ЗАГАДКА ИОНОСФЕРЫ

ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ

Реди всех явлений, которые разыгрываются в ионосфе­ре, наиболее величественными являются полярные сияния. Они происходят главным образом вблизи полю­сов Земли. У нас они наблюдаются на севере, особенно часто за полярным кругом.

«Сколько мы видели полярных сияний — подсчитать невозможно,— рассказывает известный полярный путеше­ственник Г. А. Ушаков.— Как правило, в один и тот же день, даже в одно и то же мгновение, на небе вспыхивало сразу несколько сияний, различных по форме, по окраске и по высоте, чтобы в следующее мгновение замениться другими. Они наблюдались нами весь период полярной ночи, а также весной и осенью, когда чередуются дни и ночи. В ясную погоду у нас были периоды, когда всё небо горело беспрерывно на протяжении нескольких суток «днём» и ночью. Чего только мы не насмотрелись! Каких форм сияния не видели! Здесь были и дуги — то непо­движные, то медленно сжимающиеся, то растягиваю­щееся; были и спокойные светящиеся полосы, напоминаю­щие Млечный Путь; возникали и грандиозные, торже­ственно колеблющиеся занавесы, охватывающие сразу по­ловину небосвода; вспыхивали тысячи и тысячи лучей, напоминающих по форме копья; они то загорались и гасли, то быстрыми молниями летели к какой-то одной точке около зенита, то шарили по небу, словно щупальцы про­жекторов; видели мы и неуловимые по форме световые облака и несущиеся по небу волны света. Неисчислимые, горевшие сказочным светом сияния полыхали на небе, влекли к себе взгляд».

Полярные сияния (рис. 7) издавна привлекали к себе внимание, и люди пытались узнать причину этого замеча­тельного явления.

Религиозные люди считали их «небесными знаме­ниями», предвещающими какие-нибудь бедствия. Наука же, основывающая свои заключения на всестороннем изу­чении природы, объясняет, что ничего таинственного в возникновении сияний нет. Перед нами сложное электри­ческое явление, которое разыгрывается в верхних разре­жённых слоях атмосферы.

Начало изучению полярных сияний положил М. В. Ло­моносов, детство и юность которого прошли на севере, на берегу Белого моря, где часто бывают полярные сияния. Причудливая игра света на ночном небосклоне глубоко заинтересовала юного Ломоносова. Он внимательно на­блюдал полярные сияния, наиболее интересные из них зарисовывал и описывал. Он первый правильно опреде­лил высоту сияний.

Полярные сияния повторяются наиболее часто в север­ном полушарии на линии, пересекающей Новую Землю, северную оконечность Скандинавского полуострова, юж­ную Исландию, Гренландию, Аляску и северное побережье Сибири. Здесь полярные сияния наблюдаются около 100 раз в течение года. Чем дальше на юг, тем они повто­ряются реже и проявляются слабее. В Ленинграде их ви­дят примерно пять раз, в Москве 1—2 раза в год. Иногда полярными сияниями любуются и южане. Например, в Крыму полярное сияние видели в 1938, 1940, 1941 и 1943 годах. В августе 1941 года его наблюдали в районе Алма-Аты. А северное сияние, разыгравшееся 25 января 1909 г., было заметно даже у экватора.

В определении высоты, на которой происходят поляр­ные сияния, помогает фотография. В двух пунктах, уда­лённых друг от друга на десять — пятьдесят километров, устанавливают аппараты и одновременно фотографируют сияние. Зная расстояние между пунктами и два направ­ления на одну и ту же точку неба, определяют высоту. Расчёты показали, что нижняя граница полярного сияния чаще всего находится на высоте 100—110 километров. Чем оно сильнее, тем ниже опускается. Верхняя граница сияния очень часто находится на высоте 300—350 кило­метров, реже на высоте 400—600, а иногда и 1000—1100 километров.

Интересные и весьма ценные научные результаты дают исследования спектра полярных сияний. Большую роль в развитии этого способа изучения ионосферы сы­грали академики С. И. Вавилов и В. Г. Фесенков.

Попавшие в спектроскоп световые лучи (рис. 8) рас­крывают перед учёным свою «биографию». По цветным линиям и полоскам он узнаёт, в какой среде они рож­даются. Это очень надёжные источники для определения состава и состояния ионосферы.

По спектральной картине определяют не только на­звание породившего её газа, но и узнают, в каком состоя­нии находятся атомы и молекулы — в нейтральном или ионизированном. А ширина спектральных линий и полос даёт сведения о температуре.

