Эффект северного сияния

Природа явления

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Полярное сияние — лабораторная модель

В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых атомов кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете.

Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с увеличением высоты в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 км, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте ~110 км. Кроме того, эти факторы обусловливают и форму полярных сияний — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.

Полярные сияния Земли

Полярное сияние

Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли — авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10—16°, на ночной — 20—23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67—70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления. Например, на острове Стюарт, лежащем лишь на 47° параллели, сияния происходят регулярно. Маори даже назвали его «Пылающие небеса».

В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы — азота и кислорода; при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так и молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота.

Северное сияние, Норвегия

Свечение кислорода обусловлено излучением возбуждённых атомов в метастабильных состояниях с длинами волн 557,7 нм (зелёная линия, время жизни 0,74 с) и дублетом 630 и 636,4 нм (красная область, время жизни 110 с). Вследствие этого красный дублет излучается на высотах 150—400 км, где из-за высокой разреженности атмосферы низка скорость гашения возбуждённых состояний при столкновениях. Ионизированные молекулы азота излучают на длинах волн 391,4 нм (ближний ультрафиолет) 427,8 нм (фиолетовый) и 522,8 нм (зелёный). Однако каждое явление обладает своей неповторимой гаммой в силу непостоянства химического состава атмосферы и погодных факторов.

Спектр полярных сияний меняется с высотой. В зависимости от преобладающих в спектре полярного сияния линий излучения полярные сияния делятся на два типа: высотные полярные сияния типа A с преобладанием атомарных линий и полярные сияния типа B на относительно небольших высотах (80—90 км) с преобладанием молекулярных линий в спектре вследствие столкновительного гашения атомарных возбужденных состояний в сравнительно плотной атмосфере на этих высотах.

Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии. Так, за одно из зарегистрированных в 2007 году возмущений выделилось 5⋅1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.

При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

Северное сияние в Исландии

Считалось, что полярные сияния в северном и южном полушарии являются симметричными. Однако одновременное наблюдение полярного сияния в мае 2001 года из космоса со стороны северного и южного полюсов показало, что северное и южное сияния существенно отличаются друг от друга.

В 2016 году был обнаружен новый вид полярных сияний — фиолетового цвета. Они были названы Стив (STEVE — сокр. Strong Thermal Emission Velocity Enhancement).

Полярные сияния на других планетах

Полярное сияние на Юпитере, снимок телескопа «Хаббл» в ультрафиолете.

Хотя Венера и не имеет достаточно сильного магнитного поля, они появляются в виде светлых и диффузных пятен различной формы и интенсивности, иногда затрагивающие весь планетарный диск. Сияния на Венере образуются путём соударений электронов солнечного ветра и атмосферы планеты и особенно хорошо видны на ночной стороне атмосферы.

Полярные сияния также были обнаружены и на Марсе, 14 августа 2004 года, инструментом SPICAM на борту Mars Express. Оно находилось в районе Киммерийской земли (англ.)русск. (52° ю. ш. 177° в. д.). Общий размер излучающей области составлял около 30 км в поперечнике, и примерно 8 км в высоту. Анализируя карту разломов коры, скомпилированную из данных космического аппарата Mars Global Surveyor, учёные заметили, что области выбросов соответствуют району, где локализовано магнитное поле. Это указывает на то, что обнаруженное световое излучение было потоком электронов, движущихся вдоль силовых линий магнитного поля в верхние слои атмосферы Марса.

Полярное сияние на Сатурне, комбинированный снимок в ультрафиолете и видимом свете (Hubble Space Telescope)

Магнитные поля планет-гигантов Солнечной системы значительно сильнее магнитного поля Земли, что обусловливает больший масштаб полярных сияний этих планет по сравнению с полярными сияниями Земли. Так, высочайшим в Солнечной системе (1200 км) является северное сияние Сатурна. Особенностью наблюдений с Земли (и вообще из внутренних областей Солнечной системы) планет-гигантов является то, что они обращены наблюдателю освещённой Солнцем стороной и в видимом диапазоне их полярные сияния теряются в отражённом солнечном свете. Однако благодаря высокому содержанию водорода в их атмосферах, излучению ионизированного водорода в ультрафиолетовом диапазоне и малому альбедо планет-гигантов в ультрафиолете, с помощью внеатмосферных телескопов (космический телескоп «Хаббл») получены достаточно чёткие изображения полярных сияний этих планет.

Особенностью Юпитера является влияние его спутников на полярные сияния: в областях «проекций» пучков силовых линий магнитного поля на авроральный овал Юпитера наблюдаются яркие области полярного сияния, возбуждённые токами, вызванными движением спутников в его магнитосфере и выбросом ионизированного материала спутниками — последнее особенно сказывается в случае Ио с её вулканизмом.

