Полярните сияния са може би най-величествените, грандиозни и красиви атмосферни явления, които човек може да види с невъоръжено око от земята. Те представляват неописуеми по своята мащабност и изключителност светлинни ивици в горните слоеве на атмосферата, на височина от 100 до 1000 километра от земната повърхност. Познати са на човечеството от хилядолетия, но човек е безсилен да опише очарованието и красотата им чрез думи. Както е казал един известен норвежки писател, след като е наблюдавал северно сияние в пълното му великолепие: “Няма молив, който да го нарисува, няма цветове, които да го предадат и няма думи, които да го опишат в цялото му величие.” Всъщност полярното сияние неправилно се нарича “северно”, защото то се появява най-често в полярните области, близо до северния и южния магнитен полюс на Земята. Въпреки че честотата на появяването им там е до 100 пъти в годината, полярните сияния могат да се наблюдават и в по-южните ширини, включително и в България. Съществува дори случай на поява на северно сияние на екватора през януари, 1909 година. Северното сияние е било наричано с различни имена през многовековната история на човечеството:

Aurora Borealis – буквално преведено от латински означава “червената зора на севера”. Така на научен език се наричат полярните сияния в северното полукълбо. Италианският учен Галилео Галилей (1564 – 1642) е използвал израза за първи път. На географската ширина на Италия, където е живял Галилео, северните сияния са предимно с червен цвят.

Aurora Australis – полярните сияния в южното полукълбо (“Южно сияние”). Aurora е римската богиня на зората (името идва от “ aura ” /лат./ - “предутринен вятър”)

Аurora Polaris – полярни сияния. Използва се и за северното, и за южното полукълбо.

Причина за северните сияния. Същност на явлението

Полярното сияние зависи от слънчевата активност, състоянието и състава на земната атмосфера, силата на земното магнитно поле и свойствата на космическото пространство в близост до Земята.

Източникът на северното сияние се крие на 150 млн. километра от нас - Слънцето. По време на т.нар. слънчеви експлозии от него постоянно се излъчват заредени високоенергийни частици и се изхвърлят в открития космос. Това излъчване се нарича корпускулярно лъчение. Слънчевите експлозии са периоди на повишена слънчева активност, характеризираща се с появата на огромни петна на повърхността на слънцето. Тези излъчвани високоенергийни частици – алфа частици, електрони и протони, част от които се неутрализират взаимно заради противоположните си заряди - формират плазмени облаци и т.нар. “слънчев вятър”. Той се движи в космическото пространство със скорост, варираща от 200 до 1000 километра в секунда (средна стойност – 500 км/сек). Но дори с тази скорост (повече от един милион километра в час), на тези частици им отнема цели 2 – 3 дни да стигнат до нашата планета. Когато слънчевият вятър приближи земята, повечето от частиците се отразяват от магнитосферата и се връщат обратно в космическото пространство (тъй като земното магнитно поле действа като бариера, предпазваща Земята от смъртоносната радиация на слънчевия вятър), но голяма част попадат в магнитното поле на планетата, като изкривяват силовите му линии и му придават кометообразна форма. Така магнитосферата става асиметрична. Взаимодействието на заредените частици на слънчевия вятър с магнитното поле на земята предизвиква определени изменения. Както всички движещи се заредени частици, така тези на слънчевия вятър образуват собствено магнитно поле. Движещите се заряди на слънчевия вятър по външната граница на магнитосферата могат да се приемат за електричен ток със свое магнитно поле.Това ново магнитно поле се наслагва в магнитното поле на земята и предизвиква т.нар. “магнитни бури”-кратки, но значителни изменения в магнитното поле на земята. Ето защо северните сияния винаги се предшестват от магнитни бури. Под влиянието на магнитосферата, частиците се ускоряват, следвайки линиите на земното магнитно поле, и се насочват към полярните райони, където то е най-силно – близо до геомагнетичния северен и геомагнетичния южен полюс на планетата ни.

Северните сияния са резултат от сблъсъка на високоенергийните частици на

слънчевия вятър с неутралните атоми на силно разредените газове в горните слоеве на земната атмосфера.

