Аврора - Aurora

Изображения полярных сияний со всего мира, в том числе с более редкими красными и синими огнями.
Aurora australis с МКС , 2017 г. Видео этой встречи: [2]

Северное сияние (множественное число: полярные сияния или полярные сияния ), также известное как полярное сияние, полярное сияние , северное сияние, северное сияние или южное сияние, аврора австралис , представляет собой отображение естественного света в небе Земли, которое преимущественно наблюдается в высокоширотных регионах (около арктический и антарктический ). Полярные сияния отображают динамические узоры ярких огней, которые выглядят как занавески, лучи, спирали или динамические мерцания, покрывающие все небо.

Полярные сияния являются результатом возмущений в магнитосфере, вызванных солнечным ветром . Эти возмущения изменяют траектории заряженных частиц в магнитосферной плазме. Эти частицы, в основном электроны и протоны , выпадают в верхние слои атмосферы ( термосферу / экзосферу ). В результате ионизация и возбуждение составляющих атмосферы излучают свет разного цвета и сложности. Форма полярных сияний, возникающих в полосах вокруг обеих полярных областей, также зависит от величины ускорения, сообщаемого высыпающимся частицам.

Большинство планет в Солнечной системе , некоторые естественных спутников , коричневых карликов , и даже комет также принимающих сияний.

Этимология

Слово « Аврора » происходит от имени римской богини зари Авроры , которая путешествовала с востока на запад, возвещая о приходе солнца. Древнегреческие поэты использовали это имя метафорически для обозначения рассвета, часто упоминая его игру цветов на фоне темного неба ( например , «рассвет с розовыми пальцами»).

Вхождение

Большинство полярных сияний происходит в полосе, известной как "зона полярных сияний", которая обычно имеет ширину от 3 ° до 6 ° по широте и от 10 ° до 20 ° от геомагнитных полюсов в любое местное время (или долготу), наиболее четко видимая ночью. на фоне темного неба. Область, в которой в настоящее время отображается полярное сияние, называется «авроральным овалом» - полосой, смещенной солнечным ветром в сторону ночной стороны Земли. Ранние доказательства геомагнитной связи получены из статистики наблюдений за полярными сияниями. Элиас Лумис (1860 г.), а позднее Герман Фриц (1881 г.) и Софус Тромхольт (1881 г.) более подробно установили, что полярное сияние появлялось в основном в зоне полярных сияний.

В северных широтах эффект известен как северное сияние или северное сияние. Первый термин был придуман Галилеем в 1619 году от римской богини зари и греческого названия северного ветра. Южный аналог, северное сияние или южное сияние, имеет черты, почти идентичные северному сиянию, и изменяется одновременно с изменениями в северной авроральной зоне. Северное сияние видно из высоких южных широт Антарктиды , Чили , Аргентины , Южной Африки , Новой Зеландии и Австралии . Северное сияние видно из-за близости к центру Северного полярного круга, таким как Аляска , Канада , Исландия , Гренландия , Норвегия , Швеция и Финляндия .

Геомагнитная буря вызывает авроральные овалы (север и юг) расширяться, в результате чего полярные сияния на более низких широтах. Мгновенное распределение полярных сияний («авроральный овал») немного отличается, поскольку его центр находится примерно на 3–5 ° в ночное время от магнитного полюса, так что дуги сияний достигают наибольшего расстояния к экватору, когда рассматриваемый магнитный полюс находится между наблюдателем и магнитным полюсом. Солнце . Полярное сияние лучше всего видно в это время, которое называется магнитной полночью .

Полярные сияния, наблюдаемые в овале полярных сияний, могут быть прямо над головой, но издалека они освещают горизонт, направленный к полюсу, зеленоватым светом, а иногда и тускло-красным, как если бы Солнце поднималось с необычного направления. Полярные сияния также возникают к полюсу от зоны полярных сияний в виде диффузных пятен или дуг, которые могут быть субвизуальными.

Видео северного сияния, сделанное экипажем 28-й экспедиции на борту Международной космической станции
Эта последовательность снимков была сделана 17 сентября 2011 года с 17:22:27 до 17:45:12 по Гринвичу
на восходящем перевале с юга Мадагаскара на север Австралии над Индийским океаном.
Эта последовательность снимков была сделана 7 сентября 2011 года с 17:38:03 до 17:49:15 по Гринвичу,
от южных и антарктических земель Франции в южной части Индийского океана до южной части Австралии.
Эта последовательность снимков была сделана 11 сентября 2011 года с 13:45:06 до 14:01:51 по Гринвичу, с нисходящего перевала недалеко от восточной Австралии, с округлением до восходящего перевала к востоку от Новой Зеландии.
Карты NOAA Северной Америки и Евразии
КП карта Северной Америки
Северная Америка
КП карта Евразии
Евразия
На этих картах показана местная полуночная экваториальная граница полярного сияния на разных уровнях геомагнитной активности. Kp = 3 соответствует низкому уровню геомагнитной активности, в то время как Кр = 9 представляет высокие уровни.

Иногда полярные сияния наблюдаются на широтах ниже зоны полярных сияний, когда геомагнитная буря временно увеличивает овал полярных сияний. Сильные геомагнитные бури чаще всего случаются во время пика 11-летнего цикла солнечных пятен или в течение трех лет после пика. Электрон вращается по спирали (вращается) вокруг силовой линии под углом, который определяется его векторами скорости, параллельными и перпендикулярными, соответственно, локальному вектору геомагнитного поля B. Этот угол известен как «питч-угол» частицы. Расстояние или радиус электрона от силовой линии в любой момент времени называется его ларморовским радиусом. Угол наклона увеличивается по мере того, как электрон перемещается в область с большей напряженностью поля, ближе к атмосфере. Таким образом, некоторые частицы могут вернуться или отразиться, если перед входом в атмосферу угол станет равным 90 °, чтобы столкнуться с более плотными молекулами там. Другие частицы, которые не являются зеркальными, входят в атмосферу и вносят свой вклад в отображение полярных сияний на разных высотах. Другие типы полярных сияний наблюдались из космоса; например, «полярные дуги», простирающиеся к Солнцу через полярную шапку, связанные с ними «тета-сияния» и «дневные дуги» около полудня. Это относительно нечасто и плохо понимается. Происходят и другие интересные эффекты, такие как мерцающее полярное сияние, «черное сияние» и субвизуальные красные дуги. Вдобавок ко всему этому, вокруг двух полярных куспидов наблюдается слабое свечение (часто темно-красное), силовые линии отделяют те, которые проходят через Землю, от тех, которые уносятся в хвост и закрываются на расстоянии.

