кажется наблюдателю на земле относительно бесструктурным, с нечеткими краями и аморфными формами. Дискретное полярное сияние структурировано в отдельные особенности с четко определенными краями, такими как дуги, лучи и короны; они также имеют тенденцию быть намного ярче, чем диффузное полярное сияние.
В обоих случаях электроны, которые в конечном итоге вызывают полярное сияние, начинаются как электроны, захваченные магнитным полем в магнитосфере Земли . Эти захваченные частицы отскакивают вперед и назад вдоль линий магнитного поля и не попадают в атмосферу с помощью магнитного зеркала, образованного увеличивающейся напряженностью магнитного поля ближе к Земле. Способность магнитного зеркала захватывать частицу зависит от угла наклона частицы : угла между направлением ее движения и локальным магнитным полем. Полярное сияние создается процессами, которые уменьшают угол наклона многих отдельных электронов, освобождая их из магнитной ловушки и заставляя их попадать в атмосферу.
В случае диффузных полярных сияний углы наклона электронов изменяются из-за их взаимодействия с различными плазменными волнами . Каждое взаимодействие по сути является рассеянием волны на частице ; энергия электрона после взаимодействия с волной аналогична его энергии до взаимодействия, но направление движения изменяется. 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. Процесс опосредован плазменными волнами, которые становятся сильнее в периоды высокой геомагнитной активности , что приводит к увеличению диффузных полярных сияний в эти периоды.
В случае дискретных полярных сияний захваченные электроны ускоряются к Земле электрическими полями, которые формируются на высоте около 4000–12000 км в «области полярного ускорения». Электрические поля направлены от Земли (т. е. вверх) вдоль линии магнитного поля. [67] Электроны, движущиеся вниз через эти поля, получают значительное количество энергии (порядка нескольких кэВ ) в направлении вдоль линии магнитного поля к Земле. Это выровненное по полю ускорение уменьшает угол тангажа для всех электронов, проходящих через 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 ту же величину. Это ускоряет электроны, стартующие из магнитосферы с изначально низкими энергиями (десятки эВ или меньше) до энергий, необходимых для создания полярного сияния (сотни эВ или больше), позволяя этому большому источнику частиц вносить вклад в создание полярного света.
Ускоренные электроны переносят электрический ток вдоль линий магнитного поля ( ток Биркеланда ). Поскольку электрическое поле направлено в том же направлении, что и ток, в области аврорального ускорения происходит чистое преобразование электромагнитной энергии в энергию частиц ( электрическая нагрузка ). Энергия для питания этой нагрузки в конечном итоге поставляется намагниченным солнечным ветром, обтекающим препятствие в виде магнитного поля Земли, хотя то, как именно эта энергия течет через магнитосферу, все еще является активной областью исследований. [68] Хотя энергия для питания полярного сияния в конечном итоге получается из солнечного ветра, сами электроны не перемещаются напрямую из солнечного ветра в полярную зону Земли; линии магнитного поля из этих областей не соединяются с солнечным ветром, поэтому прямого доступа для электронов солнечного ветра нет.
Некоторые авроральные особенности также создаются электронами, ускоренными дисперсионными волнами Альвена . На малых длинах волн, поперечных фоновому магнитному полю (сравнимых с инерционной длиной электронов или гирорадиусом ионов ), волны Альвена создают значительное электрическое поле, параллельное фоновому магнитному полю. Это электрическое поле может ускорять электроны до энергий в кэВ , что существенно для образования дуг полярных сияний. [69] Если электроны имеют скорость, близкую к фазовой скорости волны, они ускоряются аналогично тому, как серфер ловит океанскую волну. [70] [71] Это постоянно меняющееся электрическое поле волны может ускорять электроны вдоль силовой линии, заставляя некоторые из них попадать в атмосферу. Электроны, ускоренные этим механизмом, как правило, имеют широкий энергетический спектр, в отличие от острого пикового энергетического спектра, типичного для электронов, ускоренных квазистатическими электрическими полями.
