Полярные сияния

в средних и высоких широтах ночью можно видеть световое явление, в северном полушарии появляющееся обыкновенно на северной стороне небосклона, которое называют северным сиянием (народное название на сев. России сполох. Aurore boréale, Nordlicht, Northern light, Streamers); в южном полушарии оно появляется на южной стороне горизонта и называется здесь южным сиянием; в последнее время для этого явления принято, как более общее, название П. сияния (Aurore polaire, Polarlicht). В средних широтах в более частых и обыкновенных случаях П. сияние начинается появлением на северной стороне горизонта, — прямо над точкой севера по магнитному меридиану, — желтоватого или чаще зеленовато-желтоватого света, нередко в форме довольно ярко светящихся облачных масс, постепенно усиливающегося и подымающегося над горизонтом, причем образуется яркая световая дуга с резко ограниченным нижним и неопределенным, размытым верхним краем; внизу, под этой дугой, небесный свод как бы темнеет, и образуется так наз. темный сегмент. Из этой светлой дуги выбрасываются временами яркие снопы света в виде отдельных лучей или целых пучков лучей, иногда того же зеленовато-желтого оттенка, как и дуга, иногда — окрашенных и переливающихся цветами радуги. Эти лучи нередко имеют значительную длину и достигают зенита, иногда даже переходя через него. При наиболее ярких и блестящих сияниях, лучи эти, вспыхивая по временам массами по всей длине дуги, перерезывают всю северную сторону небосклона и, сходясь вблизи магнитного зенита [Названием магнитного зенита обыкновенно обозначают ту точку небесного свода, в которой его пересекает линия, соединяющая оба полюса свободно подвешенной (т. е. имеющей возможность поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскостях) магнитной стрелки.], образуют здесь блестящий световой венец — корону северного сияния. В более редких случаях и в средних широтах, — а в более высоких, напр., на севере Норвегии, довольно часто, — северные сияния принимают вид образованной световыми лучами волнующейся занавеси, как бы раздуваемой ветром. Еще севернее яркость П. сияний начинает убывать; они делаются менее разнообразными, более простыми; обычная для этих широт форма П. сияния — светлая дуга, непрерывно изменяющая свою яркость и перемещающаяся по небесному своду, причем нередко за одной дугой следом вспыхивает другая, за ней еще, и еще, так что получается ряд быстро следующих друг за другом дуг.

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

Фиг. 1. Фиг. 3.

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

Фиг. 2. Фиг. 4.

Перечисленные формы — наиболее часто наблюдаемые, обычные типы П. сияний; вообще же, П. сияния представляют собой чрезвычайное разнообразие по их виду, яркости и окраске. Несмотря на это разнообразие, удалось привести все наблюдаемые случаи к двум классам. К первому из них — полярных сияний спокойных, — относят обыкновенно такие, которые сохраняют в течение более или менее продолжительного времени свое положение на небесном своде и свою относительную яркость; в этом классе различают три главные формы: 1) слабый свет на северной стороне горизонта без каких-либо ясных очертаний; 2) более яркий свет, сконцентрированный в пятна, иногда принимающий вид облачных масс, подымающихся над горизонтом; это — начальная, как упомянуто, форма большинства наблюдаемых в средних широтах сияний; 3) световые дуги из однородной массы света, с достаточно резко очерченными краями, опирающиеся обыкновенно своими концами на линию горизонта. Второй класс обнимает собой все П. сияния, подверженные быстрым изменениям и перемещениям; здесь можно различать также три подразделения; 4) световые дуги с неоднородным распределением света по их длине и с неправильными очертаниями верхнего края, кажущиеся обыкновенно состоящими из полосок или лучей, перпендикулярных к длине дуги; эти дуги выбрасывают обыкновенно из себя перемежающиеся снопы лучей (лучистые северные сияния); постоянная принадлежность этого типа — темный сегмент; 5) отдельные, более или менее сближенные, но друг с другом не связанные лучи, иногда своим схождением в магнитном зените образующие корону; 6) светлые полосы или ленты, состоящие из скученных вместе лучей неодинаковой яркости; иногда они представляются свивающимися в сгибы и складки и тогда образуют северные сияния в виде драпировок или занавесей — наиболее блестящая и красивая из форм этого явления. Перечисленные формы в отдельных случаях могут быть наблюдаемы каждая сама по себе — самостоятельно, или же П. сияние может представлять собой последовательные переходы из одной формы в другую. Частота наблюдения разных форм П. сияний для различных местностей земной поверхности неодинакова. Сопоставляя все известные наблюдения над различными формами П. сияний с местом наблюдений, а также со своими собственными наблюдениями во время зимовки "Веги" у сев. берегов Сибири, Норденшёльд пришел к заключению, что для северного полушария можно около некоторой точки N, которую теперь принято называть Норденшёльдовым пунктом, весьма близкой к северному магнитному полюсу, описать ряд концентрических кругов.