На изображении полярного сияния Юпитера, сделанного космическим телескопом «Хаббл» заметны такие проекции: Ио (пятно с «хвостом» вдоль левого лимба), Ганимеда (в центре) и Европы (чуть ниже и справа от следа Ганимеда).

На Уране и Нептуне также были отмечены полярные сияния.

Литература

  • Александров Н. Л. Полярные сияния // Соросовский образовательный журнал, 2001, № 5, с. 75-79;
  • Булат В. Л. Оптические явления в природе. // М., Просвещение, 1974, 143 с;
  • Мишин Е. В., Рушин Ю. Я., Телегин В. А. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой. // Л., Гидрометеоиздат, 1989, 264 с.
  • Исаев С. И. Полярные сияния. // Мурманск, Книж. изд-во, 1980, 141 с.;
  • Мизун Ю. Г. Полярные сияния. // М., Наука, 1983, 136 с.;
  • Зверева С. В. В мире солнечного света. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. — 160 с.
  • Stern, David P. (1996). “A Brief History of Magnetospheric Physics During the Space Age”. Reviews of Geophysics. 34 (1): 1—31. Bibcode:1996RvGeo..34….1S. DOI:10.1029/95rg03508.
  • Stern, David P. The Exploration of the Earth’s Magnetosphere. phy6.org.
  • Eather, Robert H. Majestic Lights: The Aurora in Science, History, and The Arts. — Washington, DC : American Geophysical Union, 1980. — ISBN 978-0-87590-215-9.
  • Akasofu, Syun-Ichi (April 2002). “Secrets of the Aurora Borealis”. Alaska Geographic Series. 29 (1).
  • Daglis, Ioannis; Akasofu, Syun-Ichi (November 2004). “Aurora – The magnificent northern lights”. Recorder. 29 (9): 45—48. Архивировано из оригинала (PDF) 24 May 2015.
  • Savage, Candace Sherk. Aurora: The Mysterious Northern Lights. — San Francisco : Sierra Club Books / Firefly Books, 1994. — ISBN 978-0-87156-419-1.
  • Hultqvist, Bengt. The Aurora // Handbook of the Solar-Terrestrial Environment. — Berlin Heidelberg : Springer-Verlag, 2007. — P. 331–354. — ISBN 978-3-540-46314-6. — DOI:10.1007/978-3-540-46315-3_13.
  • Sandholt, Even. Optical Aurora // Dayside and Polar Cap Aurora / Even Sandholt, Herbert C. Carlson, Alv Egeland. — Netherlands : Springer Netherlands, 2002. — P. 33–51. — ISBN 978-0-306-47969-4. — DOI:10.1007/0-306-47969-9_3.
  • Phillips, Tony ’tis the Season for Auroras. NASA (21 October 2001). Дата обращения 15 мая 2006. Архивировано 11 апреля 2006 года.
  • Chisholm, Hugh, ed. (1911), «Aurora Polaris», Encyclopædia Britannica, vol. 2 (11th ed.), Cambridge University Press, pp. 927–934

Ссылки

Портал «Арктика»

Полярное сияние на Викискладе

В Википедии есть портал
«Астрономия»
  • Видеоролик полярного сияния 17—18 марта 2015 года. Кольский полуостров на YouTube
  • Видеоролик полярного сияния 1 марта 2011 года
  • Полярные сияния в средних широтах (Беларусь)
  • Над Индийским океаном произошло северное сияние
  • В.ПСАЛОМЩИКОВ Небесные сполохи и загадки Земли
  • Фёдор Юрчихин. Наш дом — Земля (2). Полярные сияния. Федеральное космическое агентство. — Фотографии летчика-космонавта России Фёдора Юрчихина во время полета 25-й экспедиции на МКС. Дата обращения 9 ноября 2010. Архивировано 23 августа 2011 года.
  • Northern Lights Gallery
  • Фотографии: Арктика, Полярное сияние
  • Astronomy Picture of the Day. Aurora Over Norway (англ.) (20 сентября 2010). Дата обращения 16 февраля 2014.
  • Фотографии полярного сияния с Кольского полуострова

В этой статье или разделе имеется список источников или внешних ссылок, но источники отдельных утверждений остаются неясными из-за отсутствия сносок. Утверждения, не подкреплённые источниками, могут быть поставлены под сомнение и удалены. Вы можете улучшить статью, внеся более точные указания на источники.

