Северное сияние: что это такое и как оно устроено

Яркие занавеси света вспыхивают в ночном небе, смещаются, меняют форму и гаснут — иногда за несколько минут, иногда тянутся часами. Полярное сияние видели люди на протяжении тысяч лет, объясняли по-разному и боялись по-разному. В этой статье — о том, как оно устроено физически, почему светится в разные цвета, где его наблюдают чаще всего и что о нём рассказывали народы Севера.

Что такое полярное сияние

Ранее на LifeGlobe мы рассказывали о таких явлениях, как радуга и необычные облака. Полярное сияние из той же категории — зрелищных природных феноменов, объяснение которых пришло не сразу.

По сути это свечение верхних слоёв атмосферы, возникающее там, где заряженные частицы солнечного ветра взаимодействуют с газами ионосферы. Явление возможно только на планетах с магнитным полем — именно оно направляет частицы туда, где они могут столкнуться с атмосферой. На Земле такими зонами оказываются полярные области.

Сияние в северном полушарии называют северным, в южном — южным полярным. Общий термин для обоих — «аврора», от латинского Aurora, имени богини утренней зари.

Наблюдателю с Земли это выглядит как свечение, которое то разливается спокойным зеленоватым маревом у горизонта, то вдруг разворачивается в быстро движущиеся полосы и лучи через всё небо. Иногда сияние длится несколько минут. Иногда — с вечера до рассвета, то затухая, то снова набирая яркость.

Как возникает сияние

Ещё в XVIII веке Михаил Ломоносов предположил, что северное сияние связано с электрическими процессами в атмосфере. В то время это звучало как догадка — до реального понимания механизма оставалось ещё больше ста лет.

Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц — так называемый солнечный ветер. Когда на Солнце происходят вспышки или корональные выбросы массы, этот поток резко усиливается. Часть частиц достигает магнитосферы Земли и начинает двигаться вдоль силовых линий геомагнитного поля — ближе к полюсам.

В ионосфере — на высотах от 80 до 400 километров — частицы сталкиваются с атомами и молекулами кислорода и азота. Те получают энергию, переходят в возбуждённое состояние и при возврате в исходное излучают свет. Именно этот свет мы и видим как полярное сияние.

Почему сияние меняет цвет

Цвет зависит от того, какой газ светится и на какой высоте:

• зелёное свечение — атомарный кислород на высотах около 100–150 км, самый распространённый вариант;
• красные оттенки — тот же кислород, но выше, около 200–400 км, где давление ниже и возбуждённые атомы успевают дольше удерживать энергию;
• фиолетовые и розовые тона — молекулярный азот и его ионы, чаще всего у нижней границы сияния.

Сочетание разных высот, разных газов и разной интенсивности потока частиц в каждый конкретный момент — вот что создаёт ту пестроту форм и оттенков, которую трудно передать на фото.

Где и когда его видно

Зоны, где сияние появляется чаще всего, имеют форму широких колец вокруг магнитных полюсов — их называют авроральными овалами. В спокойный период диаметр такого овала около 3000 километров. В северном полушарии это примерно 67–70 градусов северной широты.

Во время сильных магнитных бурь овал расширяется, и сияние уходит заметно южнее — в отдельные годы его наблюдали на широте Москвы и даже южнее. Такие события случаются в периоды максимума 11-летнего цикла солнечной активности.

Чаще всего за полярным сиянием едут в северную Норвегию, Финляндию, Швецию, на Аляску, в Исландию, северную Канаду и на Шпицберген. Лучшие условия — тёмное небо, вдали от городских огней, в период с сентября по март. Интересная деталь: статистически пик активности часто приходится на даты, близкие к весеннему и осеннему равноденствиям — предположительно из-за особенностей взаимодействия земного магнитного поля с солнечным ветром в эти периоды.

Полярные сияния на других планетах

Земля — не единственное место, где возникает аврора. У Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна мощные магнитные поля и плотные атмосферы, а их полярные сияния по масштабу многократно превосходят земные.

В видимом диапазоне их не разглядеть: слишком много отражённого солнечного света. В ультрафиолете — другое дело. Космический телескоп «Хаббл» получил детальные снимки авроральных колец на Юпитере, и они заметно отличаются от того, что мы видим на Земле.

