Юрий Мизун - Тайны будущего. Прогнозы на XXI век

Что может произойти с атомом или молекулой при налете заряженной частицы? При тех энергиях, которые имеют налетающие заряженные частицы, ядро атомов остается невредимым. Меняется только судьба орбитальных электронов.

Пролетающая заряженная частица при столкновении с атомом может выбить из атома один из орбитальных электронов. Легче всего выбить из атома самый внешний орбитальный электрон. Для этого требуется затратить меньше энергии, чем для обрыва электронов из других орбит. Атом, от которого оторван орбитальный электрон, заряжен положительно. Пока атом был целым, этот заряд компенсировался этим электроном. Такой атом называется ионом, положительным ионом. Поэтому весь этот процесс был назван ионизацией, то есть процессом создания ионов.

Пролетающие через атмосферу заряженные частицы теряют свою энергию на образование ионов. Оторванные от атомов электроны остаются свободными. Но кроме этого заряженные частицы при взаимодействии с атомами и молекулами вызывают их свечение. Это свечение и является полярным сиянием. Как это происходит?

Налетающая заряженная частица не обязательно отрывает электрон из атома. Для этого ей может не хватить энергии. Она может отдать электрону только небольшую долю энергии. Ее недостаточно, чтобы электрон освободился из атома. Но полученную энергию электрон не может удержать долго. Каждый электрон на каждом своем месте в атоме может обладать только определенной энергией. Поэтому полученную энергию орбитальный электрон должен практически незамедлительно отдать. Если атом часто сталкивается с другими атомами (как в обычном комнатном воздухе), то эту излишнюю энергию электрон отдает другим атомам. Но высоко в атмосфере плотность воздуха очень мала. Там отдать быстро таким путем лишнюю энергию трудно. Поэтому электрон, владеющий этой энергией, освобождается от нее, излучая квант (порцию) света.

При этом все должно быть точно, «как в аптеке». Электрон может принять на время только строго определенную долю энергии. Он должен, если он хочет остаться на прежнем месте, оставить себе только строго определенную энергию. Поэтому он излучает строго определенную порцию энергии. Энергия кванта излучения определяется его частотой, длиной волны. Видимое излучение с разными длинами волн воспринимается нашим глазом как излучение разных цветов.

Атомы кислорода в этом плане отличаются от атомов азота и от атомов любых других химических элементов. Это значит, что на отрыв электронов от атомов различных химических элементов требуется затратить разное количество энергии. Электроны, которые приняли дополнительную энергию, но остаются внутри атома на своей орбите, называют возбужденными. Такое название отвечает существу дела. Но когда возбужденный электрон внутри атома кислорода возвращается в свое основное стабильное состояние, то он излучает кванты света одного цвета (одной частоты, а значит и энергии). Если это происходит с электронами внутри атома азота, то излучаются кванты света другого цвета. Поэтому мы и наблюдаем полярные сияния различных цветов. Подведем итог тому, что нам стало известно о полярных сияниях.

Прежде всего, полярные сияния — это свечение атмосферного газа под действием потоков заряженных частиц. Они наблюдаются там, где имеются такие потоки. Земля и ее атмосфера защищены от потоков солнечных заряженных частиц магнитным полем Земли. Но эта защита не везде надежна. Структура магнитосферы Земли формируется под действием этих потоков. Имеются области в магнитосфере, через которые заряженные частицы все же проникают в атмосферу Земли. Здесь они вызывают полярные сияния. Значит, места, где видны полярные сияния, определяются структурой магнитной оболочки Земли в данный момент. Но поскольку северная часть магнитосферы точно такая же, как и южная, то южные и северные сияния происходят в строго симметричных относительно экватора местах.

Магнитная оболочка Земли меняется непрерывно. Она такова, каковы потоки заряженных частиц, приходящих от Солнца. Эти потоки меняются с изменением солнечной активности. Меняются размеры магнитосферы. Меняется и ее форма. Смещаются и те области, в которых заряженные частицы могут проникнуть к атмосфере Земли. Это значит, что меняются места, где видны полярные сияния.

Если сияния видны в Египте, то это значит, что щели в магнитосфере сместились от полюсов даже сюда. Это могло произойти только в том случае, если магнитосфера была необычайно сильно сжата потоками солнечных частиц. Они должны быть очень-очень большими. Именно в таких случаях, то есть при чрезвычайно высокой солнечной активности, сияния можно было видеть даже в Египте. 8 марта 1970 г. полярные сияния наблюдались в Москве и Ленинграде. Этот случай был необычным. Солнечная активность была очень высокая. Магнитосфера Земли с дневной стороны была ужата потоками солнечных частиц на две трети. Когда же были видны сияния в Египте, ситуация в космосе была чрезвычайная. Мощные потоки солнечных заряженных частиц поджимали магнитосферу почти к самой ее атмосфере! Неудивительно, что эти периоды на века запомнились всем. Менялись все условия на Земле, менялся климат, просыпались вулканы, происходили землетрясения и т. д. Поэтому люди и боялись полярных сияний.

Петр Первый наблюдал полярные сияния 3 октября 1722 г. под Астраханью. Он так записал об этом в своем походном журнале: «Когда смерклось… явилась якобы заря, которою многие чаяли, но потом стала подниматься на горизонт… но только гораздо краснее, так как пожар издали без пламени видится великой. Казалось, якобы по берегам с той стороны камыш горел».

Хроники сообщают, что в 1111 г. русские князья пошли в поход на половцев. Но войско их было малочисленным. Половцы имели большой перевес в численности. Но вдруг половецкие воины дрогнули в ужасе и отступили. Те из них, кто был полонен, объяснили свое поражение так: «Как можно было с вами бороться, когда над вами ездили в светлых бронях и помогали вам!» Помогало русским воинам северное сияние.

Где же все-таки чаще всего видны полярные сияния? Всегда считалось, что чем дальше на север, тем сияний больше. Но когда стали наблюдать за сияниями специально из многих мест, то оказалось, что это не совсем так. Непосредственно вокруг полюса сияния наблюдаются значительно реже, чем на широте Норильска и Мурманска.

Наблюдения за сияниями с поверхности Земли, а также с помощью искусственных спутников Земли показали, что сияния чаще всего видны в кольце, которое удалено от полюса примерно на полторы тысячи километров. Это огненное кольцо несколько сдвинуто, его центр смещен от полюса в сторону полночи. Значит, оно ближе к полюсу днем и дальше от него ночью. День и ночь «ходит» за Солнцем. Так же поворачивается и огненное кольцо, в котором видны полярные сияния.