На Крайнем Севере их называют северными сияниями. В южном полушарии— южными. Поскольку и северные, и южные сияния появляются в полярных широтах, те и другие называют полярными .Сияние трудно описать. Его надо видеть. Но чтобы дать о нем представление, приведем несколько описаний, которые даны ученым, путешественником, художником.
С. А. Черноус — ученый, изучающий полярные сияния на Кольском полуострове, так описывает сияния: "...полнеба затянуто бледной дымкой, сквозь которую видны звезды. Медленно из этого легкого тумана возникают очертания гигантской дуги—арки, концы ее уходят за горизонт. Внезапно — как порывом ветра — тронуло дугу: в ней появились складки и петли, словно холодная горная река извивается по небу. Еще мгновение— и длинные вертикальные нити-лучи помчались вдоль дуги. Они дрожат, пляшут, кружатся, и над головой повисает настоящая корона. Вдруг все небо взрывается, цветные брызги света рассыпаются во все стороны. Уцелевшие части дуги полощутся как знамена. Вокруг спирали, ленты, факелы, струи... Постепенно их поглощает полярная ночь, а небосвод становится похож на огромным черный ковер, покрытый мерцающими цветами-пятнами... Тем временем на горизонте показались новые дуги... "
Г. А. Ушаков, русский исследователь Северной Земли, в книге "По нехоженой земле" приводит следующее описание полярного сияния: "Небо пылало. Бесконечная прозрачная вуаль покрыла весь небосвод. Какая-то неведомая сила колебала ее. Вся она горела нежным лиловым светом. Кое-где показывались яркие вспышки и тут же бледнели, как будто на мгновение рождались и рассеивались облака, сотканные из одного света. Сквозь вуаль ярко светят звезды. Вдруг вуаль исчезла. В нескольких местах еще раз вспыхнули лиловые облака. Какую-то долю секунды казалось, что сияние погасло. Но вот длинные лучи, местами собранные в яркие пучки, затрепетали бледно-зеленым светом. Вот они сорвались с места и со всех сторон, быстрые как молнии, метнулись к зениту. На мгновение в вышине образовали огромный сплошной венец, затрепетали и потухли.... Неведомая сила выбросила целый сноп лучей, похожих на полураскрытый веер. Нежнейшие оттенки цветов — красного, малинового, желтого и зеленого — раскрашивали его. Лучи каждое мгновение тоже меняли свою окраску. Один какую-то долю секунды был малиновым, потом стал пурпурным, вдруг окрасился в нежно-желтый цвет, сейчас же перешедший в фосфорически-зеленый. Уследить за сменой окраски было невозможно. Около четверти часа продолжалась эта непередаваемая по красоте игра света".
Художник Г. Н. Гамон-Гаман в 1936—1939 гг. работал вблизи Мурманска. Он описывает свои впечатления от полярных сияний так: "Однажды мне посчастливилось наблюдать здесь одно из самых замечательных полярных сияний и пережить незабываемые минуты. Это было в ночь на 29 октября 1937 г. Я бродил по снежной долине между валунами. Над горизонтом вдоль Баренцева моря тянулись подобно амфитеатру Кольские фиорды, скалы которых в ночное время особенно грозно вырисовываются своими черными силуэтами. Неожиданно на северо-востоке над обширным темным, но прозрачным куполом неба появилась небольшая светящаяся туманность. Пока она постепенно усиливалась, в некоторых местах неба возникали новые световые пятна. Вскоре они приняли форму лучей, все сильнее и сильнее вырастающих из одного туманного центра. И вот началась феерия: разноцветные лучи, как стрелы, вылетали из зенита и как бы во взаимной борьбе догоняли и тушили друг друга и вновь появлялись на другом месте неба, вспыхивая с еще большей силой и снова разлетаясь цветными зигзагами по всему пространству северо-восточного участка неба. Внезапно все это гигантское дрожащее море красок тускнело, и в нем появлялись провалы темно-фиолетового и синего тона.
Небо стало темным, но из пустой тьмы вскоре засветило ярким ореолом сияние светло-изумрудного тона, занимая еще большее пространство на небосводе и переходя в могучий, широкий огромный поток света. Все небо вспыхнуло раскаленным огнем. Вихри, брызги огня, дрожащие снопы, трепещущие искры, огненные столбы, танец блестящих стрел. Заструился разноцветный туман, напоминающий не то какое-то огненное чудовище, не то крылья из огня и перламутровой пыли. Вся эта масса многоцветия и блеска соединилась в один огромный небесный пожар. . . Да, это был небесный пожар холодного огня. Наконец это бурное сцепление, этот магический хаос огненного потока световой материи затих. Еще мгновение, и все потухло... И снова открылись зенитные ворота, и все новые и новые формы небесного фейерверка начали низвергаться среди неба, как будто их кто-то черпал из бездонного цветного блеска.
А в это время внизу, у земли, огненные языки, казалось, заходили за вершины гор и холмов, и отраженные многоцветные огни бегали по оголенным от снега валунам. Причудливые тени, передвигающиеся на освещенном фоне снега, казалось, писали какие-то таинственные знаки на никому неизвестном языке.