Черт. 1.

Внутри первого круга, описанного радиусом в 8° шир., северные сияния являются только в виде слабого света то на северной, то на южной стороне горизонта. Во втором поясе, между кругами в 8° и 16°, обычная форма сияний — двойная светлая дуга типа 3, часами, иногда даже днями не меняющая своего положения на небесном своде. Между кругами в 16° и 20° такая световая дуга, подымаясь над горизонтом, доходит до зенита наблюдателя, теряет свою характерную форму, и из нее появляются временами снопы лучей. В четвертом поясе, между кругами 20° и 28°, преобладают лучистые северные сияния, а в пятом наибольшей частоты и блеска достигают сияния в форме полос или занавесей. Вне последнего круга (в 33°) полярные сияния — явление сравнительно редкое и случайное. При общей желтоватой окраске явления в ярких и быстро меняющих свой вид сияниях иногда появляются лучи, окрашенные в другие цвета — преимущественно в красный и зеленый, реже — в синий и фиолетовый. При наиболее интенсивных сияниях желтоватый оттенок может пропасть совершенно. Так, во время замечательного по своей яркости сияния 4 февр. (23 янв. ст. ст.) 1872 г. весь сев. небосклон казался наблюдателям покрытым багрово-красной мантией, спускавшейся из магнитного зенита. Яркость света в сияниях вообще невелика; даже при наиболее ярких из них освещение земной поверхности далеко слабее, нежели в ясную ночь во время полнолуния; очень редки случаи, когда наблюдатели сравнивали освещение П. сияниями с освещением Луны во время одной из ее четвертей. Сквозь лучи или световые массы сияния всегда можно видеть более яркие звезды, а через темный сегмент просвечивают даже и сравнительно слабые, причем никаких изменений в виде звезд не заметно. Спектр П. сияния характеризуется 12—14 светлыми линиями, отчасти совпадающими с линиями, наблюдаемыми в спектре разреженного воздуха в Гейсслеровых трубках под действием электрических разрядов, отчасти же не совпадающими ни с одной из линий какого-либо известного вещества. Наиболее яркой и характерной линией является желтовато-зеленая (с длиной волны 557 µµ.), весьма близко совпадающая с линией, наблюдаемой в спектре зодиакального света; происхождение ее до сих пор не разгадано. Размеры области, на которой одновременно могут быть видимы полярные сияния, могут колебаться в самых широких пределах. Наблюдения кап. Нэрса в Гренландии показали, что в некоторых случаях северные сияния, наблюдаемые на одной из станций, оставались не видимыми на другой, отстоящей всего на 100 км от первой; подобные случаи наблюдались и другими путешественниками. С другой стороны, можно указать на противоположные случаи: 28 — 29 авг. 1869 г. северное сияние было наблюдаемо одновременно во всей Европе, в западной части Африки, на Атлантическом океане и по всей Северной Америке до о-ва Кубы. Еще обширнее область сияния 4 февр. 1872 г., которое отмечено наблюдателями северного полушария на пространстве, ограниченном с севера линией, проходящей от Енисейска к северным берегам Гренландии, а с юга линией, проходящей через Бомбей, Сиену (Верхний Египет) и Флориду (Сев. Америка), — словом, область наблюдения охватила в этом случае всю Европу, часть Азии, север Африки и Атлантический океан. Совершенно в те же часы этого дня в южном полушарии наблюдалось южное сияние, также охватившее почти все это полушарие и отмеченное, напр., наблюдателями в Австралии, на о-ве Св. Маврикия, на о-ве Соединения и в земле Наталь. Полоса, отделившая области, на пространстве которых наблюдаемы были одновременно сев. и южн. сияния, в этом случае не превышала 20° в ту и другую сторону от экватора. Если принять еще во внимание, что день на одной половине земного шара мешал здесь видеть сияние и что везде без исключения, где царствовала ночь, сияние было видимо, то в рассматриваемом случае, вероятно, весь почти земной шар, за исключением узкой экваториальной полосы, был как бы одет светом этого сияния. Так же, как область видимости, различна и высота, на которой наблюдались полярные сияния. Наблюдения, сделанные в Европе в течение прошлого и текущего столетий над лучистыми по преимуществу сияниями, показывают, что в средних широтах высота нижнего края светлой дуги может колебаться между 70 — 300 км, верхние же края лучей достигают иногда высот в 700 и более км над поверхностью земли. Наблюдения станций на севере Норвегии и Финляндии дают подобные же числа. Напротив, для стран околополярных целый ряд чисел подтверждает тот факт, что в этих крайних широтах сияния могут наблюдаться на высотах, значительно меньших, чем предыдущая. Так, Парри во время своего полярного путешествия наблюдал сияние на высоте всего 210 м, причем это северное сияние проектировалось на корабль и берег, отстоявшие на 2760 м от места наблюдения. Еще поразительнее явление, наблюденное в Гренландии 26 февр. 1872 г., когда сияние типа 5 (в виде отдельных лучей) появилось всего на высоте 55 м над землей и на расстоянии 110 м от одной из наблюдавших его станций. Наблюдения Лемстрёма в Лапландии неоднократно обнаруживали сияния на высоте 20 — 30 м. Вообще, сопоставление наблюдаемых высот между собой и с районами видимости П. сияний наводит на мысль, что при их наблюдении приходится, по-видимому, иметь дело иногда с явлениями чисто местного характера, видимыми на весьма небольших высотах и в очень ограниченном районе; иногда же П. сияния охватывают обширные районы и достигают тогда значительных высот над земной поверхностью. Относительно средних высот, на которых происходят П. сияния, следует считать установленным вполне тот факт, что высоты эти, довольно значительные для средних широт, уменьшаются по мере приближения к сев. магнитному полюсу. Для изучения вопроса о повторяемости полярных сияний в различных местностях земного шара в течение определенного промежутка времени, именно в течение года, Фритц, пользуясь каталогами северных сияний, построил карту их распределения для северного полушария.

