Северные сияния и южные сияния

Северные сияния и южные сияния — световые явления электрического происхождения, разыгрывающиеся в высоких слоях земной атмосферы и доступные наблюдению невооруженным глазом в ясные безлунные ночи — чаще или реже, в зависимости от географического положения места наблюдения. Иначе называются полярными сияниями. Северными сияниями называют полярные сияния, наблюдаемые в северном полушарии земли; наблюдаемые в южном полушарии называются южными; какой-нибудь существенной разницы между северными и южными сияниями нет. В поясе, простирающемся примерно на 25° к северу от экватора и на столько же к югу, полярные сияния бывают видимы крайне редко. Что касается стран умеренного пояса, то здесь полярные сияния наблюдаются гораздо чаще, чем представляет себе непосвященная публика; правда, наблюдению их препятствует городская обстановка (строения закрывают значительную часть небосклона, а свет фонарей мешает заметить слабый свет полярного сияния).

Формы полярного сияния. Полная картина полярного сияния представляет собой последовательную смену (а  иногда и сосуществование) ниже перечисленных семи форм. 1) Дуги. В наиболее обыкновенных случаях (особенно — в наших широтах) северное сияние начинается появлением на северной стороне небосвода белесоватого, желтоватого или зеленовато-желтоватого света: сверху этот свет постепенно сходит на нет, а снизу резко ограничен дугообразною линией, подобно радуге; внизу, под этой дугой, пространство небесного свода кажется особенно темным («темный сегмент»). Иногда в светящейся дуге можно бывает различить отдельные полосы, как в радуге^*).

^*) Во избежание недоразумений небесполезно сказать, что при полярном сиянии, в противоположность радуге (см.), действительно светятся определенные участки земной атмосферы.

2) Светлые волокна (рис. 1); они обыкновенно образуют косой угол с линией, ограничивающей дугу. 3) Волокна обыкновенно быстро сменяются яркими лучами, которые — то отдельными единицами, то целыми пучками — как бы выбрасываются из дуги. Эти лучи сначала поднимаются не высоко, но потом (по мере того, как явление развивается) все более удлиняются, достигают зенита, а иногда даже переходят через зенит. Они чаще всего имеют сначала фиолетовый, потом: красноватый оттенок. Нередко они перемещаются вдоль дуги. Появлением лучей полярное сияние в наших широтах обыкновенно заканчивается; затем световая картина или постепенно гаснет, или — после некоторого ослабления — явление снова усиливается, и лучи начинают вспыхивать снова. 4) Бель. Это — размытый свет без определенных очертаний (лиловатого оттенка, а яркости, примерно, такой, как у Млечного Пути), остающийся на небе по прекращении полярного сияния. Иногда этот свет, наоборот, предваряет собой все явление или сопровождает его; в последнем случае он возникает в совершенно иных частях небосвода, чем те, в которых разыгрывается самое полярное сияние. 5) Полосы (ленты). В тех местностях, где полярные сияния случаются часто, дуги нередко распадаются на полосы, расположенные перпендикулярно к тому направлению, по которому тянется дуга; затем один конец этой последней отделяется от горизонта, и вся картина начинает переливаться различными цветами, трепетать и волноваться. Свободный конец то извивается змеей по небу, то закручивается спиралью, как часовая пружина. Бывает, что и другой конец отходит от горизонта, и получается кольцо. Случается, что оба конца, оставаясь на горизонте, приближаются друг к другу, и лишь средняя часть подымается вверх. Возможны также извивающиеся формы, свободно парящие в воздухе. Никакой рисунок, никакая фотография не могут передать поразительной красоты всех, то медленных, то быстрых перемен, представляющихся наблюдателю этого явления природы. 6) Корона. Если полосы (или лучи — в значительном количестве) распространяются через зенит, то может получиться «корона» (рис. 3). Эта форма еще красивее предыдущей. И здесь все явление находится в непрерывном движении; иногда наблюдается вращение около центральной точки, но большей частью — переливы и колебания то в ту, то в другую сторону. 7) Драпировки. Эта форма имеет некоторое сходство с формой полос; но характерная особенность ее заключается в том, что она производит впечатление свешивающейся в воздухе занавеси, складки которой как бы волнуются от ветра (рис. 2). Если драпировка, перемещаясь в пространстве, проходит над нашей головой, то в эту пору она представляется нам, как тонкая, змеевидная полоса: отсюда следует, что здесь светится лишь тонкий, волнисто изогнутый слой воздуха^*).

^*) Для науки было бы очень ценно, если бы всякий, кому случилось наблюдать северное сияние, сообщал центральному метеорологическому или геофизическому учреждению (например, Главной Геофизической Обсерватории, Ленинград) хотя бы следующие данные: 1) свое местонахождение во время наблюдения с такой точностью, чтобы можно было найти соответствующий пункт на плане местности; 2) время наступления различных фаз явления; если наблюдатель пользовался своими часами, то необходимо знать разницу, какая была между показанием этих часов и показанием часов нормальных (вокзальных или почтовых); 3) направление, в котором наблюдались различные стадии явления; это направление может быть указано или с помощью стран света, или по отношению к созвездиям, или, наконец, по отношению к земным предметам. В случае полос или короны желательна зарисовка. Полезно указывать наблюдавшиеся цвета. Для дуг представляет интерес указание положения (по отношению к странам горизонта) тех точек, в которых дуга опирается на горизонт, а также точек, в которых дуга опирается на горизонт, а также высоты дуги; для лучей (отличных друг от друга по времени возникновения) интересно знать их направление и точку небесного свода, в которой кончался данный луч (причем расстояния на небе или указываются при помощи звезд, или же их выражают, принимая, например, диаметр полной луны за единицу).

