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 в основном наблюдается 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 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 .
Большинство полярных сияний происходит в полосе, известной как «зона полярных сияний» [8] , которая обычно составляет от 3° до 6° (приблизительно 330–660 км) в ширину по широте и от 10° до 20° от геомагнитных полюсов во все местные времена (или долготы), наиболее отчетливо видна ночью на фоне темного неба. Регион, который в настоящее время демонстрирует полярное сияние, называется «овалом полярных сияний», полосой, смещенной солнечным ветром к ночной стороне Земли. Полярные сияния на самом Северном полюсе редки из-за того, что он находится на Северном Ледовитом океане , в то время как полярные сияния на самом Южном полюсе очень распространены и гарантированно видны. [9] Ранние доказательства геомагнитной связи исходят из статистики наблюдений полярных сияний. Элиас Лумис (1860) [10] , а позднее Герман Фриц (1881) [11] и Софус Тромгольт (1881) [12] более подробно установили, что полярное сияние появлялось в основном в авроральной 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 , Шотландия и Россия . В редких случаях aurora northrealis можно увидеть даже на юге, в Средиземноморье и южных штатах США. Во время события Кэррингтона , крупнейшей когда-либо наблюдавшейся геомагнитной бури, полярные сияния были видны даже в тропиках.
Геомагнитная буря заставляет авроральные овалы (север и юг) расширяться, перенося полярное сияние на более низкие широты. Мгновенное распределение полярных сияний («авроральный овал») [8] немного отличается, будучи центрированным примерно на 3–5° ночью от магнитного полюса, так что дуги полярных сияний достигают наибольшего расстояния к экватору, когда рассматриваемый магнитный полюс находится между наблюдателем и Солнцем . Полярное сияние можно увидеть лучше всего в это время, которое называется магнитной полночью .
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 наиболее распространены 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 заметаются 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, в течение ночи они начинаются со свечения и продвигаются к коронам, хотя могут и не достигать их. Они имеют тенденцию затухать 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 меняются 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 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 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 ним 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 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 допускаются к попаданию в атмосферу магнитным зеркалом, образованным 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.
The accelerated electrons carry an electric current along the magnetic field lines (a Birkeland current). Since the electric field points in the same direction as the current, there is a net conversion of electromagnetic energy into particle energy in the auroral acceleration region (an electric load). The energy to power this load is eventually supplied by the magnetized solar wind flowing around the obstacle of Earth's magnetic field, although exactly how that power flows through the magnetosphere is still an active area of research.[68] While the energy to power the aurora is ultimately derived from the solar wind, the electrons themselves do not travel directly from the solar wind into Earth's auroral zone; magnetic field lines from these regions do not connect to the solar wind, so there is no direct access for solar wind electrons.
Some auroral features are also created by electrons accelerated by dispersive Alfvén waves. At small wavelengths transverse to the background magnetic field (comparable to the electron inertial length or ion gyroradius), Alfvén waves develop a significant electric field parallel to the background magnetic field. This electric field can accelerate electrons to keV energies, significant to produce auroral arcs.[69] If the electrons have a speed close to that of the wave's phase velocity, they are accelerated in a manner analogous to a surfer catching an ocean wave.[70][71] This constantly-changing wave electric field can accelerate electrons along the field line, causing some of them to hit the atmosphere. Electrons accelerated by this mechanism tend to have a broad energy spectrum, in contrast to the sharply-peaked energy spectrum typical of electrons accelerated by quasi-static electric fields.
In addition to the discrete and diffuse electron aurora, proton aurora is caused when magnetospheric protons collide with the upper atmosphere. The proton gains an electron in the interaction, and the resulting neutral hydrogen atom emits photons. The resulting light is too dim to be seen with the naked eye. Other aurora not covered by the above discussion include transpolar arcs (formed poleward of the auroral zone), cusp aurora (formed in two small high-latitude areas on the dayside) and some non-terrestrial auroras.