На этой карте все места с одинаковым средним числом сияний, наблюдаемых в течение года, соединены сплошными линиями, — изохазмами (ίσος — равный, χάσμη от χάσχω — зияю, разверзаюсь). Изохазмы представляют собой овальные, довольно правильные линии, центр которых — Норденшёльдов пункт, совпадающий почти с северным магнитным полюсом, — является полюсом северных сияний. Первая, внешняя из этих линий, помеченная цифрою 0.1, соединяет места, где полярные сияния наблюдаются в среднем однажды в 10 лет. Внутри области, ограниченной этой линией, повторяемость быстро растет: в Петербурге наблюдается, напр., средним числом 9 сияний в год, в Христиании — около 30, в Дронтгейме и Улеаборге — около 100. С приближением к полюсу сияний повторяемость их возрастает, однако, только до тех пор, пока мы не дойдем до линии, обозначенной на карте линией максимума; по ту сторону этой линии число сияний снова уменьшается. Одновременно с уменьшением повторяемости уменьшается и яркость сияний к С от этой линии. Вместе с тем обнаруживается и еще странный факт. В средних широтах Европы П. сияния наблюдаются почти исключительно на северной части небосклона; только в исключительных случаях светлая дуга сияния переходит через зенит наблюдателя и может быть видима на южной стороне горизонта. При переходе к более сев. местностям, с увеличением числа сияний в течение года возрастает и число сияний, наблюдаемых на южной стороне горизонта. За линией максимальной повторяемости на карте проведена еще одна пунктирная линия (полоса нейтрального направления), соединяющая все места, для которых число сияний, наблюдаемых на северной стороне горизонта, равно числу сияний на южной. Севернее этой линии преобладают уже сияния на южной стороне горизонта: так, в Упернавике (Гренландия) из 100 сияний 81 видно на южной половине горизонта и только 4 на северной его стороне, остальные же 15 появляются то на В, то на З. Сопоставляя эти факты со своими наблюдениями во время путешествия около северных берегов Азии, т. е. в районе максимальной повторяемости сияний, где почти постоянно можно было наблюдать спокойно стоящую высоко над горизонтом двойную светлую дугу П. сияния, Норденшёльд высказал гипотезу, довольно удовлетворительно объясняющую наблюдаемые факты. Он предполагает, что вокруг северного магнитного полюса (правильнее Норденшёльдова пункта) существует постоянное световое кольцо (венец северных сияний) диаметром около 2000 км и на высоте около 200 км над поверхностью земли; снаружи этого кольца, в его плоскости, лежит второе, несколько большего диаметра; высоты наблюдаемых дуг довольно хорошо соответствуют этой гипотезе Норденшёльда. Эти кольца наблюдатели и видят, как светлые дуги, то на северной, то на южной стороне горизонта, смотря по положению места наблюдения относительно колец. Из внешнего кольца, которое Норденшёльд считает центром световой деятельности для сияний, появляются все яркие и более сложные формы явления, направляясь наружу; в области же между внутренним кольцом и полюсом сияний наблюдаются только сравнительно слабые и простые типы последних. Гипотеза Норденшёльда вызвала, впрочем, против себя довольно веские возражения.

