ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ

16.07.2015. При ревизии обнаружил, что на портале накопилось много файлов, посвященных полярным сияниям. Взяв за основу свой старый обзор, оставляю его в нетронутом виде на файле popular/sijanie/sijanie.htm, ввожу в текст обзора ссылки нв эти разбросанные по порталу файлы с краткими комментариями.

ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ

Посмотрите на небо

Просидев изрядно времени в размышлении - как бы это описать для вас картину полярного сияния? - я впал в уныние. Видел сияние многократно за сорок без малого лет, проведенных на севере, и ненароком, и специально, когда потушив свет в окнах обсерватории, ложился на снег на спину ногами на север и предавался небесному спектаклю с таким же, вниманием, с каким опытный меломан слушает симфонию, водя пальцем по партитуре. А вот описывать сияние так же сложно, как описывать музыку.

Формы сияний восстановленные из ТВ снимков И.А. Корниловым

И тогда обратился я к Фламмариону, собравшему в знаменитой своей "Атмосфере" много уже готовых описаний, составленных путешественниками и натуралистами, с намерением позаимствовать наиболее удачное.
Увы, меня ждало разочарование: много восторженных слов, которые мало что скажут читателю и слишком много неточностей, которые не может вынести душа специалиста. Возьмем, например, цвет сияния: возбужденные линии атмосферного азота, кислорода и водорода высвечиваются в основном в зеленом и красном свете, плюс ультрафиолет, который мы не видим. А в описаниях читаем: белый, розовый, красный, золотой, красно-золотой, светло-желтый, синий, синеватый, голубой, фиолетовый, пурпуровый, оранжевый и вообще разноцветный. Восторг перед увиденным возбуждал фантазию авторов. Выпишу еще c чем сияния сравниваются: волны, занавеси, складки, лучи, снопы или пучки лучей, дуги, веера, огненные купола, короны, огненная роса, бляшки, пятна, букеты, спирали, извивающиеся змеи, огромное крыло, переливы, огненный дождь, ракеты, мягкая бахрома, громадные огненные столбы, зарево пожара, бенгальский огонь, раскаленный очаг. Вообразите как все это играет, дышит, ходит по небу, сменяя друг друга и будем считать что я кое-как справился с описанием полярного сияния. Добавлю только, что часть этих слов закрепились как научные определения: лучи, дуги, складки, корона, пульсирующие пятна. А вот как рассказывают о полярных сияниях, пaзорях, поморы, герои книги Мельникова-Печерского "В лесах":
- Отбель по небу пошла, а там и зори заиграли, лучи засветили, столбы задышали, багрецами налились и заходили по небу. Сполохи даже были… Оттого матка и дурила, что пазори в небе играли. Это завсегда так бывает: еще отбелей не видать, а уж стрелка вздрагивать зачнет, а потом и пойдет то туда, то сюда воротить… Видишь ли, какая тайная божья сила тут совершается?
Пожалуй, это описание мне нравится больше других. Особенно точно вот это- "столбы задышали"
… Жалко, что не прижилось у нас слово "пазори". Aнгличане говорят - аврора, по латыни "aurora borealis", т.е. полярная заря, почти те же пазори, а мы используем перевод с немецкого "NordenLicht" , введенный в российскую науку М.В. Ломоносовым, который, кстати, первым или одним из первых высказал догадку о электрической природе полярных сияний.

Зоны и формы полярных сияний

Полярные сияния возникают как следствие бомбардировки атмосферы потоками заряженных частиц, протонов и электронов с энергией от сотен эВ до сотен кэВ. Эти частицы так и называют - авроральные частицы или авроральная радиация .
Распределение областей свечения по земному шару неравномерно, и отражает особенности строения магнитосферы. Основные зоны полярных сияний показаны на fig3a (31K) рис снизу. Кольцевая авроральная зона располагается несимметрично вокруг магнитного полюса, в полночь максимум свечения находится около 67^o, в полдень - 71^o. fig4a (31K) В спокойное время эта основная зона сияний стягивается в тонкую линию, интенсивность понижается иногда и до субвизуального уровня. В возмущенное время кольцо (или овал) сияний расширяется, появляются яркие динамичные формы. На рис справа. приведена диаграмма распределения и динамики овала полярных сияний в зависимости от мощности суббури.