В дополнение к дискретным и диффузным электронным полярным сияниям, протонное полярное сияние возникает, когда магнитосферные протоны сталкиваются с верхними слоями атмосферы. Протон получает электрон во взаимодействии, и полученный нейтральный атом водорода испускает фотоны. Результирующий свет слишком тусклый, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом. Другие полярные сияния, не охваченные приведенным выше обсуждением, включают трансполярные дуги (образующиеся по направлению к полюсу полярной зоны), касповые полярные сияния (образующиеся в двух небольших высокоширотных областях на дневной стороне) и некоторые неземные полярные сияния.
Обнаружение в 2017 году японского дневника 1770 года , на котором изображены полярные сияния над древней японской столицей Киото, позволило предположить, что шторм мог быть на 7% мощнее события Кэррингтона , которое затронуло телеграфные сети. [72] [73]
Полярные сияния, которые произошли в результате события в Кэррингтоне 28 августа и 2 сентября 1859 года, считаются самыми впечатляющими в новейшей истории. В докладе Королевскому обществу от 21 ноября 1861 года Бальфур Стюарт описал оба полярных сияния, задокументированные самопишущим магнитографом в обсерватории Кью , и установил связь между полярным сиянием 2 сентября 1859 года и вспышкой Кэррингтона -Ходжсона, когда он заметил, что «не невозможно предположить, что в этом случае наше светило было застигнуто врасплох ». [74] Второе полярное сияние, произошедшее 2 сентября 1859 года, было результатом (невидимого) выброса корональной массы, связанного с исключительно интенсивной солнечной вспышкой белого света Каррингтона-Ходжсона 1 сентября 1859 года. Это событие вызвало полярные сияния, настолько широко распространенные и необычайно яркие, что их видели и сообщали в опубликованных научных измерениях, судовых журналах и газетах по всем Соединенным Штатам, Европе, Японии и Австралии. The New York Times сообщала , что в Бостоне в пятницу 2 сентября 1859 года полярное сияние было «настолько ярким, что около часа дня обычная печать могла быть прочитана при свете». [75] Один час дня по восточному времени в пятницу 2 сентября должен был быть 6:00 по Гринвичу; самозаписывающий магнитограф в обсерватории Кью регистрировал геомагнитную бурю , которая тогда была один час назад, при ее полной интенсивности. В период с 1859 по 1862 год Элиас Лумис опубликовал серию из девяти статей о Великой полярной выставке 1859 года в Американском научном журнале , где он собрал всемирные отчеты об полярном сиянии. [10]
Считается, что это полярное сияние было вызвано одним из самых интенсивных выбросов корональной массы в истории. Это также примечательно тем, что это первый случай, когда явления полярной активности и электричества были однозначно связаны. 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, которые тогда работали, была значительно нарушена на многие часы во время шторма. Однако некоторые телеграфные линии, по-видимому, имели подходящую длину и ориентацию, чтобы производить достаточный геомагнитно-индуцированный ток из электромагнитного поля , чтобы обеспечить непрерывную связь с отключенными источниками питания телеграфиста. [76] 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 Boston Traveller :
Оператор из Бостона (оператору из Портленда): «Пожалуйста, полностью отключите вашу батарею [источник питания] на пятнадцать минут».
Оператор из Портленда: «Сделаю это. Сейчас она отключена».
Бостон: «У меня отключена батарея, и мы работаем с авроральным током. Как вы воспринимаете мое письмо?»
Портленд: «Лучше, чем с нашими батареями. – Ток приходит и уходит постепенно».
Бостон: «Иногда мой ток очень сильный, и мы можем лучше работать без батарей, так как полярное сияние, похоже, нейтрализует и усиливает наши батареи попеременно, делая ток временами слишком сильным для наших релейных магнитов. Предположим, что мы работаем без батарей, пока на нас влияет эта проблема».
Портленд: «Очень хорошо. Мне продолжать работу?»
Бостон: «Да. Продолжайте».