The discovery of a 1770 Japanese diary in 2017 depicting auroras above the ancient Japanese capital of Kyoto suggested that the storm may have been 7% larger than the Carrington event, which affected telegraph networks.[72][73]
The auroras that resulted from the Carrington event on both 28 August and 2 September 1859, are thought to be the most spectacular in recent history. In a paper to the Royal Society on 21 November 1861, Balfour Stewart described both auroral events as documented by a self-recording magnetograph at the Kew Observatory and established the connection between the 2 September 1859 auroral storm and the Carrington–Hodgson flare event when he observed that "It is not impossible to suppose that in this case our luminary was taken in the act."[74] The second auroral event, which occurred on 2 September 1859, was a result of the (unseen) coronal mass ejection associated with the exceptionally intense Carrington–Hodgson white light solar flare on 1 September 1859. This event produced auroras so widespread and extraordinarily bright that they were seen and reported in published scientific measurements, ship logs, and newspapers throughout the United States, Europe, Japan, and Australia. It was reported by The New York Times that in Boston on Friday 2 September 1859 the aurora was "so brilliant that at about one o'clock ordinary print could be read by the light".[75] One o'clock EST time on Friday 2 September would have been 6:00 GMT; the self-recording magnetograph at the Kew Observatory was recording the geomagnetic storm, which was then one hour old, at its full intensity. Between 1859 and 1862, Elias Loomis published a series of nine papers on the Great Auroral Exhibition of 1859 in the American Journal of Science where he collected worldwide reports of the auroral event.[10]
That aurora is thought to have been produced by one of the most intense coronal mass ejections in history. It is also notable for the fact that it is the first time where the phenomena of auroral activity and electricity were unambiguously linked. This insight was made possible not only due to scientific magnetometer measurements of the era, but also as a result of a significant portion of the 125,000 miles (201,000 km) of telegraph lines then in service being significantly disrupted for many hours throughout the storm. Some telegraph lines, however, seem to have been of the appropriate length and orientation to produce a sufficient geomagnetically induced current from the electromagnetic field to allow for continued communication with the telegraph operator power supplies switched off.[76] The following conversation occurred between two operators of the American Telegraph Line between Boston and Portland, Maine, on the night of 2 September 1859 and reported in the Boston Traveller:
Boston operator (to Portland operator): "Please cut off your battery [power source] entirely for fifteen minutes."
Portland operator: "Will do so. It is now disconnected."
Boston: "Mine is disconnected, and we are working with the auroral current. How do you receive my writing?"
Portland: "Better than with our batteries on. – Current comes and goes gradually."
Boston: "My current is very strong at times, and we can work better without the batteries, as the aurora seems to neutralize and augment our batteries alternately, making current too strong at times for our relay magnets. Suppose we work without batteries while we are affected by this trouble."
Portland: "Very well. Shall I go ahead with business?"
Boston: "Yes. Go ahead."
The conversation was carried on for around two hours using no battery power at all and working solely with the current induced by the aurora, and it was said that this was the first time on record that more than a word or two was transmitted in such manner.[75] Such events led to the general conclusion that
The effect of the Aurora on the electric telegraph is generally to increase or diminish the electric current generated in working the wires. Sometimes it entirely neutralizes them, so that, in effect, no fluid [current] is discoverable in them. The aurora borealis seems to be composed of a mass of electric matter, resembling in every respect, that generated by the electric galvanic battery. The currents from it change coming on the wires, and then disappear: the mass of the aurora rolls from the horizon to the zenith.[77]
In May 2024, a series of solar storms caused the aurora borealis to be observed from as far south as Ferdows, Iran.[78][79][80]
The earliest datable record of an aurora was recorded in the Bamboo Annals, a historical chronicle of the history of ancient China, in 977 or 957 BC.[81]An aurora was described by the Greek explorer Pytheas in the 4th century BC.[82] Seneca wrote about auroras in the first book of his Naturales Quaestiones, classifying them, for instance, as pithaei ('barrel-like'); chasmata ('chasm'); pogoniae ('bearded'); cyparissae ('like cypress trees'); and describing their manifold colours. He wrote about whether they were above or below the clouds, and recalled that under Tiberius, an aurora formed above the port city of Ostia that was so intense and red that a cohort of the army, stationed nearby for fire duty, galloped to the rescue.[83] It has been suggested that Pliny the Elder depicted the aurora borealis in his Natural History, when he refers to trabes, chasma, "falling red flames", and "daylight in the night".[84]
The earliest depiction of the aurora may have been in Cro-Magnon cave paintings of northern Spain dating to 30,000 BC.[85]