Оказалось, что спектр полярных сияний весьма схо­ден со спектром свечения ночного неба. А это подтверж­дает, что атмосфера нашей Земли до самых больших вы­сот состоит из кислорода и азота.

Представляло интерес выяснить, в каком виде нахо­дятся кислород и азот в верхних слоях атмосферы — в виде молекул или атомов.

Было замечено, что в спектрах полярных сияний осо­бенно ярко проступают зелёная и красная линии. Уда­лось выяснить, что эти лучи принадлежат кислороду, на­ходящемуся в виде атомов, а не молекул. Таким образом,

Зелёная и красная линии показали, что молекулы кисло­рода на большой высоте разделены на свои составляю­щие — атомы. Это подтвердило догадку о том, что солнеч­ное излучение производит не только ионизацию, но и раз­бивает молекулы на атомы. На высоте, превышающей 100 километров, весь кислород находится в таком со* стоянии.

Иную спектральную картину показал азот. В спектре сияний он даёт систему полос, а не линий. А это явный признак того, что источником излучения являются не атомы, а молекулы, то-есть азот находится там в таком же состоянии, как и у поверхности Земли. Однако в послед­нее время в спектрах полярных сияний обнаружены ли­нии, которые, по предположению учёных, создаются свече­нием атомов азота. Возможно, что молекулы азота в са­мых верхних воздушных слоях тоже распадаются на атомы.

Первое научное объяснение происхождения полярного сияния дал М. В. Ломоносов. В работе «Слово о явле­ниях воздушных, от электрической силы происходящих» (1753 год), Ломоносов дал теорию атмосферного электри­чества, которая в основном подтверждена современной наукой. Он утверждал, что полярное сияние порождается электрическими силами. Воздействуя этими силами на разрежённый воздух в небольшом стеклянном шаре, он получал свечение, похожее на полярное сияние.

Опыт Ломоносова неоднократно повторяли другие учё­ные. Они брали наглухо закрытую стеклянную трубку (рис. 9) и убеждались, что ток течёт только тогда, когда в трубке создаётся разрежение (вакуум). При обычном атмосферном давлении газа в трубке электрический ток не течёт. В чём же дело?

Ток представляет собой движение электрических заря­дов. А мы уже знаем, что молекулы газов воздуха при нормальных условиях почти все нейтральны, т. е. в этом случае в воздухе нет достаточного количества ионов и сво­бодных электронов. Поэтому при обычном атмосферном давлении воздуха в трубке электрический ток не течёт. Иная будет картина, если в ней находится разрежённый воздух. В этом случае в трубке, подключённой к источ­нику тока, может появиться большое количество электро­нов и ионизированных молекул.

Для начала ионизации в трубке достаточно самого не­значительного количества ионов и электронов. Они по­являются под влиянием излучений радиоактивных ве­ществ, под действием космических лучей и других причин.

Под действием электрических сил заряженные частицы в разрежённом воздухе трубки беспрепятственно пробе­гают сравнительно большой путь. Такие частицы, встре­тив нейтральные молекулы газа, ионизируют их. Возник­шие при этом новые заряженные частицы в свою очередь будут ионизировать встречные молекулы газа. В резуль­тате количество ионов и электронов быстро увеличивается и в трубке возникает электрический ток.

Помимо ионизации в трубке с разрежённым газом происходит и другой, не менее интересный процесс. Быстро движущиеся электроны и ионы при столкновениях с газовыми частицами приводят их в возбуждённое со­стояние, и они начинают излучать свет. При прохождении тока заключённый в трубке разрежённый газ светится.

Примерно такие же процессы происходят и в ионо­сфере во время полярных сияний. Солнечные корпускулы, влетая в земную атмосферу, вызывают ионизацию; стал­киваясь с частицами воздуха, они возбуждают их и за­ставляют светиться. Так возникает полярное сияние.

Почему сияния происходят главным образом в поляр­ных областях?

Потому, что земной шар представляет собой гигант­ский магнит, полюсы которого расположены вблизи от географических полюсов Земли — северного и южного (рис. 10). Подобно любому магниту Земля окружена маг­нитным силовым полем. В пространстве вокруг неё дейст­вуют магнитные силы. Они-то и отклоняют летящие с Солнца электроны и ионы от прямолинейного пути. В ре­зультате эти частицы попадают в полярные области.

Даже небольшое изменение магнитных сил Земли ска­зывается на движении электронов. Потоки летящих элек­тронов направляются то по одному, то по другому пути, и наблюдатель полярного сияния видит в небе быстрые перемещения световых дуг и лучей, разноцветных полос и лент.