Изображений

Видео северного сияния с Международной космической станции

Ранние работы по построению изображений полярных сияний были выполнены в 1949 году Университетом Саскачевана с использованием радара SCR-270 . Высоты, на которых происходят полярные сияния, были обнаружены Карлом Стёрмером и его коллегами, которые использовали камеры для триангуляции более 12000 полярных сияний. Они обнаружили, что большая часть света излучается на высоте от 90 до 150 км над землей, а иногда распространяется и на более чем 1000 км.

Формы

Согласно Кларку (2007), есть четыре основных формы, которые можно увидеть с земли, от наименее заметных до наиболее заметных:

Различные формы
  • Мягкое свечение у горизонта. Они могут быть близки к пределу видимости, но их можно отличить от залитых лунным светом облаков, потому что звезды можно увидеть не уменьшенными через свечение.
  • Пятна или поверхности , похожие на облака.
  • Дуги изгибаются по небу .
  • Лучи представляют собой светлые и темные полосы, пересекающие дуги, разной степени доходящие вверх.
  • Короны покрывают большую часть неба и расходятся в одной точке на нем.

Брекке (1994) также описал некоторые полярные сияния как занавески . Сходство со шторами часто усиливается складками внутри дуг. Дуги могут фрагментироваться или распадаться на отдельные, временами быстро меняющиеся, часто с лучами части, которые могут заполнять все небо. Они также известны как дискретные полярные сияния , которые иногда достаточно ярки, чтобы читать газету ночью.

Эти формы согласуются с полярными сияниями, формируемыми магнитным полем Земли. Внешний вид дуг, лучей, штор и корон определяется формой светящихся частей атмосферы и положением зрителя .

Цвета и длины волн аврорального света

  • Красный: на самых больших высотах возбужденный атомарный кислород излучает на длине волны 630 нм (красный); низкая концентрация атомов и меньшая чувствительность глаз к этой длине волны делают этот цвет видимым только при более интенсивной солнечной активности. Низкое количество атомов кислорода и их постепенно уменьшающаяся концентрация обуславливают тусклый вид верхних частей «занавесок». Алый, малиновый и карминный - наиболее часто встречающиеся оттенки красного для полярных сияний.
  • Зеленый: на более низких высотах более частые столкновения подавляют режим 630 нм (красный): преобладает излучение 557,7 нм (зеленый). Достаточно высокая концентрация атомарного кислорода и более высокая чувствительность глаза к зеленому цвету делают зеленые полярные сияния наиболее распространенными. Возбужденный молекулярный азот (атомарный азот встречается редко из-за высокой стабильности молекулы N 2 ) играет здесь роль, поскольку он может передавать энергию при столкновении с атомом кислорода, который затем излучает ее на зеленой длине волны. (Красный и зеленый также могут смешиваться вместе, давая розовые или желтые оттенки.) Быстрое уменьшение концентрации атомарного кислорода ниже примерно 100 км является причиной резкого края нижних краев завес. Обе длины волны 557,7 и 630,0 нм соответствуют запрещенным переходам атомарного кислорода, медленному механизму, отвечающему за постепенность (0,7 с и 107 с соответственно) вспышки и затухания.
  • Синий: на еще более низких высотах атомарный кислород встречается редко, а молекулярный азот и ионизированный молекулярный азот берут верх в производстве видимого светового излучения, излучающего на большом количестве длин волн как в красной, так и в синей частях спектра, с длиной волны 428 нм (синий). быть доминирующим. Синие и пурпурные выбросы, обычно на нижних краях «занавесок», проявляются при самых высоких уровнях солнечной активности. Переходы молекулярного азота происходят намного быстрее, чем переходы атомарного кислорода.
  • Ультрафиолет: Ультрафиолетовое излучение полярных сияний (в пределах оптического окна, но не видимое практически для всех людей) наблюдалось с помощью необходимого оборудования. Ультрафиолетовые сияния наблюдались также на Марсе, Юпитере и Сатурне.
  • Инфракрасное излучение: инфракрасное излучение с длинами волн, которые находятся в пределах оптического окна, также является частью многих полярных сияний.
  • Желтый и розовый - это смесь красного и зеленого или синего. В редких случаях можно увидеть другие оттенки красного, а также оранжевый; желто-зеленый встречается умеренно. Поскольку красный, зеленый и синий являются основными цветами аддитивного синтеза цветов, теоретически возможен практически любой цвет, но упомянутые в этой статье составляют практически исчерпывающий список.

Изменения со временем

Полярные сияния со временем меняются. За ночь они начинают светиться и продвигаются к коронам, хотя могут и не дотянуться до них. Они имеют тенденцию исчезать в обратном порядке.

На более коротких временных масштабах полярные сияния могут изменять свой внешний вид и интенсивность, иногда так медленно, что их трудно заметить, а иногда быстро до субсекундной шкалы. Явление пульсирующих полярных сияний является примером изменений интенсивности в течение коротких промежутков времени, обычно с периодами 2–20 секунд. Этот тип полярного сияния обычно сопровождается уменьшением пиковых высот выбросов примерно на 8 км для синих и зеленых выбросов и скорости солнечного ветра выше средней (~ 500 км / с).

Другое авроральное излучение

Кроме того, полярное сияние и связанные с ним токи производят сильное радиоизлучение около 150 кГц, известное как авроральное километровое излучение (AKR), обнаруженное в 1972 году. Ионосферное поглощение делает AKR наблюдаемым только из космоса. Также было обнаружено рентгеновское излучение, исходящее от частиц, связанных с полярными сияниями.

Шум

Шум северного сияния , похожий на треск, начинается примерно на 70 м (230 футов) над поверхностью Земли и вызывается заряженными частицами в инверсионном слое атмосферы, образовавшимся в течение холодной ночи. Заряженные частицы разряжаются, когда частицы от Солнца попадают в инверсионный слой, создавая шум.