Съемка из космоса развития овала полярных сияний для одной конкретной суббури показана на рис снизу. fig3a (31K)
abmn/isaev/isaev5.htm

Подробно о планетарной динамике полярных сияний см.в обзоре Генриха Старкова.

Обстоятельный обзор по планетарным закономерностям полярных сияний был дан Я.И. Фельдштейном, В.Г.Воробьевым и В.Л. Зверевым в 2010 году.

см. также, если найдете: Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний Изд. "Наука", МГК, Полярные сияния №16, М., 1967, 82 стр.
В своем недавнем обзоре Овал полярных сиянмй - прекраная, но устаревшая парадигма я предупреждал читателей, что понятием овала полярных сияний нада пользоваться осторожно, и нельзя его рассматривать как некий структурный домен магнитосферы, и что для исследования динамики, частиц, свечений и полей плодотворней пользоваться моделью полярной бури (суббури).

Магнитные силовые линии от экваториальной границы мгновеной авроральной зоны проектируются на на склон внешнего радиационного пояса, в сильных суббурях вплоть до границы устойчивого захвата, приполюсная граница зоны сияний соответствует фоновой границе зоны квазизахвата энергичных частиц.
Именно внешний склон радиационного пояса и является тем доменом магнитосферы, где появляются активные формы полярных сияний в начале активной фазы суббури. Это было показано по измерениям на спутнике CRRES. И даже когда суббури смещаются в область, обычно входящую в полярную шапку, вместе с такой суббурей полярной шапки (см) смещается и склон области квазизахвата (см).
Мы называем этот домен авроральной магнитосферой (см) (впрочем это название до сих пор мало кто использует).

Если в зоне сияний дуги в основном ориентированы с востока на запад, в полярной шапке дуги сияний вытянуты с севера на юг и во время суббурь наблюдаются реже, чем в магнитоспокойное время. Геометрически сияния полярной шапки проектируются в доли хвоста магнитосферы и их динамика связана с солнечным ветром.
После того, как в строении магнитосферы были открыты каспы - воронки силовых линий, напрямую доступные потокам частиц солнечного ветра, стали выделять в особую группу и касповые сияния. Они отличаются большой высотой свечения и, соответственно, низкими энергиями потоков вызывающих их электронов.

Полярные сияния наблюдаются не только в высоких широтах, но и довольно часто в субавроральной области и эпизодически, во время магнитных бурь, в средних широтах. Природа среднеширотных сияний вероятно связана с динамикой радиационного пояса во время магнитных бурь, но исследованы они явно недостаточно.

Форма и динамика сияний - дуги, полосы, диффузные пятна и т.д. - отражают структуру и динамику плазменных образований и магнитного поля в авроральной магнитосфере и в этом плане весьма интересны для понимания происходящих там процессов. Надо отметить, что пик интереса к описанию и классификации форм сияний относится к тем временам, когда и о существовании магнитосферы не было известно, и только сейчас наблюдается возврат к исследованию динамики структур сияний, опирающийся на телевизионные наблюдения.
Структуры и формы полярных сияний подробно описаны в книге С.И. Исаева (см), а также в инструкции по визуальным наблюдениям полярных сияний, составленная одним из опытным полярщиком доктором Ю.А. Надубовичем (см).

Аппаратура.

