Полярные сияния

Полярные сияния — костры, которыми горит наша планета в лучах животворящего и в то же время смертоносного Солнца. Живописное зрелище в виде колышущихся цветных полос, пятен и занавесок, которое можно увидеть, в принципе, в любой момент года, если находиться в этот момент поблизости от полюсов до 70 широты в период спокойного Солнца, и гораздо южнее — до 50-й широты плюс-минус в периоды солнечной активности. По причинам, пока не совсем понятным науке, наилучшим временем для наблюдения полярного сияния считаются равноденствия, особенно осеннее, когда согласно статистике частота полярных сияний удваивается [1].

Наука давно выяснила, что для того, чтобы сварганить суп в виде полярного сияния, нужно три компонента: магнитное поле, атмосфера (или газ в простом случае) и звездный/ солнечный ветер (поток высокоэнергетических частиц — для «варева» в домашних, то есть лабораторных условиях). Собственно в домашних условиях полярное сияние впервые воссоздал Кристиан Бикерланд [2], норвежский ученый, ныне взирающий на мир с банкноты 200 крон. Тогда в начале 20 века он поместил металлический намагниченный шар в разряженный газ и облучил его из ионной пушки, тем самым вызвав свечение точно повторяющее образ свечения над приполярными областями в небе Земли.

Также был такой эксперимент «ARAKS», успешно проведенный в 1975 году совместно Советским Союзом и Францией, когда запущенный над Индийским океаном ускоритель частиц, облучавший атмосферу Земли на высоте несколько сот тысяч километров, смог вызвать свечение над Архангельском, что было зафиксировано приборами [3].

До этого момента полярным сияниям народная мысль, само собой, придавала мифическое значение, но после стало понятно, что это не только природное явление, но и ключ к пониманию процессов, о которых ученые даже не догадывались на тот момент. Речь идет о процессах, происходящих на Солнце и о взаимодействии Солнца с Землей, и, конечно же, с другими планетами солнечной системы, ведь полярное сияние — явление не уникальное в космосе.

Полярное сияние на Земле

Как-то так естественно сложилось, что база представления о том, чем являются полярные сияния, складывалась на планете Земля. Что известно на данный момент?

Во-первых, что под давлением солнечного ветра у Земли, имеющей магнитное поле, создается довольно неплохая магнитосфера, которая защищает атмосферу и все живое на планете от самого солнечного ветра. Эта магнитосфера вначале опять же под давлением солнечного ветра совершает упругие колебательные движения, как бы слегка прогибается. Это не удивительно, поскольку, напомним, что солнечный ветер — это высокоэнергетические положительные и отрицательные частицы — протоны и электроны, которые ежесекундно бомбардируют магнитное поле Земли. А затем магнитосферу резко отбрасывает назад из-за того, что частицы, задерживаемые фронтом магнитосферы «сваливаются» к ее полюсам, тем создавая мощное свечение атмосферы.

Во-вторых, хорошо понятно, что именно дает небесное свечение. Явление называется люминисценцией и было описано в 1948 году С.И. Вавиловым [4]. Суть его заключается в том, что в случае полярных сияний частицы солнечного ветра, сталкиваясь с верхними слоями атмосферы, передают им свою энергию, а те в процессе «остывания» излучают свечение на длинах волн соответствующих этим веществам. В атмосфере Земли это — азот, кислород и водород, которые слоями распределены в верхних слоях атмосферы. Это, собственно и помогли установить, в том числе, и полярные сияния.

Самый нижний слой полярных сияний — фиолетовый и синий — наиболее близок к Земле, от 100 км: это светится азот. Следом за ним от 150 км начинается самый широкий слой высотой 400 км, который представляет собой свечение кислорода в зеленом и красном цвете. С помощью специальных чувствительных камер можно увидеть самые высокие слои свечения водорода в ультрафиолетовом свете [5].

Известно также, что во время полярных сияний слышны звуки: треск и гудение на длинах волн около 80 метров, и недавние исследования показали, что это связано скорее с резонансом Шумана [6].

В сущности полярных сияний есть много еще неотвеченных вопросов, например, почему они появляются именно там, где появляются, чем обусловлена их форма, почему в равноденствие они случаются чаще — но основной механизм понятен. И это позволило ученым начать поиски их аналогов на других планетах, которые, конечно же, увенчались успехом.