Необычные типы

СТИВ

В 2016 году более пятидесяти гражданских научных наблюдений описали неизвестный для них тип полярного сияния, который они назвали « СТИВ » за «сильное увеличение скорости теплового излучения». СТИВ - не полярное сияние, а вызвано полосой горячей плазмы шириной 25 км (16 миль) на высоте 450 км (280 миль), с температурой 6000 К (5730 ° C; 10340 ° F) и текущей при скорость 6 км / с (3,7 миль / с) (по сравнению с 10 м / с (33 фута / с) вне ленты).

Штакетник Аврора

Процессы, вызывающие СТИВА, также связаны с полярным сиянием из штакетника, хотя последнее можно увидеть и без СТИВА. Это полярное сияние, потому что оно вызвано высыпанием электронов в атмосферу, но оно появляется за пределами аврорального овала, ближе к экватору, чем типичные полярные сияния. Когда появляется северное сияние из штакетника со СТИВОМ, оно находится внизу.

Дюна Аврора

Впервые сообщалось в 2020 году и подтверждено в 2021 году, феномен полярного сияния на дюнах был обнаружен финскими учеными . Он состоит из равномерно расположенных параллельных полос более яркого излучения в зеленом диффузном сиянии, которые создают впечатление песчаных дюн. Считается, что это явление вызвано модуляцией плотности атомарного кислорода крупномасштабной атмосферной волной, распространяющейся горизонтально в волноводе через инверсионный слой в мезосфере в присутствии высыпания электронов .

Причины

Полное понимание физических процессов, которые приводят к различным типам полярных сияний, все еще неполно, но основная причина заключается во взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли . Различная интенсивность солнечного ветра вызывает эффекты разной величины, но включает один или несколько из следующих физических сценариев.

  1. Спокойный солнечный ветер, протекающий мимо магнитосферы Земли, постоянно взаимодействует с ней и может как инжектировать частицы солнечного ветра непосредственно на линии геомагнитного поля, которые являются «открытыми», а не «закрытыми» в противоположном полушарии, так и обеспечивать диффузию через головную ударную волну. . Это также может вызвать попадание в атмосферу частиц, уже захваченных радиационными поясами . Как только частицы попадают в атмосферу из радиационных поясов, в спокойных условиях, новые частицы заменяют их очень медленно, и конус потерь истощается. Однако в хвосте магнитосферы кажется, что траектории частиц постоянно перетасовываются, вероятно, когда частицы пересекают очень слабое магнитное поле вблизи экватора. В результате поток электронов в этой области почти одинаков во всех направлениях («изотропный») и обеспечивает постоянную подачу протекающих электронов. Утечка электронов не оставляет положительно заряженного хвоста, потому что каждый утекший электрон, потерянный в атмосферу, заменяется электроном с низкой энергией, тянущимся вверх из ионосферы . Такая замена «горячих» электронов «холодными» полностью соответствует второму закону термодинамики . Полный процесс, который также генерирует электрический кольцевой ток вокруг Земли, неизвестен.
  2. Геомагнитное возмущение от усиленного солнечного ветра вызывает искажения хвоста магнитосферы («магнитные суббури»). Эти «суббури», как правило, возникают после продолжительных периодов (порядка нескольких часов), в течение которых межпланетное магнитное поле имело заметную южную составляющую. Это приводит к более высокому уровню взаимосвязи между его силовыми линиями и силовыми линиями Земли. В результате солнечный ветер перемещает магнитный поток (трубки силовых линий магнитного поля, «запертые» вместе с их резидентной плазмой) от дневной стороны Земли к хвосту магнитосферы, расширяя препятствие, которое он представляет потоку солнечного ветра, и сужая хвост. на ночной стороне. В конечном итоге часть плазмы хвоста может отделиться (« магнитное пересоединение »); некоторые капли (« плазмоиды ») сжимаются вниз по потоку и уносятся солнечным ветром; другие прижимаются к Земле, где их движение вызывает сильные вспышки полярных сияний, в основном около полуночи («процесс разгрузки»). Геомагнитная буря, возникающая в результате большего взаимодействия, добавляет гораздо больше частиц в плазму, захваченную вокруг Земли, также вызывая усиление «кольцевого тока». Иногда результирующая модификация магнитного поля Земли может быть настолько сильной, что вызывает полярные сияния, видимые на средних широтах, на силовых линиях, намного ближе к экватору, чем в зоне полярных сияний.
    Луна и Аврора
  3. Ускорение авроральных заряженных частиц неизменно сопровождает возмущение магнитосферы, вызывающее полярное сияние. Этот механизм, который, как полагают, в основном возникает из-за сильных электрических полей вдоль магнитного поля или взаимодействий волна-частица, увеличивает скорость частицы в направлении ведущего магнитного поля. Таким образом, угол тангажа уменьшается и увеличивается вероятность его выпадения в атмосферу. Как электромагнитные, так и электростатические волны, возникающие во время сильных геомагнитных возмущений, вносят значительный вклад в процессы возбуждения, поддерживающие полярное сияние. Ускорение частиц представляет собой сложный промежуточный процесс для косвенной передачи энергии солнечного ветра в атмосферу.
Северное сияние (11 сентября 2005 г.), снятое спутником НАСА IMAGE , цифровое наложение на составное изображение Голубого мрамора . Также доступна анимация, созданная с использованием тех же спутниковых данных.

Детали этих явлений до конца не изучены. Однако ясно, что основным источником авроральных частиц является солнечный ветер, питающий магнитосферу, резервуар, содержащий зоны излучения и временно захваченные магнитными ловушками частицы, удерживаемые геомагнитным полем, в сочетании с процессами ускорения частиц.

Авроральные частицы

Непосредственная причина ионизации и возбуждения составляющих атмосферы, приводящих к полярным сияниям, была обнаружена в 1960 году, когда первый полет ракеты из форта Черчилль в Канаде показал поток электронов, поступающих в атмосферу сверху. С тех пор многие исследовательские группы, использующие ракеты и спутники для пересечения авроральной зоны, кропотливо и со стабильно улучшающимся разрешением, начиная с 1960-х годов, получили обширную коллекцию измерений. Основные выводы заключаются в том, что дуги полярных сияний и другие яркие формы возникают из-за электронов, которые были ускорены в течение последних нескольких 10 000 км или около того их погружения в атмосферу. Эти электроны часто, но не всегда, демонстрируют пик в своем распределении энергии и предпочтительно выровнены вдоль локального направления магнитного поля.

