До сих пор такое прекрасное явление, как полярное сияние, таит в себе множество загадок. И хотя наблюдать его может каждый, кто оказался недалеко от полюсов нашей планеты в темное время суток (то есть года), однако о причинах его возникновения известно немного. Недавно ученым из Пуэрто-Рико удалось разгадать один из секретов полярных сполохов.Как мы знаем, полярные сияния образуются в результате бомбардировки верхних слоев атмосферы заряженными частицами. Эти частицы на высоких скоростях несутся по направлению к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства. Войдя в атмосферу, они сталкиваются с ионами, атомами и молекулами газов. Как часто бывает при таких ударах, последние переходят в возбужденное состояние и начинают излучать электромагнитные волны, в частности, свет. Его-то мы и считаем полярным сиянием.
Почему же это чрезвычайно красивое явление природы можно наблюдать только в приполярных областях нашей планеты? Ведь многие потоки космических частиц, в том числе и всем известный солнечный ветер, струятся по направлению к Земле со всех сторон. Все дело в том, что наша планета представляет собой огромный природный магнит со своим полем. Это мощное поле способно отклонять потоки частиц, летящих от Солнца, к магнитным полюсам, которые ныне находятся вблизи географических полюсов Земли.
Впрочем, в те редкие моменты, когда Солнце выбрасывает особенно мощные потоки частиц с большой скоростью, полярное сияние может оказаться совсем не полярным. Тогда атмосфера начинает светиться и над весьма далекими от полюсов местами. Например, в сентябре 1957 года его видели жители Астрахани. А в 1941 году полярное сияние светилось над городами и весями Воронежской области. Однако такое удаление сияния от полюсов является скорее исключением, чем правилом.
Следует заметить, что в спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы — азота и кислорода. При этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так и в молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота. По сути, весь видимый свет сияний составляют именно эти излучения.
Также известно, что спектр полярных сияний меняется с высотой в зависимости от преобладающих в нем линий излучения. По этому признаку полярные сияния делятся на два типа. Одни — это высотные полярные сияния типа A с преобладанием атомарных линий спектра. Другие, относимые к типу B, возникают на относительно небольших высотах (80-90 километров). В них больше молекулярных спектральных линий — из-за того, что атомарное возбуждение быстро гасится при столкновениях частиц в сравнительно плотной на этих высотах атмосфере.
Хотя процесс возникновения красочных сполохов в полярном небе в общих чертах понятен, в этом природном явлении остается много неясного и загадочного. Например, никто с точностью не может сказать, каким образом возбуждение атомов распространяется в самой атмосфере — то есть, грубо говоря, предсказать, где именно будет видно сияние и какой оно будет формы.
И вот недавно физикам из Университета Пуэрто-Рико удалось проанализировать некоторые процессы распространения возбуждения в верхних слоях атмосферы при возникновении полярных сияний. Прежде всего, ученые взяли мощные магниты и направили их поле на поток искусственно созданной плазмы. Они сразу же обнаружили, что в некоторых ее частях возникли интересные волны, которые, по имени их первооткрывателя Ирвинга Ленгмюра, называются ленгмюровскими волнами.
Следует заметить, что эти волны представляют собой продольные колебания плазмы с частотой, прямо пропорциональной общему количеству электронов. Возникают они следующим образом. Известно что плазма может вести себя как достаточно упругая среда. Так вот, если в такой среде под действием внешних сил сдвинется из равновесного положения какая-то группа электронов (коих там видимо-невидимо), то на них будет действовать сила Кулона. Она будет стремиться вернуть их в исходное состояние. Под действием этих двух сил и возникнет колебание в виде ленгмюровской волны.
Если в холодной плазме такая волна будет стоячей, то в разогретой она начнет распространяться (правда, не очень быстро). Ну, а распространяясь по плазме, эти волны могут вызывать возбуждения всех атомов и ионов, встречающихся на пути. И, соответственно, способствовать образованию новых волн Ленгмюра.
Далее пуэрториканские исследователи, основываясь на результатах своих экспериментов, построили компьютерную модель процессов, происходящих в плазме. После этого они изучили данные практических наблюдений за полярными сияниями. В результате "экспериментальная" и "природная" картинка происходящего практически совпали. Из этого они сделали вывод, что и в атмосфере бомбардировка заряженных частиц вызывает распространение ленгмюровских волн.
Самое интересное в том, что до этого открытия считалось, что в природе волн такого типа не бывает (по крайней мере, их появление ни разу не наблюдалось). Ученые были уверены, что волны Ленгмюра рождаются лишь при лабораторных экспериментах. Теперь же выяснилось, что они возникают в верхних слоях атмосферы под воздействием потока заряженных частиц. Судя по всему, именно они способствуют распространению возбуждения среди атомов нашей воздушной оболочки — то есть, грубо говоря, зажигают полярное сияние.
Эти новые данные, по словам ученых, позволяют прояснить вопросы, касающиеся не только формирования самих сияний, но и их интенсивности. Возможно, именно ленгмюровские волны делают одни сияния более заметными, а другие — менее. Все это предстоит выяснить в следующей серии экспериментов.