Когато частиците се насочват надолу към полюсите,т.е. навлизат от магнитосферата в йоносферата, те са спрени от “щита” на атмосферата и се сблъскват с атомите на атмосферните газове, възбуждайки по този начин електроните в тези атоми (това означава, че те минават в състояние на по-висока енергия). Веднага възбудените електрони на атомите се възвръщат в нормалното си състояние, като преминават на по-ниско енергийно ниво. Този процес естествено се съпътства с отделянето на фотони (светлинни частици) с характерна дължина на вълните и може да се сравни с излъчването на светлината в неоновите лампи. Това преминаване на по-ниско енергийно ниво и отделяне на фотони е различно при различните атмосферни газове (азот, кислород, и т.н.) и това е причината те да светят с различна светлина и да се наблюдават различни осветявания при сиянията. Преобладават зеленият и жълтият цвят; червеното оцветяване също е възможно. По-рядко е бледо-синьото. За да може обикновен човек с невъоръжено око да види оцветяването на тези фотони на небето, се изискват около 100 милиона фотона.

Друга теория за произхода на северните сияния е, че те са предизвиквани от избухвания на ултравиолетовото лъчение на Слънцето. Радиацията от ултравиолетови лъчи йонизира атомите на високите земни въздушни слоеве. Тези електрически заредени частици се отклоняват към полярните области под влияние на земното магнитно поле.

Високоенергийни частици се сблъскват с газови молекули в атмосферата. При преминаването на по-високa орбитала и възстановяването на първоначалното положение на електрона излишната енергия се отделя под формата на фотон.

Сиянието в България е наблюдавано в продължение на 2 часа в нощта на 6 срещу 7 април, 2000 година от Рожен, около 3ч.30мин под Полярната звезда. Сиянието е с червен цвят. Това се дължи на необикновеното количество слънчев вятър от 10 милиарда тона, излъчено на 4 април. Въпреки че частиците са се движили с 2000 км/сек те са попаднали в обсега на Земята след 2 денонощия.

Полярно сияние над Банско - 20 ноември 2003 г

Слънцето. Слънчеви петна

Слънцето, горящо кълбо от газове, ни е давало животоспасяваща топлина и светлина вече близо 5 милиарда години. Източника на слънчевата енергия е вътрешността му, където температурата надвишава 15 милиона градуса по Келвин и налягането е 250 милиарда пъти повече от това на повърхността на Земята. Огромната горещина трансформира водорода, най-лекия елемент във Вселената, в хелий. Повърхността на слънцето има температура от близо 5800 К. Какво точно представляват слънчевите петна? Те са предизвикани от силни магнитни полета на повърхността на Слънцето. Тези зони са с около 1000 градуса по-студени от останалите и изглеждат по-тъмни.

Слънчевата активност се усилва в цикъл от приблизително 11 години – увеличава се броя на слънчевите петна и хромосферните избухвания (внезапни засилвания на яркостта на хромосферата). Когато на повърхността има най-много слънчеви петна, наричаме този момент слънчев максимум. Когато активността на слънчевите петна е най-малка, можем да говорим за слънчев минимум. Слънцето е звезда, която може да промени своята активност много рязко, заради бурните физични процеси в и под повърхността й. Слънчевата активност е правопропорционална на скоростта и плътността на слънчевия вятър. Затова рязката промяна на слънчевата активност води до рязка промяна и на земната геомагнитна активност. Когато тя се увеличава, повишената скорост и плътност на слънчевия вятър води до преместването на северното сияние до средни и дори до по-ниски географски ширини, включително и до България – през 1957-58, по време на особено силна слънчева активност родината ни е станала свидетел на няколко сияния.. При слънчев максимум и хромосферни избухвания плазмения поток е особено интензивен и насочен. Ако Земята и Слънцето попаднат в необходимо взаимно положение, нашата планета попада в центъра на плазмения поток. Тогава частиците са повече и по-бързи и успяват да проникнат до 80-90 км над земната повърхност. Там плътността на атмосферните газове е голяма и частиците се поглъщат от въздуха без да предизвикват светене. Често при северните сияния се наблюдава ясно очертана долна граница – светлинната ивица рязко прекъсва отдолу. Това е така, защото след минаване на определена долна граница на височина, частиците не светят.