Современная теория полярных сияний подтверждена интересным опытом. Небольшой шар, представляющий модель Земли, покрыли веществом, светящимся под уда­рами электронов, и поместили в сосуд с разрежённым га­зом. Когда на этот шар направили электронный поток, на его поверхности, обращённой к потоку, вспыхнул свет, одинаковый во всех точках.

Затем шар намагнитили и картина резко изменилась. В пространстве, окружающем шар, возникло магнитное

Поле, которое действовало на летящие заряженные ча­стицы так же, как действует на них магнитное поле Земли. Теперь электроны падали на шар не равномерно, а группировались вокруг его полюсов. Об этом убеди­тельно говорили световые кольцевые полоски, окружав­шие оба полюса.

Несмотря на то, что наука установила электрическую природу полярных сияний, многое в этом сложном явле­нии предстоит ещё выяснить. Поэтому учёные продолжают изучать полярные сияния.

Отоки материальных частиц, летящих к нам с Солн­ца, порождают ещё одно, хотя и не видимое, но не менее грандиозное явление — изменение магнитного поля Земли.

Все видели компас. Магнитная стрелка компаса пока­зывает одним концом на север, другим — на юг. Где бы мы ни оказались, она поможет определить страны света и выбрать верное направление движения.

Магнитная стрелка подчиняется действию магнитного поля Земли. Если это поле спокойно, стрелка будет стоять неподвижно, указывая направление Север — Юг. Но так бывает не всегда.

Иногда в течение нескольких часов и даже дней стрелка компаса резко отклоняется от своего нормаль­ного положения. В это время ориентироваться по компасу очень трудно, а иногда и совсем невозможно. Такое пове­дение компаса объясняется резкими изменениями магнит­ного поля Земли; эти изменения называют магнитными бурями.

В земной коре, в металлических предметах, в том числе и в проводах, под влиянием магнитных бурь воз­никают электрические токи. Изменяясь беспорядочно, они достигают такой силы, что нарушают работу телеграфа и телефона. Электрическая связь по проводам временами становится невозможной.

Установлено, что магнитные бури происходят наиболее часто и проявляются всего сильнее в полярных районах. Чем ближе к экватору, тем слабее и реже они бывают. Замечено также, что магнитные бури всегда сопровож­даются полярными сияниями. Так, например, в январе 1938 года во время интенсивного северного сияния, кото­рое было видно в Крыму и даже в Африке, разразилась сильнейшая магнитная буря, охватившая весь земной шар.

Это подтверждает, что магнитные бури и полярные сияния вызываются одной и той же причиной — вторже­нием в земную атмосферу солнечных корпускул.

Поток частиц, испускаемых Солнцем, представляет со­бой электрический ток. А ток всегда порождает в окру­жающем пространстве магнитное поле. В этом нетрудно убедиться, если магнитную стрелку поднести к проводу

Электрической цепи (рис. 11).При включении тока стрелка несколько повернётся, при выключении — опять займёт прежнее положение. Приближаясь к Земле, поток частиц создаёт сильное магнитное поле, которое накладывается на основное магнитное поле Земли, в результате чего и возникают магнитные бури.

За состоянием земного магнитного поля всё время сле­дят учёные при помощи специальных приборов — маг­нитографов, имеющих лёгкий магнитик, подвешенный на

Нити. На фотографической плёнке непрерывно регистри­руются изменения в магнитном поле, окружающем Землю (рис. 12).

В спокойные дни магнитограф вычерчивает на плёнке линию с чуть заметными зигзагами. Но как только насту­пает магнитная буря, магнитик начинает «беспокоиться», давать резкие зигзаги. Линия то круто идёт вверх, то опускается.

Магнитные бури возникают довольно часто. Так, на­пример, в Павловске (близ Ленинграда) с 1878 по 1940 год зарегистрировано 1103 магнитных бури.

Магнитные бури сопровождаются сильными измене­ниями ионосферы.

Бомбардировка верхних воздушных слоёв солнечными корпускулами приводит к тому, что ионосфера сильно прогревается. Нагретые слои начинают расширяться — происходит перемещение воздуха. Нормальное строение ионосферы изменяется, особенно в её верхней части. Слой /•'г становится неустойчивым. Этот ионосферный

Слой, а также отчасти слой разрушаются. Здесь воз­никают беспорядочно перемещающиеся ионизированные облака. Иногда слой совсем исчезает.

Ионосферные возмущения наиболее сильно и чаще всего разыгрываются в полярных районах.