Борис Штерн, Анатолий Петрукович
«Троицкий вариант» №6(175), 24 марта 2015 года

Борис Штерн

Вечером 17 марта, выйдя в 90 км к югу от Москвы из дома, я удивился странным облакам, подсвеченным зеленым светом. Через минуту стало ясно, что это совсем не облака — по всей северной стороне неба почти до зенита раскинулось яркое полярное сияние (я хорошо знаю, как оно выглядит, неоднократно наблюдал его от 60° до 70° с. ш.). Малиновые столбы, переходящие в фиолетовые, — к западу; к северу — зеленый занавес, чуть к востоку — малиновое пятно, почти до самого зенита протянулись две голубоватые полосы, между ними — «W» Кассиопеи.

Картина постепенно менялась и становилась тусклее. Я успел позвонить нескольким знакомым, но они застали уже конец представления, где краски почти исчезли. Потом вернулся домой, объявил в «Фейсбуке», и еще кое-кто, выглянув, что-то увидел. Тут же в ленте ФБ обнаружил, что сияние наблюдала научный журналист Ирина Якутенко, она даже сняла малиновое свечение. Минут через сорок уже почти ничего не было видно. Потом, проснувшись глубокой ночью, я снова увидел сияние, но уже довольно низко над северным горизонтом и диффузное — без четких деталей.

Сияние было ярче виденного мной в средней Финляндии, яркого, по оценке местных жителей. Еще я видел нечто бледное в Стокгольме — тогда же его видели в Питере и Екатеринбурге, тоже как нечто бледное, но многие отметили как редкое явление. А тут такое на широте Москвы и даже, как выясняется, южнее! Уж не знаю, рекорд это или нет, — посмотрим комментарии по этому поводу, которые, несомненно, последуют.

Фото полярного сияния из МКС (NASA)

Что такое полярное сияние? Это свечение атомов атмосферы (азота и кислорода), возбуждаемых быстрыми электронами. Азот дает фиолетовую и зеленую линии (428 и 573 нм), кислород — зеленую и красную (558 и 630+636 нм). Обе кислородные линии метастабильные, то есть долгоживущие, поэтому они гасятся из-за столкновений при высокой плотности газа и могут высвечиваться только на больших высотах — 150–400 км.

Фотографии полярного сияния, сделанные А. Кирилловым и Н. Ширяевой

Это значит, что красные (малиновые) столбы, которые я видел под Пущиным, те, что сфотографировала Ирина Якутенко под Истрой, и те, что снял Алексей Кириллов и его жена Нина Ширяева в Калужской области (см. фото), — одно и то же. Наиболее яркое зеленое свечение азота излучается ниже — от 90–100 км, где-то на этом уровне находится нижняя граница полярного сияния, обычно довольно резкая. Именно от сотни километров вверх идут зеленые извивающиеся занавесы — самый узнаваемый тип сияния.

Фотографии полярного сияния, сделанные А. Кирилловым и Н. Ширяевой

Откуда берутся эти самые быстрые электроны энергии от 1 кэВ до десятков кэВ, которые возбуждают атомы? Я, будучи профаном в данной области, полагал, что они прилетают в составе солнечного ветра от вспышек (каковые есть пересоединение петель магнитного поля на Солнце), попадают во внешние области земной магнитосферы и, циркулируя вдоль силовых линий, попадают в полярные области, куда приходят внешние силовые линии магнитосферы (см. рис.).

Магнитосфера Земли (с сайта sunearthday.nasa.gov)

Интересно, что примерно то же самое написано в «Википедии». Земная магнитосфера — магнитный диполь, деформированный солнечным ветром. Из рисунка видно, что в этом деформированном диполе есть «дырка», куда заряженным частицам попасть легко, — так называемый «полярный касп». Он проецируется не на геомагнитный полюс, а 12° сбоку, поэтому максимум полярных сияний приходится на кольцо, точнее овал, вокруг полюса.

В результате максимум полярных сияний приходится на широты 67–75°. Но чтобы сияние опустилось до широт 50–60°, как это случилось 17 марта, требуется, чтобы быстрые электроны как-то перебрались поперек магнитных силовых линий на расстояние, огромное по сравнению с радиусом орбиты электрона в магнитном поле (ларморовский радиус). В принципе, это возможно за счет диффузии, вызванной рассеянием частиц, но, чтобы удостовериться в правильности картины и получить дополнительные комментарии, я позвонил специалисту.

* * *

Анатолий Петрукович, зав. отделом Института космических исследований РАН, член-корр. РАН,
объяснил, что картина намного сложней, чем написано в «Википедии»:

К сожалению, из энциклопедии в энциклопедию кочует точка зрения первой половины ХХ века. Правильно всё изложено, например, здесь^1,2. Важнейшую роль играет ускорение частиц прямо по месту — в магнитосфере. Откуда возникает ускорение?