Сложните геомагнитни промени от магнитните бури влияят на спътниковите комуникации и навигационните системи. Обикновено са краткотрайни, но могат да продължат и повече от ден. Обикновено колкото повече слънчеви петна има, толкова повече частици са изстреляни в космоса и толкова повече полярни сияния се наблюдават. Последният слънчев максимум е бил през 2001-2002, следващият се очаква към 2011-12.

Овални зони

Овалните зони представят местата на Земята, където сиянията се наблюдават най-често и с най-голям интензитет. Първи швейцарският физик Херман Фриц (1829 – 1902) в книгата си “Северното сияние” от 1881 (“Das Polarlicht”) показва, че северните сияния се наблюдават най-често в зона на 67 градуса северна ширина. Той нарича този пръстен (вижте снимката горе) “овална зона”. Ако нанесем на географската карта всички точки на Земята, от които сиянията се наблюдават с дадена честота и ако свържем тези точки, ще получим пръстен, или т. нар. “овална зона”. Тези овали имат за център геомагнитния полюс (северен или южен) на Земята. Информация за по-подробното местоположение на овалните зони се базира на изследванията на професор Щормер между 1910 и 1950.

Разпространението на сиянията като функция от географска ширина и време е получено от задълбочени земни, ракетни и сателитни изследвания през 60-те години. Най-добър резултат са дали сателитните фотоси на земята. Открито е, че сиянията показват постоянна овална зона около магнетичния полюс на двете полукълба. Така този овал е зоната, където сияния се наблюдават най-често.

Този овал е почти два пъти по-широк и два пъти по-далеч от геомагнитния полюс в полунощ отколкото е широк и далеч от полюса в 12 часа на обяд (разстоянието е 23 градуса на 12 градуса, респективно). Овалът е около 10 градуса (близо 1100 км) по-близо до екватора в нощната част на Земята, отколкото в дневната част.

Последни изследвания доказаха, че формите и местоположенията на овалните зони се променят изключително много в зависимост от слънчевата активност. При повишена активност овалът се разширява и се приближава до Екватора

Историческа информация

Северните сияния са познати на човека от много време. Първото описание на сияние четем в “Метерология” на Аристотел от 4 в. пр. Хр. – то е светлина, която прилича на пламъка на горящ газ. Понякога от горенето на пламъците струят искри – тогава сиянието според Аристотел е “скачащи кози”. Ако няма такива свръхестествени лъчи и искри, сиянието е “огън”.

Древният човек е наблюдавал явленията около себе си и се е опитвал да си ги обясни, за да систематизира света. Северното сияние присъства в митологията на много народи. Някои са го разбирали като послание от Бога, от мъртвите или от дявола. Често са го разбирали като предвестник на война, бедствия, нещастия или смърт заради кървавочервения му цвят. Единствено в Норвегия, северното сияние е било почитано като знамение от Бога, а не от Дявола. По-късно в Средновековието се е считало че червеното сияние е кръвта на войните борещи се на небето във вечната райска война. Тя е била небесна награда за храбрите воини, загинали за честта на страната си – да продължат красивата си битка и на небето.

Честота на появата

В овалната зона сиянието може да се наблюдава всяка ясна зимна вечер. То е най-често и най-силно от 10 ч вечерта до полунощ. Перфектните сияния често се появяват на интервали от 27 дни, тъй като най-активните зони на слънчевата повърхност са с лице към земята в ротационен цикъл от 27 дни (периода на едно пълно завъртане на Слънцето около оста си). Сиянията са по-чести в късната есен и ранната пролет. Октомври, Февруари и Март са най-добрите времена за наблюдаване на сияния от северна Норвегия. Активността на северните сияния зависи много от активността на слънчевите петна, която спазва цикъл от 11 дни, но има закъснение от една година между максимума на слънчевите петна и максимума на земните сияния. Активността на северните сияния е с около 20-30% по-малко през слънчевия минимум, отколкото през слънчевия максимум. Северни сияния са наблюдавани от средиземноморски държави само когато слънчевата активност е изключително висока. Това се случва веднъж на десетки години и само един път на 100 години. Северни сияния могат да се видят на следните места по време на слънчев максимум: Аденес, Норвегия: почти всяка тъмна и ясна нощ; Феърбанкс, Аляска: от 5 до 10 пъти на месец; Осло, Норвегия: 3 пъти на месец; Северна Шотландия, Великобритания: Един път на месец; Щатско-Канадска граница: от 2 до 4 пъти в годината; Мексико и Средиземноморските страни: един или два пъти на десетилетие; на юг от средиземноморските страни: 1 или 2 пъти на век; екватора: един път на 200 години.

