Искусственно созданные полярные сияния

Автор:

Lynx

16 ноября 2017 21:45

4799

Полярное сияние - это одно из самых красивых и, можно сказать, даже в чем-то мистическое, проявление атмосферных явлений. Его необычные формы, изменчивость цветов и оттенков всегда вводят человека, наблюдающего за ним, в состояние, схожее с немым шоком.

Что же представляет собой полярное сияние и почему оно возникает? Какие факторы влияют на его формы, цвет и продолжительность? Эти и ряд других вопросов всегда будоражили умы людей еще с глубокой древности.

К слову, полярное сияние довольно часто упоминается в трудах Плиния и Аристотеля, которые пытались при помощи рассуждений объяснить его природу. Большинство же языческих племен, которым удавалось наблюдать в небе разноцветное свечение, объясняли его довольно просто - это гнев богов, которые проявили свою силу и предупреждают непокорных о том, что их ждут страшные испытания, голод, войны, болезни.

Правда, полярное сияние наводило ужас и на более развитые древние цивилизации, например, на Римскую империю в период ее расцвета. Римляне твердо уверовали, что именно яркое свечение на небе предупредило величественный город о гибели правителя Гая Юлия Цезаря.

Народы, привыкшие часто наблюдать полярное сияние, более спокойно относились к этому атмосферному явлению. Они объясняли его довольно просто: отражение света солнца или луны ото льда или морского зеркала.

Естественно, они не связывали северное полярное сияние с гневом сверхъестественных существ, иначе от частоты предупреждений грядущих катастроф можно было бы попросту сойти с ума. Северяне, живущие в России, называют это атмосферное явление по своему: сполох или пазорь.

Из слова "пазорь" понятно, что это слово означает что-то вроде зори, а вот сполох, характеризует полярное сияние только ярко-алого цвета. Такое зарево появляется в том месте, где бушует пожар. В старину довольно часто при сполохе к месту полярного сияния сбегались соседи, чтобы оказать пострадавшим помощь в тушении пожара.

Ученые уже достаточно давно объяснили природу такого интересного и захватывающего своей красотой атмосферного явления, как полярное сияние. Причиной возникновения полярного сияния является наше светило, в недрах и на поверхности которого постоянно возникают вспышки и взрывы.

Сравнить их мощность с чем-то на нашей планете практически невозможно: заряженные частицы (солнечный ветер) выбрасываются в космос с огромной силой. Чем сильнее вспышка на солнце, тем больше вещества выбрасывается в сторону его планетарной системы. Стоит отметить, что заряженные частицы несутся в космосе с огромной скоростью и способны преодолеть расстояние от солнца до планеты Земля менее чем за 30 часов. Как всем хорошо известно, из такого сложного школьного предмета, как физика, Земля обладает магнитным полем.

Именно оно «переносит» большинство электронов и протонов к полюсам нашей планеты. Так как на полюсах планеты атмосфера наиболее разрежена, там и возникает полярное сияние. Видимый глазу солнечный ветер - так еще можно проще объяснить это одно из чудес природы. Разноцветные узоры, короны, переливающиеся фантастическими красками пятна – все это проявления полярного сияния. Чем сильнее вспышка на Солнце, тем ярче и продолжительнее сияние. Удивительно то, что само сияние происходит на высоте до 140 километров от поверхности Земли.

Чаще всего захватывающее дух зрелище проявляет себя во всей своей красе над территорией Северной Гренландии, в Сибири, в Норвегии и на Аляске.

Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Это удалось сделать и для полярного сияния — создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты. Так, США в 1958, СССР в 1973 и СССР совместно с Францией в 1985 провели эксперименты по созданию искусственных полярных сияний.

Свечения, подобные полярным сияниям, возникали в результате ядерных взрывов в высоких слоях атмосферы, проводившихся министерством обороны США во время МГГ (Междунароодный геофизиоческий год - условный период, в течение которого проводятся согласованные геофизические исследования по единой программе и методике)

Эти эксперименты были важны для изучения радиационного пояса Ван Аллена и природы естественных полярных сияний. Такого рода сияния наблюдались в районе островов Мауи (Гавайские о-ва) и Апиа (о-ва Самоа) вскоре после ядерных взрывов «Тик» и «Ориндж», которые проводились на высотах около 70 и 40 км над атоллом Джонстон в центральной части Тихого океана 1 и 12 августа 1958. Свечение, видимое над Апиа 1 августа, состояло из дуги малинового цвета и лучей, которые сначала были фиолетовыми, затем красными и постепенно переходили в зеленые.

