научная статья по теме О ПЛАНЕТАРНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «О ПЛАНЕТАРНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ»

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 83, № 5, с. 437-442

ПРОБЛЕМЫ == ЭКОЛОГИИ

Б01: 10.7868/80869587313050101

Изучение полярных сияний началось сравнительно недавно, чуть более столетия назад. Авторы публикуемой статьи рассказывают о том вкладе, который внесли в исследование этого феномена отечественные учёные, о современных попытках объяснить природу этого загадочного явления.

О ПЛАНЕТАРНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

М.И. Панасюк, Е.А. Романовский, В.И. Тулупов

Полярными сияниями называют свечение верхней атмосферы, вызываемое вторжением энергичных заряженных частиц и наблюдаемое преимущественно в высоких широтах. Последним обстоятельством обусловлено определение сияний как "полярных", хотя в районе полюсов вероятность их появления ниже, чем в более низких широтах (на этот факт обратили внимание ещё в XIX в. [1]). Полярные сияния с древнейших времён интересовали людей, но серьёзное научное исследование данного явления началось сравнительно поздно — немногим более столетия назад. Первые карты изолиний одинаковой частоты появления сияний были построены Г. Фрит-цем в 1881 г. [2]. По данным Фритца, область максимальной вероятности появления сияний образует несколько деформированное кольцо на геомагнитной широте ф ~ 67° с центром в геомагнитном полюсе (зона Фритца). В середине ХХ столетия к представлению о зоне Фритца добавилось представление о второй внутренней зоне полярных сияний, которая также окружает геомагнитный полюс, но уже на широтах, близких к 80° [3].

Поскольку полярные сияния концентрируются вокруг геомагнитных полюсов, исследователи пришли к выводу, что они вызываются быстрыми заряженными частицами, направляемыми в эти области магнитным полем Земли. Тесная связь

полярных сияний с солнечной активностью позволяла предположить, что заряженные частицы имеют солнечное происхождение. Но опыт, казалось, противоречил подобному заключению, ведь полярные сияния наблюдаются на ночной стороне, тогда как потоки солнечных частиц, вроде бы, должны прежде всего попадать на дневную сторону планеты. Эти сомнения отчасти развеялись, когда были рассчитаны траектории движения заряженных частиц в магнитном поле. Оказалось, что наряду с другими действительно имеются частицы, огибающие Землю и попадающие на её ночную сторону.

Изучение полярных сияний в СССР на протяжении долгого времени осуществлялось в незначительном объёме. Широкомасштабные исследования стали проводиться с конца 1940-х годов, они связаны с именем Александра Игнатьевича Лебединского (1913—1967), сначала профессора Ленинградского, а с 1953 г. и до конца жизни — Московского государственного университета (физический факультет). Его заслуга состоит в том, что он не только одним из первых оценил большую роль и перспективность работ по физике полярных сияний, но и был основоположником широких исследований этого загадочного явления. Чтобы объяснить природу полярных сияний, необходимо знать их пространственно-

Авторы работают в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. ПАНАСЮК Михаил Игоревич — доктор физико-математических наук, директор. РОМАНОВСКИЙ Евгений Александрович — доктор физико-математических наук, заведующий отделом. ТУЛУПОВ Владимир Иванович — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник.

Александр Игнатьевич Лебединский

временное распределение, и, понимая это, Александр Игнатьевич начиная с 1948 г. организовал несколько экспедиций в район Мурманска. Полярные сияния наблюдались одновременно с регистрацией вариаций геомагнитного и электрического полей, а также радиошумов.

Для полярных экспедиций Александр Игнатьевич разработал и испытал оригинальную аппаратуру — широкоугольную фотографическую камеру С-180 (камеру всего неба — all sky), позволившую автоматически вести фотографирование небосвода от зенита до горизонта и получать спектры полярных сияний с короткими экспозициями порядка нескольких минут [4]. Камера С-180 оказалась наиболее удачной из всех использовавшихся для этой цели приборов. В ней была применена анаберрационная комбинация двух сферических зеркал — выпуклого и вогнутого, вследствие чего удалось уменьшить кружок рассеяния практически до уровня, определяемого аберрациями светосильного объектива фотокамеры. Благодаря этому запись осуществлялась на более широкую, чем в большинстве зарубежных камер, киноплёнку. В дальнейшем камеры C-180 использовались на десятках советских станций в Арктике и Антарктике, участвовавших в выполнении программ Международного геофизического года (МГГ) в 1957—1958 гг. и Международного года спокойного Солнца (МГСС) в 1964-1965 гг.