Но как красиво заканчивалось это зрелище! На небосводе засветился громадный веер— источник спектральных чудес, который нежно переливался неуловимой гаммой красок, и спокойно и медленно, теряя свою интенсивность, слабел и исчезал. Цепи скал над фиордами стали еще черней и угрюмей... А небо продолжало светиться постоянным неполярным сиянием.
Много раз впоследствии долгими полярными ночами я наблюдал полярные сияния, стараясь проникнуть в тайну последовательности и чередований всех бесчисленных форм этого исключительного явления природы.
Но слишком многочисленны и бесконечно разнообразны в своей многоцветности и конфигурации были каждый раз наблюдаемые мною сияния, чтобы я мог установить какую-нибудь закономерность в процессе сочетаний красок и форм, в непрерывной смене их на небосводе. Да и те изобразительные средства, которые доступны человеку — слова, кисть художника и в особенности фото, — слишком слабы, чтобы полностью передать впечатления от этого явления".
У каждого, кто наблюдал полярные сияния, возникает один и тот же, главный вопрос: что это такое?
Коренные жители Европейского Крайнего Севера называли сияния "лисьим огнем". Полагали, что лиса махнула своим хвостом по снегу и пошли искры вверх, огнем разгорелись. Индейцы Северной Америки считали, что сияния — это отблески далеких костров. Туземцы Новой Зеландии называют полярные сияния большим костром (таху—нуи-а-ранги). Арабский посол, прибывший к царю славян, Ахманд ибн Фарлан наблюдал полярное сияние на Севере, которое он описал так: "Я поднял голову, и вот облако, красное, как огонь, находилось близ меня. Из него исходили шум и голоса, в нем были видны как бы люди и кони, в руках этих фигур были луки, копья и мечи; я различал и представлял их себе. И вот показалось другое подобное облако, в котором я также видел людей с оружием и копьями, и оно устремилось на первое, подобно тому, как один полк конницы нападает на другой. Мы испугались этого и стали покорно молиться богу, а жители страны издевались над нами и удивлялась нашему действию... "
Викинги Скандинавии считали, что сияния — это блеск одежды богинь-воительниц — валькирий, которые пролетают на своих конях по небу. Валькирии спешат подарить храбрейшим победу, а павших в бою унести.
М. В. Ломоносов задавал вопрос: "Что такое сияние" в стихах:
Что зыблет ясной ночью луч? Что тонкий пламень в твердь разит? Как молния без грозных туч Стремится от Земли в зенит? Как может быть, чтоб мерзлый пар Среди зимы рождал пожар?
В своем трактате М. В. Ломоносов так отвечает на эти вопросы: "Весьма вероятно, что северное сияние рождается от происходящей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезания, движения, цвета и вида, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются". Сияния показаны на рис. 14—21.
Как рождаются сияния? Чтобы ответить на этот вопрос, проследим, что происходит, когда заряженная частица (электрон, протон) пролетает через атмосферу. Частица сталкивается с атомами и молекулами. Столкновение есть столкновение. Оно заканчивается аварией. В ней разрушается атом или молекула. Сама частица остается прежней, меняется только ее энергия и направление движения. Что-то подобное происходит с налетающим бильярдным шаром.
Что может произойти с атомом или молекулой при налете заряженной частицы? При тех энергиях, которые имеют налетающие заряженные частицы, ядро атомов остается невредимым. Меняется только судьба орбитальных электронов.
Пролетающая заряженная частица при столкновении с атомом может выбить из атома один из орбитальных электронов. Легче всего выбить из атома самый внешний орбитальный электрон. Для этого требуется затратить меньше энергии, чем для обрыва электронов из других орбит. Атом, от которого оторван орбитальный электрон, заряжен положительно. Пока атом был целым, этот заряд компенсировался этим электроном. Такой атом называется ионом, положительным ионом. Поэтому весь этот процесс был назван ионизацией, то есть процессом создания ионов.
Пролетающие через атмосферу заряженные частицы теряют свою энергию на образование ионов. Оторванные от атомов электроны остаются свободными. Но кроме этого заряженные частицы при взаимодействии с атомами и молекулами вызывают их свечение. Это свечение и является полярным сиянием. Как это происходит?
Налетающая заряженная частица не обязательно отрывает электрон из атома. Для этого ей может не хватить энергии. Она может отдать электрону только небольшую долю энергии. Ее недостаточно, чтобы электрон освободился из атома. Но полученную энергию электрон не может удержать долго. Каждый электрон на каждом своем месте в атоме может обладать только определенной энергией. Поэтому полученную энергию орбитальный электрон должен практически незамедлительно отдать. Если атом часто сталкивается с другими атомами (как в обычном комнатном воздухе), то эту излишнюю энергию электрон отдает другим атомам. Но высоко в атмосфере плотность воздуха очень мала. Там отдать быстро таким путем лишнюю энергию трудно. Поэтому электрон, владеющий этой энергией, освобождается от нее, излучая квант (порцию) света.