Рассмотрим планеты Солнечной системы последовательно.

Меркурий и Венера

Меркурий имеет магнитное поле, аналогичное тому, что есть у Земли по структуре, но его мощность чуть более 1% от земного. А вот атмосферы нет, и потому «алхимической свадьбы» не случилось и полярные сияния отсутствуют. Просто потому, что выделяющихся с поверхности планеты газов недостаточно для генерации этого явления.

А вот с Венерой ситуация обратная. Планета обладает мощной атмосферой, но генерируемого внутреннего магнитного поля у нее нет. Тем не менее, на ночной стороне Венеры периодически наблюдаются вспышки неясного характера, что ученые пытаются объяснить возникновением механизма свечения аналогичного полярному сиянию из-за взаимодействия атмосферы Венеры и солнечного ветра [7].

Марс

С Марсом ситуация оказалась непростая. Цельного магнитного поля у Марса нет, он, видимо, лишился его в процессе какой-то катастрофы. Но исследования показали, что у него есть, так сказать, реликтовые остатки магнитного поля, которые разбросаны по всей планете, и периодически, усиливаясь, открываются космосу, взаимодействуя с солнечным ветром [8].

Поэтому сияния на Марсе все-таки есть, но они не полярные, хотя и располагающиеся преимущественно в северном полушарии, а стихийные в географическом плане и их называют поэтому просто авроры. Они видимы, в основном, в ультрафиолетовом свете, но если бы на Марсе были люди, они могли бы в видимом свет увидеть светящееся пятнами темное небо Марса [9].

В целом, механизм возникновения аврор на Марсе еще не совсем ясен, и наука все еще исследует этот вопрос.

Юпитер

Юпитер — вторая планета после Сатурна по мощности и комплексности полярных сияний. Его магнитное поле на порядок больше земного (4,3 Гаусса против 0,3 Гаусса). Поэтому полярные сияния на Юпитере имеют гораздо больший географический масштаб и видны в телескопы с Земли. Правда только свечение водорода в ультрафиолетовом диапазоне из-за того, что мы видим Юпитер только с дневной стороны и солнечный свет засвечивает остальную часть его полярных сияний. Кроме того, Юпитер — это газовая планета, и недавние исследования показали, что полярные сияния существенно разогревают планету, меняя химический состав его солнечной стороны и прогревая до стратосферы [10].

Особенностью юпитерианских полярных сияний является влияние на них со стороны основных галилеевских спутников. Юпитер «ворует» у них кусочки их и без того слабых атмосфер, и добавляет тем самым кольца свечения в свою корону. Что интересно, по этим «трубам» из частиц на спутники передается магнитное поле и поэтому над некоторыми из них, в частности, на Ганимеде и Ио тоже сияют полярные сияния [11].

Полярные сияния на Ио лучше вообще назвать экваториальными, потому что заряженные частицы солнечного ветра, перетекающие на спутник по каналам магнитных линий, вызывают там свечение не особенно мощной атмосферы. Газы на поверхности спутника, пополняющиеся за счет активной вулканической деятельности, находятся в количестве, не достаточном для наличия постоянной атмосферы, с учетом близости Юпитера. Но для возникновения аврор их более чем достаточно. Поэтому кислород, ионизированный натрий, летучие соединения серы и другие вулканические газы периодически красиво «горят» на небе Ио.

Сатурн

Полярные сияния на Сатурне находятся на самых больших высотах в Солнечной системе: они поднимаются на высоты более 1200 километров. Для изучения этого явления в 2017 году была организована совместная работа телескопа Хаббл и космического аппарата Кассини, которые следили за полярными областями Сатурна для регистрации полярных сияний в ультрафиолетовом свете. На видео ниже представлена последовательность фотографий Сатурна, снятых аппаратом Кассини в течение 4 дней, на которой видно полярные сияния в видимом диапазоне, переходящие с ночной на дневную сторону. И это первое изображение полярных сияний в видимом свете не на Земле [12].

