Природа полярного сияния
М. В. Ломоносов о природе полярного сиянияПолярное сияние.
С этим замечательным явлением, разыгрывающимся временами на ночном небе, хорошо знакомы жители северных областей нашей Родины. Высоко в небе возникает небольшое светящееся пятно. Оно растет, разливается по небу, становится все ярче и ярче. Светлеет ночь. На темном небе полярной ночи загораются разноцветные переливающиеся дуги, красные, оранжевые, розовые. Вспыхивают пучки ярких, дрожащих лучей. В воздухе как бы висят переливающиеся цветами радуги огромные колыхающиеся занавеси.
Сполохи играют, - говорят северяне.
Первым учёным, изучавшим природу полярного сияния, был великий русский учёный М. В. Ломоносов, сын рыбака-помора с Белого моря. Наблюдая полярные сияния, Ломоносов определил высоту, на которой происходит это замечательное явление.
"Северное сияние нарочито порядочное... — писал он в одном из своих сочинений, — приметил я здесь в С.-Петербурге и сколько возможно было смерил..."
Ломоносов нашёл, что нижний край наблюдаемого полярного сияния находится примерно на высоте 150 километров от земной поверхности.
Таким образом, было установлено, что явления полярного сияния происходят в высоких разреженных слоях атмосферы. Какие же силы вызывают это замечательное явление природы?
Ломоносов предположил, что причиной полярных сияний служат электрические разряды, происходящие в разреженных слоях воздуха. Ещё раньше, изучая проявления электричества, он нашёл, что в разреженном воздухе можно при известных условиях наблюдать электрическое свечение. Такое свечение Ломоносов называл "электрическим светом третьего рода". Ломоносов ставил специальные опыты. Он выкачивал из стеклянного шара воздух и пропускал через него электрический ток. В шаре появлялся "бледный и слабый свет", "...возбуждённая Электрическая .сила в шаре, из которого воздух вытянут, — писал учёный, — внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их местах выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется".
Из этих опытов Ломоносов сделал смелое предположение: "...весьма вероятно, — писал он, — что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезания, движения, цвету и виду, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются".
Великий русский учёный в основном дал совершенно правильное объяснение природы полярного сияния. Теперь хорошо известно, что это явление действительно представляет собою свечение разреженного воздуха в высоких слоях атмосферы, возбуждаемого электрически заряженными частичками.
Дальнейшее изучение полярных сияний показало также, что они действительно происходят на очень больших высотах — от 80—100 до 800 —1000 километров над поверхностью Земли.
Многие учёные после Ломоносова изучали проходимость электрического тока через разреженные газы.
Для опыта брались обычно запаянные с обоих концов стеклянные трубки. Воздух из такой трубки откачивался, и она заполнялась каким-либо разреженным газом — водородом, азотом, аргоном и другими. Электрический ток пропускался через трубку при помощи впаянных в неё специальных, металлических пластинок — электродов. Как известно, воздух и другие газы при атмосферном давлении не проводят электричества; они являются так называемыми изоляторами. Но когда газ сильно разрежен, он становится проводником электрического тока. Такое явление и наблюдается в нашей трубке: стоит в ней создать разрежение газа, как в трубке между электродами образуется поток быстро летящих электрически заряженных частиц — электронов, то - есть потечёт электрический ток. И тут же в трубке появляется мерцающее свечение. Это свечение — результат ударов быстро летящих электронов о частички разреженного газа, заключённого в трубке.
Разные газы светятся под действием электронов различно. Например, аргон даёт голубое свечение, трубка с неоном светится красным светом.
Какие же электрические частицы вызывают грандиозное свечение воздуха в его верхних, разреженных слоях?
Оказывается, те же электроны.
Эти электроны выбрасывает из своих недр Солнце. Наше Солнце — это огромный раскалённый газовый шар. В его глубинах протекают различные процессы, связанные с превращениями ядер химических элементов, главным образом с превращением водорода в гелий. В результате этих процессов и выделяется та огромная тепловая энергия, которая даёт жизнь нашей планете. При этих процессах рождаются также мощные потоки электронов; они выбрасываются Солнцем в окружающее пространство с очень большой скоростью. Падая на воздушную оболочку Земли, эти электронные потоки и вызывают полярные сияния.
Наукой установлено, что особенно мощные потоки электронов выбрасываются Солнцем из областей так называемых "солнечных пятен".
Связь "солнечных пятен" и полярных сияний на Земле была замечена уже давно. Дело в том, что количество пятен на Солнце, а также площадь, которую они занимают, не одинаковы в разные годы. В отдельные годы число пятен сильно уменьшается, а в другие — значительно возрастает.
Замечено, что солнечные пятна бывают особенно многочисленны через каждые одиннадцать лет. И замечательно — полярные сияния усиливаются и ослабевают также через каждые одиннадцать лет. В годы, когда на Солнце наблюдается наибольшее число пятен, полярные сияния особенно часты и мощны. Убывает число солнечных пятен — и полярные сияния наблюдаются реже.
Надо думать также, что Солнце оказывает влияние на полярные сияния и другим путём. Как известно, в состав солнечного излучения входят так называемые ультрафиолетовые лучи (это те самые лучи, которые вызывают загар кожи). Под действием этих лучей на больших высотах нейтральные атомы газов, входящих в состав воздуха, превращаются в электрически заряженные частицы — ионы. Такой процесс идёт в верхних разреженных слоях атмосферы непрерывно, и благодаря этому над Землёй существует область, хорошо проводящая электричество. Это так называемая ионосфера.. И именно здесь, в ионосфере, и играют сполохи, полярные сияния.
Наш земной шар представляет собою огромный магнит. Как и всякий другой магнит, он окружён магнитным силовым полем. Имеет земной магнит и свои магнитные полюсы — северный и южный.
Они находятся вблизи географических — северного а , южного — полюсов Земли. Действие всем известного компаса — маленькой магнитной стрелки — и основано как раз на том, что наша Земля является большим магнитом. Магнитное силовое поле Земли действует на маленькую магнитную стрелку так, что она становится вдоль силовых линий земного магнитного поля — в направлении север — юг.
Влияет магнитное поле Земли и на поток электрически заряженных частиц, идущий от Солнца; под действием этого поля поток электронов отклоняется к магнитным полюсам Земли — северному и южному.
Вот почему полярные сияния и возникают близ полюсов.
Разноцветные дуги и пучки переливающихся лучей, которые мы видим на небе во время полярных сиянии, связаны, очевидно, с направлением действия магнитных сил Земли. Благодаря непрерывным изменениям этих сил беспрерывно меняется, "играет", и свечение верхних слоев воздуха над Землёй.
Так объясняется загадка самого величественного природного явления — полярного сияния.
В наши дни на использовании открытого М. В. Ломоносовым свечения разреженных газов основано устройство газосветных ламп или, как их часто называют, "ламп дневного света". Эти замечательные лампы получают теперь всё большее применение.