Научный анализ полярных сияний начинался с визуальных наблюдений, и до последнего времени записи визуальных наблюдений в специальном журнале сопровождали все прочие инструментальные измерения в серьезных обсерваториях и экспедициях.
Довольно давно для исследования спектра сияний стали использоваться спектрографы и спектрометры, среди которых спектральная камера С180S была наиболее распространенной на отечественной сети станций.
Для исследования изменений свечения во времени использовались фотометры, - фотоэлектронные умножители в сочетании с оптическими фильтрами или без оных и с разного типа фокусирующими устройствами и тубусами. На рис слева (Яренск) приведена фотография французского направленного фотометра на четыре основных спектральных линии присутствующих в полярном сиянии: кислородные линии 5577 (O1) 6300 (O1), линия азота 3914 (N2+) и водородная линия 6563 (Ha).
В связи с программой Международного геофизического года (МГГ) в СССР была разработана и внедрена на сети станций проф. МГУ А.И. Лебединским (см) фото камера всего неба, которая долгое время являлась основным источником информации о пространственной эволюции полярных сияний. (снимок справа).
В настоящее время на смену С180 пришла телевизионная техника и временное разрешение повысилось от 1 кадра в минуту до 24 в секунду.
Полярные сияния рассмотреть сверху стало возможным сначала как побочный результат работы американских шпионских спутников серии DMSP, имевших полярную орбиту и линейку фотодатчиков, сканирующих ночную картину освещенности поверхности Земли.
Позднее уже на научных спутниках были установлены специальные датчики полярных сияний, при этом использование ультрафиолетового диапазона позволило различать сияния и на дневной, освещенной Солнцем, части авроральной зоны. На рис справа приводится пример регистрации развития сияний во время суббури, зарегистрированный на спутнике INJUN

Магнитные и полярные бури суббури)

Далее в популярной статье следует изложение природы полярных сияний и их связи с магнитной активностью. Эту слишком популярную часть мы пропускаем, оставляя читателям возможность познакомиться с оригиналом (ссылка в начале файла). Для серьезного и достаточно грамотного читателя предлагаем познакомиться с нашей книгой "Мировые и полярные магнитные бури", вышедшей в 2012 году очень небольшим тиражом, что компенсируется размещением на нашем портале > (см.).

Вынесенное в заглавие наименование полярные бури мне больше нравиться и вообще точнее, но принятое название суббури - ввел в обиход известный американский ученый С.И. Акасофу, бывший много лет директором Геофизического института на Аляске. Им сделан снимок сияния, приведенный слева.

Полярное сияние в Москве

Бывает ли полярное сияние в Москве? Да, конечно, при сильных магнитных бурях бывает. И гораздо южнее, например, в Киеве. Первое упоминание о сиянии по моему мнению находится в самой первой русской книге - в "Повести временных лет". 14 августа 1091 года явилось оно при перезахоронении пресвятого Феодосия игумена Печерского, и, было признано чудесным знамением, благословением свыше. Вот как сообщается об этом:
- … увидели они три столпа точно светящиеся дуги, и, постояв, передвинулись эти дуги на верх церкви, где был положен потом Феодосий. …В это же время когда ехали, видели они зарю великую над пещерою, увидели свечей множество над пещерою, и подошли к пещере и не увидели ничего... (Расчет показывает, что это был год максимума солнечной активности с большой вероятностью сильной магнитной бури, способной сдвинуть зону сияний до широты Киева.)
Упоминавшийся ранее Камилл Фламмарион наблюдал сияние 24 октября 1980 года при осаде Парижа пруссаками. Астрономов тогда вместе с их подзорными трубами мобилизовали для наблюдения за движением неприятеля, а Фламмарион во время своего дежурства нарушил военную дисциплину, и не только отнаблюдал сияние, но и прочитал лекцию собравшихся на Трокадеро праздным зевакам и национальным гвардейцам. В описании сияний он был точен: -пишет, что видел сияние в форме красной муаровой занавески и еще зеленые лучи, окаймленных по краям багряным цветом. Это соответствует.
Но чаще жителям умеренных широт в средние века редкие неожиданные случаи среднеширотных сияний казались провозвестниками близкой беды, чумы, войны или наводнения. Бывало, перепуганные жители видели на небе битвы воинов, чудовищных драконов и прочие страсти-мордасти.
Гравер из Нюренберга Вольф Дрехсель изображая сияние 5 октября 1591 года на гравюре, хранящейся в Нюренбергской галлерее, которую мы воспроизводим здесь, оказался верен принципам реализма, не давал воли своему воображению. Но если сформулировать вопрос иначе: могут ли москвичи увидеть полярное сияние не выезжая на Север? - ответ будет отрицательный. И потому, что скученное в городах земное население все чаще смотрит на небо коротко и практически (какая там погода?) и все реже с восторгом и восхищением творческой фантазией природы ли, творца ли небесного. Да и засветка от фонарей и автомобильных фар такая, что не то что в Москве, но и в Мурманске сияния не разглядеть. И все же в Заполярье вы можете встретить застывшие человеческие фигуры с поднятыми вверх головами - это северяне любуются полярным сиянием. Фотографирование полярных сияний - довольно распространенное хобби на Западе. У нас этим занимаются немногие. Читатель может познакомиться с частью фотографий здесь же или на многочисленных страницах интернета.