Как председатель секции полярных сияний Межведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР А.И. Лебединский принял активнейшее участие в проведении МГГ и МГСС, проявив недюжинный талант организа-

тора. Он руководил созданием специальной сети синхронных наблюдений полярных сияний и светимости ночного неба в СССР, составлением программ исследований, подготовкой специалистов, которым предстояло заниматься наблюдениями, научной обработкой полученного материала. В феврале—марте 1957 г. в связи с началом МГГ он организовал на базе Мурманского отделения Научно-исследовательского института земного магнетизма (МОНИИЗМ, теперь это Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН) подготовку наблюдателей для полярных станций, находившихся в ведении Главсев-морпути и Арктического НИИ. В конце 1957 г. он совершил длительную поездку по труднодоступным районам советского Крайнего Севера, помогая наладить работу камер на станциях полярных сияний. Результатом предпринятых усилий стал огромный по объёму, уникальный по своей научной значимости, однородный и фотометрически стандартизованный материал.

Высокая синхронизация наблюдений с помощью камер С-180 на всей сети станций (с ошибкой ±2.5 с) позволила приступить к детальному исследованию развития полярных сияний в планетарном масштабе, заняться вопросом о характере распространения сияний по планете в конкретные моменты времени. Полученный материал обрабатывался в нескольких учреждениях СССР под научным руководством А.И. Лебединского. В 1957 г. он возглавил одну из лабораторий Научно-исследовательского института ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ), с которой связана вся его дальнейшая деятельность. Начиная с этого времени НИИЯФ МГУ осуществлял как методическое, так и научное руководство работой советской сети фотографических наблюдений полярных сияний. Данные со всех станций поступали в НИИЯФ, где выполнялась их фотометрическая стандартизация, определявшая абсолютную величину яркости полярного сияния, то есть позволявшая оценивать его энергетические характеристики. Помимо этого, в соответствии с международными обязательствами, собранный материал полностью копировался в трёх экземплярах и сдавался на хранение в мировые центры данных (один советский и два зарубежных).

Анализ фотографических наблюдений советской, а затем и планетарной сети станций, выполненных в период МГГ, существенно изменил наши представления о пространственно-временном распределении зон полярных сияний. Сотрудница А.И. Лебединского О.В. Хорошева на основе данных синхронной фоторегистрации в сети советских станций показала, что в фиксированный момент времени полярные сияния, одновременно наблюдаемые на разных долготах, на расстоя-

нии в несколько тысяч километров, представляют не отдельные, изолированные друг от друга явления, а единую, физически связанную полосу, синхронно изменяющую на всём своём протяжении яркость и площадь, занимаемую на небосводе [5]. Полярные сияния образуют светящееся кольцо, сдвинутое на ночную сторону, висящее над полярной шапкой. Во время геомагнитных возмущений вспыхивает всё кольцо одновременно. Сотрудник ИЗМИРАН Я.И. Фельдштейн независимо по данным 24 станций Северного полушария получил картину пространственно-временного распределения максимумов вероятности появления сияний вдоль овала, смещённого по линии Солнце—Земля на ночную сторону [6]. Благодаря названным работам стало ясно, что дискретные, резко очерченные формы полярных сияний существуют вдоль овальной зоны (получившей название "авроральный овал"), несколько вытянутой с дневной стороны на ночную и располагающейся асимметрично относительно геомагнитного полюса: в ночные часы — на геомагнитной широте ф ~ 67°, в дневные — на широтах ф = 75—77°. Этот овал опоясывает всю Землю и в течение суток относительно земного наблюдателя совершает регулярное движение, направление которого в каждой точке определяется местным временем. В полуночные часы сияния располагаются на относительно низких широтах, а в утренние и вечерние поднимаются, достигая наиболее высоких широт в полдень. При своём суточном вращении авроральный овал полуночным участком создаёт зону Фритца, а полуденным — внутреннюю зону сияний [7, 8].

Перечисленные результаты были пионерскими и на многие годы вперёд предопределили направление дальнейших исследований взаимосвязи феномена свечения верхней атмосферы с глобальными электродинамическими процессами в магнитосфере Земли. Достижения советских учёных признавались зарубежными коллегами. Так, известные специалисты в области солнечно-земной физики С.-И. Акасофу и Дж.М. Вилкокс в 1968 г. приезжали в СССР, после чего опубликовали статью "Интернациональная геофизика" с подзаголовком "Геомагнетизм, аэрономия и солнечно-земная физика в СССР". В статье даётся высокая оценка трудов к тому времени уже ушедшего из жизни А.И. Лебединского как одного из организаторов и координатора деятельности сети широкоугольных камер полярных сияний. Также отмечается, что полученные результаты хорошо известны благодаря превосходным работам О.В. Хорошевой и Я.И. Фельдштейна по морфологии полярных сияний.

Асимметрия реального овала сияний заключается не только в его сдвиге на ночную сторону, но также в различии ширины и высоты над поверхностью Земли его ночного и дневного участков.

Пространственное положение овала

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком