Человек не мог не заметить полярные сияния, когда они появлялись на небе. Поэтому можно уверенно сказать, что полярные сияния он обнаружил с самой глубокой древности. Полярные сияния в средних и низких широтах наблюдаются очень редко (только при чрезвычайно сильных возмущениях на Солнце, в периоды максимальной его активности).
Письменные упоминания о полярных сияниях встречаются у Аристотеля, Плиния, Сенеки и других греческих и римских философов, живших на берегах Средиземного моря.
В средние века полярные сияния считались предвестниками войн, голода, эпидемий, других больших катастроф. Запомнилось, что как перед падением Иерусалима, так и перед смертью Юлия Цезаря наблюдались вспышки полярных сияний. Все это считалось проявлением гнева богов или другого знамения. В это время в полярных сияниях видели нечто сверхъестественное. Иногда их изображали даже в виде целых армий, вооруженных пиками и сражающихся насмерть.
Население тех мест, где часто наблюдались полярные сияния, т. е. в северных широтах, имело более реалистическое представление об этом явлении. Кое-кто даже пытался естественным путем объяснить происхождение полярных сияний, считая их солнечными лучами, накопившимися в толще льда в течение дня и излучаемыми ночью, или отражением солнечного света от северных морей.
На Руси полярные сияния называли пазорями или сполохами. Слово «пазори» означает «зореподобные», а «сполохи» родственно слову «полошить», т. е. бить в набат. Во время полярных сияний действительно часто приходилось бить в набат. Это отмечалось и в других странах. Так, по свидетельству Сенеки, в 37 г. н. э. «пожар на небе» был таким красным, что люди решили: «горит вся колония Остия». На помощь ее населению император Тиберий послал даже своих солдат.
Подобные случаи имели место и в более позднее время. Так, 25 января 1938 г., когда солнечная активность была максимальной и полярные сияния достигали Европы, пожарные команды некоторых городов Европы направились к громадному зареву в северной части горизонта.
Говоря об истории полярных сияний, нельзя не упомянуть Антония де Уллоа, который во время своего путешествия вокруг мыса Горн в 1745 г. много раз видел полярные сияния в южном полушарии. Кук также наблюдал полярные сияния в южном полушарии, которые совпали по времени с полярными сияниями в северном полушарии (в Европе). Это первые данные о том, что полярные сияния наблюдаются одновременно в обоих полушариях.
Объяснений причины полярного сияния было предложено очень много. Были среди них и очень наивные (вроде того, что это свечение гнилой рыбы, выброшенной на берег разбушевавшимся северным морем), и весьма прозорливые. Так, француз Ж.-Д. Мейран в середине XVIII в. предполагал, что сияния возникают тогда, когда «материя зодиакального света» попадает в атмосферу, а Э. Галлей считал, что появление полярных сияний связано со «светящейся магнитной жидкостью». Последнее предположение очень близко к истине.
М. В. Ломоносов также серьезно интересовался проблемой полярных сияний. Он писал: «Весьма вероятно, что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезновения, движения, цвету и виду, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются». Подобного мнения были Ж. Кэнтон в Англии и Б. Франклин в Америке.
Полярное сияние — самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Невооруженным глазом видно свечение атмосферы на высотах в сотни и на удалениях в тысячи километров. Свечение настолько разноцветно и динамично, что производит впечатление чего-то живого, движущегося, дышащего. Даже после 20 лет наблюдения полярных сияний это впечатление не пропадает. Привыкнуть к картине полярных сияний невозможно, каждый раз оно воспринимается как что-то новое, иное, чем вчера, более завлекающее. Недаром считают, что полярные сияния принадлежат к наиболее красивым явлениям природы.
Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является и единственным проявлением воздействия солнечной корпускулярной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое на больших пространствах можно видеть невооруженным глазом.
Полярное сияние — это свечение земной атмосферы под действием потоков электронов и протонов, которые вторгаются в верхнюю атмосферу. Первоисточником этих заряженных частиц является Солнце. Солнечные корпускулярные потоки, подходя к Земле, обтекают ее, поскольку Земля экранирована от заряженных частиц своим магнитным полем — магнитосферой. Однако конфигурация магнитосферы такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а затем, трансформируясь, и в верхнюю атмосферу. Здесь под действием электронов и протонов происходит ионизация нейтральных атмосферных газов (кислорода и азота), а также возбуждение их атомов и молекул. Это и является причиной свечения атомов и молекул кислорода, азота, водорода и других атмосферных газов.
Полярные сияния, которые вызываются электронами, по своим свойствам отличаются от сияний, вызываемых протонами. Если измерить характеристики излучения (длину волны, интенсивность), то можно сделать заключение о том, какие атомы или молекулы излучили эти волны, а также какими заряженными частицами (с какими энергиями) было вызвано возбуждение излучающих атомов и молекул.
