big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Теория полярных сияний

Развитие теории полярных сияний относится к XX в., когда была выяснена связь сияний с магнитными бурями, солнечной деятельностью, и были установлены основные закономерности, проявляющиеся в полярных сияниях. Естественно, что все эти факты и закономерности должны быть объяснены теорией полярных сияний.

Установление связи полярных сияний с физическими процессами на Солнце заставило искать разгадку причин сияний в каких-то солнечных воздействиях на верхние слои атмосферы. Наметились два направления объяснений происхождения полярных сияний — «ультрафиолетовая» и «корпускулярная» теории. Первая из них встретилась с серьезными трудностями и большинством специалистов теперь признается несостоятельной. Но поскольку до сих пор за конченной теории полярных сияний еще нет, мы ознакомимся с обои ми направлениями.

 

ТЕОРИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИЯНИЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ СОЛНЦА

Как уже говорилось, Солнце посылает нам не только лучи видимого света, но и невидимые ультрафиолетовые лучи. Эти лучи способны производить разнообразные физические и химические изменения вещества: они убивают микроорганизмы, обесцвечивают некоторые краски, вызывают потемнение кожи человека при загаре и т. п. Но самое важное для рассматриваемой здесь проблемы свойство ультра фиолетовых лучей заключается в том, что кванты их, обладая до статочной энергией, ионизуют и диссоциируют атомы и молекулы га зов воздуха, одновременно возбуждая их, т. е. сообщая им запас энергии, который они затем отдают в виде излучения.

Ультрафиолетовое излучение Солнца посылается к нам постоянно, полярные же сияния происходят только временами. Однако известно, что на Солнце иногда происходят сильные вспышки ультра фиолетового излучения. Во время таких вспышек, когда ультрафиолетовое излучение становится особенно сильным, и наблюдаются, согласно этой теории, полярные сияния.

В верхних слоях атмосферы воздух настолько разрежен, что его молекулы лишь очень редко испытывают столкновение между собой и поэтому могут совершать значительные вертикальные движения, как бы большие «прыжки», забираясь на высоту 40 000—80 000 км. При своем подъеме, который продолжается несколько часов, молекулы успевают ионизироваться ультрафиолетовым излучением Солнца. При обратном движении ионизированные частицы будут опускаться уже не по произвольным орбитам, а вдоль силовых линий магнитного поля Земли в полярные области. Спустившись до вы соты 100 км, частицы отдают свою энергию в виде свечения полярных сияний. Некоторые частицы ионизируются, еще не достигнув больших высот. На этой высоте силовые магнитные линии «входят» в Землю на большом расстоянии от зоны сияний. Поэтому не все частицы опускаются в полярные области: часть их попадает и в умеренные широты.

Траектории движения в магнитном поле массивных положительных ионов молекул воздуха и легких электронов различны, благодаря чему происходит частичное разделение зарядов, и в атмосфере возникает электрический ток. Вокруг этого тока появляется магнитное поле, которое, накладываясь на нормальное (невозмущенное) магнитное поле Земли, вызывает резкие его изменения, т. е. магнитные бури.

Эта теория находится в согласии с некоторыми опытными данными. Она удовлетворительно объясняет возникновение сияний, географическое распределение и проникновение их во время сильных магнитных бурь в низкие широты. Однако против нее имеется и много серьезных возражений. В частности, эта теория не объясняет наблюдаемого запаздывания полярных сияний и магнитных бурь примерно на сутки по отношению к моменту прохождения пятен через центральный меридиан Солнца. Если бы полярное сияние вызывалось действием ультрафиолетовых лучей Солнца, то, вследствие большой скорости света, сияния и магнитные бури наступили бы сразу после прохождения активных областей через центр солнечного диска. Промежуток времени, который нужен свету, чтобы пройти расстояние от Солнца до Земли в 150 млн. км, составляет всего 8 ми нут 20 секунд. Однако между прохождением активных областей через центр диска Солнца и началом магнитных бурь и появлением полярных сияний проходит всегда около 1—2 суток. Это значит, что энергия, благодаря которой возбуждаются сияния, передается не при помощи света, а частицами, имеющими значительно меньшую скорость. По величине запаздывания начала магнитных бурь можно подсчитать скорость этих частиц, которая оказывается равной около 1000—1500 км/сек.