Электроны, в основном ответственные за диффузные и пульсирующие полярные сияния, напротив, имеют плавно падающее распределение энергии и угловое (питч-угол) распределение, благоприятствующее направлениям, перпендикулярным местному магнитному полю. Было обнаружено, что пульсации возникают в экваториальной точке пересечения силовых линий магнитного поля авроральной зоны или вблизи нее. Протоны также связаны с полярными сияниями, как дискретными, так и диффузными.

Атмосфера

Полярные сияния возникают в результате излучения фотонов в верхних слоях атмосферы Земли на высоте более 80 км (50 миль), когда ионизированные атомы азота возвращают электрон, а атомы кислорода и молекулы на основе азота возвращаются из возбужденного состояния в основное состояние . Они ионизируются или возбуждаются столкновением частиц, выпавших в атмосферу. Могут быть задействованы как входящие электроны, так и протоны. Энергия возбуждения теряется в атмосфере из-за испускания фотона или столкновения с другим атомом или молекулой:

Выбросы кислорода
зеленый или оранжево-красный, в зависимости от количества поглощенной энергии.
Азотные выбросы
синий, фиолетовый или красный; синий и фиолетовый, если молекула восстанавливает электрон после ионизации, красный, если она возвращается в основное состояние из возбужденного состояния.

Кислород необычен с точки зрения его возвращения в основное состояние: может потребоваться 0,7 секунды для излучения зеленого света 557,7 нм и до двух минут для излучения красного 630,0 нм. Столкновения с другими атомами или молекулами поглощают энергию возбуждения и предотвращают излучение, этот процесс называется столкновительным тушением . Поскольку самые высокие части атмосферы содержат более высокий процент кислорода и более низкую плотность частиц, такие столкновения достаточно редки, чтобы дать кислороду время испустить красный свет. Столкновения становятся более частыми, распространяясь вниз в атмосферу из-за увеличения плотности, так что красные выбросы не успевают произойти, и в конечном итоге предотвращается даже излучение зеленого света.

Вот почему существует разница в цвете с высотой; на больших высотах преобладает красный кислород, затем кислородный зеленый и азотный синий / пурпурный / красный, а затем, наконец, азотный синий / фиолетовый / красный, когда столкновения не позволяют кислороду что-либо испускать. Зеленый - самый распространенный цвет. Затем идет розовый, смесь светло-зеленого и красного, затем чистый красный, затем желтый (смесь красного и зеленого) и, наконец, чистый синий.

Осажденные протоны обычно производят оптическое излучение как падающие атомы водорода после получения электронов из атмосферы. Протонные сияния обычно наблюдаются на более низких широтах.

Ионосфера

Яркие полярные сияния обычно связаны с течениями Биркеланда (Schield et al., 1969; Zmuda, Armstrong, 1973), которые текут в ионосферу с одной стороны полюса и выходят с другой. Между ними часть тока проходит напрямую через слой E ионосферы (125 км); остальная часть («область 2») объезжает, снова уходя через силовые линии ближе к экватору и замыкаясь за счет «частичного кольцевого тока», переносимого магнитно захваченной плазмой. Ионосфера является омическим проводником , поэтому некоторые считают, что для таких токов требуется управляющее напряжение, которое может обеспечить динамо-механизм, который еще не определен. Зонды электрического поля на орбите над полярной шапкой показывают напряжения порядка 40 000 вольт, повышающиеся до более чем 200 000 вольт во время интенсивных магнитных бурь. В другой интерпретации токи являются прямым результатом ускорения электронов в атмосферу за счет взаимодействия волны и частицы.

Сопротивление ионосферы имеет сложную природу и приводит к вторичному течению холловского тока . По странному повороту физики магнитное возмущение на земле, вызванное основным током, почти нейтрализуется, поэтому большая часть наблюдаемого эффекта полярных сияний возникает из-за вторичного тока, аврорального электроджета . Индекс полярных сияний (измеряемый в нанотеслах) регулярно выводится из наземных данных и служит общей мерой авроральной активности. Кристиан Биркеланд пришел к выводу, что токи текли в направлении восток-запад вдоль дуги полярных сияний, и такие токи, текущие с дневной стороны к (примерно) полуночи, позже были названы «авроральными электроджетами» (см. Также токи Биркеланда ).

Взаимодействие солнечного ветра с Землей

Земля постоянно погружена в солнечный ветер , поток намагниченной горячей плазмы (газ свободных электронов и положительных ионов), излучаемый Солнцем во всех направлениях, в результате двухмиллионной температуры внешнего слоя Солнца, т.е. корона . Солнечный ветер достигает Земли со скоростью, как правило, около 400 км / с, плотностью около 5 ионов / см 3 и напряженностью магнитного поля около 2–5 нТл (для сравнения, поле поверхности Земли обычно составляет 30 000–50 000 нТл). В частности, во время магнитных бурь потоки могут быть в несколько раз быстрее; межпланетное магнитное поле (МФМ) , также может быть гораздо сильнее. Джоан Фейнман в 1970-х годах пришла к выводу, что долгосрочные средние значения скорости солнечного ветра коррелируют с геомагнитной активностью. Ее работа была основана на данных, собранных космическим кораблем Explorer 33 .

Солнечный ветер и магнитосфера состоят из плазмы (ионизированного газа), которая проводит электричество. Хорошо известно (так как Майкл Фарадей работа «ы вокруг 1830) , что , когда электрический проводник находится в магнитном поле , а относительное движение происходит в направлении , которое режет проводник по всей (или вырезать с помощью ), а не вдоль , линий магнитного поля в проводнике индуцируется электрический ток. Сила тока зависит от а) скорости относительного движения, б) силы магнитного поля, в) количества проводников, соединенных вместе и г) расстояния между проводником и магнитным полем, в то время как направление потока зависит от направления относительного движения. В динамо-машинах используется этот основной процесс (« эффект динамо »), на все проводники, твердые или иные, включая плазму и другие жидкости.

ММП возникает на Солнце, связанном с пятнами , и его силовые линии (силовые линии) растягиваются солнечным ветром. Одно это могло бы выстроить их в линию в направлении Солнце-Земля, но вращение Солнца наклоняет их к Земле примерно на 45 градусов, образуя спираль в плоскости эклиптики, известную как спираль Паркера . Поэтому силовые линии, проходящие через Землю, обычно в любое время связаны с линиями вблизи западного края («лимба») видимого Солнца.