На Юпитере сияние подпитывается не только солнечным ветром, но и спутниками. В точках, где силовые линии магнитного поля планеты соединяются с Ио, Европой или Ганимедом, возникают устойчивые яркие пятна. Вулканическая Ио непрерывно выбрасывает ионизированный материал, и это делает её «след» в авроральном кольце Юпитера постоянным.

Легенды о северном сиянии

Для народов Севера это явление было частью повседневной жизни — и, разумеется, частью мифологии. Объяснения, которые они придумывали, нередко точнее передают ощущение от сияния, чем любое научное описание.

Скандинавия: мост богов и валькирии

В норвежской мифологии Бифрёст — горящий мост между миром людей и миром богов. Исследователи предполагают, что образ мог сложиться под впечатлением от полярного сияния, которое пересекает ночное небо цветной дугой.

Легенды о валькириях описывают их как воительниц, забирающих души павших в Вальхаллу. Когда они летели над землёй, их доспехи, щиты и копья зажигали небо — так скандинавы объясняли вспышки сияния.

Финны, эскимосы и другие народы

В финском фольклоре встречается образ огненной реки, отделяющей мир живых от мира мёртвых. Ряд исследователей связывает этот образ с полярным сиянием, хотя прямой однозначной привязки в источниках нет.

Эскимосы побережья залива Гудзон считали, что сияние можно «позвать» свистом, а хлопок в ладоши его прогоняет. В других преданиях духи играли в небесный мяч — в роли мяча выступал череп моржа.

Отношение к сиянию у разных эскимосских групп было противоположным. Одни считали его добрым знаком — предвестием хорошей охоты или погоды. Другие брали оружие, выходя на улицу во время ярких всполохов. Ходило и поверье: кто долго смотрит на сияние, рискует лишиться рассудка.

Индейцы, аборигены, драконы

Некоторые племена индейцев Северной Америки видели в сиянии фонари духов, блуждающих в поисках душ умерших охотников. Племя Лиса в Висконсине воспринимало его как образ враждебных сил.

Австралийские аборигены — те, кто видел сияние в южных широтах, — описывали его как танец богов по небу. В Китае и средневековой Европе извивающиеся формы сияния, по всей видимости, питали легенды о драконах. В хрониках встречаются записи об «огненных змеях» и «светящихся копьях» в небе — скорее всего, описания особенно ярких авроральных вспышек.

Что оставалось непонятным долго

Ещё в начале XX века среди распространённых объяснений сияния было отражение солнечного света от полярных льдов или некий электрический эффект от столкновения айсбергов. Лишь после запуска первых спутников и ракетных экспериментов стала постепенно проясняться реальная картина: насколько сложно устроена магнитосфера Земли и как именно солнечный ветер взаимодействует с ней.

Солнечные циклы и непредсказуемость

Самые зрелищные авроры связаны с периодами высокой солнечной активности. Солнце проходит через 11-летние циклы, и вблизи максимума магнитные бури случаются заметно чаще.

В средние века магнитный полюс Земли располагался иначе, чем сейчас, — и полярные сияния регулярно наблюдали в Скандинавии, северной России и северном Китае. Позже авроральный пояс сместился. Сейчас он охватывает Северную Канаду, Аляску, северную Норвегию, Швецию, Финляндию и Шпицберген.

При этом точно предсказать, где и когда появится сияние, по-прежнему не получается. Слишком много переменных: скорость и плотность солнечного ветра, направление межпланетного магнитного поля, состояние магнитосферы. Прогнозы дают окно в несколько часов — и то приблизительно.

Сильные магнитные бури, которые сопровождают самые яркие авроры, — не только зрелище. Они нарушают работу коротковолновой радиосвязи, сбивают показания магнитных компасов, создают помехи в спутниковых навигационных системах. В марте 1989 года геомагнитная буря вывела из строя энергосистему канадской провинции Квебек — 6 миллионов человек остались без электричества почти на девять часов. Учёные также изучают, как солнечная и геомагнитная активность влияет на самочувствие людей, хотя прямые механизмы этого влияния пока не установлены.

 

Камера фиксирует цвета ярче, чем их видит глаз: сенсор накапливает свет за несколько секунд выдержки, человеческий глаз — нет. Большинство людей, впервые увидевших сияние вживую, удивляются именно этому: оно бледнее фотографий, зато движется.