 

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ ТЕОРИИ

В настоящее время большинство исследователей являются сторонниками корпускулярной теории.

Корпускулярная теория сияний основана на гипотезе, высказан ной еще в 1881 г. Гольдштейном, что Солнце, помимо обычного света и невидимого — ультрафиолетового и инфракрасного — излучения, выбрасывает из активных областей, т. е. участков, занятых пятнами, факелами, флоккулами и протуберанцами, еще потоки быстрых, электрически заряженных частичек — корпускул.

Частицы-корпускулы, испускаемые Солнцем, приближаясь к Земле и двигаясь в ее магнитном поле, отклоняются в полярные области. Этим объяснялось своеобразие географического распределения сияний,— что они наблюдаются не везде, а только в высоких широтах, а также наблюдаемое довольно близкое совпадение направления лучей полярных сияний с направлением линий магнитного поля Земли.

Внедряясь в верхние слои земной атмосферы, поток корпускул порождает свечение: сталкиваясь с атомами и молекулами воздуха, частицы потока приводят их в возбужденное состояние, и они испускают свет. Полярные сияния, следовательно, непосредственно связаны с корпускулярным излучением Солнца: они оповещают нас о том, что заряженные частицы, несущие солнечную энергию, достиг ли верхних слоев земной атмосферы и вызвали ее свечение. Неизбежно возникающее благодаря потоку электрически заряженных частичек магнитное поле накладывается на нормальное (невозмущенное) магнитное поле Земли, в результате чего и возникают магнитные бури. Так как эти потоки корпускул выбрасываются из активных областей Солнца, то связь между полярными сияниями, магнитными бурями и солнечной деятельностью получает естественное объяснение. Каждый импульс в кривой магнитограммы во время бури, по мнению сторонников этой теории,— прямой результат внедрения в земную атмосферу группы солнечных заряженных частиц.

Теперь можно объяснить и сезонный ход полярных сияний (рис. 26 на стр. 47). Нам уже известно, что солнечные пятна, с которыми связаны сияния, наиболее часто возникают на широтах 5—30° к северу и к югу от солнечного экватора. Плоскость солнечного экватора на клонена к плоскости орбиты Земли приблизительно на 7°. Земля в плоскости солнечного экватора находится 4 июня и 6 декабря, а отстоит от него дальше всего 4 сентября и 6 марта. Поэтому вполне естественно ожидать в июне и декабре уменьшения сияний, так как деятельность Солнца в экваториальной области менее интенсивна (там редко встречаются пятна). В сентябре и марте имеет место максимум сияний, так как в эти месяцы Земля находится в плоскости, проходящей через области с интенсивной деятельностью Солнца. В эти моменты поток корпускул, летящих от Солнца в радиальном направлении, имеет как бы лучший «прицел» на Землю.

Полярные сияния неодинаково интенсивны во всей полярной области. Максимальное их число, как уже говорилось, наблюдается в узкой зоне на определенной геомагнитной широте. Это обстоятельство также объясняется корпускулярной теорией и нагляднее всего подтверждается опытами, произведенными норвежским исследователем Биркеландом (впоследствии повторенными и другими исследователями). В лаборатории Биркеланда была сделана модель земного шара, представляющая собой электромагнит, заключенный в металлическую сферическую оболочку. Оболочка покрывалась веществом, светящимся под ударами заряженных частиц. Шар был помещен в стеклянный ящик с разреженным воздухом объемом пример но в один кубический метр. На одной из стенок ящика помещался источник электронов (катод), скорость движения которых можно было уменьшать и увеличивать по желанию. Шаровой электромагнит, служивший анодом, мог быть установлен так, что его ось занимала любое положение по отношению к прямой, соединяющей его центр с катодом. Меняя силу тока, можно было в весьма широких пределах изменять силу намагничивания шара. Поток электронов вызывал свечение фосфоресцирующего вещества в местах их падения на поверхность шара.