Солнечный ветер и магнитосфера, будучи двумя электрически проводящими жидкостями, находящимися в относительном движении, в принципе должны иметь возможность генерировать электрические токи за счет действия динамо и передавать энергию из потока солнечного ветра. Однако этому процессу мешает тот факт, что плазма легко проводит вдоль силовых линий магнитного поля, но менее легко перпендикулярно им. Энергия более эффективно передается за счет временной магнитной связи между силовыми линиями солнечного ветра и магнитосферы. Неудивительно, что этот процесс известен как магнитное пересоединение . Как уже упоминалось, это происходит наиболее легко, когда межпланетное поле направлено на юг, в направлении, аналогичном геомагнитному полю во внутренних областях как северного магнитного полюса, так и южного магнитного полюса .

Полярные сияния более часты и ярче во время интенсивной фазы солнечного цикла, когда выбросы корональной массы увеличивают интенсивность солнечного ветра.

Магнитосфера

Земли магнитосфера формируется под воздействием солнечного ветра на магнитное поле Земли. Это создает препятствие для потока, отклоняя его на среднем расстоянии около 70 000 км (11 радиусов Земли или Re), создавая головную ударную волну от 12 000 км до 15 000 км (от 1,9 до 2,4 Re) выше по течению. Ширина магнитосферы вдоль Земли обычно составляет 190 000 км (30 Re), а на ночной стороне длинный «хвост магнитосферы» из вытянутых силовых линий простирается на большие расстояния (> 200 Re).

Магнитосфера высоких широт заполняется плазмой, когда солнечный ветер проходит над Землей. Поток плазмы в магнитосферу увеличивается с дополнительной турбулентностью, плотностью и скоростью солнечного ветра. Этому потоку способствует южный компонент ММП, который затем может напрямую соединяться с силовыми линиями высокоширотного геомагнитного поля. Картина потока магнитосферной плазмы в основном идет от хвоста магнитосферы к Земле, вокруг Земли и обратно в солнечный ветер через магнитопаузу на дневной стороне. В дополнение к движению перпендикулярно магнитному полю Земли, некоторая магнитосферная плазма движется вниз вдоль силовых линий магнитного поля Земли, приобретает дополнительную энергию и теряет ее в атмосфере в зонах полярных сияний. Куспиды магнитосферы, отделяющие силовые линии геомагнитного поля, проходящие через Землю, от тех, которые закрываются на расстоянии, позволяют небольшому количеству солнечного ветра напрямую достигать верхних слоев атмосферы, создавая авроральное свечение.

26 февраля 2008 г. зонды THEMIS впервые смогли определить триггерное событие для начала магнитосферных суббурь . Два из пяти зондов, расположенные примерно на одной трети расстояния от Луны, измерили события, предполагающие событие магнитного пересоединения за 96 секунд до усиления полярных сияний.

Геомагнитные бури , вызывающие полярные сияния, могут происходить чаще в месяцы, близкие к равноденствиям . Это не совсем понятно, но геомагнитные бури могут меняться в зависимости от времен года на Земле. Следует учитывать два фактора: наклон оси Солнца и оси Земли к плоскости эклиптики. Когда Земля вращается по орбите в течение года, она испытывает межпланетное магнитное поле (ММП) с разных широт Солнца, которое наклонено на 8 градусов. Точно так же наклон оси Земли на 23 градуса, вокруг которой вращается геомагнитный полюс с суточным ходом, изменяет среднесуточный угол, который геомагнитное поле представляет падающему ММП в течение года. Сочетание этих факторов может привести к незначительным циклическим изменениям в деталях, которыми ММП связывает магнитосферу. В свою очередь, это влияет на среднюю вероятность открытия двери, через которую энергия солнечного ветра может достигать внутренней магнитосферы Земли и тем самым усиливать полярные сияния. Последние данные, полученные в 2021 году, показали, что отдельные отдельные суббури на самом деле могут быть взаимосвязанными сетевыми сообществами.

Ускорение авроральных частиц

Подобно тому, как существует много типов полярных сияний, существует множество различных механизмов, которые ускоряют авроральные частицы в атмосферу. Электронное сияние в авроральной зоне Земли (то есть обычно видимое сияние) можно разделить на две основные категории с различными непосредственными причинами: диффузное и дискретное сияние. Рассеянное сияние кажется наблюдателю на земле относительно бесструктурным, с нечеткими краями и аморфными формами. Дискретные полярные сияния структурированы в отдельные элементы с четко определенными краями, такими как дуги, лучи и короны; они также имеют тенденцию быть намного ярче диффузного полярного сияния.

В обоих случаях электроны, которые в конечном итоге вызывают полярное сияние, начинаются как электроны, захваченные магнитным полем в магнитосфере Земли . Эти захваченные частицы отскакивают назад и вперед вдоль силовых линий магнитного поля, и магнитное зеркало предотвращает их попадание в атмосферу из- за увеличения напряженности магнитного поля ближе к Земле. Способность магнитного зеркала улавливать частицу зависит от угла наклона частицы : угла между ее направлением движения и локальным магнитным полем. Полярное сияние создается процессами, которые уменьшают питч-угол многих отдельных электронов, освобождая их из магнитной ловушки и заставляя их удариться в атмосферу.

В случае диффузных сияний питч-углы электронов изменяются из-за их взаимодействия с различными плазменными волнами . Каждое взаимодействие - это, по сути, рассеяние волны-частицы ; энергия электрона после взаимодействия с волной аналогична его энергии до взаимодействия, но направление движения изменяется. Если окончательное направление движения после рассеяния близко к силовой линии (в частности, если оно попадает в конус потерь ), то электрон ударится в атмосферу. Диффузные полярные сияния вызваны коллективным действием множества таких рассеянных электронов, попадающих в атмосферу. Этот процесс опосредуется плазменными волнами, которые усиливаются в периоды высокой геомагнитной активности , что приводит к усилению диффузных полярных сияний в эти периоды.