Полярные сияния отличаются по форме, цвету (т. е. длине волны излучения), интенсивности свечения, высоте над поверхностью Земли и другим характеристикам. Дело в том, что они зависят от многих изменчивых факторов. Ото прежде всего потоки заряженных частиц — электронов и протонов, которые зависят от солнечной активности, широты и долготы данного места, времени суток, сезона и др. Потоки заряженных частиц характеризуются энергией, энергетическим спектром и интенсивностью. Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то важным представляется и распределение скоростей заряженных частиц относительно направления магнитной спловой линии. Это так называемое распределение заряженных частиц по питч-углам (это угол между направлением скорости частицы и направлением магнитной силовой линии). От характеристик потоков заряженных частиц, и прежде всего от конфигурации магнитосферы, зависит, в какие области земной атмосферы эти частицы смогут вторгаться. Другими словами, в каких местах на земной поверхности будут наблюдаться полярные сияния.
Это один из основных вопросов, касающихся полярных сияний, и мы его рассмотрим весьма подробно. Здесь только укажем, что имеются две области в земной атмосфере, куда эти частицы проникают наиболее часто. Эти области представляют собой два овала (в северном и южном полушариях), удаленные от геомагнитных полюсов ночью приблизительно на 20°, а днем на 10°. Протяженность этих овальных областей по широте составляет всего несколько градусов (т. е. несколько сот километров). В областях, окруженных этими овалами, т. е. в полярных шапках, полярные сияния наблюдаются реже, чем в овалах полярных сияний, а в периоды сильных возмущений, когда сияния в овалах наиболее интенсивны, в полярных шапках они исчезают вовсе.
Таким образом, полярные сияния наблюдаются в высоких широтах северного и южного полушарий. Поэтому их еще называют северными и южными сияниями. В настоящее время в научной литературе широко распространен термин «аврора» (полярное сияние), авроральный овал (овал полярных сияний), авроральные явления и др. Термин «аврора» пришел к нам от древних римлян, которые называли редкие для них полярные сияния красновато-розового цвета именем богини утренней зари Авроры.
Важным фактором, который определяет свойства полярных сияний, является химический состав верхней атмосферы и ее физические свойства (зависимость плотности каждой составляющей атмосферы от высоты, температуры, движения и др.). Атомы и молекулы, а также их ионы, способные возбуждаться при столкновениях с частицами вторгающегося в атмосферу потока, поглощают при возбуждении определенные порции энергии частиц (это так называемые строго определенные потенциалы возбуждения). Этими величинами энергии определяются и эмиссии (излучения) этих атомов и молекул, их длина волны и интенсивность.
Если бы земная атмосфера имела другой химический состав, то и полярные сияния наблюдались бы в других линиях. Благоприятные условия для сияния зависят от того, какова энергия воздействующего электрона или протона имеется в момент взаимодействия и эффективность этого взаимодействия для данного процесса.
Из сказанного ясно, что проблема полярных сияний относится к проблемам солнечно-земной физики. Видимое, оптическое излучение атмосферы, которое собственно и называется сиянием, является только одной из сторон сложного, но единого физического процесса, связанного с выбросом плазмы из Солнца, приходом этой плазмы к орбите Земли, взаимодействием ее с магнитосферой, которая при этом деформируется, проникновением этой плазмы в околоземное космическое пространство (внутрь магнитосферы), ускорением заряженных частиц в магнитосфере и, наконец, их вторжением в верхнюю атмосферу Земли. С момента вторжения заряженных частиц (электронов и протонов) в атмосферу Земли начинается целый комплекс процессов, включающих ионизацию атомов и молекул, их возбуждение, свечение их в определенных линиях и т. д.
Многие десятилетия полярные сияния исследовались в поверхности Земли. Только последнее время для этих целей стало возможным использование ракет, ИСЗ и высотных самолетов. В самом начале собирались факты о времени сияния, их месте и движениях. Затем стали возможны измерения высот полярных сияний при одновременном их наблюдении из нескольких пунктов на земной поверхности (триангуляционный метод). В дальнейшем стало возможным фотографирование полярных сияний, что положило начало накоплению фактического материала об этом природном явлении. Возможность фотографирования позволила более точно определять высоты сияния по их взаимному расположению относительно изображения на фотографиях из разных пунктов звезд. Полярные сияния очень изменчивы и динамичны. Поэтому применяемая в первых измерениях большая экспозиция при фотографировании не позволяла получить информацию о быстро меняющихся сияниях.
С одной стороны, изучались формы полярных сияний, их изменчивость, движения, условия их возникновения и исчезновения, а также зависимость от времени суток, сезона, солнечной и магнитной активности, широты и др. С другой — исследовалось излучение в отдельных линиях, делались попытки отождествить излучение в отдельных спектральных линиях с определенными переходами возбужденных атомов и молекул и их ионов. Так по характеру излучения верхней атмосферы был определен ее химический состав задолго до того, как стали возможными прямые измерения состава атмосферы с помощью ракет и ИСЗ. Этот источник информации о составе верхней атмосферы не потерял своего значения и в настоящее время, поскольку он позволяет получать более непрерывные и систематические данные.