С помощью дополнительных экранов, покрытых тем же фосфоресцирующим веществом, можно было проследить пути отдельных электронных лучей. Эти экраны ставились также с целью выделить узкий пучок частиц желаемого направления.

Когда ток в обмотке шарового электромагнита отсутствовал, электрические лучи, падающие на фосфоресцирующую поверхность шара, обращенную к катоду, вызывали равномерное свечение. Но когда шар при включении тока намагничивался, картина резко менялась: под влиянием отклоняющего действия магнитного поля свечение сосредоточивалось в виде колец вокруг полюсов, концентрируясь в узкой области на некотором расстоянии от полюса, создавая в миниатюре то явление, которое мы наблюдаем в природе в грандиозных размерах (зона полярных сияний).

Этот опыт показывает, что часть корпускул огибает шар, оседая на противоположной от облучателя стороне. Отсюда становится понятным, что полярные сияния и магнитные возмущения бывают на ночной стороне Земли, около полуночи. При некоторых условиях опыта электронные лучи под влиянием отклоняющего действия магнитно го поля образовывали светящееся кольцо вокруг шара в плоскости его экватора. Это кольцо располагалось на довольно большом рас стоянии от шара, причем оно расширялось с увеличением намагничения шара. Из этого факта следовало, что магнитное поле шара

Проволочная модель траектории электрически заряженных частиц в магнитном поле Земли

создает вокруг него «запретное» пространство, куда частицы попа дать не могут, и ограничивает место попадания их узкими зонами вокруг магнитных полюсов.

Определить траектории электрических частичек в поле намагниченного шара можно и математическим путем. Такая задача была решена норвежским исследователем Штермером в 1900—1907 гг.

В теории Штермера рассматривается движение заряженных корпускул в магнитном поле намагниченного шара. По данным вычислений был построен ряд проволочных моделей траекторий корпускул, одна из которых изображена на рис. 41. На рисунке изображены траектории, проходящие с различных направлений, соответствующих раз личным положениям Солнца относительно оси магнита Земли. Как показывают вычисления, часть приближающегося к земле потока корпускул, должна распадаться под влиянием отклоняющего магнитного поля Земли на потоки, направляющиеся к северному и южному

Траектория "спуска" электрона к Земле

полюсам, а часть корпускулярного потока создает вокруг Земли в ее экваториальной плоскости кольцевой ток. Последний об разуется теми частицами, которые летят перпендикулярно к магнит ному полю Земли и совершают под влиянием отклоняющего действия магнитного поля круговые движения на громадном расстоянии от Земли (за пределами орбиты Луны). На существование такого кольцевого тока в плоскости магнитного экватора, как уже известно, указывают и лабораторные опыты с намагниченным шаром.

Как показывают вычисления, электрон в магнитном поле должен двигаться по спирали, «обвивающей» силовую линию магнитного поля.

На рис. 42 слева показан путь электрона согласно вычислениям. Пунктирная линия изображает магнитную силовую линию, сплошная линия — путь электрона. Справа — траектория электрона, сфотографированная в лаборатории (следует помнить, что на рисунке и фотографии изображена плоская картина пространственного явления). Луч полярного сияния, согласно корпускулярной теории, представляет собой не что иное, как траектории заряженных частиц в форме отдельных узких светящихся пучков, закрученных вокруг силовых магнитных линий.

Таким образом, на основании этой теории можно объяснить не только общую картину явления полярных сияний, но и отдельные де тали их и сделать количественные расчеты.

Теория однозарядного потока. В опытах Биркеланда шар облучался потоком электронов. Расчеты Штермера также относились к электронам, хотя полученные им уравнения движения справедливы и для других отдельных отрицательных и положи тельных частиц.

Поскольку в эксперименте Биркеланда и теоретических расчетах Штермера фигурировали частицы одного знака, их теория получила название теории однозарядного потока.

Однако корпускулярная теория полярных сияний однозарядного потока встретилась с большими трудностями. Прежде всего невозможно излучение Солнцем заряженных частиц одного знака, напри мер, электронов, потому что непрерывная потеря электронов при ведет к положительному заряду Солнца и отрицательному заряду Земли. В силу этого возникает электрическое поле, противодействующее дальнейшему поступлению из Солнца заряженных частиц.

Большие трудности корпускулярная теория встретила при объяснении попадания заряженных частиц в низкие широты. Согласно теории, угловое расстояние внедряющихся частиц от геомагнитного полюса до зон внедрения в зависимости от их энергии определяется формулой:

а = R + h (где R — радиус Земли, h — высота нижнего края полярных сияний) m, е и v — масса, заряд и скорость частиц соответственно, а М — так называемый магнитный момент Земли. Поскольку в формулу входит произведение mv, то широта, на которую внедряется корпускулярный луч, не изменится, если быстрые электроны заменить медленными ионами, лишь бы произведение mv сохраняло свое значение. В силу этого обстоятельства можно, изменяя скорость проводить ионы различной массы по одной и той же траектории.

При скоростях порядка 1000 км/сек электроны могут осаждаться только вблизи полюсов на расстоянии от него всего в 2—3°. К обсуждению этой трудности мы вернемся несколько дальше.

Еще одно затруднение, с которым встречается корпускулярная теория полярных сияний однозарядного потока, заключается в следующем. Совершенно очевидно, что возможность проникновения частиц на ту или иную глубину в земную атмосферу определяется величиной энергии частиц. Согласно измерениям высот сияний, заряженные частицы, вызывающие сияния, проникают до высоты 100 км, причем, как показывают наблюдения, в полярных районах лучи сияния проникают в атмосферу несколько глубже, чем в более южных широтах. Чем большей энергией обладает корпускулярный поток, тем интенсивнее сияние и тем ниже происходит свечение. Резкая нижняя граница высот полярных сияний показывает, что на этих высотах происходит полное поглощение энергии при шедших частиц. Этой энергии оказывается достаточно, чтобы ионизировать и возбудить присутствующие здесь газы к свечению. Но такое глубокое проникновение в атмосферу возможно при условии, что они обладают громадной скоростью. По исследованиям норвежского исследователя Харанга скорость электронов для проникновения их в земную атмосферу до высоты 100 км (средняя нижняя граница обычных сияний) должна составлять 0,26—0,36 скорости света. Для проникновения электронов до высоты 65—70 (высота самых низких дуг сияний), скорость их должна достигать даже 0,7 скорости света. На самом деле, как мы уже знаем, эти скорости в среднем составляют всего лишь 1500 км/сек.

Есть и еще одно затруднение: хотя направление лучей полярных сияний довольно близко совпадает с направлением линий магнитного поля Земли, частицы одинакового заряда не могут сохранить форму узкого пучка за время полета от Солнца к Земле вследствие электростатического отталкивания (одноименно заряженные частички отталкиваются). Поэтому корпускулярный поток должен рассеять ся на своем пути раньше, чем достигнет Земли. Следовательно, объяснять форму лучей полярных сияний, как это предлагал Штермер, узкими корпускулярными потоками нельзя.

Следует иметь в виду, что все вычисления Штермера основаны на расчетах движения одной заряженной частицы в магнитном поле Земли. В действительности же Землю облучает целый поток таких частиц, причем, чтобы поток мог вызвать магнитную бурю, плотность зарядов в нем должна быть достаточно высокой. Электрическое взаимодействие частиц в потоке может обусловить движение по траекториям, сильно отличающихся от вычисленных Штермером для от дельных частиц.

Теория нейтрального потока. Трудности, с которыми встретилась корпускулярная теория сияний однозарядного потока, заставила исследователей обратиться к возможности по строения теории полярных сияний и магнитных возмущений, основанной на внедрении нейтрального облака сильно ионизованного газа (плазмы), содержащего частицы с зарядами обоих знаков. Эту гипотезу развили Чепмен и Ферраро и позднее Мартин и Альфвен.