Полярный патруль

Регулярные наблюдения полярных сияний проводились у нас в стране начиная со Второго международного полярного года (1932-1933). При подготовке к Международному геофизическому году (МГГ) А.И. Лебединским была разработана ол-скай-камера им же была подготовлена группа молодых наблюдателей, разосланная затем на полярные станции.
На фотографии слева мы видим одного из этих наблюдателей, ученого с мировым именем Г.В. Старкова за работой с камерой. После МГГ наблюдения сияний продолжили институты Академии Наук: Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН, основателем и первым директором которого был Сергей Иванович Исаев, известный специалист по исследованию полярных сияний. Дальше на восток расположены Архангельская обсерватория Института земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), Норильская обсерватория СибИЗМИРа и, наконец, обсерватория Тикси и ряд других станций Института космической фмзмки и аэрономии (ИКФИА).

Несмотря на разгром российской науки, жизнь в некоторых обсерваториях сохранилась, и наблюдения продолжаются. Наиболее интересные данные дает телевизионная съемка полярных сияний.

Аэростаты, ракеты, спутники

Электроны, воэбуждающие полярные сияния, часть своей энергии затрачивает на генерацию тормозного рентгеновского излучения. (Интересно, что это название прижилось только у нас в России, а за рубежом, в том числе и в Германии, на родине Рентгена, употребляется термин "Х-лучи").
Благодаря большей проникающей способности, рентгеновское излучение может регистрироваться аппаратурой поднимаемой на аэростатах на высоту 25-35 км.

На рисунке дается фотография подъема аэростата с научной аппаратурой, в том числе и нашей советской, с полигона ЭСРЕНДЖ, вблизи г. Кируна на севере Швеции. Важная информация о пространственно-временных и энергетических характеристиках авроральных частиц, о электрических полях и волнах была получена в ряде международных экспериментов СБАРМО и САМБО проводившихся в Арктике к 70-90х годах учеными европейских стран и Советского Союза.

В последние годы благодаря развитию аэростатной техники и разрядке международной напряженности появилась возможность многосуточных кольцевых полетов в Арктике. Пока пробные полеты были проведены в летнее время, когда сплошной день и сияния не видны, но и ночные полеты в ноябре-декабре технически осуществимы и будут реализованы.
Подъем телевизионной аппаратуры на таких аэростатах позволит исключить зависимость количества и качества записей полярных сияний от капризов арктической погоды и засветки лунным светом.