Магнитное поле в проводящей среде (а проводимость космической среды на большом масштабе огромна везде) прочно связано с веществом, из-за того что заряженные частицы (протоны и электроны плазмы), которых в космосе вообще, и в земной магнитосфере в особенности, много, могут двигаться только вдоль силовых линий. Поле с веществом становится упругой средой, передающей механические воздействия извне.

Солнечный ветер как раз и оказывает механическое воздействие на магнитный диполь Земли, деформируя его, как показано на рисунке. Однако этот поток в магнитосферу практически не попадает, а обтекает ее. «Открывает» и «закрывает» же магнитосферу магнитное поле солнечного ветра. При открытой магнитосфере солнечная плазма затекает в нее, накапливаясь на ночной стороне в хвосте, где смешивается с плазмой атмосферного происхождения.

Однако при всем желании ни электроны солнечного ветра, ни электроны магнитосферы, даже если всех их «вытряхнуть» в атмосферу, не могут произвести наблюдаемого сияния. Электронам не хватает кинетической энергии. На самом деле работает достаточно сложный механизм. Хвост магнитосферы постепенно накапливает энергию в виде магнитного поля и плазмы, а затем взрывным образом сбрасывает ее обратно в солнечный ветер и частично в атмосферу. Резко меняющиеся магнитные поля в хвосте индуцируют электрические поля, в том числе с ненулевой проекцией, на магнитные силовые линии, которые и доускоряют электроны по пути к Земле. Получается всплеск северного (и южного) сияния на ночной стороне Земли.

Этот процесс называется «полярной суббурей» (терминология сохранилась тоже столетней давности). Суббури происходят каждые несколько часов, но при обычных условиях магнитные вариации и сияния не выходят за пределы полярных областей. А когда происходит вспышка на Солнце — ветер превращается в «шквал», порывы которого «сотрясают» не только хвост, но и всю магнитосферу, магнитные вариации регистрируются по всей Земле. Именно это аномальное явление в целом и называют магнитной бурей. Чем больше накопленная в магнитосфере энергия, тем глубже возмущения проникают внутрь и тем ближе к экватору наблюдают суббури и полярные сияния — вплоть до весьма умеренных широт.

По поводу конкретного события 17 марта... Предшествующие солнечные вспышки 14-15 марта были достаточно слабыми, на пороге так называемой «геоэффективности», бывают куда сильней. Впрочем, источник возмущения, солнечное пятно, было расположено в правой (восточной) половине солнечного диска, с такой точки попадание выброса плазмы по Земле весьма вероятно, что и подтвердилось во второй половине дня 17 марта. Буря была достаточно сильной, но, опять же, не аномально сильной. Хотя текущий максимум солнечной активности довольно вялый и даже такие бури — редкость. По амплитуде бури полярное сияние на широте Москвы не ожидалось, это бывает только при совершенно уникальных событиях. Получив оперативный прогноз об ожидаемой буре³, даже и не подумал посмотреть в окно, хотя живу с окнами на север.

Однако магнитосфера в очередной раз преподнесла сюрприз. Накопление энергии прошло очень эффективно — суббури прошли очень сильные, с резким четким началом, примерно в 21, 23 и 2 часа по московскому времени, это видно по полярной магнитной активности — индексу AL (на графике — всемирное время, — 3 часа от московского)⁴. В результате авроральный овал (зона сияний) фактически сдвинулся на 5–10° широты ближе к экватору относительно ожидаемого в среднем.

Плюс к этому в предполуночное время сияния обычно самые яркие, с четкими формами, «дискретные», а в послеполуночное — более размытые, «диффузные». Так что и со временем повезло. Атмосфера также была очень прозрачной, смога не было, что создавало хорошую видимость и достаточно темный фон. То есть и обычная, и магнитосферная погода оказались благоприятными для великолепного шоу.

Кстати, на момент написания этих строк (вечер 19 марта) магнитная буря еще формально (по всем индексам) не закончилась, подкачка энергии из солнечного ветра продолжается — Земля всё еще находится в струе солнечного выброса. Это еще одна неожиданность, обычно всё заканчивается быстрее.

P.S. В сети появляется всё больше фото- и видеоматериалов о сиянии 17 марта. В частности, великолепный ролик сняла автоматическая камера ГАИШ МГУ.

¹ Маленькая энциклопедия «Физика космоса».
² Наука и жизнь. 2001, № 7, № 10; 2002, № 5.
³ Прогноз геомагнитной бури и индекса Dst на ближайшие часы.
⁴ http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_realtime/201503/index_20150317.html.
⁵ Снимок сотрудника планетария Культурного центра ВС России.
⁶ Northern Lights move south: Magnetic storm reveals aurora borealis in Central Russia.