В случае дискретных сияний захваченные электроны ускоряются к Земле электрическими полями, которые формируются на высоте около 4000–12000 км в «области аврорального ускорения». Электрические поля направлены от Земли (то есть вверх) вдоль силовой линии магнитного поля. Электроны, движущиеся вниз через эти поля, приобретают значительное количество энергии (порядка нескольких кэВ ) в направлении вдоль силовой линии магнитного поля к Земле. Это продольное ускорение уменьшает питч-угол для всех электронов, проходящих через область, в результате чего многие из них попадают в верхние слои атмосферы. В отличие от процесса рассеяния, приводящего к диффузным сияниям, электрическое поле увеличивает кинетическую энергию всех электронов, проходящих вниз через область ускорения, на ту же величину. Это ускоряет электроны, начиная с магнитосферы с изначально низкими энергиями (10 эВ или меньше), до энергий, необходимых для создания полярного сияния (100 эВ или больше), позволяя этому крупному источнику частиц вносить свой вклад в создание аврорального света.

Ускоренные электроны переносят электрический ток вдоль силовых линий магнитного поля ( ток Биркеланда ). Поскольку электрическое поле направлено в том же направлении, что и ток, происходит чистое преобразование электромагнитной энергии в энергию частиц в области аврорального ускорения ( электрическая нагрузка ). Энергия для питания этой нагрузки в конечном итоге обеспечивается намагниченным солнечным ветром, обтекающим препятствие магнитного поля Земли, хотя то, как именно эта энергия течет через магнитосферу, все еще является активной областью исследований. Хотя энергия, приводящая в действие полярное сияние, в конечном итоге происходит от солнечного ветра, сами электроны не перемещаются напрямую из солнечного ветра в авроральную зону Земли; Силовые линии магнитного поля из этих областей не связаны с солнечным ветром, поэтому нет прямого доступа для электронов солнечного ветра.

Некоторые полярные сияния также создаются электронами, ускоренными альфвеновскими волнами . На малых длинах волн (сравнимых с инерционной длиной электрона или гирорадиусом ионов ) альфвеновские волны создают значительное электрическое поле, параллельное фоновому магнитному полю; это может ускорить электроны из-за процесса затухания Ландау . Если электроны имеют скорость, близкую к фазовой скорости волны, они ускоряются аналогично тому, как серфер ловит океанскую волну. Это постоянно меняющееся волновое электрическое поле может ускорять электроны вдоль силовой линии, в результате чего некоторые из них попадают в атмосферу. Электроны, ускоренные этим механизмом, имеют тенденцию иметь широкий энергетический спектр, в отличие от резко пикового энергетического спектра, типичного для электронов, ускоренных квазистатическими электрическими полями.

Помимо дискретных и диффузных электронных сияний, протонное сияние возникает, когда протоны магнитосферы сталкиваются с верхними слоями атмосферы. При взаимодействии протон приобретает электрон, и образующийся нейтральный атом водорода излучает фотоны. Получающийся свет слишком тусклый, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом. Другие полярные сияния, не затронутые вышеупомянутым обсуждением, включают трансполярные дуги (сформированные к полюсу зоны полярных сияний), куспид северного сияния (сформированный в двух небольших высокоширотных областях на дневной стороне) и некоторые внеземные сияния.

Исторически значимые события

Обнаружение в 2017 году японского дневника 1770 года, изображающего полярные сияния над древней японской столицей Киото, предполагает, что шторм мог быть на 7% больше, чем событие Кэррингтона , затронувшее телеграфные сети.

Однако полярные сияния, возникшие в результате « великой геомагнитной бури » 28 августа и 2 сентября 1859 года, считаются самыми зрелищными в новейшей зарегистрированной истории. В докладе Королевскому обществу от 21 ноября 1861 года Бальфур Стюарт описал оба полярных сияния, задокументированных самозаписывающимся магнитографом в обсерватории Кью, и установил связь между авроральной бурей 2 сентября 1859 года и вспышкой Кэррингтона- Ходжсона, когда он заметил, что «невозможно предположить, что в данном случае наше светило было взято с места преступления ». Второе авроральное событие, которое произошло 2 сентября 1859 года в результате исключительно интенсивной солнечной вспышки белого света Кэррингтона – Ходжсона 1 сентября 1859 года, вызвало полярные сияния, настолько широко распространенные и необычайно яркие, что они были замечены и отражены в опубликованных научных измерениях. судовые журналы и газеты в США, Европе, Японии и Австралии. Об этом сообщает The New York Times , что в Бостоне в пятницу 2 сентября 1859 г. Авроры был «настолько гениальным , что примерно в 1:00 обычная печать может быть прочитана светом». В пятницу, 2 сентября, в час ночи по восточному стандартному времени было бы 6:00 по Гринвичу; Самозаписывающий магнитограф в обсерватории Кью регистрировал геомагнитную бурю , длившейся один час, во всей ее интенсивности. Между 1859 и 1862 годами Элиас Лумис опубликовал серию из девяти статей о Великой выставке полярных сияний 1859 года в American Journal of Science, где он собрал всемирные отчеты об авроральном событии.

Считается, что это полярное сияние было вызвано одним из самых интенсивных выбросов корональной массы в истории. Он примечателен еще и тем, что впервые однозначно увязаны явления авроральной активности и электричества. Это понимание стало возможным не только благодаря научным измерениям на магнитометрах того времени, но и в результате того, что значительная часть из 125 000 миль (201 000 км) телеграфных линий, которые тогда работали, были значительно нарушены в течение многих часов во время шторма. Однако некоторые телеграфные линии, по-видимому, имели подходящую длину и ориентацию для создания достаточного геомагнитно-индуцированного тока из электромагнитного поля, чтобы обеспечить непрерывную связь с отключенными источниками питания телеграфного оператора. Следующий разговор произошел между двумя операторами Американской телеграфной линии между Бостоном и Портлендом, штат Мэн , в ночь на 2 сентября 1859 года, о чем сообщалось в Boston Traveler :

Бостонский оператор (оператору из Портленда): «Пожалуйста, полностью отключите аккумулятор [источник питания] на пятнадцать минут».
Оператор Портленда: «Сделаю так. Теперь он отключен».
Бостон: «Моя отключена, и мы работаем с авроральным течением. Как вы получаете мое письмо?»
Портленд: «Лучше, чем с включенными батареями. - Ток приходит и уходит постепенно».
Бостон: «Мой ток временами очень сильный, и мы можем лучше работать без батарей, поскольку северное сияние, кажется, поочерёдно нейтрализует и усиливает наши батареи, делая ток иногда слишком сильным для наших релейных магнитов. Предположим, мы работаем без батарей, пока мы затронуты этой проблемой ".
Портленд: «Хорошо. Могу я продолжить работу?»
Бостон: «Да. Вперед».

