ГЛАВА 1. Теории происхождения полярных сияний. Сакова

История развития взглядов на полярные сияния весьма интересна, увлекательна и прослеживается от далекого прошлого.
Полярные сияния были известны народам, населявшим Европу, еще в глубокой древности. Упоминания о них мы встречаем в сочинениях греческих и римских философов и ученых: Аристотеля, Плиния, Сенеки и других, живших на берегах Средиземного моря, где это явление проявляется чрезвычайно редко. В средние века полярные сияния считали сверхъестественным явлением; сияния порождали панический страх и считались предвестниками бедствий — войн, эпидемий, голода, больших катастроф. Не находя естественного объяснения, люди думали, что это действие таинственных сил, проявление гнева богов или другого знамения.
Такой взгляд на полярные сияния держался в центральных и южных областях Европы несколько столетий. Народы же, населявшие Крайний Север, где сияния бывают очень часто, давно перестали смотреть на них как на чудо. Уже около 1250 г. один норвежец пытался даже объяснить это явление. По его мнению, полярные сияния — лучи Солнца, накопившиеся в толще льда за день и излучаемые ночью.

Рис. 1. Полярное сияние под Парижем 12 января 1589г. в представлении современников.

 

Первые упоминания о полярных сияниях, наблюдавшихся на Руси, относятся к X в. Эти явления летописцы считали необходимым отмечать как события, за которыми должны последовать великие напасти и беды. Но уже в новгородских летописях XVI в, полярные сияния описываются правдиво, без намеков на чудеса. В одной из рукописей, написанной в 1586—1600 гг., мы находим первую попытку объяснить сияние как отражение солнечного света от волнующихся северных морей. В зарубежной литературе сияния обычно называются aurora. (Уже древние римляне называли редкие для них полярные сияния красновато-розового цвета именем богини утренней зари Авроры.) Термин «авроральный» широко используется сейчас в литературе для обозначения высокоширотных явлений.
Естественно, что ученые давно задумывались над природой полярных сияний. Гипотез и теорий о происхождении полярных сияний было высказано очень много. Почти все гипотезы, относящиеся к прошлым векам, могут иметь сейчас только исторический интерес вследствие наивности и в большинстве случаев ошибочности. В 1639 г. французский ученый и писатель Ла Мот ле Вайер выпустил в свет свои знаменитые письма «О легковерии». Приведем из этого замечательного сочинения несколько строк, относящихся к полярным сияниям. «Второй пример легковерия, — говорит Ла Мот ле Вайер, — я возьму из того, что пишет аббат М. Грэн. Он утверждает, что 26 октября 1615 г. в 8 часов вечера наблюдал над Парижем небесных огненных людей, вооруженных пиками и сражающихся, друг с другом, и что это ужасное зрелище предвещает близость кровопролитной войны. Между тем я сам в то же время был в Париже и внимательно рассматривал это явление до 11 часов ночи, когда оно прекратилось, и потому категорически заявляю, что ничего подобного тому, о чем сообщает аббат М. Грэн, я не видел. Наоборот, то, что я наблюдал, было обыкновенное небесное явление, в виде светлого шатра, который, как это часто бывает с такого рода феноменами, то ярко вспыхивал, то затухал. Громадное число и посейчас живущих людей могут подтвердить справедливость моих слов».
Однако до познания истины было еще далеко. Люди, отказавшиеся видеть в полярных сияниях чудеса, ударились в другую крайность и стали объяснять их чересчур просто. По одной, например, из таких упрощенных гипотез выходило так, что, мол, на севере находится океан, в океане — рыба; во время бури рыбу в, громадном количестве выбрасывает на берег, где она гниет и, как всякая гнилушка, светится, отсюда и полярные сияния. По другой гипотезе считалось, что полярное сияние — свет, отраженный громадной снежной поверхностью в полярной области. Француз Ж.-Д. Мейран в. середине XVIII. в. предполагал, что сияния возникают, когда «материя зодиакального света» попадает в атмосферу, т. е. полярное сияние, в сущности -  солнечное сияние. Э. Галлей считал, что появление полярных сияний связано со «светящейся магнитной жидкостью». М. В. Ломоносов, основоположник научного естествознания в России и искусный экспериментатор, считал, что свечение полярных сияний по сущности и происхождению подобно тому свечению, которое наблюдается при электрических разрядах. Исследуя свечение разреженных газов при пропускание через них электрического тока, а также изучая природу атмосферного электричества, М. В. Ломоносов произвел многочисленные эксперименты. В конце жизни он начал работать над монографией «Испытание причин северного сияния», которая осталась незаконченной. Дальнейшее развитие учения о полярных сияниях подтвердило правильность взглядов М. В. Ломоносова, дополнило их существенным выводом о роли не только электрических процессов в атмосфере, но и потоков заряженных частиц, посылаемых Солнцем. В 1774 г. почти одновременно и независимо друг от друга Ж. Кэнтон в Англии и Б. Франклин в Америке усмотрели глубокую аналогию между полярными сияниями и явлениями электрического разряда в газах, которые они тогда изучали. Но этот важный для понимания природы полярных сияний факт удалось установить лишь во второй половине XIX в.

