Ожерелье северной богини

Северное полярное сияние, на протяжении многих столетий вдохновлявшее поэтов, лишь недавно попало в поле зрения науки. (Южное полярное сияние не удостоилось подобной известности.) Роберт Броунинг называл полярное сияние "огненной отрыжкой дракона", Кольридж - "реющими знаменами Севера", Саути - "сверкающими лучами пламенеющего сияния", Теннисон - "поясом светящегося пара", Джеймс Томсон - "эфиром в лабиринте света", Уитьер - "загадочным огнем небес". Народные поверья чаще всего связывают полярные сияния либо с игрищами душ умерших, либо с отражением света от льдов или косяков рыбы.

Что же говорит о полярном сиянии наука? Два главных творца этого драматического явления - солнечный ветер (поток заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем) и магнитное поле Земли. Взаимодействуя с земной магнитосферой, флуктуирующий солнечный ветер и рождает полярное сияние. Вблизи поверхности Земли силовые линии магнитного поля более или менее напоминают симметричные силовые линии диполя (попросту говоря, стержневого магнита). Однако по мере удаления от поверхности симметрия нарушается, и характер магнитного поля с освещенной стороны оказывается совершенно иным, чем с теневой. Врезаясь в магнитный щит Земли со скоростью 500 км/с, электроны и протоны солнечного ветра сжимают силовые линии магнитного поля с дневной стороны и растягивают их с теневой стороны настолько сильно, что замкнутые линии разрываются, образуя длинный "магнитный хвост". Электрические токи, возникающие в потоке заряженных частиц, проходящих через вытянутую оболочку магнитосферы, приводят к тому, что заряженные частицы собираются к середине хвоста, образуя плазменную оболочку. Электрический разряд в плазменной оболочке выбрасывает электроны (а также некоторое количество протонов) в сторону замкнутых силовых линий магнитного поля - в кольцевую область, расположенную примерно на уровне 20° северной геомагнитной широты.

Область полярного сияния похожа на нимб в форме неправильного кольца, висящего в ионосфере над геомагнитным полюсом. По мере вращения Земли овальная область полярного сияния оказывается над новой территорией. Глобальная картина выглядит довольно простой, однако для ее получения потребовалось свести воедино тысячи отдельных наблюдений. По образному выражению одного физика, исследователь полярного сияния подобен муравью, пытающемуся разобраться в геологии Скалистых гор. Даже спутники, оснащенные фотографическим оборудованием (в частности, спутники ВВС США серий DAPP и DMSP), давали лишь отрывочные сведения. Ситуация, однако, изменилась с запуском спутника "Дайнамикс эксплорер-1".

Запущенный 3 августа 1981 г., он был выведен на эллиптическую орбиту с апогеем более трех радиусов Земли. Вскоре после запуска апогей орбиты оказался над Северным полюсом, однако за счет прецессии он за 18 месяцев перемещается к Южному полюсу. За один виток своей орбиты спутник позволяет наблюдать полярное сияние на протяжении примерно 5 ч кряду. Приведенная здесь фотография была первой, на которой видна сразу вся область полярного сияния.

Это изображение, выполненное в искусственных цветах, создано по данным в УФ-области спектра (1305 и 1355 А - линии излучения атомарного кислорода), полученным со спутника в Центре космических исследований им. Годдарда (шт. Мэриленд) и обработанным в Центре им. Лэнгли (шт. Виргиния). На снимке участки высокой интенсивности переданы белым, а более слабые - красным. Обратите внимание, как овал полярного сияния переходит с ночной стороны на дневную не прерываясь, хотя и с различной интенсивностью. Выделяются два ярких пятна в полуденном и полуночном положениях; там, где кольцо пересекает терминатор (линию раздела ночи и дня), атмосферная турбулентность размывает его четкие очертания. Здесь полярное сияние запечатлено в относительно спокойный период - во время солнечных вспышек овал разбухает и становится ярче.

5 сентября 1981 г. 22000 км над Северным полюсом Фотометр университета шт. Айова с круговой разверткой' на спутнике 'Дайнамикс эксплорёр-1' (НАСА/ЦКПГ); изображение восстановлено в условном цвете Л. Фрэнк, Дж. Крейвен, университет шт. Айова, США. [82, 98, 265]

Полярное сияние подобно "природной неоновой рекламе". Электроны, вылетающие при электрическом разряде из плазменной оболочки, сталкиваются с атомами азота и кислорода в разреженной ионосфере (лежащей на высоте 60-140 км и выше от поверхности Земли), переводя их в возбужденное состояние, которое невозможно в более плотных слоях атмосферы. Возвращаясь в основное состояние, каждый атом излучает фотон с характерной длиной волны, лежащей для азота в зеленой, а для кислорода в красной области спектра. Игра электрических токов в атмосфере и рождает сполохи, дуги и полотнища, которые мы наблюдаем с Земли. Однако это лишь "деревья", за которыми теперь впервые удалось увидеть "лес".