Тематические сайты

Словари и энциклопедии

Нормативный контроль

GND: 4130058-0 · LCCN: sh85009555 · NDL: 00567224

Как возникает световой столб?

Замерзшие капли воды, ставшие причиной этого захватывающего феномена, имеют плоскую шестиугольную или столбовидную форму. Свет отражается от различных граней – верхних, нижних или торцевых, – поэтому их взаимное расположение влияет на вид столба. Игра света может породить даже ложные «солнца» или паргелический круг – заметный ареол вокруг нашей звезды. Множество отражений лучей сливаются в нашем восприятии в окружность над горизонтом. Причина всех этих явлений одна – преломление лучей в кристаллах замерзшей воды.

Световой лес

Часто источником освещения становится не масштабный небесный объект, такой как Солнце или Луна, а простая лампочка. Поэтому диаметр световых столбов аналогичен их размеру. Кроме этой величины оптическое явление наследует и цвет породившего его объекта. Ученые не раз отмечали то, что низко расположенный генератор света, создает более длинные колонны.

Явление, названное ледяными иглами, представляет собой более короткие, но многочисленные полосы света. Природа и место их появления аналогичны возникновению столбов – низко над землей, в морозном воздухе парят мелкие кристаллы льда, от которых отражается свет. Ледяные иглы также считаются атмосферным явлением.

Солнечный столб

Солнечный столб в Истре, Московская область Схема образования световых столбов при отражении света от горизонтальных поверхностей ледяных кристалликов в воздухе. На схеме изображён наземный источник (фонарь), однако им может быть и небесное светило (Луна, Солнце, Венера) Солнечный столб может возникать и ниже солнца (фотография сделана в Антарктике). Солнечная дорожка на воде продолжает солнечный столб, что объясняется сходством оптической схемы обоих явлений: дорожка на воде также вызвана отражениями от поверхностей, близких к горизонтали, но не идеально горизонтальных

Световой (или солнечный) столб (англ. Light pillar) — визуальное атмосферное явление, оптический эффект, который представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от Солнца во время его заката или восхода (ночью наблюдаются также столбы от Луны, ярких планет или от наземных источников света). Явление вызывается отражением света на почти горизонтальных плоских гранях шестиугольных плоских либо столбовидных ледяных кристаллов, взвешенных в воздухе. Плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6 градусов над горизонтом либо позади него, столбовидные кристаллы — если солнце находится на высоте 20 градусов над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения. Такие кристаллы образуются в высоких перистых облаках, наиболее часто в перисто-слоистых. При низких температурах подобные кристаллы также могут образовываться и в более низких слоях атмосферы. Поэтому световые столбы чаще наблюдаются в холодное время года. При формировании светового столба свет отражается либо от нижней или верхней поверхности ледяной пластинки, либо от горизонтальных торцов или граней ледяного стержня.

Ширина столба определяется средним углом отклонения отражающих граней кристаллов от горизонтали, а также размерами источника; в идеальном случае точечного источника и абсолютно горизонтальных кристаллов ширина столба стремится к нулю. Световые столбы от Солнца и Луны имеют ширину не менее 0,5 градуса (угловой диаметр этих светил).

В редких случаях солнечный столб может сопровождаться так называемым паргелическим кругом. Он представляет собой светлую полосу, которая видна на небе на той же высоте, что и Солнце. При благоприятных условиях она составляет замкнутый круг, проходящий через Солнце и ложные Солнца.

Световые столбы нередко формируются вокруг луны, городских огней и других ярких источников света. Столбы, исходящие от низко расположенных источников света, обычно намного длиннее, чем солнечные или лунные столбы. Чем ближе к световому столбу находится наблюдатель, тем меньше сказывается расположение кристаллов в пространстве на внешнем виде столба.

Сходные оптические явления возникают при ледяных иглах — атмосферном явлении, твёрдых осадках в виде мельчайших ледяных кристаллов, парящих в приземном слое воздуха в морозную погоду. В отличие от световых столбов (оптического эффекта, возникающего в верхней тропосфере), ледяные иглы относятся к атмосферным явлениям и отмечаются метеорологическими станциями.

Поскольку световые столбы формируются вследствие отражения, свет в них частично или полностью поляризован, что можно обнаружить, рассматривая световой столб в поляризатор. Степень поляризации меняется вдоль столба. Как показывают расчёты и экспериментальные наблюдения, свет от наземных источников становится полностью горизонтально поляризованным в точке столба, наблюдаемой под углом 37,6° от горизонта (52,4° от зенита — угол Брюстера для поверхности воздух-лёд при коэффициенте преломления льда 1,30).

Leave a Comment