Природа полярных сияний: формирование, механизмы и влияние солнечной активности

Полярные сияния, известные как Северное сияние (Aurora Borealis) и Южное сияние (Aurora Australis), представляют собой естественные световые явления в верхних слоях атмосферы. Они наблюдаются преимущественно в высокоширотных регионах вблизи магнитных полюсов Земли. Их возникновение обусловлено сложным взаимодействием магнитного поля планеты с заряженными частицами солнечного ветра. Процесс инициируется в радиационных поясах Ван Аллена, где магнитосфера удерживает частицы высокой энергии: внутренний пояс содержит преимущественно электроны, а внешний — протоны.

Рисунок 1 (А): Схема магнитосферы, демонстрирующая её асимметричную форму, которая формируется под давлением солнечного ветра, искажающего магнитное поле Земли. Рисунок 1 (Б): Земля с изображением типичного аврорального овала, где интенсивность сияний максимальна на расстоянии 20-30° от магнитного полюса, в зоне наибольшей концентрации силовых линий.

Солнечный ветер — это постоянный поток плазмы, выбрасываемой из солнечной короны со скоростью свыше миллиона километров в час. При столкновении с Землёй он деформирует её дипольное магнитное поле, сжимая его на дневной стороне и формируя протяжённый магнитный хвост на ночной. Образующаяся область — магнитосфера — выполняет функцию защитного щита, отклоняющего основную массу частиц. Однако часть из них направляется магнитным полем к полюсам и проникает в верхние слои атмосферы, термосферу, что приводит к началу свечения.

В периоды повышенной солнечной активности, такой как солнечные вспышки и корональные выбросы массы (КВМ), параметры солнечного ветра — интенсивность, плотность и скорость — резко возрастают. Усиленный поток оказывает большее давление на магнитосферу, вызывая её дополнительную деформацию и позволяя большему количеству энергичных частиц достигать полярных областей. Это приводит к расширению аврорального овала, усилению яркости сияний и их смещению в более низкие широты. Данная активность носит циклический характер, следуя приблизительно 11-летнему солнечному циклу, что обуславливает периодические изменения в частоте и географической видимости явления.

Активная северная полярная дуга, зафиксированная на Аляске. Динамичные формы и интенсивное свечение характерны для периодов геомагнитных возмущений.

Непосредственное свечение возникает при столкновении высокоэнергетических электронов с атомами и молекулами атмосферных газов, преимущественно кислорода и азота. Столкновения переводят атомы в возбуждённое состояние, а при возвращении в основное состояние происходит эмиссия фотонов определённой длины волны. Разнообразие цветов определяется типом газа и высотой взаимодействия: зелёные и красные оттенки создаются атомарным кислородом на высотах 100-300 км, а синие и фиолетовые — молекулярным азотом на более низких уровнях. Динамические формы, такие как движущиеся «завесы» и лучи, обусловлены флуктуациями магнитного поля и изменением плотности потока частиц в реальном времени.

Полярные сияния чаще всего образуют кольцо, или овал полярного сияния, центрированное вокруг геомагнитных полюсов. Зона максимальной интенсивности расположена на геомагнитной широте около 60-70°, где силовые линии магнитного поля наиболее плотны и имеют почти вертикальную ориентацию. Во время геомагнитных бурь этот овал расширяется в направлении экватора. Колеблющиеся световые структуры являются прямым визуальным отражением взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой, что делает полярные сияния не только впечатляющим феноменом, но и важным индикатором космической погоды, способной влиять на работу спутников, систем связи и энергетических сетей.

Исторически наблюдения за полярными сияниями вели ещё древние цивилизации, что нашло отражение в многочисленных мифах и летописях. Научное же изучение природы этого явления началось в XVIII-XIX веках, однако ключевые открытия, объясняющие роль солнечного ветра и магнитосферы, были сделаны лишь в середине XX века. Современные исследования проводятся с помощью наземных обсерваторий, а также космических аппаратов, таких как миссии THEMIS и Swarm, которые позволяют детально анализировать процессы в плазменной среде.

С физической точки зрения, каждый акт свечения представляет собой сложную цепочку преобразования энергии: кинетическая энергия солнечных частиц преобразуется в энергию возбуждения атомов, а затем — в электромагнитное излучение в видимом спектре. Эффективность этого процесса зависит от множества параметров, включая энергию частиц, состав атмосферы и состояние магнитного поля. Моделирование этих процессов требует применения методов магнитогидродинамики и физики плазмы.

Интересно, что аналоги полярных сияний существуют и на других планетах Солнечной системы, обладающих собственным магнитным полем и атмосферой, например, на Юпитере и Сатурне. Их изучение помогает лучше понять фундаментальные принципы взаимодействия звёздного ветра с планетарными магнитосферами. Таким образом, исследование полярных сияний на Земле является важной частью более широкой области — планетарной геофизики и астрофизики.

Для наблюдателей в Северном полушарии лучшими регионами для наблюдений являются так называемые auroral zones, куда входят северные территории Скандинавии, Исландия, Канада и Аляска. Наблюдение и прогнозирование сияний сегодня основывается на данных о солнечной активности и К-индексе, характеризующем геомагнитные возмущения. Это явление продолжает оставаться объектом пристального научного внимания, объединяя исследования в области физики атмосферы, гелиофизики и космической технологии.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.