Височина

До 1915 височината на сиянията е бил най-дискутираният въпрос в тази наука. Прецизните количествени измервания на височината на сиянията са извършени от Карл Щьормер между 1910 и 1940. Двама наблюдатели – между 50 и 100 километра един от друг – снимат едно и също сияние по едно и също време. От местоположението на звездите те са могли да разберат разликата в градуси между тях в градуси и така да пресметнат височината.

Средната височина е между 100 и 120 километра.

Повечето от сиянията с форми на дъги се намират на между 90 и 150 километра височина. При тези с форми на лъчи светенето на атмосферата е на височина 200-300км. Няколко сияния дори стигат до 500 км. С употребата на чувствителни светломери – наричани аврорални фотометри – височината на много сияния са били измерени. Открито е, че горният ръб на северните сияния често се простира на много по-високо, отколкото се е вярвало преди. Освен това, интензитетът на светлината се увеличава бързо откъм долния ръб на сиянието – обикновено близо до или точно над 90 километра височина – до максимум между 110 и 150 километра.

Цветове, форми и интензитет

Атмосферата се състои главно от азот и кислород, които като се запалят, излъчват характерни цветове. Например йонизиран атом на азот ще причини синия и виолетовия цвят на сиянието. Възбуден кислороден атом довежда светлозеления цвят и ярко червения цвят. Червеното идва и от възбуден азот.

Даден газ излъчва фотони с определена фиксирана дължина на вълната. Измервайки тази вълна, човек може да определи различните газове в йоносферата. Например жълтозеленият цвят – най-разпространеният – съответства на дължина на вълната 0,5577 микрометра . Може да се заключи, че цветовата композиция на сиянието е нещо като отпечатък на газовия състав на атмосферата. Установено е още, че височината въздейства на цвета на сиянието. Силната зелена светлина е родена на височина от 120 до 180 километра. Северните червени светлини се причиняват даже на по-високи височини, докато сините и виолетови се появяват главно под 120 километра. Когато слънцето е “бурно”, червената светлина се появява на височини между 90 и 100 километра. Понякога изцяло червени северни сияния се наблюдават, особено на по-ниските географски ширини. и често се бъркат с пожар или огън на хоризонта.

В сравнение със светлината от слънцето и луната, яркостта на северните сияния е доста слаба. С нови оптически инструменти ние можем да изучаваме слаби сияния с интензитети много под прага на възможности на нашите очи. Интензивността на северните сияния се измерва в балове или с единица, наречена коефициент на яркост (IBC). Слабите северни сияния имат яркост колкото тази на Млечния Път, нашата галактика. Могат да се видят като равномерно разпределена светлина по небето в ясна зимна вечер. Средносилните северни сияния са по-ярки от повечето звезди. Така, по време на средносилно сияние не можем да видим звезди, които са зад самото сияние. Силните северни сияния се сравняват със светлината на луната. Северните сияния са много по-силни от звездната светлина и от 100 до 1000 пъти по-силни от най-слабата светлина, която може да се види от човешко око.

Формите на северните сияния са разнообразни. Още Аристотел ги разделя на 2 основни групи: с лъчиста структура и без лъчиста структура. Сиянията с лъчиста структура са дъгите и ивиците, драпериите, лъчите и т. нар. “корона” – система от лъчи излизащи от тъмен център, където е магнитното поле е най-силно. Към сиянията без лъчиста структура спадат спокойно и равномерно светещи дъги и ивици, пулсиращите дъги, дифузните и пулсиращи светещи повърхнини и светенето на хоризонта.