Основные положения этой теории следующие: из активных областей Солнца выбрасывается поток частиц, в целом нейтральный, состоящий из ионизованных атомов и оторванных от них электронов. Такой электрически нейтральный поток не рассеивается вследствие электростатического отталкивания. Двигаясь со средней скоростью 1000 — 2000 км/сек, поток имеет искривленную форму из-за вращения Солнца, подобно искривлению струи воды, вытекающей из вращающегося шланга (рис. 43). Вследствие движения Земли по орбите и вращения Солнца вокруг своей оси корпускулярный поток нагоняет Землю с вечерней стороны. Таким образом, его воздействие на Землю должно сильнее проявляться в вечерние часы, когда чаще всего и наблюдаются полярные сияния.

Такой поток, являющийся хорошим проводником, при подходе к Земле «затормаживается» магнитным полем Земли на расстоянии, нескольких ее радиусов (рис. 44). Наибольшее замедление, естествен но, будет происходить в точке А, так как она наиболее близко расположена к Земле. При дальнейшем движении в потоке образуется так называемая запрещенная полость, охватывающая Землю. Силовые линии магнитного поля с лобовой стороны запрещенной полости в надвигающемся потоке стремятся «сжаться», что приводит к увеличению горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Та кой эффект действительно наблюдается во время начальной фазы магнитной бури. Вместе с тем, земное магнитное поле разделяет за ряды потока противоположного знака. Заряды разных знаков сосредоточиваются на противоположных стенках полости В и С. Между обеими стенками полости возникает электрическое поле, под влиянием которого заряды с одной стенки полости переходят на другую, и полость замыкается, образуя круговой электрический ток, обтекающий Землю в экваториальной плоскости в западном направлении на расстоянии двух — четырех радиусов Земли. По расчетам Н. П. Беньковой магнитный момент кольца составляет примерно 1/40 магнитного момента Земли. Исходя из этого значения, можно вычислить соотношение между полем Земли и полем кольца на различных рас стояниях. Оказывается, что на расстоянии 7—10 радиусов Земли и более, поле кольца соизмеримо с полем Земли. Следовательно, поле кольца должно оказывать существенное влияние на поведение частиц во время магнитной бури.

Силовые линии дополнительного магнитного поля, создаваемого экваториальным током, параллельны оси Земли, но направлены на встречу полю однородного намагничения Земли, поэтому, накладываясь на постоянное магнитное поле Земли, они уменьшают его, что ведет к отклонению заряженных частиц в более низкие широты. Это отклонение особенно велико во время больших магнитных бурь, когда сила тока, циркулирующего в экваториальной области, может достигать 1 000 000 ампер и оказывать сильное воздействие на поток движущихся зарядов, отодвигая зону сияний к югу. В такие периоды действие кругового тока может быть настолько велико, что сияния могут опускаться далеко в низкие широты.

Проверка существования кругового электрического тока была

Корпускулярный поток, испускаемый Солнцем

Возникновение кругового тока вокруг Земли

экспериментально выполнена в лаборатории с намагниченным шаром. Действие электрического тока на положение зоны сияний показано на рис. 45. Как видно из рисунка, зона полярных сияний действительно расширялась под влиянием кругового электрического тока.

Опытная проверка действия кругового тока на положение зоны полярных сияний

Экваториальное токовое кольцо, состоящее из материи потока, постепенно рассеивается в пространстве; в течение ряда дней ток в кольце постепенно затухает, и магнитное поле Земли постепенно возвращается к своим значениям, бывшим до бури.

Через 27 дней, если поток не перестал существовать, он снова нагонит Землю, и явление повторится.

В работах, посвященных этой теории, нет строгого математического обоснования вопроса об образовании кольца в корпускулярном потоке, а дается лишь схема физического объяснения процесса торможения потока магнитным полем Земли. Эта теория удовлетворительно объясняет только одну сторону явления — уменьшение магнитного поля Земли во время бурь и расширение зоны сияний,— но она почти не объясняет происхождения самих полярных сияний и сопровождающих их нерегулярных колебаний магнитного поля Земли (магнитных бурь). В этой теории не анализируются причины проникновения корпускул в атмосферу до высоты 90—100 км.

Развивая эту теорию, Мартин предполагает, исходя из некоторых гидродинамических аналогий, что еще задолго до того момента, как круговой экваториальный ток замкнется, часть взаимодействующих заряженных частичек нейтрального потока может проникнуть в полярные районы и вызвать там свечение атмосферы и интенсивные токи, текущие вдоль зоны. Частички, попадающие в высокие широты, будут вырываться из тела потока или из самого кольца и перемещаться к Земле вдоль силовых линий магнитного поля. Они будут иметь достаточную скорость для проникновения до уровня полярных сияний и должны осаждаться на расстоянии около 25° от полюсов.

Гипотеза газового разряда. Сложность и быстрая изменчивость форм полярных сияний приводит к мысли о том, что свечение атмосферы вызывается не непосредственно солнечными корпускулами, а является эффектом газового разряда в электрических полях, индуцированных в поступающей от Солнца плазме. На сходство полярных сияний с явлением электрического разряда указывал еще М. В. Ломоносов, но подобные взгляды были забыты с появлением теории Штермера—Биркеланда. В последние годы гипотеза газового разряда вновь привлекла внимание ученых и в начале40-х гг. начала разрабатываться шведским ученым Альфвеном.

Согласно этой гипотезе, электрический разряд возникает (как бы между обкладками гигантского конденсатора) между полостью корпускулярного потока и верхними слоями земной атмосферы, где наблюдается нижняя граница полярных сияний. Характерную особенность разряда в газе составляет его неоднородность: разряд происходит не во всей толще проводника, а по каналу, им пробитому. С этой точки зрения становятся понятными многие формы полярных сияний.

В очень разреженном газе, находящемся в магнитном поле, раз ряд проходит по магнитным силовым линиям, вдоль которых сопротивление имеет наименьшее значение.

Система токов, возникающих в разряде, создает магнитное возмущение. Таким образом, магнитное возмущение и полярные сияния представляют собой два следствия одной и той же причины.

Профессор А. И. Лебединский показал, что механизмом газового разряда можно объяснить наблюдаемые формы сияний — длинные узкие дуги, простирающиеся вдоль магнитных параллелей, их вы соты, и почти параллельные пучки тонких лучей (драпри); а также локальные магнитные вариации. Согласно А. И. Лебединскому, ток из верхних слоев атмосферы должен течь вдоль магнитных силовых линий и наблюдаться в форме лучей драпри. Замыкание электрических токов происходит в виде горизонтального разряда, возникающего на высоте 100—120 км в слое с максимальной электропроводностью в горизонтальном направлении. Этот разряд наблюдается в виде дуг сияния, расположенных приблизительно на геомагнитной параллели. Сила тока в дугах сияний непосредственно оценивается по создаваемым ими магнитным возмущениям и оказывается равной нескольким тысячам ампер.

Недавно появились работы, рассматривающие полярные сияния как явление тлеющего разряда, возникающего в результате образования электрических полей при движении ионизированных потоков воздуха в магнитном поле Земли под действием ветров. Вполне возможно, что полярные сияния представляют собой комплексное явление, они возникают как при непосредственном воздействии корпускул, так и при газовом разряде, возникающем при зарядке ионосферы корпускулами.

Последние годы ознаменовались новыми выдающимися исследованиями, которые вскрыли важные особенности явления полярных сияний и выявили новые пути объяснения их природы.

Существование солнечного корпускулярного потока оставалось до последнего времени только гипотезой. Однако совсем недавно удалось непосредственно наблюдать корпускулярный поток, вызывающий полярные сияния.

Как мы уже говорили, в спектрах сияний были обнаружены линии, принадлежащие атомарному водороду (рис. 46). Норвежский исследователь Вегард еще в 1939 г. показал, что интенсивность во дородной линии На на некоторых спектрограммах оказывается то го же порядка, как и интенсивности наиболее сильных линий отрицательных полос азота 4708 и 4278 А. Недавно было обнаружено, что атомы ионизированного водорода, излучающие эти линии, приближаются к Земле вдоль силовых линий магнитного поля Земли со скоростями порядка 800—3200 км/сек. Дело в том, что если источник света движется, то линии в его спектре смещаются к красному концу при движении источника света от наблюдателя, и к фиолетовому — при движении к наблюдателю. Смещение линий зависит от скорости движения источника, и, измеряя смещение линий, можно точно определить направление и скорость движения источника света.

30 сентября 1950 г. в Онтарио (США) удалось снять спектр сияния одновременно из двух пунктов, расположенных на расстоянии около 330 км. В первом пункте спектр фотографировался вдоль силовых линий магнитного поля Земли (по лучу сияния), во втором—перпендикуляр но к ним. В обоих случаях фотографировалась одна и та же область дуги полярного «сияния. Положение и характер водородной линии оказались в обоих случаях различными, в зависимости от ориентации спектрографа по отношению к магнитным силовым линиям. На спектрограмме, полученной во втором пункте, линия была размыта как в коротковолновую, так и в длинноволновую часть спектра примерно на 10 А. На спектрограмме, полученной в первом пункте, среднее смещение линии в сторону коротких волн составляло примерно 15 А, а максимальное — более 30 А.

Из этого можно было заключить, что атомы водорода в зоне полярных сияний двигались к Земле со средней скоростью около 700 км/сек.

Аналогичный результат был получен при наблюдении полярного сияния в ночь с 19 на 20 августа 1950 г. Дуга сияния располагалась в зените; фотографирование спектра велось в направлении силовых линий земного магнитного поля. Линия была смещена в коротковолновую часть спектра на 60 А. Такое смещение соответствует средней скорости водородных атомов по направлению к Земле 2800 км/сек. Максимальная скорость движения атомов водорода достигала 3200 км/сек. Скорость их до проникновения в атмосферу должна быть еще большей.

Различие в скоростях водородных атомов может быть связано с интенсивностью сияний. Это подтверждается анализом спектров

Два спектра полярных сияний с линиями водорода, полученные в Мурманске в 1955-1956 гг. на светосильном спектрографе с дифракционной решётокой

сияний различной интенсивности. Для сияний средней интенсивности 30 сентября 1950 г. скорость поступающих от Солнца протонов была примерно 700 км/сек. Для очень интенсивного сияния, наблюдавшегося в ночь с 19 на 20 августа 1950 г., максимальная скорость протонов, определенная по величине смещения водородной линии, оказалась равной 3200 км/сек. Скорее всего, солнечный корпускулярный по ток состоит из того же, из чего состоит солнечная атмосфера, т. е. в основном из водорода. В корпускулярном потоке должна быть сильная ионизация и поэтому он состоит из ионизированного водорода (протонов), электронов, с некоторой примесью атомов других, сильно ионизированных элементов.

Согласно гипотезе советского астрофизика Э. Р. Мустеля, из активных участков солнечной поверхности — из флоккулов — должны извергаться также и ионы кальция. Если это так, то в спектре полярных сияний должны быть обнаружены линии кальция, положение которых будет несколько смещено благодаря эффекту Допплера.

Вернемся к вопросу о попадании заряженных частиц в средние и низкие широты в связи с обнаружением проникновения в земную атмосферу протонов.

В таблице 5 приведены расстояния от осевых магнитных полю сов мест внедрения в земную атмосферу различных частиц в зависимости от их скорости, полученные путем вычислений.

Из таблицы 5 следует, что электроны — об этом мы уже говорили — должны осаждаться только вблизи полюсов. Протоны могут опускаться ниже 20° от полюсов и достигать зоны сияний, наблюдающейся в действительности, при скоростях, равных 100000 км/сек. В этом случае протоны обладали бы энергией примерно в 50 млн. электровольт. Только тяжелые ионы кальция, масса которых в 40 раз больше массы водорода и в 74 000 раз больше массы электронов, при скоростях 1000—10 000 км/сек, могли бы достигать зоны сияний, т. е. мест, отстающих от полюсов примерно на 17—32°.

Таким образом, ни одна из мыслимых частиц потока не может достичь при скоростях порядка 1000 км/сек, наблюдаемой зоны полярных сияний. Но эти расчеты, как уже говорилось, относятся к одной частице, а не к целому потоку.

Обсудим трудность, связанную с проникновением частиц в верхние слои атмосферы.

Профессор И. С. Шкловский в 1951 г. предложил новую гипотезу глубокого проникновения протонов в земную атмосферу при скоростях 1000 км/сек.

