Природа многообразия полярных сияний

Кузнецов А.И., Кузнецов А.Р.

В предыдущей статье [1, с. 165] нами были изложены доводы в пользу оптической природы полярных сияний. Исходя из приведенных там положений и имеющихся результатов наблюдений и литературных данных постараемся объяснить существующее их многообразие.

Для пущей ясности приведем вкратце суть изложенных там основных выводов:
- полярные сияния имеют не электрическое происхождение, а носят чисто оптический характер и возникают в результате преломления, отражения и рассеивания солнечного света в атмосфере;

- причиной их возникновения на полюсах является то, что зимой здесь Солнце значительное время находится ниже горизонта, его лучи направлены от поверхности Земли вверх. Проходя через атмосферу Земли, они испытывают эффект рассеивания и поглощения. Среднее значение длины волны спектра при этом сдвигается к 550 нм. Следовательно, за пределами атмосферы на высоте свыше 80 – 100 км, где наблюдаются полярные сияния, свет будет иметь желто-зеленый окрас;

- чистота и разрежённость атмосферы, а также наличие в облаках и атмосфере капелек воды или ледяных кристалликов заостренной формы обеспечивают эффект радуги и многообразие цветовой гаммы полярного сияния.

Частота наблюдения разных форм сияний для различных местностей земной поверхности неодинакова. Сопоставляя все известные наблюдения над различными формами полярных сияний с местом наблюдений, а также со своими собственными наблюдениями во время зимовки «Веги» у северных берегов Сибири, Норденшёльд выделил точку, которую теперь принято называть Норденшёльдовым пунктом, расположенную вблизи северного магнитного полюса, и описал вокруг нее ряд концентрических окружностей. Внутри первого круга, описанного радиусом в 8° шириной, северные сияния являются только в виде слабого света то на северной, то на южной стороне горизонта. Во втором поясе, между кругами в 8° и 16°, обычная форма сияний — двойная светлая дуга, часами, иногда даже днями не меняющая своего положения на небесном своде. Между кругами в 16° и 20° такая световая дуга, подымаясь над горизонтом, доходит до зенита наблюдателя, теряет свою характерную форму, и из нее появляются временами снопы лучей. В четвертом поясе, между кругами 20° и 28°, преобладают лучистые северные сияния, а в пятом наибольшей частоты и блеска достигают сияния в форме полос или занавесей. Вне последнего круга (в 33°) полярные сияния — явление сравнительно редкое и случайное. При общей желтоватой окраске явления в ярких и быстро меняющих свой вид сияниях иногда появляются лучи, окрашенные в другие цвета — преимущественно в красный и зеленый, реже — в синий и фиолетовый [2, с. 1].

Согласно гипотезе движения и вращения планет и звезд [3, с. 4], освещение Земли, вращающейся на поверхности конуса солнечного ветра, осуществляется потоком световых лучей, направленных от Солнца по внутренней полости конуса. В зимний период, когда на северном полюсе царит полярная ночь, Земля расположена таким образом, что световые лучи Солнца, идущие со стороны южного полюса, практически не освещают территорию за полярным кругом.

Учитывая свойство дифракции света, т.е. огибание лучами границы непрозрачного тела и проникновение в область геометрической тени, согласно корпускулярно-спиральной теории света [4, с. 243] можно утверждать, что за поверхностью Земли лучи образуют сходящийся конус (теневой) с вершиной в направлении «северного» магнитного полюса.

Приведенные выше зоны, находящиеся между концентрических окружностей, описанных вокруг Норденшёльдова пункта, будут находиться на поверхности этого конуса. Положение зоны северного сияния будет определяться интенсивностью и плотностью светового потока, которые в свою очередь зависят от солнечной активности и наблюдающихся вспышек на Солнце. Расширение зон сияния вызвано тем, что с увеличением интенсивности (плотности) светового потока меньшая доля лучей будет рассеиваться в атмосфере и, встречающихся на их пути, облаках и сможет оказывать эффект на поверхности этого конуса с большим диаметром окружности, расположенного на теневой стороне Земли.

