Юрий Мизун - Полярные сияния
Наблюдения показали хорошую корреляцию между положением вторгающихся в верхнюю атмосферу электронов с положением радиосияний на ночной стороне. Потоки электронов измерялись приборами на ИСЗ. В дневные часы имелись случаи, когда вторжение электронов не сопровождалось радиосияниями.
Вторгающиеся протоны никогда не вызывали радиосияния.
Приведем основные результаты экспериментов, проведенных с июля по октябрь 1978 г. на антарктических высокоширотных станциях. Радиолокатор располагался на геомагнитной широте 72,3° и долготе 80,62°. Измерения оптического сияния в линии 4278 Å велись фотометром на удалении от радиолокатора в 270 км с таким расчетом, что область оптического свечения попадала в раскрыв антенны радиолокатора. При этом не вся область, которая могла формировать рассеянный радиосигнал, могла просматриваться фотометром, а только ее центральная часть на высоте 110 км. На этой высоте фотометр регистрировал свечение с пятна диаметром 10 км.
Одновременно с оптическими и радиосияниями анализировались и вариации геомагнитного поля.
Эти эксперименты показали, что в начальный период суббури усиливается интенсивность как оптического сияния, так и радиосияния. Колебания горизонтальной составляющей геомагнитного поля с периодами меньше 10 мин хорошо коррелируют с флуктуациями интенсивности радиосияний. При увеличении интенсивности радиосияний горизонтальная составляющая геомагнитного поля уменьшается.
В определенные часы мирового времени интенсивности оптического и радиосияний увеличиваются в разной мере, возможно, вследствие неполного перекрывания областей их возникновения. Такое объяснение может быть приемлемым, если интенсивность радиосияний возрастает намного больше, чем оптических. В обратном случае усиление оптического свечения вызывается усилением потоков заряженных частиц, а неоднородности, вызывающие радиосияния, создаются слабыми электрическими полями.
Эти эксперименты дали интересный результат. Оказалось, что интенсивность радиосияний хорошо коррелировала с интенсивностью оптического сияния до тех пор, пока дуги полярных сияний не достигали станции с фотометром. Когда дуги находились в зените и интенсивность оптического свечения была максимальной, интенсивность радиосияния уменьшалась. Затем при дальнейшем движении дуг корреляция восстанавливалась. Это можно объяснить тем, что электрические поля и токи, связанные с дугами полярных сияний, внутри самих дуг уменьшаются.
Если при слабой активности радиосияния и оптические сияния в основном хорошо пространственно коррелируют, то при сильной активности эта корреляция часто нарушается, за исключением начальной фазы суббури.
Радиосияния вызываются анизотропными неоднородностями электронной концентрации в полярной ионосфере. Как возникают эти неоднородности?
Были проведены сопоставления областей возможного существования авроральных неоднородностей (вызывающих радиосияния), которые определялись по таковой системе с областями, где регистрировались радиосияния. Оказалось, что все основные типы радиосияний можно объяснить действием двухпотоковой и дрейфовоградиентной неустойчивости в ионосферной плазме. Эта точка зрения составляет основу большинства современных работ, в которых объясняются причины радиосияний.
Вместо послесловия
О полярных сияниях в настоящее время мы знаем намного больше, чем полвека тому назад. Прямые измерения в космосе и околоземном космическом пространстве, которые последние десятилетия проводились с помощью ИСЗ и ракет, дали обширную информацию об окружающем нашу Землю пространстве, об условиях в межпланетной среде, о солнечной радиации как волновой (электромагнитное излучение различных диапазонов), так и корпускулярной, т. е. состоящей из электрически заряженных частиц.
Поэтому, располагая такой обширной информацией, мы можем сказать, что загадка полярных сияний, над которой бились многие за прошедшие столетия и тысячелетия, разгадана. Но не слишком ли самоуверенно это сказано? Проблема полярных сияний — это проблема солнечно-земной физики. Это значит, что она охватывает физико-химические процессы на Солнце, в околоземном космическом пространстве, в магнитосфере Земли. Поэтому, конечно, вся эта проблема не только не решена, но и очень далека от своего решения.
