Глава 5. Загадки Авроры

…Небо пылало. Бесконечная прозрачная вуаль покрывала весь небосвод. Какая-то невидимая сила колебала ее. Вся она горела нежным лиловым светом. Кое-где показывались яркие вспышки и тут же бледнели, как будто лишь на мгновение рождались и рассеивались облака, сотканные из одного света… В нескольких местах еще раз вспыхнули лиловые облака. Какую-то долю секунды казалось, что сияние погасло. Но вот длинные лучи, местами собранные в яркие пучки, затрепетали бледно-зеленым светом. Вот они сорвались с места и со всех сторон, быстрые, как молнии, метнулись к зениту. На мгновение замерли в вышине, образовался огромный сплошной венец, затрепетали и потухли.

Г. Ушаков. Полярные исследования

Современную стадию развития человечества можно сравнить с первыми шагами ребенка, открывающего новый мир, во многом еще непонятный, сложный и далеко не всегда дружественный. При его освоении нельзя избежать потерь и ошибок, но мы постепенно учимся распознавать новые опасности и преодолевать их. А опасностей этих немало. Это и радиационный фон в верхних слоях атмосферы, и потеря связи со спутниками, самолетами и наземными станциями, и даже катастрофические аварии на линиях связи и электропередачи, происходящие во время мощных магнитных бурь.

Биосфера человека расположена на суше, в пограничной области поверхности водного и дна воздушного океанов. Со всех сторон она окружена благодатной воздушно-водяной средой, поддерживающей жизнь. Однако плотность атмосферы резко падает по мере удаления от поверхности Земли. В верхних слоях атмосферы разряженный воздух непригоден для дыхания, но он задерживает все губительные излучения, идущие от Солнца и из космического пространства.

Наша планета окружена оболочкой плазмы – плазмосферой, состоящей из разряженного ионизованного газа. Форма плазмосферы была установлена на основании данных наблюдений автоматических космических аппаратов. Существование обращенной к Солнцу ветви плазмосферы предполагалось и раньше, но теперь впервые ее удалось обнаружить непосредственно. Видна также земная тень, направленная в сторону, противоположную Солнцу. Яркие области в центре снимка – это замкнутые авроральные кольца над северной частью Земного шара, а для наблюдателей на поверхности Земли – просто северные сияния. Считается, что плазмосфера образована ионизованными солнечным излучением молекулами верхних слоев земной атмосферы и удерживается магнитным полем Земли.

Верхняя атмосфера (стратосфера) Земли служит своеобразным воздушным щитом для отражения многочисленных метеоритов. Такие метеорные тела даже небольшого размера вследствие огромной скорости обладают большой разрушительной силой. Сталкиваясь с газовыми частицами атмосферы, они сильно разогреваются и испаряются, оставляя в небе характерные следы «падающих звезд».

Начиная с высоты около пятидесяти километров над поверхностью Земли расположен ярус воздушной оболочки, ионосфера, которая простирается до высот в несколько сотен километров, плавно переходя в мантию плазмосферы. Воздушная среда здесь существенно меняет свой состав, становится в миллиарды раз более разреженной; растет относительная концентрация легких газов. У поверхности Земли воздух в основном состоит из двухатомных молекул азота, кислорода и углекислого газа. А на большой высоте – в ионосфере – молекулы этих газов под воздействием жесткого излучения Солнца распадаются на отдельные атомы. На высотах в тысячи километров основными элементами экзосферы (внешней атмосферы) становятся водород и гелий.

Среда ионосферы все время находится в бурном движении, перерастающем в настоящие ураганы, правда, не заметные на земной поверхности.

Однажды ученые даже наблюдали загадочные облакообразные полярные сияния, мчавшиеся со скоростью свыше 3 тыс. км/ч.

Поскольку на границе экзосферы плотность газов ничтожно мала, молекулы и атомы могут беспрепятственно разгоняться до второй космической скорости. При такой скорости любое тело преодолевает земное притяжение и уходит в космос. То же самое происходит с газовыми частицами водорода и гелия. Но несмотря на утечку легких газов из земной атмосферы, ее состав не меняется, так как происходит непрерывный процесс восполнения за счет газов земной коры и испарения океанов. К тому же часть тех же атомов и молекул поступает из межпланетной среды при обтекании земной экзосферы.

