Коли мова йде про Сонячно-Земні явища, магнітне поле Землі, про те, як сонячна плазма взаємодіє з магнітосферою Землі - все це сприймається як результат роботи розуму людини. Спочатку, лю дина про це здогадалася, згодом підтвердила свої припущення шляхом виміру цих явищ за допомогою приладів, ШСЗ і т. д. Інша справа - полярні сяйва. Це єдине явище, яке людина спостерігає неозброєним оком і яке відображає дію космічних сил на навколо земний простір. Ви стоїте на Землі і без будь-яких приладів, супут ників і ракет своїми очима бачите, як сонячна плазма вторгається в обширні області навколоземного простору. Ви бачите світіння атмосфери на висотах 100... 1000 км над поверхнею Землі. Навіть знаючи сьогодні, що тут чудес немає, а лише явища фізики, люди ну вражає грандіозна гра сил Космосу і навколоземного простору. Первісну людину, яка спостерігала сяйва, охоплював жах і вона розцінювала їх як знак подальших трагічних подій (голод, епідемії, війни тощо). Запам’яталися складні асоціації: сяйва спостерігалися перед падінням Єрусалиму, перед смертю Юлія Цезаря та ін. Полярні сяйва увійшли в життя народів, в їх історію, релігію, літературу. Тут неможливо описати і малої частини того, що зараз відомо про сяйва. Важливо з’ясувати як насправді з полярними сяйвами пов’язано багато явищ у біосфері Землі, в житті людини. Полярні сяйва - науковий термін. Більш широко розповсюдже на назва “північні сяйва”. Справа в тім, що ці явища спостеріга ються частіше всього на Півночі, в Арктиці, і значно рідше в середніх широтах, і вже зовсім рідко на півдні Європи. Тому їх на звали північними сяйвами. Однак мореплавці ще в минулі сторіччя спостерігали сяйва і на півдні нашої планети. У 1773 р. Джеймс Кук бачив сяйва в південних водах в той час, коли їх фіксували в Європі. З’явилися свідчення того, що сяйва спостерігаються не лише в Арк тиці, але і в Антарктиді. Стали накопичуватися дані про те, що сяйва на Півночі тісно пов’язані з сяйвами на Півдні. З періоду роботи в Антарктиді постійних експедицій це питання детально вивчене, і
доведено чіткий зв'язок обох явищ. Таким чином, є сяйва північні і південні, які ми разом називаємо полярними сяйвами. Полярне сяйво у фізичному розумінні - це світіння верхньої ат мосфери Землі під дією сонячної корпускулярної радіації (рис. 23.2). Електрони і протони, з яких складається сонячна плазма, потрап ляють у верхню атмосферу високих широт (в Арктиці і Антарк тиді). Налітаючи на атоми і молекули атмосферного повітря, вони спричиняють їх іонізацію та подальшу рекомбінацію. У верхній іоносфері під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця іони утворюються постійно. Сукупно вони складають іоносферу. Зіштов хуючись з електронами, вони знову відновлюються. Тобто, число іонів, або щільність іоносфери, залежить від того, який процес пе реважає - іонізація чи рекомбінація. Вдень іони утворюються інтен сивно, однак протягом ночі більшість їх перетворюється в атоми (рекомбінація). Зі сходом Сонця процес повторюється.
