Земля плавает по Солнечной системе на корабле собственного изготовления: магнитосфере, магнитном поле, которое окутывает и защищает нашу планету. Небесное море, в котором мы находимся, заполнено заряженными частицами, исходящими из Солнца, известными как солнечный ветер. Так же, как океанские волны следуют за ветром, ученые ожидали, что волны, путешествующие вдоль магнитосферы, должны пульсировать в направлении солнечного ветра. Но новое исследование НАСА показывает, что некоторые волны делают прямо противоположное.
Изучение этих магнитосферных волн, которые переносят энергию, помогает ученым понять сложные процессы солнечной активности, которые разыгрываются в пространстве вокруг Земли. Изменяющиеся условия в космосе, управляемые Солнцем, известны как космическая погода. Эта погода может повлиять на наши электро-системы от спутников связи на орбите до линий электропередач на земле.
ПОЗНАНИЕ СИЯНИЯ
«Понимание границ любой системы является ключевой проблемой», — сказал Мартин Арчер, космический физик из Имперского колледжа Лондона, который возглавлял новое исследование, опубликованное в Nature Communications.
Спутники THEMIS, которые ведут наблюдение за магнитосферой впервые обнаружили, что некоторые волны могут путешествовать против солнечного ветра.
Эти стоячие волны могут сохраняться дольше, чем те, которые распространяются с солнечным ветром. Это означает, что они дольше ускоряют частицы в околоземном пространстве, что приводит к потенциальным воздействиям в радиационных поясах или в ионосфере.
Полярные сияния – это одно из самых красивейших световых природных явлений, именно из-за этого они привлекают внимание человека на протяжении всей его истории. Упоминания о них можно найти в трудах Аристотеля, Плиния, Сенеки и других античных ученых философов. Долгое время полярные сияния пугали людей так же, как затмения луны или солнца, их считали предвестниками катастроф и эпидемий, голода и войн.
Например, северные сияния связали с падением Иерусалима и Смертью Юлия Цезаря. «Люди долгое время видели в них проявления сверхъестественных сил и считали знамением», - рассказывает Николай Леонидович Александров, доктор физико-математических наук МФТИ. И действительно полярные сияния могут вызывать тревогу, так как небо может стать красным, как на пожаре. Известны случаи, когда полярное сияние красного цвета принимали за зарево пожара и пожарные команды выезжали к огромному зареву в северной части горизонта. Версии, которые дошли до наших дней предполагали, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда.
Видели полярные сияния и в южном полушарии. Английский мореплаватель Джеймс Кук (1728-1779) был одним из первых, кто не только дал их описание в южном полушарии, но и обратил внимание на то, что полярные сияния появляются в высоких широтах обоих полушарий одновременно.
Полярные сияния в северном полушарии обычно движутся на запад со скоростью около 1км/с. Верхние слои атмосферы в области сияния заметно нагреваются, что приводит к появлению восходящих потоков газа, в результате на больших высотах увеличивается область газовой среды. Кстати, было замечено, что это вызывает торможение искусственных спутников Земли и сказывается на ухудшении качества радиосвязи. Сияние также сопровождается сильными вихревыми токами, в результате чего индуцируются сильные магнитные поля и развиваются так называемые магнитные бури. Яркие вспышки сияния могут сопровождаться звуками похожими на треск при плохой связи.
МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ
НАСА давно изучает полярные сияния, чтобы лучше понять эту сложную космическую среду, которая, в свою очередь, может помочь нам предсказать и смягчить ее влияние на коммуникационные сигналы и человеческие технологии.
Ученые изучают полярные сияния с разных точек зрения: внизу, выше и внутри. Снизу наземные телескопы и радар смотрят вверх, чтобы отслеживать, что происходит в небе. Сверху спутники НАСА, такие как THEMIS, исследуют, что заставляет полярные сияния резко смещаться от медленно мерцающих волн света к дико меняющимся цветовым полосам. Чтобы собрать наблюдения изнутри полярного сияния, НАСА использует зондирование ракетами, которые можно быстро поднять в космос. Для того, чтобы поднять ракету в зону полярного сияния нужно затратить 5-20 минут.