При этом все должно быть точно, "как в аптеке". Электрон может принять на время только строго определенную долю энергии. Он должен, если он хочет остаться на прежнем месте, оставить себе только строго определенную энергию. Поэтому он излучает строго определенную порцию энергии. Энергия кванта излучения определяется его частотой, длиной волны. Видимое излучение с разными длинами волн воспринимается нашим глазом как излучение разных цветов.
Атомы кислорода в этом плане отличаются от атомов азота и от атомов любых других химических элементов. Это значит, что на отрыв электронов от атомов различных химических элементов требуется затратить разное количество энергии. Электроны, которые приняли дополнительную энергию, но остаются внутри атома на своей орбите, называют возбужденными. Такое название отвечает существу дела. Но когда возбужденный электрон внутри атома кислорода возвращается в свое основное стабильное состояние, то он излучает кванты света одного цвета (одной частоты, а значит и энергии). Если это происходит с электронами внутри атома азота, то излучаются кванты света другого цвета. Поэтому мы и наблюдаем полярные сияния различных цветов. Подведем итог тому, что нам стало известно о полярных сияниях.
Прежде всего, полярные сияния — это свечение атмосферного газа под действием потоков заряженных частиц. Они наблюдаются там, где имеются такие потоки. Земля и ее атмосфера защищены от потоков солнечных заряженных частиц магнитным полем Земли. Но эта защита не везде надежна. Структура магнитосферы Земли формируется под действием этих потоков. Имеются области в магнитосфере, через которые заряженные частицы все же проникают в атмосферу Земли. Здесь они вызывают полярные сияния. Значит, места, где видны полярные сияния, определяются структурой магнитной оболочки Земли в данный момент. Но поскольку северная часть магнитосферы точно такая же, как и южная, то южные и северные сияния происходят в строго симметричных относительно экватора местах.
Магнитная оболочка Земли меняется непрерывно. Она такова, каковы потоки заряженных частиц, приходящих от Солнца. Эти потоки меняются с изменением солнечной активности. Меняются размеры магнитосферы. Меняется и ее форма. Смещаются и те области, в которых заряженные частицы могут проникнуть к атмосфере Земли. Это значит, что меняются места, где видны полярные сияния.
Если сияния видны в Египте, то это значит, что щели в магнитосфере сместились от полюсов даже сюда. Это могло произойти только в том случае, если магнитосфера была необычайно сильно сжата потоками солнечных частиц. Они должны быть очень-очень большими. Именно в таких случаях, то есть при чрезвычайно высокой солнечной активности, сияния можно было видеть даже в Египте. 8 марта 1970 г. полярные сияния наблюдались в Москве и Ленинграде. Этот случай был необычным. Солнечная активность была очень высокая. Магнитосфера Земли с дневной стороны была ужата потоками солнечных частиц на две трети. Когда же были видны сияния в Египте, ситуация в космосе была чрезвычайная. Мощные потоки солнечных заряженных частиц поджимали магнитосферу почти к самой ее атмосфере! Неудивительно, что эти периоды на века запомнились всем. Менялись все условия на Земле, менялся климат, просыпались вулканы, происходили землетрясения и т. д. Поэтому люди и боялись полярных сияний.
Петр Первый наблюдал полярные сияния 3 октября 1722 г. под Астраханью. Он так записал об этом в своем походном журнале: "Когда смерклось... явилась якобы заря, которою многие чаяли, но потом стала подниматься на горизонт... но только гораздо краснее, так как пожар издали без пламени видится великой. Казалось, якобы по берегам с той стороны камыш горел".
Хроники сообщают, что в 1111г. русские князья пошли в поход на половцев. Но войско их было малочисленным. Половцы имели большой перевес в численности. Но вдруг половецкие воины дрогнули в ужасе и отступили. Те из них, кто был полонен, объяснили свое поражение так: "Как можно было с вами бороться, когда над вами ездили в светлых бронях и помогали вам!" Помогало русским воинам северное сияние.
Где же все-таки чаще всего видны полярные сияния? Всегда считалось, что чем дальше на север, тем сияний больше. Но когда стали наблюдать за сияниями специально из многих мест, то оказалось, что это не совсем так. Непосредственно вокруг полюса сияния наблюдаются значительно реже, чем на широте Норильска и Мурманска.
Наблюдения за сияниями с поверхности Земли, а также с помощью искусственных спутников Земли показали, что сияния чаще всего видны в кольце, которое удалено от полюса примерно на полторы тысячи километров. Это огненное кольцо несколько сдвинуто, его центр смещен от полюса в сторону полночи. Значит, оно ближе к полюсу днем и дальше от него ночью. День и ночь "ходит" за Солнцем. Так же поворачивается и огненное кольцо, в котором видны полярные сияния.
Одно такое кольцо (а точнее, овал) имеется над Арктикой. Другое— над Антарктикой. Расположены они симметрично относительно экватора Земли, Но очень любопытно, что и полюса и экватор надо брать не обычные, географические, которые нанесены на глобусе. В данном случае надо брать магнитные полюса и магнитный экватор.