Гледани от земята, северните сияния могат да изглеждат хаотични. Следва подробно описание на някои специфични форми:

Хомогенна Арка – форма, която сякаш е застанала неподвижно, инертно. Типична за периоди с ниска слънчева активност. Образува арка, простираща се от изток на запад. Дълга е повече от 1000 километра и повече от 10 километра широка.

Арка с лъчиста структура – тази структура се появява често в периоди на средна до висока слънчева активност. Простира се на небето от изток до запад, а лъчите й следват земните магнитни силови полета. Откъм долната си вдлъбната страна тя е ограничена от тъмното небе, а външната се характеризира множество лъчи, отиващи нагоре и изглеждащи от земята като мъглявина.

Хомогенен обръч – неподвижен, не създава илюзията, че се движи. Типичен за периоди на средна до ниска слънчева активност. Простира се на небето под формата на няколко арки от изток на запад.

Структурен обръч – съществуват многобройни вариации на този модел; създава впечатлението, че се движи. Типичен за периоди на средна до ниска слънчева активност. Един или повече пръстени се простират от изток на запад. Лъчи, следващи земното магнитно поле, са разтегнати по посока на пръстена.

Прожекторни снопове – светли ивици, но не с лъчиста структура. Това е активно сияние – ивиците си менят яркостта и наклона спрямо хоризонта, Цветът също се мени – варира от оранжев, жълт, зелен и после бледо зелен. Сиянието създава илюзията, че светлината струи от далечни мощни прожектори на земята.

Лъчи – този често срещан модел се среща в периоди на висока слънчева активност. Лъчите се подреждат по дължината на земното магнитно поле и промени могат да настъпят бързо. Дължината на лъчите може да стигне няколко стотици километра.

Корона – появяват се в периоди на висока слънчева активност. Лъчите изглеждат като ветрила, ако са гледани точно под сиянието. Бързи движения и вариации са типични.

Перде – една от най-красивите форми на северно сияние, в която широчината на пръстените и дължините на лъчите запълват по-голямата част от небето. Лъчите са нагънати вълнообразно напред и назад, а интензитетът на светлината се променя бързо с времето. Различните вертикални ивици, бързо менящи се на цвят и яркост, създават впечатление за огромна небесна завеса, която сякаш съвсем леко се полюлява, подухвана от вятъра. Отделните ивици са оцветени в жълто или жълтозелено, а долната им част – в тъмночервено. Долната част на завесата се отличава с ясно изразена граница и сякаш спира изведнъж.

Разпръснати повърхности – тези форми могат да бъдат много огромни и да покриват няколко стотици квадратни метри. Появяват се главно през сутринта. Тъй като са разпръснати, обикновено са трудни да се наблюдават.

Спирални структури – различни спирални форми, често визуално впечатляващи.

Аврорални пулсации – пулсиращите северни сияния са доста чести. Приличат на кълбета дим от локомотив. Пулсацията може да бъде правилна – между 15 и 20 секунди – обхващаща цялото сияние. Понякога искроподобни сияния светлина се разпръскват периодично нагоре към небето с висока скорост.

Формите на северните сияния се класифицират на активни и спокойни. Хомогенните арки и пръстени, разпръснатите повърхности са спокойни сияния. Те не се променят бързо. Форми с лъчиста структура като корони, пердета, лъчисти арки и спирали са примери на активни сияния, които бързо се променят.

Характерни са следните зависимости: сиянията с правилна форма възникват на височина от 90 до 200 км, а по-нестандартните форми или смесицата от тях – на височина 200 и 1000 м.

Сияния и звуци?

Спорен въпрос около сиянията е дали е възможно освен да бъдат видени, да бъдат и чути. Спорът е разгорещен вече няколко века, но до този момент никога не са били проведени инструментални и обективни изследвания на звук от сиянията, който евентуално би могъл да бъде уловим от човешкото ухо. И все пак много хора се кълнат, че са чували сиянията.