Рис. 23.2. Виникнення полярного сяйва
Приблизно до 250...300 км процес іонізації відбувається найінтенсивніше, далі з висотою щільність іоносфери різко зменшується. Іоносфера впливає на наше повсякденне життя, від неї залежить по ширення радіохвиль та надійність радіозв’язку, радіолокації тощо. Варто підкреслити, що в середніх широтах іоносфера створюєть ся переважно хвильовим випромінюванням Сонця (ультрафіоле том), тоді як у високих широтах атмосферу іонізують і частинки сонячної плазми - електрони і протони. Без них полярна іоносфера
протягом довгої полярної ночі, коли атмосфера у високих широ тах не освітлюється Сонцем, дуже скоро перестала б існувати. Процеси іонізації сонячними частинками тісно пов’язані з про цесами світіння атомів і молекул, тобто полярними сяйвами. Іоні зація - це відрив орбітального електрона від ядра. Згідно законів атомної фізики, на кожній орбіті електрон може мати визначену, строго лімітовану кількість енергії. Причому чим ближче до ядра, тим ця кількість менша. Коли електрон із віддаленої орбіти пере ходить на ближчу, щоб зайняти місце відірваного електрона і та ким чином заповнити електронний ряд, він обов’язково скидає ча стину своєї енергії, випромінюючи її у вигляді світла. Існує певне співвідношення між довжиною хвилі випромінювання і наявною в ньому енергією. Від того, з якої орбіти і на яку переходить елект рон, залежить, яку довжину хвилі він випромінює. Крім випромінювання, пов’язаного з іонізацією, коли відриваєть ся внутрішній (не останній) електрон від атома, мають місце ви промінювання, пов’язані з т. зв. збудженим станом електронів. Із загального правила про те, що електрон має перебувати на певно му енергетичному рівні (знаходитись на певній орбіті з певною енер гією), є короткочасний виняток. Орбітальний електрон може при власнювати на декілька секунд частину енергії, переходячи при цьому на більш віддалений від ядра рівень. Після закінчення цього часу він мусить повернутись на своє попереднє місце, випромінивши при цьому надлишкову енергію. Усі видимі світіння пов’язані саме зі збудженням атомів і молекул. Отже, коли енергійний електрон (чи протон) проноситься крізь земну атмосферу, то він, наштовхуючись на своєму шляху на ок ремі атоми і молекули, відриває від них електрони, одночасно пе реводячи деякі орбітальні електрони у збуджений стан. Наслідком цього є випромінювання. На своєму шляху швидкісний електрон здійснює сотні і тисячі таких актів. При цьому утворюються вільні електрони (тобто буде збільшуватися щільність іоносфери) і, при родно, спостерігатимуться полярні сяйва. Форми полярних сяйв дивують своєю різноманітністю, вони швидко змінюються і дуже динамічні. Різноманіття сяйв обумовле не рядом причин. Заряджені частинки надходять від Сонця з різни ми швидкостями, тобто з різними енергіями. Від цього залежить як вони будуть взаємодіяти з магнітним полем Землі. Рух заряджених частинок у навколоземному космічному просторі залежить від їх енергії, маси, електричного заряду. В різні точки простору надхо дять частинки з різними властивостями. Вони здатні викликати світіння різних складових атмосфери (02, >І2, Н., та ін.). Варто за-
уважити, що ситуація постійно змінюється, оскільки змінюються умови на Сонці, в міжпланетному космічному просторі, у магнітосфері. Основними формами, з яких складаються сяйва, є: дуги, про мені, корони, спіралі, дифузні плями, пульсуючі сяйва, які за інтен сивністю, в свою чергу, поділяються на власне пульсуючі, полум’яні, мерехтливі, струменеві. Однорідні дуги можуть простягатися в на прямку схід-захід на декілька тисяч кілометрів; дифузні плями мо жуть займати на небосхилі площу біля 100 км2. Пульсуючі полярні сяйва змінюють свою яскравість. Вони тісно пов’язані з пульсаціями геомагнітного поля, тому що викликають ся однією і тією ж причиною - потоками електронів. Оскільки саме пульсуючі зміни магнітного поля найбільш згубно впливають на людський організм, то цей тип полярного сяйва привертає най більшу нашу увагу. У середніх широтах також мають місце полярні сяйва, проте вони непомітні неозброєним оком (червоні дуги, або М-дуги). Ці сяйва реєструються лише приладами і спостерігаються на висотах 300... 