Оптические атмосферные явления

Различают четыре типа полярных сияний:

Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

При повышении активности складки или петли расширяются  до огромных размеров, нижний край ленты  ярко сияет розовым свечением. Когда  активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного  вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень  интенсивными. Происходят они во время  увеличения солнечной активности. Эти  сияния представляются в виде беловато-зеленой  шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют  на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так  ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее  сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляются вверх. Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитные поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими  шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные  изменения в ионосфере, что в  свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают  сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Как возникают  полярные сияния

Земля представляет собой  огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического  полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично  относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» – поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетают на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону  от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное  поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных  силовых линий сразу стекает  в полярные области Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внутри него, вдоль замкнутой кривой. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000 эв (1эв = 1.6 10   дж), а электроны с энергиями 10-20 эв. Для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода  - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше.

Возбужденные атомы газов  отдают обратно полученную энергию  в виде света, наподобие того, как  это происходит в трубках с  разреженным газом при пропускании  через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное  свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода  и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.

Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек  на Солнце. Это подтверждает связь  между этими явлениями. В последнее  время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов  океанов и морей.

Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными  сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном  пространстве, не все сходится количественно  в энергетическом балансе ионизации  и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение  звуков.

6. Гало

Иногда Солнце выглядит так, как будто его видно через  большую линзу. На самом деле, на изображении виден эффект миллионов  линз: ледяных кристаллов. По мере того как вода замерзает в верхних  слоях атмосферы, могут образовываться маленькие, плоские, шестиугольные  ледяные кристаллы льда. Плоскости  этих кристаллов, которые кружась, постепенно опускаются на землю, большую часть  времени ориентированы параллельно  поверхности. На восходе или закате, луч зрения наблюдателя может  проходить через эту самую  плоскость, и каждый кристалл может  вести как миниатюрная линза, преломляющая солнечный свет. Совместный эффект может приводить к появлению  явления, называемого паргелия, или  ложного солнца. В центре картинки видно Солнце и два хорошо заметных ложных солнца по краям. Позади домов  и деревьев заметны гало ( гало - произносится с ударением на "о"), размером около 22 градуса, три солнечных колонны, и арку, созданные солнечным светом, отражаемый атмосферными ледяными кристаллами.

7. Свет и лед

Исследователи давно  обратили внимание на то, что при  появлении гало солнце бывает затянуто дымкой – тонкой пеленой высоких перистых или перисто-слоистых облаков. Такие облака плавают в атмосфере на высоте шести – восьми километров над землей и состоят из мельчайших кристалликов льда, которые чаще всего имеют форму шестигранных столбиков или пластинок.

Земная атмосфера  не знает покоя. Ледяные кристаллики, опускаясь и поднимаясь в потоках  воздуха, то подобно зеркалу отражают, то подобно стеклянной призме преломляют падающие на них солнечные лучи. В результате этой сложной оптической игры и появляются на небе ложные солнца и другие обманчивые картины, в которых  при желании можно увидеть  и огненные мечи, и все что угодно...

Как уже говорилось, чаще других можно наблюдать два  ложных солнца – по ту и по другую сторону от настоящего светила. Иной раз появляется один светлый, слегка окрашенный в радужные тона круг, опоясывающий солнце. А то после солнечного заката на потемневшем небе вдруг возникает  огромный светящийся столб.

Не всякие перистые облака дают яркое, хорошо заметное гало. Для этого нужно, чтобы они  были не слишком плотными (солнце просвечивается) и в то же время в воздухе  должно находиться достаточное количество ледяных кристалликов. Впрочем, гало может появиться и в совсем чистом, безоблачном небе. Это значит, что высоко в атмосфере плавает  много отдельных ледяных кристалликов, но без облачного образования. Так бывает в зимние дни, когда стоит ясная морозная погода.

...В вышине появился светлый горизонтальный круг, опоясывающий небо параллельно горизонту. Как он возник?

Специальные опыты (их неоднократно проводили ученые) и расчеты показывают: этот круг – результат отражения солнечных  лучей от боковых граней шестигранных кристалликов льда, плавающих в воздухе  в вертикальном положении. Лучи солнца падают на такие кристаллики, отражаются от них, как от зеркала, и попадают нам в глаза. А поскольку это  зеркало особенное, оно составлено из бесчисленной массы ледяных частиц и к тому же оказывается на какое-то время как бы лежащим в плоскости  горизонта, то и отражение солнечного диска мы видим в той же плоскости. Получается два солнца: одно настоящее, а рядом с ним, но в другой плоскости  – его двойник в виде большого светлого круга.

