Северные сияния и южные сияния — световые явления электрического происхождения, разыгрывающиеся в высоких слоях земной атмосферы и доступные наблюдению невооруженным глазом в ясные безлунные ночи — чаще или реже, в зависимости от географического положения места наблюдения. Иначе наз. полярными сияниями. С. с. называют пол. сияния, наблюдаемые в сев. полушарии земли; наблюдаемые в южном полушарии называются южными; какой-нибудь существенной разницы между С. и южными сияниями нет. В поясе, простирающемся примерно на 25° к сев. от экватора и на столько же к югу, пол. сияния бывают видимы крайне редко. Что касается стран умеренного пояса, то здесь пол. сияния наблюдаются гораздо чаще, чем представляет себе непосвященная публика; правда, наблюдению их препятствует городская обстановка (строения закрывают значительную часть небосклона, а свет фонарей мешает заметить слабый свет полярного сияния).
Формы пол. сияния. Полная картина пол. сияния представляет собой последовательную смену (а иногда и сосуществование) ниже перечисленных семи форм. 1) Дуги. В наиболее обыкновенных случаях (особенно — в наших широтах) С. с. начинается появлением на северной стороне небосвода белесоватого, желтоватого или зеленовато-желтоватого света; сверху этот свет постепенно сходит на-нет, а снизу резко ограничен дугообразною линией, подобно радуге; внизу, под этой дугой, пространство небесного свода кажется особенно темным („темный сегмент“). Иногда в светящейся дуге можно бывает различить отдельные полосы, как в радуге [1]. 2) Светлые волокна (рис. 1); они обыкновенно образуют косой угол с линией, ограничивающей дугу. 3) Волокна обыкновенно быстро сменяются яркими лучами, которые — то отдельными единицами, то целыми пучками — как бы выбрасываются из дуги. Эти лучи сначала поднимаются не высоко, но потом (по мере того, как явление развивается) все более удлиняются, достигают зенита, а иногда даже переходят через зенит. Они чаще всего имеют сначала фиолетовый, потом красноватый оттенок. Нередко они перемещаются вдоль дуги. Появлением лучей полярное сияние в наших широтах обыкновенно заканчивается; затем световая картина или постепенно гаснет, или — после некоторого ослабления — явление снова усиливается, и лучи начинают вспыхивать снова. 4) Бель. Это — размытый свет без определенных очертаний (лиловатого оттенка, а яркости, примерно, такой, как у Млечного Пути), остающийся на небе по прекращении пол. сияния. Иногда этот свет, наоборот, предваряет собою все явление или сопровождает его; в последнем случае он возникает в совершенно иных частях небосвода, чем те, в которых разыгрывается самое полярное сияние. 5) Полосы (ленты). В тех местностях, где пол. сияния случаются часто, дуги нередко распадаются на полосы, расположенные перпендикулярно к тому направлению, по которому тянется дуга; затем один конец этой последней отделяется от горизонта, и вся картина начинает переливаться различными цветами, трепетать и волноваться. Свободный конец то извивается змеей по небу, то закручивается спиралью, как часовая пружина. Бывает, что и другой конец отходит от горизонта, и получается кольцо. Случается, что оба конца, оставаясь на горизонте, приближаются друг к другу, и лишь средняя часть подымается вверх. Возможны также извивающиеся формы, свободно парящие в воздухе. Никакой рисунок, никакая фотография не могут передать поразительной красоты всех то медленных, то быстрых перемен, представляющихся наблюдателю этого явления природы. 6) Корона. Если полосы (или лучи — в значительном количестве) распространяются через зенит, то может получиться „корона“ (рис. 3). Эта форма еще красивее предыдущей. И здесь все явление находится в непрерывном движении; иногда наблюдается вращение около центральной точки, но большею частью — переливы и колебания то в ту, то в другую сторону. 7) Драпировки. Эта форма имеет некоторое сходство с формой полос; но характерная особенность ее заключается в том, что она производит впечатление свешивающейся в воздухе занавеси, складки которой как бы волнуются от ветра (рис. 2). Если драпировка, перемещаясь в пространстве, проходит над нашей головой, то в эту пору она представляется нам, как тонкая, змеевидная полоса; отсюда следует, что здесь светится лишь тонкий, волнисто изогнутый слой воздуха [2].
Распространение пол. сияния по земной поверхности изображается графически посредством „изохасм“ — линий, соединяющих на карте земной поверхности точки с одинаковым средним числом пол. сияний, наблюдаемых в течение года. Изохасмы северн. полушария (рис. 4) представляют собой овальные, довольно правильные линии, центр которых лежит, примерно, посредине между полюсом географическим и полюсом магнитным. Цифры, которыми отмечена каждая изохасма, означают, сколько раз (в среднем) наблюдалось пол. сияние в течение года в соответствующих точках земной поверхности. Так, напр., мы видим, что на Кавказе наблюдалось лишь одно пол. сияние в 10 лет; 5 пол. сияний в году наблюдалось в Тверской губ., в южной части Вологодской, в сев. оконечности Вятской губ. и т. д.; при переходе от внешних изохасм к внутренним частость пол. сияний растет все быстрее; напр., для Мурманска число их — около 100 в год. Самая внутренняя из сплошных изохасм соответствует наибольшей частости; чем ближе отсюда переходим мы к центру изохасм, тем частость сияний опять уменьшается, и самые сияния делаются менее яркими. Различаются „местные“ и „общие“ пол. сияния. В первом случае световые явления возникают лишь в весьма ограниченной области земной поверхности; во втором случае они распространяются на обширную область — иногда на оба полушария сразу. Так, 9 сент. (нов. ст.) 1898 г. С. с. наблюдалось в западной, средней и северной Европе, и в то же время наблюдали южное сияние. В тот же день по всей земле были отмечены магнитные возмущения (см. XXVII, 589′) — явление, стоящее с пол. сияниями в теснейшей связи. Относительно С. с., наблюдаемых у нас, можно сказать, что они всегда имеют характер общих.