На спутнике POLAR была реализована возможность рассмотреть зону полярных сияний в ультрафиолете и впервые - в рентгеновском излучении. (см. снимок слева). Часть рентгеновских фотонов уходит наверх, это альбедное излучение и регистрировалось рентгеновским телевизором (X-ray viewer) на спутнике.
Серьезным этапом в изучении полярных сияний были ракетные исследования. Требовалась большая выдержка, точный расчет и везение, чтобы попасть ракетой точно в нужную форму сияния. Проходят день за днем, часовая готовность, десятиминутная, двухминутная, потом - отбой, томительное ожидание, нервное напряжение - на зато какая радость, когда после точного попадания на стол ложатся первые графики показаний приборов! И еще нужно вспомнить знаменитый ракетный эксперимент "Омега", проходивший в семидесятые годы под руководством Р.З. Сагдеева, когда на одном конце магнитной силовой линии на французском острове Кергелен запускалась ракета с электронной пушкой, а в сопряженной точке в Архангельской области регистрировалось искусственное полярное сияние.
Дальнейшие шаги в познании околоземного космического пространства связаны, конечно, с прямыми измерениями в космосе.

Нет никакой возможности перечислить все названия экспериментов, миссий и спутников, их сотни. Отметим только, что первые в мире измерения энергичных частиц за пределами земной атмосферы были сделаны группой сотрудников НИИЯФ МГУ под руководством С.Н. Вернова, а первые измерения плазмы - группой К.И. Грингауза из Института космических исследований. Из последних миссий отметим эксперимент ИНТЕРБОЛ, серия спутников, оснащенных международной командой под эгидой ИКИ.

Пилотирумые полеты в космосе проходят в средних широтах, поэтому космонавты могут видеть полярные сияния только сбоку, на горизонте. (см. снимок, сделанный на Шаттле). На средневысотных спутниках с эллиптической орбитой можно увидеть всю полярную зону и область сияния целиком: это светящееся кольцо на широтах 65-75 ночью и 70-85 на дневной стороне, под которым прокручивается Земля.
Сейчас изображение кольца (или овала) сияний получается каждую минуту, а в 1960 году у молодой сотрудницы НИИЯФ МГУ Оли Хорошевой, впервые построившей картину висящего над Землей кольца сияний по наземным фотографическим снимкам, на это ушло несколько месяцев. Скромный кандадат наук О.В. Хорошева в международных конференциях участвовала редко, в обойму выездных посланцев советской науки не попала, но ее открытие используется активно во всех моделях и теориях магнитосферной физики.

Наблюдателям, полярщикам, зимовщикам…

Есть у нас в России такое замечательное племя, которое обитает на станциях и обсерваториях в Арктике и Антарктиде - зимовщики.
Отобранные временем из большого потока молодежи, затянутой в Арктику романтикой трудных дорог и выдержавшие испытание суровой прозой зимовки, они прикипели к той жизни, а в нашей, обычной, им стало неуютно.
В замкнутом пространстве-времени зимовки нет многих наслоений и условностей материковой цивилизации: нет денег, нет парткома, нет стен и закрытых дверей кабинетов. Цена человека уже не определяется должностью, каждый там - личность, каждый немного поэт, немного философ, каждый открыт и для застольной беседы, и для крепкой дружбы, и для быстрой обиды, если неосторожно задеть обнаженные душевные раны.

Я помню о многих встречах с зимовщиками на перекрестках северных дорог Не знаю, как они сейчас, журналистов интересуют кремлевские коридоры, а не проселочные дороги.
А нам о них забывать - грех. В значительной степени нашими знаниями о полярных сияниях и о строении и составе магнитосферы мы обязаны этим людям, десятки лет добывавшим уникальный экспериментальный материал.

Когда наступет ночь, и все нормальные люди ложатся спать, из домов выходят люди с фотоаппаратами, ночные дозорные. Они снимают кометы, падающие звезды-метеориты и полярные сияния. (см)

Заканчиваю фотографиями наших ученых, которые наблюдали сами и занимались исследованиями полярных сияний. Выбор ограничивается теми, с кем я был хорошо знаком, со многими вместе работал, со многими дружил. Не нашел фотографию Аркадия Коротина, может кого еще пропустил - прошу напомнить и прислать ыотографии. Молодых на снимках нет, все без исключения в возрасте, а многие уже не с нами. Скажем им спасибо!

last update: 27 07. 2015,21.09.2015

вернуться на главную страницу - СиЗиФ Вернуться к началу статьи