ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ

  

Опубликовано в журнале "Наука в России" №4, 2001


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 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.

Магнитные бури и суббури

Что же касается тайной божей силы, которая связывает пазори с волнением магнитной стрелки, то это уже вовсе не тайна. И сила божья уже давно переименована в силу Лоренца и приспособлена возить электрички. И вообще пора читателю переварить немного научной информации. Прежде всего, знайте, что нечто очень похожее на полярные сияния вы видите каждый день у себя дома. Природа свечения полярных сияний аналогична свечению экрана телевизора. Вместо экрана служит атмосфера Земли, на нее, как и на экран телевизора падает пучок очень быстрых частиц, электронов, и, тормозясь, вызывает свечение. Так же как в телевизоре, потоком частиц управляют магнитное и электрическое поле, также есть электронная пушка - ускоритель заряженных частиц.
Вот где и как работает земной ускоритель частиц - это вопрос спорный, воистину пока еще божественная тайна. Большая часть энергии вторгающихся в атмосферу частиц расходуется на ионизацию - из молекул воздуха выбиваются электроны, и появившиеся заряды становятся носителями электрического тока. Вот этот ток, протекающий на высоте 80-120 км и создает те искажения магнитного поля Земли, которые меняют направление стрелки магнитного компаса. Постоянный читатель нашего журнала знает из статьи М.И. Панасюка о том, что магнитное поле Земли под действием потока плазмы от Солнца, солнечного ветра сильно искажается, и что Земля или точнее, магнитная оболочка Земли, магнитосфера, является самой близкой к нам (из всех прочих объектов Вселенной) магнитной ловушкой энергичных частиц и плазмы.
Самое удивительное заключается в том, что взаимодействие магнитосферы с солнечным ветром носит взрывной характер: это не колесо мельницы, механически равномерно отбирающее из потока часть энергии, здесь напрашиваются биологические аналогии, скачки кенгуру или кальмара. Медленное накопление энергии, постепенное изменение конфигурации магнитного поля сменяются резкой перестройкой, высвобождением энергии, ускорением энергичных частиц, полярными сияниями, раскачкой электромагнитных волн. Все это в совокупности называется магнитосферной суббурей. Элементарные суббури чередуются со спокойными периодами, в годы высокой солнечной активности (как сейчас) они наблюдаются чаще,- а в целом внешняя оболочка магнитосферы Земли постоянно движется, меняется, дышит как загадочный живой организм.
Конечно, очень много для разрешения загадки дали прямые измерения на спутниках и мы еще о них поговорим. Однако это все измерения в одной, реже 2-3 точках огромной сложной системы.

  

По сути только полярные сияния дают сведения о пространственной структуре быстро меняющейся трехмерной картины.
Понятие суббуря - ввел в обиход известный американский ученый С.И. Акасофу, бывший много лет директором Геофизического института на Аляске. Им сделан снимок сияния, приведенный слева.

Иногда случаются тесно сгруппированные серии суббурь, вызывающие качественно новое явление - магнитную бурю. Тогда ловушка энергичных частиц- радиационный пояс Земли разбухает и сдвигается вглубь, и избыток частиц сбрасывается уже не в полярных широтах, а в средней полосе.

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 некоторыми работами ученого секретаря Апатитского отделения ПГИ Я.А. Сахарова, раскрыв представленные ниже иконки.

Полярный патруль

Регулярные наблюдения полярных сияний проводились у нас в стране начиная со Второго международного полярного года (1932-1933). В 1957г. при подготовке к Международному геофизическому году (МГГ) под руководством профессора А.И. Лебединского из Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ (НИИЯФ МГУ) была разработана специальная установка с системой зеркал и фотокамерой, позволяющая проводить съемку всего неба. Им же была подготовлена группа молодых наблюдателей, разосланная затем на полярные станции.

  

На фотографии мы видим одного из этих наблюдателей, сейчас 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.

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.

Л. ЛАЗУТИН

Ссылки на сайты российских и зарубежных организаций, имеющих отношение к исследованию полярных сияний

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. На этой странице я познакомлю вас с работами этих прекрасных людей


вернуться на мою главную страницу - L3HOME           Вернуться к началу статьи    
страницу подготовил Л.Лазутин
This page was created by Leonid Lazutin lll@srd.sinp.msu.ru
     last update: 4. 12. 2001