Бывает, что такое  отражение солнечного света от маленьких  кристалликов льда, плавающих в морозном воздухе, порождает светящийся столб. Получается это потому, что тут  в игре света участвуют кристаллики  в виде пластинок. Нижние грани пластинок  отражают свет скрывшегося уже за горизонтом солнца, и мы вместо самого солнца видим некоторое время  уходящую в небо от горизонта светящуюся дорожку – искаженное до неузнаваемости изображение солнечного диска. Нечто  подобное каждый из нас наблюдал в  лунную ночь, стоя на берегу моря или  озера. Любуясь лунной дорожкой, мы видим на воде ту же игру света –  зеркальное отражение луны, сильно растянутое из-за того, что поверхность  воды подернута рябью. Слегка волнующаяся  вода отражает падающий на нее лунный свет так, что мы воспринимаем как  бы многие десятки отдельных отражений  луны, из них и складывается воспетая поэтами лунная дорожка.

Нередко можно пронаблюдать и за лунным гало.  Это довольно частое зрелище и возникает оно, если небо затянуто высокими тонкими облаками с миллионами крошечных кристалликов льда. Каждый ледяной кристалл выступает в роли миниатюрной призмы. Большинство кристаллов имеют форму вытянутых шестигранников. Свет входит через одну лицевую поверхность такого кристалла и выходит через противоположную с углом преломления 22º.

А понаблюдайте зимой  за уличными фонарями, и вам, возможно, посчастливится увидеть гало, порожденное  их светом, при определенных, конечно, условиях, а именно в морозном воздухе, насыщенном ледяными кристалликами  или снежинками. Кстати говоря, гало от солнца в виде большого светлого столба может возникнуть и во время  снегопада. Случаются зимой такие  дни, когда снежинки как бы плавают  в воздухе, а сквозь неплотные  облака упрямо пробивается солнечный  свет. На фоне вечерней зари этот столб  выглядит иногда красноватым – будто  отблеск далекого пожара. В прошлом  такое вполне, как видим, безобидное явление приводило в ужас суеверных  людей.

8. Кристаллики-призмы

Возможно, кто-то видел  такое гало: светлое, окрашенное в  радужные тона кольцо вокруг солнца. Этот вертикальный круг возникает тогда, когда в атмосфере находится  много шестигранных ледяных кристалликов, не отражающих, а преломляющих солнечные  лучи подобно стеклянной призме. При  этом большинство лучей, естественно, рассеивается и до наших глаз не доходит. Но какая-то их часть, пройдя сквозь эти находящиеся в воздухе  призмочки и преломившись, до нас доходит, вот мы и видим радужный круг вокруг солнца. Радиус его около двадцати двух градусов. Бывает и больше – в сорок шесть градусов.

Почему радужный?

Как известно, проходя  через призму, белый световой луч  разлагается на свои спектральные цвета. Поэтому-то образуемое преломленными  лучами кольцо вокруг солнца окрашивается в радужные тона: внутренняя его  часть бывает красноватая, наружная – синеватая, причем внутри кольца небо кажется темнее.

Замечено, что гало-круг всегда более ярок по бокам. Это потому, что здесь пересекаются два гало – вертикальное и горизонтальное. И ложные солнца образуются чаще всего  именно в месте пересечения. Наиболее благоприятные условия для появления  ложных солнц складываются тогда, когда  солнце стоит невысоко над горизонтом и часть вертикального круга  уже нам не видна.

Какие же кристаллики  участвуют в этом «представлении»?

Ответ на вопрос дали специальные эксперименты. Оказалось, что ложные солнца появляются благодаря  шестигранным кристаллам льда, по своей  форме напоминающим... гвозди. Они  плавают в воздухе вертикально, преломляя свет своими боковыми гранями.

Третье «солнце» появляется, когда над настоящим  солнцем видна лишь одна верхняя  часть гало-круга. Порой это отрезок  дуги, иной раз светлое пятно неопределенной формы. Иногда ложные солнца не уступают по яркости самому Солнцу. Наблюдая их, древние летописцы и писали о трех солнцах, об отрубленных огненных головах и т.п.

В связи с этим явлением в истории человечества зафиксирован любопытный факт. В 1551 году немецкий город Магдебург был  осажден войсками испанского короля Карла V. Стойко держались защитники  города, уже больше года длилась  осада. Наконец раздраженный король отдал приказ готовиться к решительной  атаке. Но тут произошло невиданное: за несколько часов до штурма над осажденным городом засияли три солнца. Смертельно напуганный король решил, что Магдебург защищают небеса, и приказал снять осаду.