Полярные сияния – одно из самых красивых световых явлений в природе, поэтому они привлекали внимание человека на протяжении всей его истории. Упоминания о полярных сияниях можно найти в трудах древних философов.

Долгое время полярные сияния рассматривались как предвестники катастроф – эпидемий, голода и войн. Например, это явление связали с падением Иерусалима и смертью Юлия Цезаря. Во всяком случае, в этом видели проявление гнева богов или других сверхъестественных сил. Люди, проживающие в местности, где полярное сияние не редкость, старались объяснить его появление естественным путем. Например, высказывались предположения о том, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда.

На Русском Севере полярные сияния называли пазорями или сполохами. Первое из этих слов указывает на сходство рассматриваемого явления с зорями, а второе происходит от слова «полошить», то есть беспокоить, поднимать тревогу. Действительно, во время полярных сияний небо может стать красным, как на пожаре. Известны случаи, когда пожарные команды выезжали к огромному зареву в северной части горизонта.

Собственно говоря, укоренившееся название «северное сияние» не совсем правильно. Над Южным полюсом также можно наблюдать фантастические переливы ионосферного света. Поэтому надо использовать именно термин «полярное сияние». Полярные сияния в Северном полушарии обычно движутся на запад со скоростью примерно 1 км/с.

По яркости сияния они разделяются на четыре класса. В первый попадают еле заметные сияния, сходные по своей яркости с Млечным Путем. Сияния же четвертого класса по яркости можно сравнить с полнолунием. Интенсивные сияния приобретают форму лент, которые при уменьшении интенсивности превращаются в пятна. Ленты обычно простираются с востока на запад на тысячи километров, напоминая гигантский занавес. Его высота достигает нескольких сотен километров, а толщина всего лишь несколько сотен метров, поэтому такой занавес прозрачен, сквозь него можно различать звезды. Нижний край занавеса обычно резко очерчен и чаще подкрашен в красный или розовый цвет, а верхний, размытый, постепенно исчезает с высотой.

Несмотря на призрачность предмета исследований, внимание многих ученых приковано к заоблачным высям. Дело в том, что среда полярных сияний содержит электрически заряженные частицы – ионы и электроны. Это и придает им поразительные световые свойства. Если в приземном слое сухой воздух является качественным изолятором, то в ионосфере он хороший проводник.

Отсюда следует наличие многих удивительных эффектов, и в частности сильное влияние состояния ионосферы на наземную радиосвязь. Вот почему изучение свойств и процессов верхних воздушных слоев стало одной из важных задач современной науки. И недаром в последние годы оформилась и быстро развивается новая область научного знания, занимающаяся этой проблематикой – аэрономия. Несомненно, перед нею большое будущее.

Но так ли уж легко могут преодолеть космические электромагнитные колебания толщу ионосферы? В приповерхностном слое – тропосфере – воздух представляет собой смесь нейтральных молекул различных газов (в основном азота, кислорода и углекислого). Следовательно, если нас окружает сухой воздух, его можно считать хорошим изолятором.

Иначе обстоит дело в глубинах ионосферы. Там воздушная среда вполне способна проводить электрический ток, поскольку вместо нейтральных молекул и атомов она содержит электроны и ионы. Вспомним, что ионы – это положительно или отрицательно заряженные частицы, возникающие под воздействием каких-либо внешних факторов из первичных нейтральных атомов и молекул. Наличие ионов и дало соответствующее название – ионосфера – этой части воздушного океана Земли.

Ученые давно выяснили, что молекулы воздуха на всем протяжении стратосферы находятся в постоянно сложном движении. Потоком этого непрекращающегося движения захвачены и ионы с электронами. Они непрерывно участвуют в противоположных процессах ионизации и нейтрализации (рекомбинации), идущих с различной скоростью на разных высотах.

Именно так возникают замечательные по своей красоте полярные сияния (auroras borealis, лат.), давшие свое название этому удивительному природному феномену.

Поверхность Земли – не лучшее место для наблюдения за полярными сияниями: во-первых, почти всегда их нужно наблюдать ночью, когда не мешает солнце; во-вторых, наблюдениям могут помешать облака.

Этих трудностей можно избежать, если следить за полярными сияниями из космоса, где к тому же нет искажающего влияния нижних плотных слоев атмосферы. Наблюдения с пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций дали богатый материал о пространственном расположении сияний, их изменении во времени и обо многих особенностях этого явления. Более того, космические аппараты позволили выполнять измерения внутри полярного сияния. При этом одинаково удобно исследовать сияния и в Северном, и в Южном полушарии. Таким способом можно наблюдать сияния и на дневной стороне Земли.

Интересно, что энергичные протоны, вторгаясь в верхнюю атмосферу и вызывая протонные сияния, часть своего пути движутся как нейтральные атомы водорода. В этом случае они свободны от действия магнитного поля Земли и, имея большие (протонные) скорости, могут проникать в области, недоступные заряженным частицам. Вследствие этого области, где наблюдаются протонные полярные сияния, отличаются большой протяженностью. Вспышки северного сияния обычно наблюдаются через день-два после вспышек на Солнце. Это служит непосредственным доказательством взаимосвязи между упомянутыми явлениями.

Полярные сияния являются не только «собственностью» Земли. Например, они четко наблюдаются в плазмосферах планет – газовых гигантов – Юпитера и Сатурна, а также на некоторых их спутниках, окруженных собственными атмосферами.

Юпитерианское полярное сияние имеет ту же природу, что и на Земле: быстрые электроны, дрейфующие в магнитосфере планеты вдоль силовых линий между полюсами, высыпаются у полюсов в верхние слои атмосферы и вызывают свечение газа. Полярное сияние Юпитера интенсивнее всего в ультрафиолете, поскольку основные спектральные линии водорода, который доминирует в атмосфере Юпитера, лежат именно в данной части спектра.

Интенсивные комплексные наблюдения юпитерианских полярных сияний с борта межпланетной автоматической станции «Кассини», пролетающей Юпитер на пути к Сатурну, позволили ученым разработать численные модели, описывающие полярные сияния, включая эффекты взаимодействия с солнечным ветром.

Можно с уверенностью сказать, что исследования последних десятилетий, включая изучение явления с искусственных спутников Земли и ракет и создание искусственных сияний, существенно обогатили наши знания об auroras borealis. Ясно, что не просто разгадана тайна полярных сияний, но и накоплен большой фактический материал об окружающем нашу планету пространстве, состоянии межпланетной среды и солнечном излучении, включая потоки заряженных частиц. И тем не менее проблема полярных сияний еще далека от своего решения.

Новейшие данные приводят к предположению о том, что полярные сияния есть следствие взаимодействия ультрафиолетового излучения Солнца с очень разреженным воздухом, который на больших высотах находится в атомарном состоянии. Происходит ионизация воздуха – превращение нейтральных атомов в заряженные ионы. Существование в верхних слоях атмосферы ионосферы – области, хорошо проводящей электричество, уже прочно доказано.

Действительно, мы знаем, что это свечение верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий Земли, вызванное энергичными заряженными частицами, вторгающимися в земную магнитосферу на своем пути от Солнца. Известны и основные закономерности проявления полярных сияний: их зависимость от высоты, географического положения, солнечной активности, возмущений магнитного поля Земли… И все же в настоящее время мы еще не только не можем описать количественно это явление, но даже предсказать заранее многие закономерности предстоящего полярного сияния. Проблема полярных сияний оказывается слишком сложной и многоплановой. Например, до сих пор неясна связь полярных сияний с погодой. Северяне хорошо знают, что полярные сияния чаще наблюдаются в морозные ночи. Объяснения этому пока нет.

Большинство полярных сияний вызвано тем, что солнечная радиация возбуждает электроны, которые затем проходят в атмосферу по по силовым линиям магнитного поля Земли. Эти электроны сталкиваются с молекулами воздуха, освобождая другие, которые излучают в процессе рекомбинации. Однако иногда над Землей вследствие вхождения в атмосферу более тяжелых атомных частиц протонов появляются особые полярные сияния, возникает сильное ультрафиолетовое излучение. При этом большинство электронов и протонов никогда не достигают глубин ионосферы, потому что полностью отбрасываются магнитным полем Земли. Одновременно в круге полярных сияний образуется сильный разрыв в земной магнитосфере, где протоны могут двигаться во временно устойчивой зоне между Солнцем и Землей, практически не отклоняясь, пока не достигнут земной плазмосферы.

Природа полярных сияний продолжает волновать ученых. Можно сказать так: внимание к ним растет пропорционально росту наших интересов к процессам, происходящим и в атмосфере Земли, и на Солнце, а также благодаря возросшим техническим возможностям науки. Теперь у исследователей полярных сполохов появились могущественные помощники – геофизические ракеты, искусственные спутники Земли, снабженные самой современной аппаратурой. Приборы, установленные на спутниках, уже дали ученым немало ценнейших сведений о самых высоких слоях земной атмосферы – их химическом составе, строении, плотности и обо многом другом. Все это позволило кое-что уточнить в представлениях о природе полярных сияний, что-то пересмотреть, от чего-то полностью отказаться. Идет быстрый процесс углубления наших знаний, и он еще далек от завершения.

Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Это удалось сделать и для полярного сияния: создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты. Эксперимент, получивший название «Аракс», был проведен в свое время совместно российскими и французскими исследователями.

В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряженные точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля). Ими были для Южного полушария – французский остров Кергелен в Индийском океане, а для Северного – поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в Северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили визуально наблюдать это сияние с поверхности Земли. Однако радарные установки четко зарегистрировали его возникновение.

Эксперименты описанного типа не просто позволяют понять причины и механизм возникновения полярного сияния. Они дают уникальную возможность изучать структуру магнитного поля Земли, процессы в ее ионосфере и влияние этих процессов на погоду вблизи земной поверхности. Особенно удобно выполнять такие эксперименты не с электронами, а с ионами бария. Оказавшись в ионосфере, эти ионы возбуждаются солнечным светом и начинают испускать излучение малинового цвета.

В то же время возникают неожиданные взаимосвязи, ждущие своих будущих исследователей в достаточно необычных вопросах. Вначале речь шла о том, что появление полярных сияний связывали с трагическими явлениями в природе и обществе. Только ли страх перед непонятными впечатляющими явлениями природы лежит в основе этих суеверий? Сейчас хорошо известно, что солнечные ритмы с различными периодами (27 суток, 11 лет и так далее) влияют на самые разные стороны жизни на Земле. Солнечные и магнитные бури (и связанные с ними полярные сияния) могут вызывать рост различных заболеваний, в том числе сердечно-сосудистых. С солнечными циклами связаны изменения климата на Земле, появление засух и наводнений, землетрясений… Все это заставляет еще раз серьезно задуматься над связью между полярными сияниями и земными катаклизмами и бедами. Может быть, не так и наивны старые представления о такой связи?

Полярные сияния сигнализируют о месте и времени воздействия космоса на земные процессы. Вызывающее их вторжение заряженных частиц влияет на многие стороны нашей жизни. Изменяется содержание озона и электрический потенциал ионосферы, нагрев ионосферной плазмы возбуждает волны в атмосфере. Все это сказывается на погоде. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере начинают течь значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают магнитное поле Земли, что прямо влияет на здоровье многих людей. Таким образом, через полярные сияния и связанные с ними процессы космос воздействует на окружающую нас природу и ее обитателей.

Полярные сияния на планетах – газовых гигантах обычно окружают овалом магнитные полюса планет. Полярные сияния в мощных атмосферах газовых гигантов имеют ту же природу что и в земной плазмосфере, отличаясь лишь деталями строения отдельных магнитосфер. Такой особенностью является овальное кольцо на изображении Юпитера, вместе со следами-проекциями его спутников на поверхность по дипольным магнитным силовым линиям. Подобные следы возникают благодаря токам, индуцированным движением спутников в магнитном поле, текущим вдоль силовых линий.

В ультрафиолетовом диапазоне видно окружающие полюс Сатурна кольца мощных полярных сияний. Поднимающиеся более чем на тысячу километров над верхней границей облачного покрова, эти полярные сияния Сатурна во многом напоминают аналогичные земные явления. Природа сатурнианских сияний связана с потоками энергичных заряженных частиц солнечного ветра, направленных магнитным полем планеты в полярные области, где они начинают активно взаимодействовать с атмосферными газами. При этом протяженные красные области полярного сияния соответствуют излучению атомарного водорода, в то время как более компактные белые области связаны с водородными молекулами.