Разговор продолжался около двух часов, при этом не использовалось никаких батарей и работал исключительно на токе, вызванном полярным сиянием, и было сказано, что это был первый зафиксированный случай, когда более одного или двух слов было передано таким образом. [75] Такие события привели к общему выводу, что
Воздействие полярного сияния на электрический телеграф обычно заключается в увеличении или уменьшении электрического тока, генерируемого при работе проводов. Иногда оно полностью нейтрализует их, так что, по сути, в них не обнаруживается никакой жидкости [тока]. Северное сияние, по-видимому, состоит из массы электрической материи, во всех отношениях напоминающей ту, что генерируется электрической гальванической батареей. Токи от нее изменяются, поступая на провода, а затем исчезают: масса полярного сияния катится от горизонта к зениту. [77]
В мае 2024 года серия солнечных бурь привела к тому, что северное сияние можно было наблюдать даже на юге, в Фердоусе , Иран . [78] [79] [80]
Самая ранняя датированная запись о полярном сиянии была зафиксирована в « Бамбуковых анналах» , исторической хронике истории Древнего Китая, в 977 или 957 году до нашей эры. [81] Полярное сияние было описано греческим исследователем Пифеем в 4 веке до нашей эры. [82] Сенека писал о полярных сияниях в первой книге своих Naturales Quaestiones , классифицируя их, например, как pithaei («бочкообразные»); chasmata («пропасть»); pogoniae («бородатые»); cyparissae («подобные кипарисам »); и описывая их многообразные цвета. Он писал о том, были ли они выше или ниже облаков , и вспоминал, что при Тиберии над портовым городом Остией образовалось полярное сияние , которое было настолько интенсивным и красным, что когорта армии, размещенная поблизости для выполнения пожарной службы, поскакала на помощь. [83] Было высказано предположение, что Плиний Старший изобразил северное сияние в своей «Естественной истории» , когда он упоминал трабы , каньоны , «падающее красное пламя» и «дневной свет ночью». [84]
Самое раннее изображение полярного сияния, возможно, было найдено в пещерных рисунках кроманьонцев на севере Испании, датируемых 30 000 г. до н. э. [85]
Древнейшая известная письменная запись о полярном сиянии была в китайской легенде, написанной около 2600 г. до н. э. Осенью около 2000 г. до н. э., [86] 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», превратившаяся в яркий ореол вокруг Большой Медведицы , который каскадом лился бледно-серебристым блеском, освещая землю и делая формы и тени похожими на живые. Тронутая этим зрелищем, Фубао забеременела и родила сына, императора Сюаньюаня , известного по легенде как зачинатель китайской культуры и предок всех китайцев. [ необходима цитата ] В « Шаньхайцзине» существо по имени Шилун описывается как сияющий в ночном небе красный дракон с телом длиной в тысячу миль. In ancient times, the Chinese did not have a fixed word for the aurora, so it was named according to the different shapes of the aurora, such as "Sky Dog" (天狗), "Sword/Knife Star" (刀星), "Chiyou banner" (蚩尤旗), "Sky's Open Eyes" (天开眼), and "Stars like Rain" (星陨如雨). [ нужна ссылка ]
В японском фольклоре фазаны считались посланниками небес. Однако исследователи из Японского университета перспективных исследований и Национального института полярных исследований в марте 2020 года заявили, что красные хвосты фазанов, замеченные в ночном небе над Японией в 620 году нашей эры, могли быть красным сиянием, возникшим во время магнитной бури. [87]
В традициях австралийских аборигенов полярное сияние обычно ассоциируется с огнем. Например, народ Gunditjmara из западной Виктории называл полярное сияние puae buae («пепел»), в то время как народ Gunai из восточной Виктории воспринимал полярное сияние как лесные пожары в мире духов. Народ Dieri из Южной Австралии говорит, что полярное сияние — это kootchee , злой дух, создающий большой пожар. Аналогично, народ Ngarrindjeri из Южной Австралии называет полярное сияние, увиденное над островом Кенгуру , кострами духов в «Земле мертвых». Аборигены [ какие? ] на юго-западе Квинсленда считают, что полярное сияние — это огни Oola Pikka , призрачных духов, которые говорили с людьми через полярное сияние. Священный закон запрещал кому-либо, кроме мужчин-старейшин, наблюдать или интерпретировать сообщения предков, которые, как они считали, передавались через полярное сияние. [88]