Фритц установил, что число ежегодно наблюдаемых в средних широтах сияний подвержено значительным и довольно правильным колебаниям, обнаруживая ряд максимумов и минимумов, промежуток между которыми равен (как и для солнечных пятен) 11 годам и 2 месяцам. Периоды максимума и минимума сияний совпадали с таковыми же периодами для солнечных пятен, равно как и с периодами колебаний склонения магнитной стрелки: и здесь максимальные отклонения совпадают с максимумом сияний и обратно. Для стран, лежащих внутри нейтральной линии, периодичность сияний, по Тромгольду, оказалась обратной периодичности для средних широт. Наблюдения показали затем, что яркие и блестящие сияния средних широт сопровождаются так называемыми магнитными бурями (см. Земной магнетизм); при этом магнитное возмущение тем сильнее, чем ярче и обширнее П. сияние. Центр сияния всегда совпадает с точкой магнитного С, лучи сияния направлены преимущественно параллельно магнитному меридиану, и корона во время сияния образуется всегда вокруг магн. зенита. Только слабые сияния, наблюдаемые внутри нейтральной линии, прямой связи с колебаниями земного магнетизма как бы не обнаруживают; но эти сияния — явления чисто местные. В заключение укажем на связь между П. сияниями и появлением некоторых типов перистых облаков и кругов около Солнца или Луны. Всякий раз, как только такие облака, появляясь на небесном своде, собирались в длинные, напоминающие опушку пера полосы, дугами пересекавшие небесный свод и сходившиеся в общую точку радиации (см. Облака), вечером замечалось появление сев. сияний, принимавших лучистую форму, если точки радиации облаков совпадали с магнитными меридианами; при направлении же облачных полос с З на В и сияние являлось в виде дуг. Замечено также, что после больших П. сияний на небе всегда наблюдалось появление белесоватого туманного покрова и облака всегда имели неясные, туманные контуры. Круги около Луны и Солнца наблюдаются обыкновенно только при перисто-слоистых облаках: максимуму П. сияний в течение года соответствует и максимум кругов и обратно.