Внутри первого круга, описанного радиусом в 8° шириной, северные сияния наблюдаются очевидно только при прохождении лучей через плотные слои атмосферы, затянутые облаками, а также во время низкой и средней активности Солнца. При прохождении через атмосферу лучистая энергия ослабляется из-за поглощения воздухом и водяным паром, а также вследствие рассеивания молекулами воздуха. Поэтому они характеризуются слабым свечением и наблюдаются чаще, чем в других зонах. При повышении солнечной активности и слабой облачности на горизонте сфера сияний увеличиваются и перемещаются со второй по пятую зоны. При наличии мощных вспышек и выбросов на Солнце, что наблюдается относительно редко, зона сияний может выйти за пределы пятого круга (33о). При этом интенсивность свечения сияний значительно возрастает. Кольцевая форма зон полярного сияния объясняется отсутствием световых лучей в средней части (теневой) из-за экранирования ее Землей.

Яркость света в сияниях вообще невелика; даже при наиболее ярких из них освещение земной поверхности намного слабее, нежели в ясную ночь во время полнолуния [2, с. 1]. Этим объясняется то, что частота наблюдения разных форм полярных сияний для различных местностей земной поверхности неодинакова.

Согласно имеющимся сведениям из наблюдений ряда ученых существует связь между полярными сияниями и появлением некоторых типов перистых облаков и кругов (гало) около Солнца или Луны. Всякий раз, как только такие облака, появляясь на небесном своде, собирались в длинные, напоминающие опушку пера полосы, дугами пересекавшие небесный свод и сходившиеся в общую точку радиации, вечером замечалось появление северных сияний, принимавших лучистую форму, если точки радиации облаков совпадали с магнитными меридианами; при направлении же облачных полос с запада на восток и сияние являлось в виде дуг. Замечено также, что после больших полярных сияний на небе всегда наблюдалось появление белесоватого туманного покрова и облака всегда имели неясные, туманные контуры [2, с. 1].
 
В большинстве случаев северное сияние сопровождается ясным небом в верхних слоях атмосферы и наличием облачности вблизи горизонта. Очевидно, именно вид облаков, а вернее количество и форма кристалликов льда, а также их ориентация в пространстве играют основную роль в многообразии вида и окраса северного сияния.
 
В полярных районах преобладающим видом являются перистые облака. Они образуются в слое атмосферы 7—12 км, где в течение всего года температура воздуха ниже 0 °С, и состоят целиком из ледяных кристаллов. Наиболее часто встречающаяся их форма— нитевидные перистые облака, которые имеют вид тонких нитей причудливых очертаний. Большинство звёзд в ночное время хорошо видны через перистые облака, за исключением отдельных, наиболее плотных облачных участков. Перисто-слоистые облака никогда не имеют четких очертаний и представляют собой туманную пелену, равномерно застилающую все небо, сквозь которую хорошо видны Солнце и Луна. Форма ледяных кристаллов, составляющих перисто-слоистые облака, способствует такому преломлению солнечных и лунных лучей, что в этих облаках часто наблюдаются гало, венцы и световые столбы.
 
Другим видом облаков являются полярные или перламутровые облака, которые формируются выше 30 км над поверхностью земного шара и представляют собой воздушный слой, состоящий из кристаллов льда. Днем такие облака прозрачны, но на закате солнечные лучи преломляются в ледяных кристалликах, расцвечивая облака всеми цветами радуги.
 
Изредка примерно на высоте 80 км и выше появляются серебристые облака. Их сияние можно иногда увидеть после заката или перед рассветом, когда свет идет от солнца, которое находится за горизонтом.

Полярные сияния имеют самый разнообразный вид. Одна из их разновидностей представляется на небе в виде яркой световой дуги с резко ограниченным нижним и неопределенным, размытым верхним краем. Внизу, под этой дугой, небесный свод как бы темнеет, и образуется так называемый темный сегмент. Из этой светлой дуги временами выбрасываются яркие снопы света в виде отдельных лучей или целых пучков лучей, иногда зеленовато-желтого оттенка, как и дуга, иногда — окрашенных и переливающихся цветами радуги. Эти лучи нередко имеют значительную длину и достигают зенита, иногда даже переходя через него. При наиболее ярких и блестящих сияниях, лучи эти, вспыхивая по всей длине дуги, пересекают всю северную сторону небосклона и образуют вблизи магнитного зенита блестящий световой венец — корону северного сияния. Сквозь лучи или световые массы сияния всегда можно видеть более яркие звезды, а через темный сегмент просвечивают даже и сравнительно слабые, причем никаких изменений в виде звезд не заметно [2, с. 1].

Считаем, что одной из реальных возможностей образования короны является прохождение лучей через встретившееся на пути перламутровое облако. Образование дуги объясняется тем, что солнце в это время находится ниже горизонта. Его лучи как бы огибают поверхность Земли по дуге, отделяющей освещаемую солнцем сторону от теневой, проходя через свободный от облаков участок атмосферы. Этим объясняется наличие четкой нижней границы в виде дуги. Верхняя граница имеет расплывчатый вид потому, что лучи Солнца неограниченно рассеиваются в атмосфере Земли или расположенных вдоль горизонта перисто-слоистых облаках, претерпевая многократное преломление и рассеивание. Наблюдаемый темный сегмент в нижней части дуги представляет собой отображение тени участка Земли, огибаемого световыми лучами.

Зеленоватый оттенок присутствует тогда, когда солнечный свет рассеивается на ледяных кристалликах. Прохождение солнечных лучей через сильно разреженные участки облаков или промежутки между движущимися облаками приводит к появлению выбросов ярких снопов света. Образование лучей, переливающихся цветами радуги вызвано наличием в облаках ледяных кристалликов с заостренным концом. Солнечные лучи, сталкиваясь с ними, создают эффект радуги и многообразие цветовой гаммы полярного сияния. Углы преломления разноцветных лучей различаются незначительно, примерно на 1;, поэтому «вблизи» это практически не заметно, но на больших расстояниях расхождение лучей (дисперсия) становится существенным [5, с. 1].

Учитывая, что внутри облака, постоянно идут разнообразные процессы перемешивания слоев, с образованием завихрений, то капельки воды (вблизи водоемов и наличия гейзеров) или льдинки непрерывно перемещаются и вращаются, что приводит к отдельным вспышкам, которые, сходясь вблизи магнитного зенита [2, с. 1], образовывают здесь блестящий световой венец — корону северного сияния. Центр сияния всегда совпадает с точкой магнитного севера, лучи сияния направлены преимущественно параллельно магнитному меридиану, и корона во время сияния образуется всегда вокруг магнитного зенита.

Именно специфичностью наблюдающихся облаков можно объяснить наличие полярных сияний. Учитывая экологическую чистоту полярных регионов и высокую разреженность атмосферы, образующиеся здесь облака имеют низкую плотность и вследствие этого большую прозрачность. Это способствует небольшой величине поглощения, преломления и рассеяния света, проходящего через них. Прозрачность облаков позволяет наблюдать все происходящие внутри их оптические эффекты: отражение, преломление и дисперсию света.
 
Полярные сияния наблюдают в двух основных формах - в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна.
 
Обычно выделяют четыре основные формы полярного сияния.

Наиболее простая форма — однородная дуга (полоса). Она имеет довольно ровное свечение, более яркое в нижней части дуги и постепенно исчезающее вверху. Однородные дуги (полосы) бывают беловато-зеленого, а также красноватого или лилового цвета.

Объяснение причины образования дуги описано нами выше. Ее цвет определяется плотностью слоя атмосферы вблизи поверхности Земли, через который проходят солнечные лучи.

Следующая форма сияний — лучи. На небе видны тесно выстроившиеся друг за другом узкие вертикальные светящиеся линии, как будто множество поставленных в ряд мощных прожекторов светят вверх. При наблюдении сияния не сбоку, а непосредственно снизу, лучи представляются сходящимися в вышине (эффект перспективы) или иначе «сходящиеся снопы лучей». Начинаясь с высоты примерно 100 км, лучи уходят вверх на сотни и даже тысячи километров.
 
Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Такие кристаллы образуются в высоких перистых облаках, наиболее часто в перисто-слоистых. Световые столбы чаще наблюдаются в холодное время года. При формировании светового столба свет отражается либо от нижней или верхней поверхности ледяной пластинки, либо от горизонтальных торцов или граней ледяного стержня. Ширина столба определяется средним углом отклонения отражающих граней кристаллов от горизонтали, а также размерами источника; в случае точечного источника и абсолютно горизонтальных кристаллов ширина столба стремится к нулю [6, с. 1].

Особенно сильное впечатление производят свечения, имеющие форму лент, которые могут образовывать складки или закручиваться в своеобразные спирали. Высоко в небе повисают гигантские занавеси, они колышутся, волнуются, меняют очертания и яркость.

Причиной этого явления мы считаем скопление продолговатых перистых облаков в зоне прохождения солнечных лучей. Волокнистые перистые облака построены из нитей, искривлённых или более-менее прямолинейных; их разновидности: когтевидные (в форме запятых, оканчивающихся завитками или крючками), и перепутанные (сильно искривлённые волокна). Лучи солнца, проходя через центральную наиболее плотную часть перистого облака при преломлении на ледяных кристалликах приобретают насыщенную зеленую окраску в виде облака изогнутой или закругленной формы в нижней части. Лучи, проходящие между продольными облаками и по их периметру, между тонких волокон, в совокупности с отраженными лучами образуют вертикальные лучевые ленты высотой до нескольких сот километров. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку.

Сияния, имеющие форму размытых пятен, похожих на гигантские светящиеся облака; их называют диффузными пятнами. Отдельное такое пятно имеет площадь порядка 100 км2. Как правило, пятна окрашены в белесые или красноватые тона. Образуются они на высотах около 100 км, а также на высотах 400...500 км.

Причиной такого сияния наверняка является взаимодействие лучей Солнца с серебристым облаком.

Часто встречается распространение северного сияния как бы из одной точки, находящейся на противоположной стороне от наблюдателя и расположенной ниже горизонта. Сияние постепенно расширяется и охватывает значительную площадь неба.

Мы считаем, что это объясняется прохождением солнечных лучей в районе так называемой радиации перистых облаков: кажущегося перспективного расхождения полос перистых облаков (в действительности параллельных) из некоторой точки под горизонтом.
   
Таким образом, согласно проведенному анализу литературных данных установлены основные причины многообразия вида, форм и частоты полярных сияний:

- кольцевая форма зон частоты полярного сияния вокруг Норденшёльдового пункта объясняется их расположением на поверхности теневого конуса, образующегося из-за экранирования световых лучей Землей и определяется интенсивностью и плотностью светового потока;

- форма полярного сияния определяется положением Солнца относительно горизонта, видом облаков и ледяных кристалликов в них, а также их ориентацией.

ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А.И., Кузнецов А.Р. О природе полярного сияния. //Материалы Международной научно-технической конференции «I Юбилейные чтения Бойко Ф.К.», посвященной 100-летию Бойко Ф.К. – Павлодар, 2020. – Т. 2. – С. 157 – 165.
2. ЭСБЕ. Полярные сияния. [Электронный ресурс]. – URL:  https://ru.wikisource.org/wiki. [Дата обращения 21.03.2020].
3. Кузнецов А.И. Движение и вращение планет и звезд // Материалы Международной научно-практической конференции «ХI Торайгыровские чтения». – Павлодар, 2019. – Т. 4. – С. 3 – 8.
4. Кузнецов А.И. Корпускулярно - спиральная теория света // Материалы Международной научной конференции молодых ученых, магистрантов, студентов и школьников «ХIX Сатпаевские чтения», посвященной 120-летию академика К.И. Сатпаева. – Павлодар, 2019. – Т. 21. – С. 241 – 246.
5. Livejournal Занимательная физика на пальцах: гало. [Электронный ресурс]. – URL:   https://yuritkachev.livejournal.com/9819.html.  [Дата обращения 16.12.2019].
6. Википедия. Солнечный столб. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org. [Дата обращения 21.03.2020].