700 км. Вивчення просторового поширення полярних сяйв дає певну уяву про їх фізичну природу. Перші карти з зонами полярних сяйв з’явилися біля 130 років тому. Нині в наукових колах поширений термін “зона Фрітца”. Німецький вчений Карл Фрітц у 1874 р. опуб лікував обширний каталог полярних сяйв і виготовив карту з лінія ми, що з’єднують місцевості з однаковою періодичністю прояву цього явища. Такі лінії були названі ізохазмами (від ізо- і грец. сЬавта - сяйво). Цей термін увів в обіг ще Аристотель в книзі “Ме теорологія”. Згідно даних, опублікованих Фрітцсм в XIX ст., ізохазми мають форму деформованих окружностей, центр яких в першому набли женні співпадає з геомагнітним полюсом. З часом ці карти уточ нювалися, однак назва залишалась попередньою - зона, в якій по лярні сяйва у нічний час проявляються найбільш часто, називаєть ся зоною Фрітца. Встановлено, що максимум цієї зони припадає на геомагнітну широту 67°. У Північній півкулі ця зона проходить через північну частину Скандинавського півострова, дещо північніше Мурмансь ка, через Нову Землю, південну частину півострова Таймир, між Новосибірськими островами, через о. Врангеля, Аляску і південну частину Гудзонової затоки. Далі вона продовжується південніше Гренландії і перетинає Ісландію (Мизун, 1984). Зона Фрітца, або зона полярних сяйв, по широті має протяжність у декілька градусів. Чим далі ми віддаляємось від її максимуму, тим
частота полярних сяйв стає меншою. Так, при віддаленні до СанктПетербурга частота сяйв зменшується у 20 разів, тобто лише в 5 % тих випадків, коли сяйва видно в максимальній зоні, їх мож на побачити в Санкт-Петербурзі. На широтах 40...45° полярні сяйва спостерігаються лише один раз за весь 11-річний цикл. Не дивно, що їх поява тут викликає так багато тривог і асоціацій, особливо в зв’язку зі зрозумілою нам активізацією в роки макси муму сонячної активності проявів інших стихій природи - вулка нізму, повеней тощо. Зона Фрітца і пізніші її модифікації були побудовані за даними Північної півкулі. Лише у 1939 р. така ж зона була побудована за даними Південної півкулі. Згодом в рамках Міжнародного гео фізичного року (1957-1958 рр.) вона була уточнена. Якщо піднятись над магнітним полюсом на достатню висоту, то можна реєструвати сяйва над усім Арктичним регіоном і мати, таким чином, уявлення як виглядає область сяйв у конкретний момент часу. За допомогою ШСЗ було встановлено, що область одночасного світіння являє собою овал, який із денної сторони зна ходиться на віддаленні біля 10° від геомагнітного полюса, а на нічній стороні він, природно, співпадає з зоною полярних сяйв. Тобто, зона полярних сяйв визначається нічною частиною овалу поляр них сяйв впродовж доби. Він весь час розташовується в певному положенні відносно Сонця. Можна сказати, що під нерухомим відносно Сонця овалом обертається Земля, і в тих місцях, над яки ми при цьому проходить нічна частина овалу, полярні сяйва видно найбільш чітко. Сукупність цих місць за всю добу і складає зону полярних сяйв. Таким чином, Земля протягом доби обертається під двома світними “німбами”, розташованими над Арктикою і Антаркти кою й орієнтованими певним чином відносно Сонця. Ці два “німби” світяться тому, що в овалах полярних сяйв Космос стикається з Землею. Точніше, не просто стикається (зіткнення має місце вздовж всієї межі магнітосфери), а передає свою енергію Землі та оточую чому її простору. Полярні сяйва, що спостерігаються в овалах і викликаються вторгнутими сюди електронами, оточені дифузною смугою про тонного полярного сяйва. Протони потрапляють сюди із кільце вого електричного струму, що тече навколо Землі на відстані де кількох земних радіусів. Під час світових магнітних бур ця об ласть навколоземного простору поповнюється протонами, утво рюючи протонний пояс.
Області, зайняті полярними сяйвами, можуть бути з’єднані вздовж силових ліній геомагнітного поля з відповідними областя ми в магнітосфері, із яких надходять ті частинки, котрі виклика ють сяйва.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Полярні сяйва» з дисципліни «Геофізична екологія»