Среди народа маори в Новой Зеландии aurora australis или Tahunui-a-rangi («большие факелы в небе») зажигались предками, которые плыли на юг в «землю льда» (или их потомками); [89] [90] эти люди, как говорили, были экспедицией Ui-te-Rangiora , которая достигла Южного океана . [89] около 7-го века. [91]
В Скандинавии первое упоминание о norðrljós (северном сиянии) встречается в норвежской хронике Konungs Skuggsjá от 1230 года н. э. Летописец слышал об этом явлении от соотечественников, вернувшихся из Гренландии , и он дает три возможных объяснения: океан был окружен огромными пожарами; солнечные вспышки могли достигать всей земли до ее ночной стороны; или ледники могли накапливать энергию, так что в конечном итоге они становились флуоресцентными . [92]
Уолтер Уильям Брайант писал в своей книге «Кеплер» (1920), что Тихо Браге «судя по всему, был кем-то вроде гомеопата , поскольку он рекомендовал серу для лечения инфекционных заболеваний, «вызванных сернистыми парами северного сияния » ». [93]
В 1778 году Бенджамин Франклин в своей работе « Северное сияние. Предположения и гипотезы, направленные на формирование гипотезы для его объяснения» выдвинул теорию о том, что полярное сияние вызывается концентрацией электрического заряда в полярных регионах, усиленной снегом и влагой в воздухе: [94] [95] [96]
Разве не может тогда огромное количество электричества, приносимое в полярные регионы облаками, которые там конденсируются и выпадают в виде снега, которое могло бы проникнуть в землю, но не может проникнуть сквозь лед; разве не может оно, я говорю (как перегруженная бутылка), прорваться через эту низкую атмосферу и побежать в вакууме по воздуху к экватору, расходясь по мере увеличения градусов долготы, отчетливо заметное там, где оно плотнее всего, и становящееся менее заметным по мере дальнейшего расходления; пока оно не найдет проход к земле в более умеренном климате или не смешается с верхним воздухом?
Наблюдения ритмичного движения стрелок компаса из-за влияния полярного сияния были подтверждены в шведском городе Уппсала Андерсом Цельсиусом и Олофом Хиортером . В 1741 году Хиортер смог связать большую магнитную флуктуацию с наблюдением полярного сияния над головой. Это доказательство помогло поддержать их теорию о том, что «магнитные бури» ответственны за такие колебания компаса. [97]
Разнообразные мифы коренных американцев окружают это зрелище. Европейский исследователь Сэмюэл Хирн путешествовал с Чипевьяном Дене в 1771 году и записал их взгляды на эд-тин («карибу»). По словам Хирн, люди дене видели сходство между полярным сиянием и искрами, возникающими при поглаживании меха карибу . Они верили, что огни были духами их ушедших друзей, танцующими в небе, и когда они ярко светили, это означало, что их умершие друзья были очень счастливы. [98]
Ночью после битвы при Фредериксберге с поля боя было видно полярное сияние. Армия Конфедерации восприняла это как знак того, что Бог на их стороне, так как огни редко можно было увидеть так далеко на юге. Картина Фредерика Эдвина Чёрча «Северное сияние» широко интерпретируется как изображение конфликта Гражданской войны в США . [99]
Британский источник середины 19-го века утверждает, что полярные сияния были редким явлением до 18-го века. [100] Он цитирует Галлея , который говорит, что до полярного сияния 1716 года подобное явление не было зафиксировано более 80 лет, и ни одного, имевшего какие-либо последствия, с 1574 года. Он говорит, что в Трудах Французской академии наук между 1666 и 1716 годами не зафиксировано ни одного появления; и что одно полярное сияние, зарегистрированное в Берлинском сборнике за 1797 год, было названо очень редким событием. Одно, наблюдавшееся в 1723 году в Болонье, было заявлено как первое когда-либо увиденное там. Цельсий (1733) утверждает, что старейшие жители Уппсалы считали это явление большой редкостью до 1716 года. Период между примерно 1645 и 1715 годами соответствует минимуму Маундера в активности солнечных пятен.