Высота пол. сияний. Тригонометрические и фотограмметрические определения показывают, что высота пол. сияний над земною поверхностью составляет обыкновенно от 40 до 300 км. (что соответствует упругости воздуха от 2 до 0,003 мм.; значения, заключающиеся как раз в этих пределах, имеет упругость газа в Гейслеровых и катодных трубках; см. разряд электричества в газах).
Периодичность пол. сияний. Как частость, так и яркость полярных сияний обнаруживают колебания с течением времени. В этих колебаниях особенно отчетливо замечается 11-летний период, совпадающий с периодом солнечной деятельности (см. XL, 71), как показывает следующая табличка:
Солн. пятен 1750 61 70 78 88 1805 16 30 37 48 60 71 84 94.
Сев. сияний 1749 61 73 78 88 1805 19 30 40 50 62 71 82 93.
Солн. пятен 1745 55 67 76 85 98 1811 23 34 44 56 67 79 90.
Сев. сияний 1744 55 66 75 83 99 1811 22 34 44 56 66 78 89.
(Тот же 11-летн. период наблюдается и в изменениях силы земного магнетизма). Далее, в частости пол. сияний обнаруживаются периоды: а) суточный (соответствующий суточному ходу магнитных возмущений), б) 26-дневный (соответствующий такому же периоду солнечной деятельности) и в) годичный (совпадающий с периодом изменений земного магнетизма).
Спектр пол. сияний состоит из ряда светлых линий и сходен с спектром катодного сияния в наполненной разреженным воздухом разрядной трубке, — за одним исключением: в этом последнем спектре не наблюдается желто-зеленой линии λ = 557 μμ (см. XLI, ч. 4, 40/41), которая для спектра полярн. сияний является как раз главной, наиболее характерной. Хотя о происхождении этой линии до сих пор (конец 1926 г.) еще идут споры между учеными, но можно с уверенностью утверждать, что спектр пол. сияний есть спектр светящихся газов, входящих в состав земной атмосферы.
Природа пол. сияний в течение долгого времени была загадкой для ученых. Только в конце XIX и в начале XX в. двое норвежских ученых — Биркеланд и Стэрмер — разработали правильную теорию пол. сияний. Эта теория, без натяжек объясняющая разнообразные особенности пол. сияний и связь их с другими космическими явлениями, имеет в своей основе следующие положения. Из солнечных пятен и факелов (см. XL, 62/63) исходят потоки ионов (катодные и положительные лучи). Встречаясь с земною атмосферой, они продолжают распространяться в ее верхних (разреженных) слоях. При этом они подвергаются отклоняющему действию земного магнитного поля. На своем пути они заставляют светиться газы земной атмосферы; эти световые явления и наблюдаются нами (в перспективе), как полярн. сияния. Подтверждением этой теории служат, между прочим, опыты, произведенные Биркеландом, представляющие искусственное осуществление пол. сияний в малом масштабе. Биркеланд подвешивал внутри большой катодной трубки железный шарик, снабженный обмоткой, по которой можно было пропускать ток и т. обр. намагничивать шарик. Шарик изображал землю с ее магнитным полем. На одну сторону шарика направляется пучек катодных лучей; при сильном намагничении шарика получались у его полюсов световые явления, аналогичные пол. сияниям. Стэрмер дал теории пол. сияний математическое обоснование, определив при помощи вычислений те пути, которые описывает при различных условиях электрическая частица, исходящая из солнца и попадающая в магнитное поле земли. Связь между пол. сияниями и магнитными возмущениями еще не вполне разъяснена. Всего проще отнести эту связь к тому обстоятельству, что оба явления имеют общую причину в неравномерной деятельности солнца.
- ↑ Во избежание недоразумений небесполезно сказать, что при полярном сиянии, в противоположность радуге (см.), действительно светятся определенные участки земной атмосферы.
- ↑ Для науки было бы очень ценно, если бы всякий, кому случилось наблюдать С. с., сообщал центральному метеорологическому или геофизическому учреждению (напр., Главной Геофизической Обсерватории, Ленинград) хотя бы следующие данные: 1) свое местонахождение во время наблюдения с такою точностью, чтобы можно было найти соответствующий пункт на плане местности; 2) время наступления различных фаз явления; если наблюдатель пользовался своими часами, то необходимо знать разницу, какая была между показанием этих часов и показанием часов нормальных (вокзальных или почтовых); 3) направление, в котором наблюдались различные стадии явления; это направление может быть указано или с помощью стран света, или по отношению к созвездиям, или, наконец, по отношению к земным предметам. В случае полос или короны желательна зарисовка. Полезно указывать наблюдавшиеся цвета. Для дуг представляет интерес указание положения (по отношению к странам горизонта) тех точек, в которых дуга опирается на горизонт, а также высоты дуги; для лучей (отличаемых друг от друга по времени возникновения) интересно знать их направление и точку небесного свода, в которой кончался данный луч (при чем расстояния на небе или указываются при помощи звезд, или же их выражают, принимая, например, диаметр полной луны за единицу).