Polyarnye siyaniya
Kak voznikayut polyarnye siyaniya
Zemlyu mozhno rassmatrivat' kak bol'shoi magnit, yuzhnyi polyus kotorogo raspolagaetsya vblizi severnogo geograficheskogo polyusa, a severnyi - vblizi yuzhnogo. Silovye linii magnitnogo polyusa Zemli (tak nazyvaemye geomagnitnye linii) vyhodyat iz oblasti severnogo magnitnogo polyusa Zemli, ohvatyvayut nashu planetu i vhodyat v nee v oblasti yuzhnogo magnitnogo polyusa Zemli (Ris. 3).
 |
| Ris. 3. Magnitosfera zemli, iskazhennaya solnechnym vetrom. |
Forma magnitnyh silovyh linii ne yavlyaetsya simmetrichnoi otnositel'no Zemli. Eto svyazano s tak nazyvaemym solnechnym vetrom - potokom vysokoenergichnyh elektronov i protonov, postoyanno izluchaemyh Solncem, rezko uvelichivayushimsya po intensivnosti vo vremya vspyshek na Solnce. Naletaya na magnitnuyu obolochku Zemli, potoki zaryazhennyh chastic privodyat k szhatiyu magnitnyh silovyh linii so storony Solnca i ih ottyagivaniyu v protivopolozhnom napravlenii, obrazuya u Zemli magnitnyi hvost. Chtoby ponyat', pochemu siyaniya nablyudayutsya chashe vsego imenno v polyarnyh oblastyah Zemli, nado vspomnit', kak dvizhutsya zaryazhennye chasticy v magnitnom pole.
Rassmotrim vozmozhnye varianty.
1. Zaryazhennaya chastica dvizhetsya vdol' magnitnogo polya.V etom sluchae pole nikak ne vliyaet na ee dvizhenie. V vysokih shirotah Zemli silovye linii magnitnogo polya pochti vertikal'ny, chto sozdaet blagopriyatnye usloviya dlya proniknoveniya chastic v atmosferu Zemli.
2. Zaryazhennaya chastica dvizhetsya poperek magnitnogo polya. Pri etom na chasticu deistvuet sila Lorenca, kotoraya zakruchivaet ee vokrug silovoi linii magnitnogo polya. V rezul'tate pri otsutstvii stolknovenii s drugimi chasticami rassmatrivaemye chasticy budut prosto vrashat'sya vokrug silovyh linii. Stolknoveniya mogut privodit' k pereskoku chastic s odnih krugovyh orbit na drugie. No skorost' takogo dvizheniya sushestvenno men'she, chem skorost' napravlennogo dvizheniya potoka chastic pri otsutstvii magnitnogo polya. V nizkih shirotah silovye linii pochti parallel'ny poverhnosti Zemli. Poetomu, chtoby chasticy, vyzyvayushie polyarnoe siyanie, mogli zdes' proniknut' v atmosferu, oni dolzhny prorvat'sya poperek silovyh linii Zemli, a eto dlya nih prakticheski nevozmozhno.
3. Chastica dvizhetsya pod opredelennym uglom k napravleniyu magnitnogo polya. Takoe dvizhenie mozhno razlozhit' na dve sostavlyayushie: poperek magnitnogo polya i odnovremenno vdol' nego. Oba eti sluchaya rassmotreny vyshe. Iz skazannogo sleduet, chto traektoriya chasticy v etom sluchae budet spiral'yu, nakruchivayusheisya na silovuyu liniyu magnitnogo polya. Shag spirali zavisit ot velichiny prodol'noi skorosti, a radius - ot poperechnoi skorosti. Takim obrazom, zaryazhennaya chastica, popadaya v magnitnoe pole Zemli, mozhet dostignut' ee atmosfery tol'ko v polyarnyh oblastyah nezavisimo ot togo, gde ona okazalas' vnachale.