Разговор продолжался около двух часов, при этом батарея не использовалась вообще и работала исключительно с током, вызванным полярным сиянием, и было сказано, что это был первый случай записи, когда таким образом передавалось более одного или двух слов. . Такие события привели к общему выводу, что

Воздействие полярных сияний на электрический телеграф обычно заключается в увеличении или уменьшении электрического тока, генерируемого при работе с проводами. Иногда он полностью нейтрализует их, так что, по сути, в них невозможно обнаружить никакой жидкости [тока]. Северное сияние, кажется, состоит из массы электрической материи, во всех отношениях напоминающей то, что генерируется гальванической батареей. От него меняются токи, идущие по проводам, а затем исчезают, масса полярного сияния катится от горизонта к зениту.

Исторические виды и фольклор

Полярное сияние было описано греческим исследователем Питеем в 4 веке до нашей эры. Сенека писал о полярных сияниях в первой книге своих Naturales Quaestiones , классифицируя их, например, как pithaei («бочкообразные»); chasmata («пропасть»); pogoniae («бородатый»); cyparissae («как кипарисы ») и описывая их многообразие цветов. Он писал о том, находятся ли они над облаками или под ними , и напомнил, что при Тиберии над портовым городом Остия сформировалось сияние, которое было настолько интенсивным и красным, что когорта армии, находившейся поблизости для пожарной службы, скакала на помощь. . Было высказано предположение , что Плиния Старшего изобразил северное сияние в его естественной истории , когда он обращается к trabes , Чашма «падающих красных огня» и «дневной свет в ночное время ».

История Китая имеет богатые и, возможно, самые старые записи о северном сиянии. Осенью около 2000 года до нашей эры, согласно легенде, молодая женщина по имени Фубао сидела одна в пустыне у залива, когда внезапно появилась «волшебная полоса света», похожая на «движущиеся облака и текущую воду», превратившись в яркий ореол вокруг Большой Медведицы , который каскадом излучал бледный серебряный блеск, освещая землю и заставляя формы и тени казаться живыми. Под влиянием этого зрелища Фубао забеременела и родила сына, императора Сюаньюань , известного как основоположник китайской культуры и прародитель всего китайского народа. В Шанхайцзине существо по имени Шилонг описывается как красный дракон, сияющий в ночном небе, с телом длиной в тысячу миль. В древние времена у китайцев не было фиксированного слова для обозначения полярного сияния, поэтому оно было названо в соответствии с различными формами полярного сияния, такими как «Небесная собака (« 天狗 »)», «Звезда меча / ножа (« 刀 星 »). »)», «Знамя Чиё (« 蚩尤 旗 »)», «Открытые глаза Неба (« 天 开眼 »)» и «Звезды, похожие на дождь (« 星 陨 如雨 »)».

В японском фольклоре , фазаны были признаны посланцами небес. Однако исследователи из Японского университета перспективных исследований и Национального института полярных исследований заявили в марте 2020 года, что красные хвосты фазана, наблюдаемые в ночном небе над Японией в 620 году нашей эры, могут быть красным полярным сиянием, возникшим во время магнитной бури.

Австралийские аборигены ассоциировали полярные сияния (которые в основном находятся низко над горизонтом и преимущественно красные) с огнем.

В традициях австралийских аборигенов австралийское сияние обычно ассоциируется с огнем. Например, народ Гундитжмара из западной Виктории называет полярные сияния puae buae («пепел»), а гунаи из восточной Виктории воспринимают полярные сияния как лесные пожары в мире духов. Народ диери из Южной Австралии говорит, что полярное сияние - это кутчи , злой дух, создающий большой огонь. Точно так же народ нгарринджери из Южной Австралии относится к полярным сияниям, наблюдаемым над островом Кенгуру, как к кострам духов в «Стране мертвых». Аборигены на юго-западе Квинсленда верят, что полярные сияния - это огни Оола Пикка , призрачных духов, которые разговаривали с людьми через полярные сияния. Священный закон запрещал никому, кроме старейшин-мужчин, смотреть или интерпретировать послания предков, которые, по их мнению, передавались через полярное сияние.

У народа маори в Новой Зеландии северное сияние или тахунуи-а-ранги («великие факелы в небе») зажгли предки, которые плыли на юг, в «страну льда» (или их потомки); Сказал, что люди были членами экспедиции Уи-те-Рангиора , которые достигли Южного океана Антарктики примерно в 7 веке.

Аврора изображена в виде венка из лучей на гербе Утсйоки.

В Скандинавии первое упоминание о норрлйосе (северном сиянии) встречается в норвежской хронике Konungs Skuggsjá от 1230 года нашей эры. Летописец слышал об этом явлении от соотечественников, вернувшихся из Гренландии , и дает три возможных объяснения: что океан был окружен огромными пожарами; что солнечные вспышки могут достигать всего мира своей ночной стороной; или что ледники могут накапливать энергию, так что в конечном итоге они становятся флуоресцентными .

Уолтер Уильям Брайант писал в своей книге Кеплер (1920) , что Tycho Браге « кажется, был чем - то гомеопат , ибо он рекомендует серу для лечения инфекционных заболеваний„ вызванных в сернистых испарений Aurora Borealis ».

В 1778 году Бенджамин Франклин в своей статье « Северное сияние, предположения и гипотезы для формирования гипотезы его объяснения» выдвинул теорию о том, что полярное сияние было вызвано концентрацией электрического заряда в полярных регионах, усиленной снегом и влажностью в воздухе:

В таком случае нельзя, чтобы огромное количество электричества, принесенного в полярные области облаками, которые там конденсировались и выпало в снегу, могло бы войти в землю, но не пройти сквозь лед; да нет, говорю я (как перезаряженная бутылка), разорвите эту нижнюю атмосферу и побежите в вакууме по воздуху к экватору, расходясь по мере увеличения градуса долготы, отчетливо видимый в местах наибольшей плотности и становящийся менее заметным по мере того, как он больше расходится; пока он не найдет проход на Землю в более умеренном климате или не смешается с верхним воздухом?

Наблюдения ритмического движения стрелки компаса из - за влияния сияния были подтверждены в шведском городе Уппсала по Андерса Цельсия и Улоф Хайортер . В 1741 году Хиортер смог связать большие магнитные колебания с полярным сиянием, наблюдаемым над головой. Это свидетельство помогло поддержать их теорию о том, что «магнитные бури» ответственны за такие колебания компаса.