The oldest known written record of the aurora was in a Chinese legend written around 2600 BC. On an autumn around 2000 BC,[86] according to a legend, a young woman named Fubao was sitting alone in the wilderness by a bay, when suddenly a "magical band of light" appeared like "moving clouds and flowing water", turning into a bright halo around the Big Dipper, which cascaded a pale silver brilliance, illuminating the earth and making shapes and shadows seem alive. Moved by this sight, Fubao became pregnant and gave birth to a son, the Emperor Xuanyuan, known legendarily as the initiator of Chinese culture and the ancestor of all Chinese people.[citation needed] In the Shanhaijing, a creature named Shilong is described to be like a red dragon shining in the night sky with a body a thousand miles long. 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).[citation needed]
In Japanese folklore, pheasants were considered messengers from heaven. However, researchers from Japan's Graduate University for Advanced Studies and National Institute of Polar Research claimed in March 2020 that red pheasant tails witnessed across the night sky over Japan in 620 A.D., might be a red aurora produced during a magnetic storm.[87]
In the traditions of Aboriginal Australians, the Aurora Australis is commonly associated with fire. For example, the Gunditjmara people of western Victoria called auroras puae buae ('ashes'), while the Gunai people of eastern Victoria perceived auroras as bushfires in the spirit world. The Dieri people of South Australia say that an auroral display is kootchee, an evil spirit creating a large fire. Similarly, the Ngarrindjeri people of South Australia refer to auroras seen over Kangaroo Island as the campfires of spirits in the 'Land of the Dead'. Aboriginal people[which?] in southwest Queensland believe the auroras to be the fires of the Oola Pikka, ghostly spirits who spoke to the people through auroras. Sacred law forbade anyone except male elders from watching or interpreting the messages of ancestors they believed were transmitted through an aurora.[88]
Among the Māori people of New Zealand, aurora australis or Tahunui-a-rangi ("great torches in the sky") were lit by ancestors who sailed south to a "land of ice" (or their descendants);[89][90] these people were said to be Ui-te-Rangiora's expedition party who had reached the Southern Ocean.[89] around the 7th century.[91]
In Scandinavia, the first mention of norðrljós (the northern lights) is found in the Norwegian chronicle Konungs Skuggsjá from AD 1230. The chronicler has heard about this phenomenon from compatriots returning from Greenland, and he gives three possible explanations: that the ocean was surrounded by vast fires; that the sun flares could reach around the world to its night side; or that glaciers could store energy so that they eventually became fluorescent.[92]
Walter William Bryant wrote in his book Kepler (1920) that Tycho Brahe "seems to have been something of a homœopathist, for he recommends sulfur to cure infectious diseases 'brought on by the sulphurous vapours of the Aurora Borealis'".[93]
In 1778, Benjamin Franklin theorized in his paper Aurora Borealis, Suppositions and Conjectures towards forming an Hypothesis for its Explanation that an aurora was caused by a concentration of electrical charge in the polar regions intensified by the snow and moisture in the air:[94][95][96]
May not then the great quantity of electricity brought into the polar regions by the clouds, which are condens'd there, and fall in snow, which electricity would enter the earth, but cannot penetrate the ice; may it not, I say (as a bottle overcharged) break thro' that low atmosphere and run along in the vacuum over the air towards the equator, diverging as the degrees of longitude enlarge, strongly visible where densest, and becoming less visible as it more diverges; till it finds a passage to the earth in more temperate climates, or is mingled with the upper air?
Observations of the rhythmic movement of compass needles due to the influence of an aurora were confirmed in the Swedish city of Uppsala by Anders Celsius and Olof Hiorter. In 1741, Hiorter was able to link large magnetic fluctuation to the observation of an aurora overhead. This evidence helped to support their theory that 'magnetic storms' are responsible for such compass fluctuations.[97]
A variety of Native American myths surround the spectacle. The European explorer Samuel Hearne travelled with Chipewyan Dene in 1771 and recorded their views on the ed-thin ('caribou'). According to Hearne, the Dene people saw the resemblance between an aurora and the sparks produced when caribou fur is stroked. They believed that the lights were the spirits of their departed friends dancing in the sky, and when they shone brightly it meant that their deceased friends were very happy.[98]
During the night after the Battle of Fredericksburg, an aurora was seen from the battlefield. The Confederate Army took this as a sign that God was on their side, as the lights were rarely seen so far south. The painting Aurora Borealis by Frederic Edwin Church is widely interpreted to represent the conflict of the American Civil War.[99]
A mid 19th-century British source says auroras were a rare occurrence before the 18th century.[100] It quotes Halley as saying that before the aurora of 1716, no such phenomenon had been recorded for more than 80 years, and none of any consequence since 1574. It says no appearance is recorded in the Transactions of the French Academy of Sciences between 1666 and 1716; and that one aurora recorded in Berlin Miscellany for 1797 was called a very rare event. One observed in 1723 at Bologna was stated to be the first ever seen there. Celsius (1733) states the oldest residents of Uppsala thought the phenomenon a great rarity before 1716. The period between approximately 1645 and 1715 corresponds to the Maunder minimum in sunspot activity.