В сатирической поэме Роберта В. Сервиса «Баллада о северном сиянии» (1908) юконский старатель обнаруживает, что полярное сияние — это свечение радиевой шахты . Он застолбил свой участок, а затем отправился в город в поисках инвесторов.
В начале 1900-х годов норвежский ученый Кристиан Биркеланд заложил основу [ разговорное выражение ] современного понимания геомагнетизма и полярных сияний.
В мифологии саамов северное сияние вызвано тем, что умершие истекли кровью, порезав себя, и их кровь пролилась на небо. Многие аборигены северной Евразии и Северной Америки разделяют схожие верования о том, что северное сияние — это кровь умерших, некоторые считают, что оно вызвано кровью мертвых воинов, разбрызгивающейся на небе, когда они играют в игры, катаются на лошадях или развлекаются каким-либо другим способом. [ необходима цитата ]
И Юпитер , и Сатурн имеют магнитные поля, которые сильнее земных (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 отчетливо с помощью космического телескопа Хаббл и космических аппаратов Кассини и Галилео , а также на Уране и Нептуне . [101]
Полярные сияния на Сатурне, как и на Земле, по-видимому, питаются солнечным ветром. Однако полярные сияния Юпитера более сложны. Главный овал полярных сияний Юпитера связан с плазмой, производимой вулканическим спутником Ио , и переносом этой плазмы в магнитосфере 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 линий поля («выровненные по полю токи»), генерируемых динамо-механизмом из-за относительного движения между вращающейся планетой и движущейся луной. Ио, на которой наблюдается активный вулканизм и ионосфера, является особенно сильным источником, и его токи также генерируют радиоизлучение, которое изучается с 1955 года. С помощью космического телескопа Хаббл были обнаружены полярные сияния над Ио, Европой и Ганимедом.
Полярные сияния также наблюдались на Венере и Марсе . У Венеры нет магнитного поля, поэтому венерианские полярные сияния выглядят как яркие и рассеянные пятна различной формы и интенсивности, иногда распределенные по всему диску планеты. [102] 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 было обнаружено в Terra Cimmeria , в районе 177° в. д., 52° ю. ш. Общий размер области излучения составил около 30 км в поперечнике и, возможно, около 8 км в высоту. Анализируя карту магнитных аномалий земной коры, составленную с использованием данных Mars Global Surveyor , ученые заметили, что область излучения соответствовала области, где локализовано самое сильное магнитное поле. Эта корреляция показала, что источником светового излучения был поток электронов, движущихся вдоль магнитных линий земной коры и возбуждающих верхнюю атмосферу Марса. [101] [103]
В период с 2014 по 2016 год кометные полярные сияния наблюдались на комете 67P/Чурюмова–Герасименко несколькими инструментами на космическом аппарате Rosetta . [104] [105] Полярные сияния наблюдались в дальнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Наблюдения за комой выявили атомные выбросы водорода и кислорода, вызванные фотодиссоциацией (а не фотоионизацией , как при земных полярных сияниях) молекул воды в коме кометы. [105] Взаимодействие ускоренных электронов из солнечного ветра с частицами газа в коме ответственно за полярное сияние. [105] Поскольку комета 67P не имеет магнитного поля, полярное сияние диффузно распространяется вокруг кометы. [105]
Предполагается, что экзопланеты , такие как горячие Юпитеры , испытывают ионизацию в своих верхних слоях атмосферы и генерируют полярное сияние, измененное погодой в их турбулентных тропосферах . [106] Однако в настоящее время не обнаружено полярного сияния экзопланет.
Первые внесолнечные полярные сияния были обнаружены в июле 2015 года над коричневой карликовой звездой LSR J1835+3259 . [107] Было обнаружено, что в основном 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 сдирать материал с поверхности коричневого карлика, чтобы производить свои собственные электроны. Другое возможное объяснение полярных сияний заключается в том, что пока еще не обнаруженное тело вокруг карликовой звезды сбрасывает материал, как в случае с Юпитером и его луной Ио. [108]
Кеплер. Macmillan Co. (1920) стр. 23.