Наблюдение за полярными сияниями — и обнаружение того, что заставляет их меняться с течением времени — дает ученым представление о том, как магнитосфера нашей планеты реагирует на космическую погоду вблизи Земли.
Ученые НАСА дают следующее объяснение возникновению этого завораживающего светового явления. Солнце непрерывно производит солнечный ветер, состоящий из заряженных частиц, которые текут от него в Солнечную систему, в сторону ее периферии. Когда солнечный ветер достигает магнитного поля Земли, он может вызвать магнитное пересоединение, взрывной процесс, который позволяет заряженным частицам из космоса ускоряться и проникать в атмосферу. Магнитное пересоединение (перезамыкание магнитных линий) — это явление, в котором силовые линии магнитного поля из разных магнитных доменов сходятся вместе и быстро перестраиваются.
Магнитное поле Земли, называемое магнитосферой, непрерывно колеблется и реагирует на изменение интенсивности солнечного ветра. Частицы солнечного ветра направляются к длинному хвосту магнитосферы, где они попадают в ловушку.
Когда происходит магнитное пересоединение, частицы ускоряются и движутся к полюсам Земли. По пути частицы могут сталкиваться с атомами и молекулами газов в верхних слоях атмосферы, их взаимодействие обеспечивает атомы дополнительной энергией, которая высвобождается в виде вспышки света. Эти взаимодействия продолжаются на все меньших и меньших высотах до тех пор, пока вся поступающая энергия не будет потеряна. Когда мы видим светящееся сияние, мы наблюдаем миллиард отдельных столкновений, освещающих линии магнитного поля Земли.
Сияния явно происходят в следствии изменения космической погоды. Всем знакомы изменения погоды на Земле. Но «погода» встречается и в космосе. Как и земная погода, космическая погода является результатом сложной системы, управляемой как Солнцем, так и событиями, происходящими гораздо ближе к Земле.
Хотя космос примерно в тысячу раз более пустой, чем даже самый чистый вакуум, полученный в лабораториях на Земле, он не полностью лишен материи — постоянный отток солнечного ветра Солнца заполняет пространство тонкой и слабой промывкой частиц, полей и плазмы. Этот солнечный ветер, наряду с другими солнечными событиями, такими как гигантские взрывы, называемые коронарными выбросами массы, влияет на саму природу космоса и может взаимодействовать с магнитными системами Земли и других миров.
Особого внимания заслуживает вопрос об аналогии полярного сияния и газовых разрядов, с многочисленными проявлениями которого встречаемся практически каждый день (молния, лампы дневного света, неоновые огни реклам и т.д.).
Анализ спектров излучения в полярных сияниях показывает, что зеленое и красное свечение испускается возбужденными атомами кислорода, а инфракрасное и фиолетовое – ионизированными молекулами азота.
Вспышки северного сияния обычно наблюдаются через день или два после вспышек на Солнце. Это служит непосредственных доказательством взаимосвязи между этими явлениями.
АРАКС
Самым убедительным объяснением для науки природы возникновения северного сияния и понимание его физического явления – это его повторение в лаборатории в планетарных масштабах, а точнее в масштабе нашей планеты. И это сделать удалось. Эксперимент был начат в 1985 году под названием «Аракс».
Российские и французские ученые выбрали две магнитосопряжённые точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля). В южном полушарии был выбран французский остров Кергелен, расположенный в Индийском океане, а в северном полушарии выбрали посёлок Согра в Архангельской области. С французского острова стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии Земли, которая была над экватором уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой.
Но не все загадки еще решены, например до сих пор не ясна связь полярных сияний с погодой, хотя местные жители прекрасно знают, что оно чаще наблюдается именно в морозные дни.
Ученые уже установили четкую связь между сияниями и солнечными и магнитными бурями, которые влияют на самые разные стороны жизни на Земле, например могут вызывать рост различных заболеваний. Также с солнечными циклами связаны изменения климата на Земле, появления засух и наводнений, землетрясений, оползней и извержений вулканов. Все это всерьез заставляет задуматься над связью между полярными сияниями и земными катаклизмами. Сейчас ученые точно понимают, что сияния сигнализируют о месте и времени воздействия Космоса на земные процессы и здоровье населения и животного мира. Может и не зря древние люди боялись этого прекрасного явления.