4. Chastica dvizhetsya v neodnorodnom magnitnom pole, to est' magnitnoe pole izmenyaetsya v prostranstve. Esli chastica dvizhetsya po spirali vokrug silovoi linii magnitnogo polya, kotoroe uvelichivaetsya po mere prodvizheniya chasticy vpered (to est' silovye linii sgushayutsya), to s rostom napryazhennosti polya chastica zamedlyaet svoe dvizhenie vdol' silovoi linii i v konce koncov otrazitsya i budet dvigat'sya v obratnom napravlenii. Silovye linii magnitnogo polya Zemli shodyatsya okolo ee poverhnosti v vysokih shirotah. Poetomu zaryazhennye chasticy, vrashayas' vokrug etih linii i podhodya k mestam ih sgushenii, otrazhayutsya i dvizhutsya v drugoe polusharie (ris. 4). Tam povtoryaetsya analogichnoe otrazhenie, i chasticy okazyvayutsya v pervom polusharii. Eto povtoryaetsya do teh por, poka chastica ne poteryaet energiyu pri soudarenii s neitral'nymi chasticami v plotnoi atmosfere vblizi poverhnosti Zemli.
 |
| Ris. 4. Shematicheskoe izobrazhenie traektorii zaryazhennoi chasticy v magnitnom pole Zemli. |
Silovye linii magnitnogo polya Zemli menyayutsya ne tol'ko v radial'nom napravlenii, no oni k tomu zhe i izognuty. Eto takzhe vliyaet na dvizhenie zaryazhennyh chastic. V rezul'tate elektrony i protony nachinayut dreifovat' v protivopolozhnyh napravleniyah (na vostok ili zapad).
Elektrony i protony, popavshie iz solnechnogo vetra v magnitnoe pole Zemli, stekayut v oblast' polyusov, gde dostigayut plotnyh sloev atmosfery i proizvodyat ionizaciyu i vozbuzhdenie atomov i molekul gazov. Dlya etogo oni imeyut dostatochno energii. Deistvitel'no, v solnechnom vetre protony obladayut energiei 100-200 eV (1 eV = 1,6*10-19 Dzh), a elektrony - energiei 10-20 keV. Porogi ionizacii sostavlyayut 13,6 eV dlya atomov vodoroda i kisloroda i 14,5 eV dlya atoma azota. Porogi vozbuzhdeniya etih chastic eshe men'she. Vozbuzhdennye atomy ispuskayut energiyu v vide sveta. Nechto podobnoe nablyudaetsya v gazovom razryade pri propuskanii cherez gaz elektricheskogo toka.
Ionizaciya zaryazhennymi chasticami proishodit naibolee effektivno v konce puti zaryazhennoi chasticy, kogda ee energiya uzhe nevelika. Neitral'nye chasticy raspredeleny v atmosfere po barometricheskomu zakonu (estestvenno, chastic bol'she na nizkih vysotah), chto takzhe uvelichivaet skorost' ionizacii vblizi poverhnosti Zemli. S etim i svyazany rezkaya nizhnyaya i razmytaya verhnyaya granicy polyarnyh siyanii. Osobogo vnimaniya zasluzhivaet vopros ob analogii mezhdu polyarnymi siyaniyami i gazovym razryadom, s mnogochislennymi proyavleniyami kotorogo my vstrechaemsya na kazhdom shagu (molniya, lampy dnevnogo sveta, neonovye ogni reklam, yarkaya vspyshka sveta pri dugovoi svarke i t.d.). Tradicionno schitalos', chto takaya analogiya ogranichivaetsya tol'ko elementarnymi aktami ionizacii i vozbuzhdeniya atomov energichnymi chasticami, kotorye proishodyat i v gazovom razryade, i v polyarnyh siyaniyah. Horosho izvestno, chto v gazovom razryade ionizuyushie elektrony nagrevayutsya vo vneshnem elektricheskom pole. V sluchae s polyarnymi siyaniyami ran'she schitalos', chto ionizuyushie zaryazhennye chasticy - eto sverhgoryachie elektrony i protony solnechnogo vetra, kotorye ohlazhdayutsya v stolknoveniyah s atomami i molekulami atmosfery. Odnako sovremennye issledovaniya pokazali, chto v poslednem sluchae situaciya bolee slozhnaya. Zaryazhennye chasticy solnechnogo vetra (po krainei mere elektrony) mogut osushestvlyat' ionizaciyu drugim obrazom. Delo v tom, chto ionosfernaya plazma, v kotoruyu vtorgaetsya vysokoenergichnyi puchok zaryazhennyh chastic, neustoichiva. V takoi sisteme za schet energii puchka raskachivayutsya kolebaniya, soprovozhdaemye peremennym elektricheskim polem. Elektrony ionosfery po pryamoi analogii s laboratornym gazovym razryadom nagrevayutsya v etom elektricheskom pole do energii, pri kotoryh nachinaetsya ionizaciya v stolknoveniyah s atomami i molekulami. Poluchayushiisya takim obrazom razryad nosit nazvanie puchkovo-plazmennogo razryada i ne tol'ko izvesten specialistam po gazovomu razryadu, no i ispol'zuetsya v nekotoryh tehnicheskih prilozheniyah. Takim obrazom, analogiya mezhdu polyarnymi siyaniyami i gazovym razryadom okazalas' bolee glubokoi, chem predpolagalos' vnachale.