Рис. 1. Полярное сияние в форме светлых волокон.

Рис. 2. Полярное сияние в форме полос и драпировок.

Рис. 3. Лучистое полярное сияние с короной.

Распространение полярного сияния по земной поверхности изображается графически посредством «изохасм» — линий, соединяющих на карте земной поверхности точки с одинаковым средним числом полярных сияний, наблюдаемых в течение года. Изохасмы северные полушария (рис. 4) представляют собой овальные, довольно правильные линии, центр которых лежит, примерно, посредине между полюсом географическим и полюсом магнитным. Цифры, которыми отмечена каждая изохасма, означают, сколько раз (в среднем; наблюдалось полярное сияние в течение года в соответствующих точках земной поверхности. Так, например, мы видим, что на Кавказе наблюдалось лишь одно полярное сияние в 10 лет; 5 полярных сияний в году наблюдалось в Тверской губернии, в южной части Вологодской, в северной оконечности Вятской губернии и т. д.; при переходе от внешних изохасм к внутренним частота полярных сияний растет все быстрее; например, для Мурманска число их — около 100 в год. Самая внутренняя из сплошных изохасм соответствует наибольшей частоте; чем ближе отсюда переходим мы к центру изохасм, тем частота сияний опять уменьшается, и самые сияния делаются менее яркими. Различаются «местные» и «общие» полярные сияния. В первом случае световые явления возникают лишь в весьма ограниченной области земной поверхности; во втором случае они распространяются на обширную область — иногда на оба полушария сразу. Так, 9 сентября (нового стиля) 1898 г. северное сияние наблюдалось в западной, средней и северной Европе, и в то же время наблюдали южное сияние. В тот же день по всей земле были отмечены магнитные возмущения (см. ХХVII, 589') — явление, стоящее с полярные сияниями в теснейшей связи. Относительно северных сияний, наблюдаемых у нас, можно сказать, что они всегда имеют характер общих.

Рис. 4.

Высота полярных сияний. Тригонометрические и фотограмметрические определения показывают, что высота полярных сияний над земной поверхностью составляет обыкновенно от 40 до 300 км (что соответствует упругости воздуха от 2 до 0,003 мм; значения, заключающиеся как раз в этих пределах, имеет упругость газа в Гейслеровых и катодных трубках; см. разряд электричества в газах).

Периодичность полярных сияний. Как частота, так и яркость полярных сияний обнаруживают колебания с течением времени. В этих колебаниях особенно отчетливо замечается 11-летний период, совпадающий с периодом солнечной деятельности (см. XL, 71), как показывает следующая табличка:

Годы максимума:

Солнечных пятен:

1750 61 70 78 88

1805 16 30 37 48 60 71 84 94.

Северных сияний:

1749 61 73 78 88

1805 19 30 40 50 62 71 82 93.

Годы минимума:

Солнечных пятен:

1745 55 67 76 85 98

1811 23 34 44 56 67 79 90.

Северных сияний:

1744 55 66 75 83 99

1811 22 34 44 56 66 78 89.

(Тот же 11-летний период наблюдается и в изменениях силы земного магнетизма). Далее, в частоте полярных сияний обнаруживаются периоды: а) суточный (соответствующий суточному ходу магнитных возмущений), б) 26-дневный (соответствующий такому же периоду солнечной деятельности) и в) годичный (совпадающий с периодом изменений земного магнетизма).

Спектр полярных сияний состоит из ряда светлых линий и сходен с спектром катодного сияния в наполненной разреженным воздухом разрядной трубке, — за одним исключением: в этом последнем спектре не наблюдается желто-зеленой линии λ = 557 μμ (см. XLI, ч. 4, 40/41), которая для спектра полярных сияний является как раз главной, наиболее характерной. Хотя о происхождении этой линии до сих пор (конец 1926 г.) еще идут споры между учеными, но можно с уверенностью утверждать, что спектр полярных сияний есть спектр светящихся газов, входящих в состав земной атмосферы.

Природа полярных сияний в течение долгого времени была загадкой для ученых. Только в конце XIX. и в начале XX в. двое норвежских ученых — Биркеланд и Стэрмер — разработали правильную теорию полярных сияний. Эта теория, без натяжек объясняющая разнообразные особенности полярных сияний и связь их с другими космическими явлениями, имеет в своей основе следующие положения. Из солнечных пятен и факелов (см. XL, 62/63) исходят потоки ионов (катодные и положительные лучи). Встречаясь с земной атмосферой, они продолжают распространяться в ее верхних (разреженных) слоях. При этом они подвергаются отклоняющему действию земного магнитного поля. На своем пути они заставляют светиться газы земной атмосферы; эти световые явления и наблюдаются нами (в перспективе), как полярные сияния. Подтверждением этой теории служат, между прочим, опыты, произведенные Биркеландом, представляющие искусственное осуществление полярных сияний в малом масштабе. Биркеланд подвешивал внутри большой катодной трубки железный шарик, снабженный обмоткой, по которой можно было пропускать ток и таким образом намагничивать шарик. Шарик изображал землю с ее магнитным полем. На одну сторону шарика направляется пучок катодных лучей; при сильном намагничивании шарика получались у его полюсов световые явления, аналогичные полярные сияниям. Стэрмер дал теории полярных сияний математическое обоснование, определив при помощи вычислений те пути, которые описывает при различных условиях электрическая частица, исходящая из солнца и попадающая в магнитное поле земли. Связь между полярными сияниями и магнитными возмущениями еще не вполне разъяснена. Всего проще отнести эту связь к тому обстоятельству, что оба явления имеют общую причину в неравномерной деятельности солнца.

А. Бачинский.