Искусственно созданные полярные сияния.

Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Это удалось сделать и для полярного сияния — создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты. Так, США в 1958, СССР в 1973 и СССР совместно с Францией в 1985 провели эксперименты по созданию искусственных полярных сияний.

 Свечения, подобные полярным сияниям, возникали в результате ядерных взрывов в высоких слоях атмосферы, проводившихся министерством обороны США во время МГГ. Эти эксперименты были важны для изучения радиационного пояса Ван Аллена и природы естественных полярных сияний. Такого рода сияния наблюдались в районе островов Мауи (Гавайские о-ва) и Апиа (о-ва Самоа) вскоре после ядерных взрывов «Тик» и «Ориндж», которые проводились на высотах около 70 и 40 км над атоллом Джонстон в центральной части Тихого океана 1 и 12 августа 1958. Свечение, видимое над Апиа 1 августа, состояло из дуги малинового цвета и лучей, которые сначала были фиолетовыми, затем красными и постепенно переходили в зеленые. Другие искусственно вызванные сияния, связанные со взрывами «Аргус I, II и III», проведенными на высоте около 480 км 27 и 30 августа и 6 сентября 1958, наблюдались в районе взрывов в южной части Атлантического океана. Цвет их был красным с примесью желтовато-зеленого. Во время взрыва «Аргус III» красное искусственное сияние наблюдалось также около Азорских о-вов, на противоположном от места взрыва конце соответствующих силовых линий магнитного поля Земли (т.е. на территории, геомагнитно сопряженной с данной).

Эти наблюдения ясно показывают, что искусственные сияния в районе взрыва и на геомагнитно сопряженной с ним территории были вызваны такими высокоэнергетическими частицами, как электроны, образовавшиеся в результате β-распада при ядерном взрыве. Иными словами, частицы с высокой энергией, образовавшиеся в результате взрыва, двигались вдоль силовых линий геомагнитного поля, формируя искусственные радиационные пояса Ван Аллена, и привели к образованию «полярных сияний» на обоих концах силовых линий. Судя по высоте появления и цветовой гамме этих сияний, можно предположить, что причиной их возникновения является возбуждение атмосферного кислорода и азота в результате соударений с заряженными частицами, обладающими высокой энергией, что имеет большое сходство с механизмом образования естественных полярных сияний.

С упомянутыми взрывами в высоких слоях атмосферы, особенно с экспериментами «Тик» и «Ориндж», были связаны также существенные возмущения магнитного поля Земли и ионосферы. Таким образом, в результате проведенных экспериментов была получена важная информация о естественных полярных сияниях и связанных с ними явлениях.

Существует еще один антропогенный феномен свечения высоких слоев атмосферы, обусловленный выбросами ракетами газообразного натрия или калия. Это явление можно назвать искусственным свечением в отличие от искусственного полярного сияния, так как его причины близки к тем, которые вызывают естественное свечение воздуха.

В ночь с 29 на 30 мая 1973 года в Советском Союзе впервые проведен эксперимент «Зарница». С помощью метеорологической ракеты МР-12 было создано искусственное поляр­ное сияние на высотах 100 – 180 км.

Ракета несла ускоритель электро­нов, разработанный Институтом электросварки имени Е. О. Патопа АН УССР. Когда она вышла за пре­делы атмосферы, на высоте около 100 км электронная «пушка»напра­вила потоки заряженных частиц в околоземное пространство. Энергия электронов в пучке составляла от 7,5 до 10 тыс. эв при мощности все­го пучка около 400 кВт. На 200-й се­кунде полета ракета достигла мак­симума высоты – 163 км. Экспери­мент продолжался 232 секунды на восходящей и нисходящей ветвях траектории полета ракеты, вызывая розовое свечение неба, подобное по­лярному сиянию.

Детектор, разработанный Институ­том космических исследований АН СССР, регистрировал электроны, от­раженные от земной атмосферы. За искусственным вторжением электро­нов в ионосферу следило несколько наземных станций с оптическими (включая телевизионные) и радио­физическими средствами наблюде­ния. Для того чтобы аппаратура на наблюдательных пунктах зафикси­ровала это вторжение, необходимо было выбрать темную безлунную ночь и абсолютно чистое небо.«Зарница» – первый «управляемый» эксперимент в космосе, осуще­ствленный в нашей стране. В нем использо­ван принципиально новый, активный метод. (До 1973 года эксперимен­ты велись пассивно – фиксировалось развитие естественных процессов и явлений в околоземном пространст­ве.) Исследователи получили свыше 300 фотографий искусственного по­лярного сияния. Удалось выяснить особенности прохождения электрон­ного пучка, тонкую структуру луче­вых форм сияния, лучше попять не­которые вопросы вторжения энер­гичных электронов в верхнюю атмосферу.

Большой интерес к результатам проявили французские ученые. Ведь «Зарница» – это своего рода была подготовка к предстоящему совет­ско-французскому эксперименту.  Этот эксперимент получил название „Аракс“ и был начат в 1985 году совместно российскими и французскими исследователями. В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряжённые точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля). Ими были в южном полушарии французский остров Кергелен в Индийском океане и в северном полушарии поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определённой высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили визуально наблюдать это сияние с поверхности Земли. Однако радарные установки чётко зарегистрировали его возникновение. Название „Аракс“ составлено из первых букв французских слов Artificiel polaire aurore — Kergelen–Sogra, которые в переводе означают „искусственное полярное сияние — Кергелен–Согра“.

Эти эксперименты не просто позволяют понять причины и механизм возникновения полярного сияния. Они дают уникальную возможность изучать структуру магнитного поля Земли, процессы в её ионосфере и влияние этих процессов на погоду вблизи земной поверхности. Особенно удобно выполнять такие эксперименты не с электронами, а с ионами бария. При таких экспериментах удобными для введения в ионосферу (физики говорят для инжектирования) являются ионы бария. Примерно через 35 с после инжекции он возбуждается в солнечных лучах и создает яркое малиново-красное свечение.