Затем стало известно, что проявления полярных сияний и возмущения магнитного поля Земли, или магнитные бури, имеют некоторые важные общие характеристики. Но любая теория, предлагаемая для объяснения одного из этих явлений, должна объяснять и другое.

Полярные сияния исследуются с помощью радиолокаторов. Результаты фото- и радиолокационных наблюдений свидетельствуют, что активность полярных сияний подвержена как суточным, так и сезонным изменениям. Максимальная активность в течение суток отмечается около 23 ч, сезонный же пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним временные интервалы (март - апрель и сентябрь - октябрь). Эти пики активности полярных сияний повторяются через относительно правильные промежутки, а продолжительность основных циклов составляет примерно 27 дней и около11 лет. Все эти цифры показывают, что существует корреляция между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли, поскольку период вращения Солнца составляет около  27 суток, а солнечная активность подвержена колебаниям циклического характера со средним периодом около 11 лет, т.е. полярные сияния обычно возникают в периоды высокой активности магнитного поля, которые называются "возмущениями" или "магнитными бурями". Именно во время сильных магнитных бурь полярные сияния прослеживаются в более низких, чем обычно, широтах. Тот факт, что как полярные сияния, так и возмущения магнитного поля Земли концентрируются в одних и тех же поясах, приводит к выводу, что те и другие вызваны воздействием движущихся с высокой скоростью электрически заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых активными областями на Солнце (вспышками) и проникающих в зоны полярных сияний под воздействием магнитного поля Земли. Эта идея была выдвинута Ойгеном Гольдштайном еще в 1881 и получила подтверждение в результате лабораторных экспериментов, впервые проведенных Кристианом Биркеланном. Он поместил внутрь катодной трубки железный шар, названный им "терреллой", который является моделью Земли и представляет собой электромагнит, покрытый оболочкой, фосфоресцирующей под действием катодных лучей. Когда Биркеланн подвергал шар действию катодных лучей, испускаемых непосредственно в камере, они падали на поверхность шара вокруг магнитных полюсов, образуя пояса свечения, подобные поясам полярных сияний. Позднее математическая разработка этой проблемы была реализована Карлом Фредериком Стёрмером. Она получила известность как теория Биркеланна - Стёрмера, однако содержала в своей основе допущение, что от Солнца исходит поток частиц с одинаковыми электрическими зарядами. Правомерность этого допущения весьма спорна, так как такой поток частиц не мог бы приблизиться к Земле из-за электростатического отталкивания между одноименно заряженными частицами. Фредерик А.Линдеман предположил в 1919, что поток заряженных частиц в целом электрически нейтрален, так как состоит из одинакового количества положительных и отрицательных зарядов. Эта идея была развита Сидни Чепменом и Винсентом, С.А.Ферраро и несколько модифицирована Дэвидом Ф.Мартином. Тем не менее, и эта теория тоже вызывает сомнения. Она предполагает существование вакуума в экзосфере и за пределами атмосферы, однако недавние наблюдения в этих областях пространства указывают на наличие заряженных частиц. Некоторыми исследователями была выдвинута гипотеза, согласно которой облако солнечного газа (плазмы), которое, вероятно, состоит из электронов и протонов, может приближаться к нашей планете на расстояние около шести земных радиусов от центра Земли. При воздействии плазмы на магнитное поле Земли возникают магнитогидродинамические волны. Эти волны и ускоренные заряженные частицы, движущиеся вдоль геомагнитных силовых линий, вызывают магнитные бури. Ускоренные частицы проникают до высоты около 95 км в зоны полярных сияний, образуя плотные ядра ионизации вдоль геомагнитных силовых линий и вызывая электромагнитную эмиссию полярных сияний в результате взаимодействия с основными компонентами верхних слоев атмосферы - кислородом и водородом. Тороидальная область распространения заряженных частиц, окружающая Землю (так называемый радиационный пояс Ван Аллена), также может играть важную роль, особенно в качестве причины возникновения возмущений геомагнитного поля и связанных с ними полярных сияний. Ультрафиолетовое излучение Солнца, метеоры и ветры в высоких слоях атмосферы рассматривались в качестве возможных причин образования полярных сияний. Тем не менее, ни одно из названных явлений не может быть первичной причиной, так как магнитуды их изменений недостаточно велики, чтобы объяснить основные характеристики полярных сияний. Необходимо проводить дальнейшие наблюдения в высоких слоях атмосферы Земли и за ее пределами с применением ракет и искусственных спутников, изучать радиоизлучение, а также рентгеновское излучение Солнца и поведение высокоэнергетических частиц в стратосфере - с помощью метеозондов во время магнитных бурь и при появлении полярных сияний.