Также в процессе этих исследований было выяснено, что ни кольца Сатурна, ни его спутники никак не влияют на физику полярных сияний на планете, в отличие от ситуации с Юпитером. Полярные сияния на Сатурне определяются только солнечным ветром (а не магнитным полем Солнца, как на Земле) и быстрым вращением планеты, поэтому отличие от Земли структура полярных сияний Сатурна образует не только замкнутые и незамкнутые кольца, но и спирали, уходящие к центру. Цвет полярных сияний синий на фотографий из-за большой ультрафиолетовой составляющей, а вот в видимом спектре для человека-наблюдателя, находящегося на Сатурне, они казались бы красными из-за большого содержания водорода в атмосфере.

Вообще за тот период 2017 году, когда космический телескоп Хаббла в течение семи месяцев занимался съемкой полярных сияний над северным полюсом Сатурна с использованием встроенного спектрографа, НАСА получился много красивых изображений полярных сияний на этой далекой планете. В научном плане эти исследования добавили существенную информацию для уточнения о структуре магнитосферы Сатурна [14], которая огромна и простирается на 35 радиусов Сатурна.

Уран и Нептун

У Урана оказалось довольно мощное магнитное поле, особенности которого были выяснены еще во время миссии «Вояджер-2». Еще в 1978 году этот космический аппарат, запущенный НАСА, с исследовательской целью облетел все 4 планеты-гиганта нашей системы, получив подробные снимки.

Оказалось, что Уран не только вращается вокруг Солнца «на боку», но и его магнитное поле сильно не совпадает с осью вращения, промахиваясь на 59 градусов. Поэтому полярные сияния у Урана имеют достаточно локализованный характер, а не растекаются по вращению планеты.

Известный снимок полярных сияний Урана, приведенный ниже, на самом деле составлен из трех составных изображений: в видимом свете этот голубой гигант был снят еще Вояджером-2, полярные сияния были сняты телескопом Хаббла в ультрафиолетовом свете, а кольца были отсняты дополнительно при долгой экспозиции [16].

Магнитное поле Нептуна оказалось очень сложным согласно данным, полученным аппаратом «Вояджер-2». Оно не только смещено относительно оси вращения, но помимо дипольного момента в нем есть квадрупольная составляющая. Вообще, как оказалось, Нептун показал, что представления ученых о функционировании магнитосфер еще весьма далеко от цельной картины [17].

Таким образом, полярные сияния на Нептуне должны иметь также сложный характер. По крайней мере, «Вояджер-2» обнаружил сходные явления в атмосфере Нептуна, зафиксировав их в радиодиапазоне. Но более подробных исследований с помощью космических аппаратов осуществлено не было.

Полярные сияния вне Солнечной системы

Понятно, что полярные сияния или сходные явления должны быть на любых существующих в космосе планетах, имеющих атмосферу, магнитное поле и звезду рядом.Пожалуй, это было бы просто любопытный факт— поскольку мало что можно понять с помощью полярных сияний о магнитосферах экстрасолнечных планет на таких далеких расстояниях, если бы не один момент. Цвет полярных сияний говорит нам о том, какие именно газы содержатся в атмосфере планеты. И, в частности, кислород дает зеленый и красный цвет, а кислород — это признак наличия жизни, насколько мы знаем. Поэтому зафиксировав полярные сияния этих цветов на этих планетах, косвенно можно предположить и наличие там жизни.

Такие исследования проводятся также в радиодиапазоне [18], поскольку только для оптического диапазона расстояния слишком велики. С помощью телескопов VLA Национальной радиоастрономической обсерватории США Грегу Холлинену (Greg Hollinen ) и его команде удалось наблюдать полярные сияния над коричневым карликом LSRJ 1835+3259, находящимся в 18 световых годах от Земли.

Ученые обнаружили, что объект LSRJ 1835+3259 пульсирует в радиодиапазоне аналогично тому, как это делает Юпитер: во время оборота вокруг своей оси он тоже выбрасывает радиоволны в космос и в этот момент в его полярных областях появляются полярные сияния. Их догадка увенчалась успехом и они первые наблюдали полярные сияния на планете вне Солнечной системы.

Конечно, коричневый карлик — не планета, и вопроса и жизни на нем никогда не вставало. Однако это открытие дало ученым больше информации о природе коричневых карликов. Оказалось, что это скорее «пережаренные юпитеры», чем какой-то вид звезд [19].

В целом, как оказалось, полярные сияния — это не только красивое зрелище, но и еще очень интересный и перспективный объект исследований. С развитием технологий появится больше возможностей изучения этого интересного явления.

Источник: m.vk.com