Analiz spektrov izlucheniya v polyarnyh siyaniyah pokazyvaet, chto zelenoe i krasnoe svechenie ispuskaetsya vozbuzhdennymi atomami kisloroda, a infrakrasnoe i fioletovoe - ionizovannymi molekulami azota. Chast' linii ispuskaniya kisloroda i azota obrazuetsya na vysote 110 km, a krasnoe svechenie kisloroda - na vysote 200-400 km (ris. 2). Slaboe izluchenie ispuskaetsya takzhe atomami vodoroda, kotorye obrazuyutsya v verhnih sloyah atmosfery iz protonov solnechnogo vetra pri zahvate elektronov ot neitral'nyh chastic atmosfery. Zahvativ elektron, takoi proton prevrashaetsya v vozbuzhdennyi atom vodoroda, kotoryi i izluchaet krasnyi svet. Eto izluchenie pokazano na ris. 2 kak slaboe svechenie tipa A.
Interesno, chto energichnye protony, vtorgayas' v verhnyuyu atmosferu i vyzyvaya protonnye siyaniya, chast' svoego puti dvizhutsya kak neitral'nye atomy vodoroda. V etom sluchae oni svobodny ot deistviya magnitnogo polya Zemli i, imeya bol'shie (protonnye) skorosti, mogut pronikat' v oblasti, nedostupnye zaryazhennym chasticam. Vsledstvie etogo oblasti, gde nablyudayutsya protonnye polyarnye siyaniya, otlichayutsya bol'shoi protyazhennost'yu. Vspyshki severnogo siyaniya obychno nablyudayutsya cherez den'-dva posle vspyshek na Solnce. Eto sluzhit neposredstvennym dokazatel'stvom vzaimosvyazi mezhdu upomyanutymi yavleniyami.
Poverhnost' Zemli ne samoe luchshee mesto dlya nablyudeniya za polyarnymi siyaniyami: vo-pervyh, pochti vsegda ih nado nablyudat' noch'yu, kogda ne meshaet solnce; vo-vtoryh, nablyudeniyam mogut pomeshat' oblaka. Etih trudnostei mozhno izbezhat', esli sledit' za polyarnymi siyaniyami iz Kosmosa, gde k tomu zhe net iskazhayushego vliyaniya nizhnih plotnyh sloev atmosfery. Nablyudeniya s pilotiruemyh kosmicheskih korablei i orbital'nyh stancii dali bogatyi material o prostranstvennom raspolozhenii siyanii, ih izmenenii vo vremeni i o mnogih osobennostyah etogo yavleniya. Bolee togo, kosmicheskie apparaty pozvolili vypolnyat' izmereniya vnutri polyarnogo siyaniya. Pri etom odinakovo udobno issledovat' siyaniya i v severnom i v yuzhnom polushariyah. Takim sposobom mozhno nablyudat' siyaniya i na dnevnoi storone Zemli.
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
polyarnoe siyanie - avroral'nye yavleniya - Radiacionnye poyasa - solnechno-zemnye svyazi
Publikacii so slovami: polyarnoe siyanie - avroral'nye yavleniya - Radiacionnye poyasa - solnechno-zemnye svyazi | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