Этот механизм связан с так называемой перезарядкой солнечных протонов с атомами и молекулами земной атмосферы. Процесс перезарядки состоит в том, что при взаимодействии солнечно го протона с атомами нейтрального азота земной атмосферы происходит обмен электронами. Протон, превращаясь в результате пере зарядки в нейтральный атом водорода, сохраняет свою огромную кинетическую энергию, благодаря чему и создается возможность более глубокого проникновения протонов в земную атмосферу.

Являясь нейтральным, атом водорода уже не будет двигаться по спирали вокруг магнитных силовых линий Земли. Однако по инерции он сохранит составляющую своего движения вдоль силовых линий, двигаясь при этом поступательно. Эффект перезарядки может иметь место и в отношении ионов кальция. Таким образом, и ионы кальция, при скорости их движения от Солнца к Земле в 1000 км/сек, могут проникнуть глубоко в атмосферу и обусловить возникновение определенных линий в спектре полярных сияний.

По мнению И. С. Шкловского, перезарядка первичного протона является единственным процессом возбуждения отрицательной системы азота, имеющей большую интенсивность в спектре сияний. В результате перезарядки образуется возбужденная молекула азота N2+. Эффект перезарядки может иметь место и в отношении атомов гелия, существование которых в потоке также допускается.

На своем пути в атмосфере протон около сотни раз успеет превратиться в атом водорода и снова ионизироваться, и каждый акт его столкновений с молекулами азота сопровождается излучением.

Таким образом, солнечный протон часть своего пути сквозь земную атмосферу проходит в виде нейтрального водородного атома, но, находясь время от времени в ионизированном состоянии, атом водорода испытывает фокусирующее действие магнитного поля Земли,

В самое последнее время появились новые соображения в пользу корпускулярной теории Штермера — Биркеланда, развиваемые в работах Беннетта и Хальберта. Эти соображения основываются на механизме так называемой магнитной самофокусировки по тока солнечных частиц. Теория рассматривает формирование потока и распространение его в межпланетном пространстве.

Физический механизм этого процесса заключается в следующем: предполагается, что Солнце выбрасывает коническую струю электрически нейтральной смеси быстрых электронов и положительных ионов, движущихся вместе с приблизительно равными скоростями.

Предполагается также, что пространство между Солнцем и Землей, в котором распространяется поток, заполнено электрически нейтральным ионизированным газом, электропроводность которого вы сока. При наличии такой ионизированной среды, последняя будет действовать как фильтр.

Во время движения потока быстрые электроны будут замедляться значительно быстрее, чем ионы (примерно в 5000 раз) и рассеиваться благодаря столкновениям с ионизированными частицами солнечной атмосферы. Быстрые же положительные ионы будут продолжать двигаться с прежней скоростью и создавать электрический ток. Силовые линии магнитного поля этого тока представляют собой окружности с центром на оси потока. Магнитное поле потока заставит положительные ионы сжиматься в поток, а быстрые электроны, обладающие обратным знаком заряда, выбрасывать из него. На мед ленные электроны магнитное поле действовать почти не будет.

Но поток во время движения остается все же электрически нейтральным (или почти нейтральным), так как он сохраняет быстрые ионы и медленные электроны, которые постоянно будут поступать из окружающего пространства, взамен быстрых электронов, выброшенных из Солнца вместе с потоками. Такой поток не будет рассеиваться в пространстве электростатически, так как избыток положительного заряда будет все время удерживать медленные электроны, поступающие из межпланетного газа, в котором движется поток.

В силу магнитной самофокусировки, поток, оставаясь почти все время нейтральным, распространяется в виде узкой струи, которая, входя в магнитное поле Земли, отклоняется к зонам полярных сияний, согласно расчетам Штермера.

Как показывает теория, поток, энергия которого достаточна для создания полярного сияния, будет самофокусирующимся при условии, если плотность частиц в межпланетном пространстве будет не меньше определенной величины (10 частиц на см3), а скорость по тока порядка 100 000 км/сек. Экспериментальные указания на существование таких больших скоростей частиц вблизи зоны полярных сияний получены Ван-Алленом, Готтлибом и Мердифом в 1954 г. во время полетов ракет.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.