Звуковите вълни пътуват с около 340 метра в секунда във въздуха на нивото на земята. На височини от 80 до 500 километра, където сиянията се появяват, се наблюдава среда, доближаваща се до вакуум, така че не е възможно звуковите вълни да се разпространят. Въпреки това има множество сигнали за пукащи звуци по време на сияние. За да разрешим този проблем, трябва да извършим едновременни наблюдения на звук, светлина и електричното поле на нивото на земята.

Ако свържем магнетометър към аудиозаписвващо устройство по време на северно сияние ще чуем следния звук. Вариацията на звука изразява временната вариация на магнитното поле причинена от идващите слънчеви частици.

Северно сияние на други планети

Полярни сияния се появяват още и на други планети, които имат нужните условия – магнитно поле и атмосфера. Конфигурацията на сиянията на другите планети, техните цветове и бързо сменящи се картини на сияния са много различни от това, което наблюдаваме на земята. На Сатурн и Юпитер огромни овали близко до магнетичните полюси на дадената планета я заобикалят, точно като на Земята. Въпреки че изглеждат различно, принципът на северните сияния е един и същ за всички планети. Първи норвежеца Йохан Ернст Гуннерус (1718-1773) дава предположението, че източник на тайнствените сияния е слънцето и че по тази логика те трябва да съществуват на Венера, Меркурий и Луната. Разбира се, това е грешно, защото Венера и нашата луна нямат собствени магнитни полета. Марс също. Меркурий и Луната дори нямат собствена атмосфера.

Сияния се наблюдават на следните небесни тела: Земя, Сатурн, Титан, Тритон, Юпитер, Йо, Нептун и Уран. Интересен факт е, че Йо например няма собствена атмосфера. Това е парадокс – сиянията тогава би трябвало да са невъзможни. Отговорът се крие в активните вулкани на Йо. Честите изригвания създават временна атмосфера, която създава възможност за сияния. Интересното е, че те не се появяват само в горните части на тази атмосфера, а могат да се наблюдават близо до повърхността й.

Един автор изразява чувствата си, гледайки красивото полярно сияние: “Не може молив да го начертае, нито четка да го нарисува и няма думи да го опишат в цялото му величие”.

Yellowknife, Canada

Любопитно: Северният магнитен полюс се премества към Сибир

Поради преместването на магнитния полюс след 50 години в някой райони на Европа може ще се появи северно сияние.

Магнитният полюс на Земята се премества от Северна Америка по направление на Сибир с такава скорост, че Аляска в следващите 50 години може да се лиши от своето северно сияние. В същото време ще се появи възможност то да се вижда в някои райони на Сибир и Европа, смятат учените, предаде БГФАКТОР.

Магнитните полюси са част от магнитното поле на Земята, което се създава от земното ядро. Те се различават от географските полюси - местата на повърхността на планетата, където преминават въображаемите оси около, които се върти Земята.

Учените отдавна знаят, че магнитните полюси се преместват, но причините за това явление остават загадка.

Преместването на магнитния полюс може да е следствие от процес на колебание и в крайна сметка полюсът може се върне обратно по направлението към Канада, смята специалистът по магнетизъм Джоузеф Стонер от Орегонския университет. По-рано проведени изследвания показаха, че през последните 150 години силата на магнитното поле е намаляла с десет процента. През този период северният магнитен полюс се е преместил на разстояние 685 мили, сочи анализът на екипа на Стонер.

През последното столетие скоростта на преместване на полюсите в сравнение с предните 4 столетия се увеличава, съобщават учените. Ако сегашната скорост и направление на преместване не се променят, то северният магнитен полюс ще се премести от Северна Канада в Сибир. Ако това се случи, Аляска може да изгуби своето северно сияние. Северният магнитен полюс бе открит през 1831 г., а когато през 1904 г. учените проведоха повторни измервания на полюса, те откриха, че той е изместен с 31 мили. В продължение на много столетия мореплавателите ползват компаса, без да знаят за разликата между магнитния и географския северен полюс. Стрелката на компаса сочи към магнитния, а не към географския северен полюс.

В своето изследване Стонер изучава утаечните отлагания в арктическите езера, тъй като в тази отлагания се съхранява информация за магнитното поле на Земята. Резултатите от изследването показват, че през последните хиляда години магнитният полюс се е измествал не само по направлението Канада-Сибир, но и в други направления.