Для объяснения причины полярных сияний был предложен ряд гипотез, предполагавших то космическое происхождение явления, то рассматривавших его как явление чисто оптическое, то как явление, вызываемое магнитной железной пылью, предполагавшейся в очень размельченном состоянии в верхних слоях атмосферы. Около середины прошлого столетия высказана была впервые мысль об электрическом происхождении П. сияний; но только во второй половине текущего столетия эта мысль получила прочное основание и научное развитие. Исходя из физического явления униполярной (см.) индукции, когда в проводнике, соединенном с вращающимся около своей оси магнитом, появляется электрический ток, Эдлунд рассматривает верхние, разреженные слои атмосферы как проводник, окружающий вращающийся магнит — земной шар. Результатом этого вращения должен быть электрический ток, вроде тихого разряда, благодаря которому наэлектризованные у земной поверхности воздушные частицы поднимаются через нижние, сравнительно плохо проводящие слои воздуха вверх, к хорошо проводящим верхним слоям атмосферы, где электричество должно накопляться, пока оно не будет израсходовано посредством разряда, направленного сверху вниз. При известных условиях разряд и происходит, причем электрический ток вызывает в разреженных слоях воздуха световые явления, которые и принимают в высоких широтах форму П. сияний. Рассматривая силы, действующие при явлении униполярной индукции на наэлектризованную частицу, Эдлунд приходит к заключению, что разряды в околополярных широтах должны быть направлены параллельно магнитному меридиану и оси стрелки наклонения, что вполне соответствует наблюдаемым здесь характеристическим особенностям П. сияний. Если при этом иметь в виду, что магнитная ось земли не совпадает с осью ее вращения, то легко объяснить и овальную форму изохазм. Большое значение для электрической теории П. сияний представляли опыты Лемстрема (см.). Лемстрем установил на одной из высот в Лапландии (возле мст. Соданкюля) аппарат, состоявший из большой плоской спирали из железной проволоки, по которой через каждые 0,5 м был насажен ряд острий, направленных вверх; обороты спирали покрывали площадь в 364 кв. м. Вся спираль была уложена на изолирующие подставки на небольшом расстоянии от поверхности земли, и свободный конец её был отведен далеко вниз и соединен с землей. Смотря на эту спираль снизу, можно было нередко видеть вокруг неё световые явления то в форме неясных, расплывчатых световых ореолов, то в виде достаточно ярких лучей характерного зеленовато-желтого цвета. В спектроскоп Лемстрем убедился, что спектр наблюдаемого им явления тождествен со спектром П. сияний. Электрическая машина, соединяемая со спиралью, всякий раз усиливала световое явление, если оно существовало, и могла его иногда вызвать, если оно отсутствовало. Теория Эдлунда, объясняя вполне удовлетворительно явления, наблюдаемые в околополярных странах, оказывается, однако, недостаточной для объяснения сияний, распространенных на большие поверхности, и не может объяснить связи между колебаниями земного магнетизма и П. сияниями. Поэтому в настоящее время на П. сияния смотрят следующим образом. Те обычные в околополярных странах явления, которые носят характер явлений местных и спокойных, магнитными бурями не сопровождающихся, вполне укладываясь в рамки теории Эдлунда, должны быть рассматриваемы как явления электрического разряда в атмосфере. На сияния же, распространенные на большие пространства, — часто даже на оба полушария — и сопровождаемые обыкновенно значительными магнитными возмущениями, следует смотреть, ввиду их тесной связи с явлениями земного магнетизма, как на электрические явления индукции, являющейся результатом магнитных бурь или возмущений в земных токах. Во всяком случае, электрическое происхождение П. сияний в настоящее время стоит вне всякого сомнения.

Подробно о П. сияниях см. S. Günther, "Lehrbuch der Geophysik und phys. Geographie", (II т., 1885); Hann, Hochstetter u. Pokorny, "Allgemeine Erdkunde" (I т., 1886); Angot, "Les aurores polaires" (1895).

Г. Л.