Загадка полярных сияний разгадана в том смысле, что сейчас нам достоверно известно, что они представляют собой свечение верхней атмосферы в высоких широтах северного и южного полушарий Земли, что это свечение вызывают заряженные частицы, приходящие к Земле от Солнца. Установлены и основные закономерности поведения полярных сияний (их зависимость от высоты, географического положения, геомагнитных координат, солнечной активности, возмущенности геомагнитного поля и т. д.). Но тем не менее остались нерешенными еще очень многие принципиальные вопросы. Физики считают, что явление изучено, если его можно описать количественно, формулами, которые выражают определенные физические законы. Если такое описание возможно, то представляется возможным предсказывать, прогнозировать протекание этого физического явления при различных влияющих на него факторах.
Проблема полярных сияний слишком многоплановая и сложная, чтобы мы могли в настоящее время похвастать количественным ее описанием. Если решение этой проблемы сравнить со строительством здания, то можно сказать, что в настоящее время имеются фундамент этого здания и почти построен каркас. Одновременно идет разработка (иногда весьма тщательная) отдельных вопросов — идут внутренние отделочные работы в некоторых помещениях здания. Но таких помещений еще мало. Очень мало! Во многих местах каркас совершенно голый, без стен. Мы, например, до сих пор не можем объяснить хотя бы грубо, как полярные сияния связаны с погодой. Через какие механизмы? Старожилы северяне знают, что северные сияния чаще наблюдаются в морозные ночи. Физики объяснить это не могут. Пока. Имеются некоторые данные о том, что когда Земля при движении по своей орбите вокруг Солнца входит в сектор с обратным направлением магнитного поля, количество облаков в атмосфере Земли резко увеличивается, погода меняется. Но тут мы стоим еще только у подножия проблемы.
В начале книги говорилось о том, что северные сияния, которые наблюдались на юге Европы и берегах Средиземного моря, связывались населяющими эти места народами с разного рода трагическими явлениями в природе и обществе.
Только ли страх бессильного человека перед могущественными неразгаданными силами природы отразился в этих верованиях. Что об этой связи можно сказать сейчас?
Прежде всего эта замеченная взаимосвязь говорит о хорошей наблюдательности древнего человека.
Ведь сейчас на большом статистическом материале установлено, что солнечные ритмы с различными периодами (27 суток, 11 лет и др.) сказываются буквально на всех уровнях организации жизни на Земле. Солнечные и магнитные бури (а значит, и полярные сияния) самым тесным образом связаны с разного рода заболеваниями, прежде всего сердечно-сосудистой системы.
С солнечными циклами различного периода (11- и 33-летние и т. д.) связаны крупномасштабные изменения климата на Земле, появление засух, осадки, землетрясения и др. Если при этом помнить, что различные эпидемии тесно связаны с циклами солнечной активности, то не так уж и наивно выглядят сообщения в летописях об огромных солнечных пятнах как предвестниках разного рода бедствий на Земле. Конечно, эти вопросы не входят в проблему полярных сияний. Их изучает наука гелиобиология. Но тем не менее очень важно видеть всю проблему в целом.
Овалы полярных сияний в северном и южном полушариях являются теми местами, через которые Космос оказывает самое эффективное воздействие на процессы на Земле. Вторжение заряженных частиц в эти овалы вызывают процессы в полярной атмосфере, которые сказываются на многих сторонах нашей жизни. В результате этого вторжения изменяется содержание озона, и электрический потенциал ионосферы, происходит нагрев ионосферной плазмы, что порождает планетарные волны. Все эти процессы самым непосредственным образом связаны с формированием погоды на Земле. Высыпание заряженных частиц в овалы полярных сияний вызывают электропроводность ионосферы, в результате чего на высотах около 100 км текут интенсивные электрические токи в десятки тысяч ампер. Эти токи изменяют магнитное поле Земли, что сказывается на состоянии здоровья людей. Таким образом, Космос через эти окна — овалы полярных сияний — действует на неживую и на живую природу. Поэтому изучение этого влияния является очень важной задачей. Хотя на сегодняшний день уже много сделано для ее решения, но предстоит сделать еще больше.
Человек живет на Земле многие тысячелетия. Но он еще очень мало знает о доме, в котором он обитает. Главные радости познания и открытий впереди.