In Robert W. Service's satirical poem "The Ballad of the Northern Lights" (1908), a Yukon prospector discovers that the aurora is the glow from a radium mine. He stakes his claim, then goes to town looking for investors.
In the early 1900s, the Norwegian scientist Kristian Birkeland laid the foundation[colloquialism] for the current understanding of geomagnetism and polar auroras.
In Sami mythology, the northern lights are caused by the deceased who bled to death cutting themselves, their blood spilling on the sky. Many aboriginal peoples of northern Eurasia and North America share similar beliefs of northern lights being the blood of the deceased, some believing they are caused by dead warriors' blood spraying on the sky as they engage in playing games, riding horses or having fun in some other way.[citation needed]
Both Jupiter and Saturn have magnetic fields that are stronger than Earth's (Jupiter's equatorial field strength is 4.3 gauss, compared to 0.3 gauss for Earth), and both have extensive radiation belts. Auroras have been observed on both gas planets, most clearly using the Hubble Space Telescope, and the Cassini and Galileo spacecraft, as well as on Uranus and Neptune.[101]
The aurorae on Saturn seem, like Earth's, to be powered by the solar wind. However, Jupiter's aurorae are more complex. Jupiter's main auroral oval is associated with the plasma produced by the volcanic moon Io, and the transport of this plasma within the planet's magnetosphere. An uncertain fraction of Jupiter's aurorae are powered by the solar wind. In addition, the moons, especially Io, are also powerful sources of aurora. These arise from electric currents along field lines ("field aligned currents"), generated by a dynamo mechanism due to the relative motion between the rotating planet and the moving moon. Io, which has active volcanism and an ionosphere, is a particularly strong source, and its currents also generate radio emissions, which have been studied since 1955. Using the Hubble Space Telescope, auroras over Io, Europa and Ganymede have all been observed.
Auroras have also been observed on Venus and Mars. Venus has no magnetic field and so Venusian auroras appear as bright and diffuse patches of varying shape and intensity, sometimes distributed over the full disc of the planet.[102] A Venusian aurora originates when electrons from the solar wind collide with the night-side atmosphere.
An aurora was detected on Mars, on 14 August 2004, by the SPICAM instrument aboard Mars Express. The aurora was located at Terra Cimmeria, in the region of 177° east, 52° south. The total size of the emission region was about 30 km across, and possibly about 8 km high. By analysing a map of crustal magnetic anomalies compiled with data from Mars Global Surveyor, scientists observed that the region of the emissions corresponded to an area where the strongest magnetic field is localized. This correlation indicated that the origin of the light emission was a flux of electrons moving along the crust magnetic lines and exciting the upper atmosphere of Mars.[101][103]
Between 2014 and 2016, cometary auroras were observed on comet 67P/Churyumov–Gerasimenko by multiple instruments on the Rosetta spacecraft.[104][105] The auroras were observed at far-ultraviolet wavelengths. Coma observations revealed atomic emissions of hydrogen and oxygen caused by the photodissociation (not photoionization, like in terrestrial auroras) of water molecules in the comet's coma.[105] The interaction of accelerated electrons from the solar wind with gas particles in the coma is responsible for the aurora.[105] Since comet 67P has no magnetic field, the aurora is diffusely spread around the comet.[105]
Exoplanets, such as hot Jupiters, have been suggested to experience ionization in their upper atmospheres and generate an aurora modified by weather in their turbulent tropospheres.[106] However, there is no current detection of an exoplanet aurora.
The first ever extra-solar auroras were discovered in July 2015 over the brown dwarf star LSR J1835+3259.[107] The mainly red aurora was found to be a million times brighter than the northern lights, a result of the charged particles interacting with hydrogen in the atmosphere. It has been speculated that stellar winds may be stripping off material from the surface of the brown dwarf to produce their own electrons. Another possible explanation for the auroras is that an as-yet-undetected body around the dwarf star is throwing off material, as is the case with Jupiter and its moon Io.[108]
Kepler. Macmillan Co. (1920) p. 23.