Первые наблюдения излучения в определенных линиях (эмиссиях) выполнялись при помощи спектрографов. Эти измерения требовали длительных экспозиций и поэтому не давали необходимых разрешений в пространстве и времени. Применение фотометрических методов позволило производить значительно более ценные наблюдения.
Затем стали применяться спектрофотометры. Спектрофотометры, сканирующие в ограниченной области спектра, значительно превосходят спектрографы и широко используются при изучении полярных сияний.
Исследование спектров полярных сияний дало возможность получить ценную информацию не только о составе верхней атмосферы, но и о свойствах потоков заряженных частиц (электронов и протонов), которые вызывают полярные сияния. Для этого исследовалась интенсивность эмиссии в отдельных линиях, отношение интенсивностей в определенных линиях, их высотное распределение и зависимость от широты. Эти измерения достаточно сложны из-за того, что прибор суммирует все свечения, попадающие в его поле зрения, и трудно достичь большой точности в измерениях интенсивности эмиссии в отдельных линиях, а тем более с точной привязкой к высоте. Тем не менее полученный экспериментальный материал позволяет делать выводы о характеристиках вторгающихся электронов и протонов. Эти данные не потеряли своей актуальности и сейчас, когда стали возможны прямые измерения потоков заряженных частиц с помощью приборов, установленных на ракетах и спутниках.
Измеряя спектры полярных сияний, можно определить не только состав атмосферы и свойства потоков вторгающихся заряженных частиц, но и температуру в атмосфере.
Во время вторжения в верхнюю атмосферу потоков заряженных частиц наряду с полярными сияниями происходит целый ряд других процессов и явлений, с которыми полярные сияния тесно связаны. То, что сияния усиливаются и число их возрастает с увеличением солнечной и магнитной активности, понятно: усиление активности означает усиление потоков заряженных частиц. Вторгающиеся частицы наряду с возбуждением атомов и молекул (и их ионов) производят и ионизацию. В высоких широтах в зонах вторжения этих частиц создаются целые слои ионизованных атомов и молекул и свободных электронов. Так, в зонах, где чаще всего наблюдаются полярные сияния, за счет ионизации потоками электронов на высотах около 100 км создается целый слой свободных электронов толщиной ~5—15 км с плотностью электронов 106 см-3. Это так называемый спорадический ионосферный слой E s . Его возникновение и величина концентрации электронов тесно связаны с появлением и интенсивностью полярных сияний в овалах полярных сияний.
Вторжение высокоэнергичных солнечных протонов (солнечных космических лучей) с энергиями 1—100 мэВ в полярные шапки вызывает образование ионизации на более низких высотах (50—80 км). Эта ионизация в области D ионосферы является причиной поглощения радиоволн коротковолнового диапазона, которое называется поглощением типа полярной шапки (ППШ). Во время ППШ также наблюдаются полярные сияния определенного типа и определенной формы (мантийные полярные сияния), которые очень тесно связаны с этим слоем ионосферы.
Таким образом, полярные сияния очень тесно связаны с полярной ионосферой. Такая же тесная связь имеется между полярными сияниями и магнитными возмущениями. Дело в том, что часть изменений магнитного поля во время магнитных бурь происходит за счет возникновения электрических токов в ионосфере на высоте около 100 км. Образование электрического тока зависит от двух причин: наличия электрического поля и достаточной проводимости ионосферы. Проводимость ионосферы определяется количеством свободных электронов, а они в свою очередь создаются ионизацией потоками заряженных частиц. Таким образом, эта связь полярных сияний с магнитными возмущениями также физически понятна. Пульсирующие полярные сияния, интенсивность которых изменяется с частотой в несколько герц, очень тесно связаны с пульсациями в магнитном поле Земли.
Тесно связаны полярные сияния и с другими явлениями, например с отражением радиоволн КВ и УКВ диапазона от ионосферных (авроральных) неоднородностей. Недаром эти радиоотражения, регистрируемые радиолокаторами, называются также радиосияниями.
Таким образом, для того чтобы осветить проблему полярных сияний, необходимо рассмотреть условия и закономерности выброса потоков заряженных частиц (электронов и протонов) из Солнца, их зависимость от 11-летнего цикла солнечной активности и 27-дневного периода обращения Солнца. Кроме того, надо рассмотреть строение магнитосферы Земли и изменение ее при воздействии солнечных потоков плазмы, а также процессы в магнитосфере и ионосфере Земли во время магнитосферной бури. После рассмотрения этих вопросов многие аспекты проблемы полярных сияний становятся понятными и экспериментальные данные хорошо укладываются в общую картину солнечно-земного взаимодействия.