Планетарные токи нарушили симметрию полярных сияний

Все видевшие яркое северное сияние утверждают, что это незабываемое зрелище. Небо завешивают длинные пологи, как правило, зеленого цвета с красновато-фиолетовой оборкой, которые то быстро переливаются, то медленно мерцают высоко в северном небе.

Кольцо сияний

К сожалению, далеко не каждому жителю средней полосы России удается хотя бы раз в жизни увидеть это природное представление. В большинстве случаев полярные сияния появляются в пределах двух нешироких колец вокруг магнитных полюсов Земли. Лишь в годы максимума солнечной активности эти пояса могут спускаться до средних широт, а иногда и еще ближе к экватору -- сообщения о наблюдении слабых полярных сияний приходили даже из Мексики.

[v1] Причина, по которой сияния появляются лишь недалеко от полюса, в самой природе этого явления и структуре магнитного поля Земли. Свет полярных сияний испускают по большей части атомы и ионы кислорода (зеленая и красная линия) и азота (лиловые оттенки), возбужденные ударами электронов, которые скользят вдоль магнитных линий. Земное магнитное поле похоже на поле постоянного магнита и к атмосфере спускается только в полярных областях. Поэтому только здесь электроны, которых уйма в радиационных полюсах Земли, могут столкнуться с атомами и спровоцировать полярное сияние.

Магнитные зеркала

Впрочем, движение электронов несколько сложнее, чем просто скольжение вдоль магнитных линий. На самом деле они безумно быстро крутятся вдоль них, как бороздка резьбы по стальному шурупу. И если бы земное поле было однородным, то электроны бы так постоянно и сползали из радиационных поясов в полярные районы и сами сияния бы никогда не прекращались.

Однако на деле ближе к полюсам магнитное поле становится сильнее, и из-за этого возникает своеобразный эффект отражения: накручивающийся на линии электрон чувствует силу возрастающего поля, которая сводит продольную скорость частицы до нуля, а затем разгоняет ее в противоположную сторону. Из-за этого далеко не все электроны и далеко не всегда долетают до более или менее плотных слоев атмосферы, где есть атомы, по которым можно ударить. Между двух таких зеркал -- одно на севере, другое на юге -- и проходит жизнь электрона, пока какой-нибудь внезапный удар или скучная потеря энергии на синхротронное излучение не изменят его судьбу.

Скоростная симметрия

Электрон -- очень легкая частица, поэтому даже скромным его энергиям соответствуют очень высокие скорости. И даже если учесть, что большая часть этой скорости вовлечена в бессмысленное кручение вдоль магнитной линии, типичное время колебаний частиц между северным и южным магнитными «зеркалами» окажется очень небольшим -- порядка секунды. Пока вы дочитаете это предложение, электроны, ответственные за полярные сияния, успеют по многу раз слетать с Северного полюса на Южный и обратно.

Именно по этой причине ученые считают, что картина полярных сияний должна быть более или менее симметричной. Если над Арктикой на какой-то (магнитной) долготе появилось яркое пятно, то такое же пятно на той же (не противоположной!) долготе должно одновременно появиться и над Антарктикой. Понятно, что здесь есть куча оговорок – магнитное поле Земли не идеально симметрично, проводимость ионосферы зависит от сезона и времени суток и так далее. Но в целом должна наблюдаться симметрия.

И до сих пор наблюдения неплохо согласовались с такой картиной. Правда, согласование это было лишь статистическим -- наблюдать полярные сияния одновременно на двух полюсах с Земли проблематично -- хотя бы по той причине, что днем их заметить практически невозможно, а полярные день и ночь в Антарктике и Арктике не совпадают. И даже спутниковые данные в этом случае не очень помогают: чтобы добраться от одного полюса до другого, спутнику требуется около 45 минут, а за это время картина полярного сияния может кардинально измениться в обоих полушариях. Выходит, нужны два космических аппарата.

Красота в асимметрии

Николай Эстгорд и Карл Магнус Лёундаль из норвежского Университета Бергена как раз и воспользовались данными, полученными синхронно двумя спутниками NASA -- IMAGE и Polar. 12 мая 2001 года в районе 22.00 по всемирному времени (полночь на 13 мая по Москве) они записали картину полярных сияний на севере (IMAGE) и юге (Polar) нашей планеты. Камеры двух аппаратов работают в узких ультрафиолетовых линиях, которые характерны для спектра полярных сияний, поэтому полярный день в Арктике этим наблюдениям не помешал.

При сравнении данных оказалось, что никакой зеркальной симметрии нет. Пока над Антарктидой более получаса горело яркое пятно полярного сияния со стороны вечернего полушария Земли, не менее впечатляющее пятно дважды появлялось над Таймыром и морем Лаптевых, находившихся в тот момент в утреннем полушарии.

Если взглянуть на свечение более слабого полярного сияния, которое в тот день полностью охватывало оба полюса, несложно увидеть их сходство ровно в том зеркальное смысле, который предсказывает теория. Однако самые яркие области появлялись совсем не одновременно и в совершенно разных, почти противоположных местах. Это совсем не похоже на скоростные шатания электронов с севера на юг и обратно.

Скрытая связь полушарий

В своем письме в Nature Эстгорд и Лёундаль перебрали несколько вариантов образования такой асимметрии: разница в напряженности магнитного поля, отличия в проводимости атмосферы, межпланетное магнитное поле и так далее. Однако все они по разным причинам не проходят -- то эффект слишком слаб, то он должен приводить к асимметрии и вовсе противоположной той, что наблюдается. В конечном итоге ученые останавливаются на единственной гипотезе, которая, по их мнению, может объяснить эти наблюдения.

Теория предсказывает, что из-за разницы в проводимости ионосферы между освещенной и темной сторонами Земли (на освещенной стороне больше заряженных частиц, поэтому и проводимость больше) должна возникать пара из двух исполинских потоков электричества, соединяющих Северное и Южное полушария вдоль магнитных линий.

Эти токи должны быть наиболее сильны вдоль плоскости, разделяющей дневную и ночную стороны планеты, а отрицательные электроны в этих токах летят с юга на север на восходе и с севера на юг на закате (летом Северного полушария). Именно электроны этих токов, по мнению Эстгорда и Лёундаля, и помогли образованию ярких пятен, которые увидели спутники IMAGE и Polar, -- ровно там, где предсказывает теория.

Непрактичный совет

С точки зрения высокой науки, это первое экспериментальное указание на существование таких токов. А с практической точки зрения отсюда следует простой совет: зимней ночью, когда полярные сияния увидеть проще всего, ждать их лучше с вечера, а не под утро. Впрочем, жителей средних широт этот совет вряд ли касается: им перепадают лишь те редкие сияния, что вызваны резким притоком электронов извне -- во время солнечных вспышек.