Картина церкви 1865 года Аврора Бореалис

Зрелище окружено множеством мифов коренных американцев . Европейский исследователь Сэмюэл Хирн путешествовал с Чипевиан Дене в 1771 году и записал их взгляды на эд-тон («карибу»). По словам Хирна, люди дене видели сходство между полярным сиянием и искрами, возникающими при глажении меха карибу . Они верили, что огни были духами их умерших друзей, танцующих в небе, и когда они ярко светили, это означало, что их умершие друзья были очень счастливы.

Ночью после битвы при Фредериксбурге с поля боя было видно северное сияние. Армия Конфедерации восприняла это как знак того, что Бог был на их стороне, поскольку огни редко видели так далеко на юге. Картина Фредерика Эдвина Черча « Северное сияние » широко интерпретируется как изображение конфликта Гражданской войны в США .

Британский источник середины 19 века говорит, что полярные сияния были редкостью до 18 века. В нем цитируется высказывание Галлея о том, что до полярного сияния 1716 года такое явление не регистрировалось более 80 лет и не имело никаких последствий с 1574 года. В нем говорится, что никаких явлений не было зафиксировано в Протоколах Французской академии наук между 1666 и 16 годами. 1716. И то одно северное сияние, зафиксированное в Берлинском сборнике за 1797 год, было названо очень редким событием. Один, замеченный в 1723 году в Болонье, был признан первым, увиденным там. Согласно Цельсию (1733), древнейшие жители Уппсалы считали это явление большой редкостью до 1716 года. Период между 1645 и 1715 годами соответствует минимуму активности солнечных пятен Маундера .

В сатирической поэме Роберта У. Сервиса « Баллада о северном сиянии » (1908) изыскатель Юкона обнаруживает, что северное сияние - это свечение радиевого рудника. Он заявляет свои права, затем отправляется в город в поисках инвесторов.

В начале 1900-х норвежский ученый Кристиан Биркеланд заложил основы современного понимания геомагнетизма и полярных сияний.

На других планетах

Юпитер северное сияние; крайнее левое яркое пятно магнитно соединяется с Ио ; пятна внизу изображения ведут к Ганимеду и Европе .
Полярное сияние высоко над северной частью Сатурна; снимок, сделанный космическим кораблем Кассини . В фильме показаны изображения 81 часа наблюдений за полярным сиянием Сатурна.

И Юпитер, и Сатурн имеют магнитные поля, которые сильнее, чем у Земли (экваториальная напряженность поля Юпитера составляет 4,3 Гаусса , по сравнению с 0,3 Гаусса для Земли), и оба имеют обширные радиационные пояса. Auroras наблюдались на обоих газовых планет, наиболее ясно с помощью космического телескопа Хаббла и Кассини и Галилео космических аппаратов, а также на Уране и Нептуне .

Похоже, что полярные сияния на Сатурне, как и на Земле, вызваны солнечным ветром. Однако полярные сияния Юпитера более сложны. Главный авроральный овал Юпитера связан с плазмой, производимой вулканическим спутником Ио , и переносом этой плазмы в магнитосфере планеты . Неопределенная часть полярных сияний Юпитера вызвана солнечным ветром. Кроме того, луны, особенно Ио, также являются мощными источниками полярного сияния. Они возникают из-за электрических токов вдоль силовых линий («продольные токи»), генерируемых динамо-механизмом из-за относительного движения между вращающейся планетой и движущейся луной. Ио, которая имеет активный вулканизм и ионосферу, является особенно сильным источником, и его токи также генерируют радиоизлучения, которые изучаются с 1955 года. С помощью космического телескопа Хаббла все полярные сияния наблюдались над Ио, Европой и Ганимедом.

Полярные сияния наблюдались также на Венере и Марсе . У Венеры нет магнитного поля, поэтому венерианские полярные сияния выглядят как яркие и диффузные пятна различной формы и интенсивности, иногда распределенные по всему диску планеты. Полярное сияние на Венере возникает, когда электроны солнечного ветра сталкиваются с ночной атмосферой.

Полярное сияние было обнаружено на Марсе 14 августа 2004 года прибором SPICAM на борту « Марс Экспресс» . Полярное сияние находилось на Терра Киммерия , в районе 177 ° восточной долготы, 52 ° южной широты. Общий размер эмиссионной области составлял около 30 км в поперечнике и, возможно, около 8 км в высоту. Анализируя карту магнитных аномалий земной коры, составленную на основе данных Mars Global Surveyor , ученые обнаружили, что область выбросов соответствует области, где локализовано самое сильное магнитное поле. Эта корреляция показала, что источником светового излучения был поток электронов, движущихся вдоль магнитных линий земной коры и возбуждающих верхнюю атмосферу Марса.

В период с 2014 по 2016 год кометные полярные сияния на комете 67P / Чурюмова – Герасименко наблюдались несколькими приборами на космическом корабле Rosetta . Сияния наблюдались в дальнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Кома наблюдения показали атомные выбросы водорода и кислорода , вызванные фотодиссоциации (не фотоионизации , как и в земных сияний) молекул воды в коме кометы. За полярное сияние отвечает взаимодействие ускоренных электронов солнечного ветра с частицами газа в коме. Поскольку у кометы 67P нет магнитного поля, полярное сияние распространяется вокруг кометы диффузно.

Было высказано предположение, что экзопланеты , такие как горячие юпитеры , испытывают ионизацию в своих верхних слоях атмосферы и генерируют полярное сияние, измененное погодой в их турбулентных тропосферах . Однако в настоящее время нет данных об обнаружении полярного сияния экзопланеты.

В первые экстра-солнечные сияния были обнаружены в июле 2015 года над бурой карликовой звездой LSR J1835 + 3259 . Было обнаружено, что в основном красное полярное сияние в миллион раз ярче, чем северное сияние, в результате взаимодействия заряженных частиц с водородом в атмосфере. Было высказано предположение, что звездные ветры могут срывать материал с поверхности коричневого карлика, чтобы произвести свои собственные электроны. Другое возможное объяснение полярных сияний состоит в том, что еще не обнаруженное тело вокруг карликовой звезды испускает материал, как в случае с Юпитером и его спутником Ио.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Мультимедиа