Другие искусственно вызванные сияния, связанные со взрывами «Аргус I, II и III», проведенными на высоте около 480 км 27 и 30 августа и 6 сентября 1958, наблюдались в районе взрывов в южной части Атлантического океана. Цвет их был красным с примесью желтовато-зеленого. Во время взрыва «Аргус III» красное искусственное сияние наблюдалось также около Азорских о-вов, на противоположном от места взрыва конце соответствующих силовых линий магнитного поля Земли (т.е. на территории, геомагнитно сопряженной с данной).

Эти наблюдения ясно показывают, что искусственные сияния в районе взрыва и на геомагнитно сопряженной с ним территории были вызваны такими высокоэнергетическими частицами, как электроны, образовавшиеся в результате β-распада при ядерном взрыве. Иными словами, частицы с высокой энергией, образовавшиеся в результате взрыва, двигались вдоль силовых линий геомагнитного поля, формируя искусственные радиационные пояса Ван Аллена, и привели к образованию «полярных сияний» на обоих концах силовых линий. Судя по высоте появления и цветовой гамме этих сияний, можно предположить, что причиной их возникновения является возбуждение атмосферного кислорода и азота в результате соударений с заряженными частицами, обладающими высокой энергией, что имеет большое сходство с механизмом образования естественных полярных сияний.

С упомянутыми взрывами в высоких слоях атмосферы, особенно с экспериментами «Тик» и «Ориндж», были связаны также существенные возмущения магнитного поля Земли и ионосферы. Таким образом, в результате проведенных экспериментов была получена важная информация о естественных полярных сияниях и связанных с ними явлениях.

Существует еще один антропогенный феномен свечения высоких слоев атмосферы, обусловленный выбросами ракетами газообразного натрия или калия. Это явление можно назвать искусственным свечением в отличие от искусственного полярного сияния, так как его причины близки к тем, которые вызывают естественное свечение воздуха.

В ночь с 29 на 30 мая 1973 года в Советском Союзе впервые проведен эксперимент «Зарница». С помощью метеорологической ракеты МР-12 было создано искусственное полярное сияние на высотах 100 – 180 км.

Ракета несла ускоритель электронов, разработанный Институтом электросварки имени Е. О. Патопа АН УССР. Когда она вышла за пределы атмосферы, на высоте около 100 км электронная «пушка»направила потоки заряженных частиц в околоземное пространство. Энергия электронов в пучке составляла от 7,5 до 10 тыс. эв при мощности всего пучка около 400 кВт. На 200-й секунде полета ракета достигла максимума высоты – 163 км. Эксперимент продолжался 232 секунды на восходящей и нисходящей ветвях траектории полета ракеты, вызывая розовое свечение неба, подобное полярному сиянию.

Детектор, разработанный Институтом космических исследований АН СССР, регистрировал электроны, отраженные от земной атмосферы. За искусственным вторжением электронов в ионосферу следило несколько наземных станций с оптическими (включая телевизионные) и радиофизическими средствами наблюдения. Для того чтобы аппаратура на наблюдательных пунктах зафиксировала это вторжение, необходимо было выбрать темную безлунную ночь и абсолютно чистое небо.«Зарница» – первый «управляемый» эксперимент в космосе, осуществленный в нашей стране.

В нем использован принципиально новый, активный метод. (До 1973 года эксперименты велись пассивно – фиксировалось развитие естественных процессов и явлений в околоземном пространстве.) Исследователи получили свыше 300 фотографий искусственного полярного сияния. Удалось выяснить особенности прохождения электронного пучка, тонкую структуру лучевых форм сияния, лучше попять некоторые вопросы вторжения энергичных электронов в верхнюю атмосферу.

Большой интерес к результатам проявили французские ученые. Ведь «Зарница» – это своего рода была подготовка к предстоящему советско-французскому эксперименту. Этот эксперимент получил название „Аракс“ и был начат в 1985 году совместно российскими и французскими исследователями. В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряжённые точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля).

Ими были в южном полушарии французский остров Кергелен в Индийском океане и в северном полушарии поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определённой высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили визуально наблюдать это сияние с поверхности Земли. Однако радарные установки чётко зарегистрировали его возникновение. Название „Аракс“ составлено из первых букв французских слов Artificiel polaire aurore — Kergelen–Sogra, которые в переводе означают „искусственное полярное сияние — Кергелен–Согра“.

Эти эксперименты не просто позволяют понять причины и механизм возникновения полярного сияния. Они дают уникальную возможность изучать структуру магнитного поля Земли, процессы в её ионосфере и влияние этих процессов на погоду вблизи земной поверхности. Особенно удобно выполнять такие эксперименты не с электронами, а с ионами бария. При таких экспериментах удобными для введения в ионосферу (физики говорят для инжектирования) являются ионы бария. Примерно через 35 с после инжекции он возбуждается в солнечных лучах и создает яркое малиново-красное свечение.