Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы

Бортовые приборы спутников собирают данные об основных обитателях ближнего космоса — быстрых (энергичных) заряженных частицах. Такого рода частицы попадая в верхние слои земной атмосферы, вызывают свечение воздуха — полярные сияния. Небо высоких широт представляет собой что–то вроде экрана гигантского телевизора: распределением частиц, которые бомбардируют этот экран, заставляя его светиться, управляют космические процессы. Явление, долгие годы бывшее символом освоения суровых полярных широт, стало в наши дни символом изучения космического околоземного пространства, светящийся занавес с бахромой можно увидеть теперь на обложке книги по космофизике или на эмблеме совещания специалистов по ближнему космосу.

Что же видно на природном «голубом экране»? Обобщим. «Телепередачи», цветные, с мятущимся изображением, какое описал Ушаков, бывают сравнительно редко. Типичная картина — сияния куда более спокойные, одноцветные или с небольшой подсветкой. Самые малоподвижные имеют и самый простой вид. Это белесые с желтизной пятна и ровно светящиеся линии (дуги). Среди дуг есть по–своему замечательные: длинные, узкие, четко очерченные — при ширине до нескольких десятков километров (бывают и уже одного километра) они тянутся в направлении примерно восток — запад на расстояния сотен и даже тысяч километров. Может быть одновременно несколько параллельных дуг. Дуги часами остаются неподвижными или медленно плывут по небу. Но вид дуги может внезапно измениться: вся она пойдет вдруг вертикальными лучами — подвижными столбиками света, станет похожей на свисающий занавес или бахрому. Это сходство становится еще сильнее, когда занавес начинает колыхаться и на нем появляются вертикальные складки. Они иногда заворачиваются на полный оборот и даже больше, и тогда нижний край занавеса выглядит как цепочка двойных спиралей. Впрочем, спираль может быть настолько большой, что весь небосклон занят лишь ее частью. Такие неспокойные дуги легко распадаются на отдельные светящиеся пятна.

Но даже над теми формами сияний, которые при наблюдении с Земли должны были бы восприниматься как простые, с ровным свечением, космонавты, находясь на орбите, видят области с лучистой структурой, где стоят светящиеся столбы — «прожекторы». Если с Земли смотреть на лучистое полярное сияние, находясь прямо под ним, то кажется, будто лучи сходятся. Это тот же эффект перспективного сокращения, из–за которого нам кажутся сходящимися вдали рельсы железной дороги. Нижние концы лучей находятся на высоте от 100 до 150 километров. Горизонтальные размеры лучей — от нескольких десятков метров до нескольких километров. Не всегда лучи «вделаны» в дугу или пятно, иногда просто горят отдельной связкой.

Нередко большая часть неба бывает покрыта ровным свечением. И есть черные полярные сияния — темные места внутри свечения. Они имеют вид тонких лент или четких вытянутых эллиптических отверстий.

Все эти, как их называют специалисты, неоднородности, или формы, сияний обычно движутся. Их скорость считается небольшой по меркам науки о сияниях, она не превосходит двух–трех километров в секунду, причем иногда формы движутся так медленно, что глазу кажутся неподвижными. В лучистых формах скорость отдельных лучей больше — до 50 и даже 80 километров в секунду. Вот как описывает такое движение знаменитый путешественник и ученый Ф. Нансен: «Вдруг из светящейся ленты выскакивают лучи; они почти достигают зенита; еще и еще — они мчатся с дикой быстротой по верху ленты с востока на запад; они летят словно издалека, издалека, все приближаясь и приближаясь».

Даже самые спокойные формы полярных сияний практически никогда не появляются от раза к разу на одном и том же месте. Сияние не может в заранее известный час заглянуть к нам в окно, как это делает солнце.

Можно ли узнать что–нибудь определенное о космосе, наблюдая полярное сияние — это непростое явление, которое само стало изучаться всесторонне лишь недавно? Оказывается, можно, и немало. Но при этом нужно на время отвлечься от подробностей и взглянуть на все с более широкой точки зрения, попытавшись представить себе общую картину через наблюдения в отдельных точках. Заметим, что и на экране обычного телевизора невозможно воспринять изображение, скрупулезно рассматривая маленький кусочек экрана.

Первый шаг в создании общей картины сделали в начале 60‑х годов советские ученые О. В. Хорошева и Я. И. Фельдштейн. Они поставили вопрос так: где на Земле полярные сияния случаются одновременно? На фоне того что говорится и пишется о физике XX века, этот вопрос звучит с какой–то средневековой непритязательностью. И тем не менее верного ответа на него не было. К началу космической эры полярные сияния оставались на удивление неизученными.

Вот пример. Даже сквозь сильное полярное сияние видны звезды (вспомним уже приведенный отрывок из Ушакова), и всякий раз, когда состояние неба не позволяет увидеть звезды, нельзя видеть и полярные сияния. Разглядеть звезды днем мешает солнечный свет, по этой же причине должны быть «невидимками» полярные сияния, случившиеся в светлое время суток. Тот вполне очевидный факт, что звезды не наблюдаются на дневном небосклоне, не мешает нам знать, что они на нем есть. На этот счет уже много веков нет сомнений. А в подобном вопросе о полярных сияниях — случаются ли они днем, оставаясь невидимыми, или же их просто нет в это время суток — даже году в 1960‑м господствовало неверное представление: специалисты считали, что сияния бывают только ночью!

Между тем такое невидимое полярное сияние заметить даже легче, чем дневные звезды. Людям давно известно, что при полярных сияниях меняется магнитное поле, появляются его возмущения. Еще в старину моряки–поморы говорили: «На пазорях матка дурит». Пазорями они называли полярные сияния, маткой — компас. Точные приборы–магнитографы регистрируют магнитные возмущения и при очень слабых полярных сияниях. Значит, если сияние не видно, о его присутствии можно судить по измерениям магнитного поля на поверхности Земли. Почему же дневные полярные сияния так долго не обнаруживали себя? Дело здесь в том, что при прочих равных условиях случаются они, как установила О. В. Хорошева, на более высоких широтах, чем ночные. Временами их можно видеть даже простым глазом: когда вблизи полюса устанавливается почти круглосуточная полярная ночь, сияния в часы, близкие к полуденным, наблюдать не так уж трудно. Однако сказалась неосвоенность высоких широт: меньше наблюдателей, меньше наблюдений — труднее выявить закономерности. Полярные сияния оставались как бы за кадром. Прямо по Козьме Пруткову: «Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы, но потому, что не входят в круг наших понятий».

Выполнив тщательный анализ наземных наблюдений, О. В. Хорошева и Я. И. Фельдштейн нашли, что полярные сияния горят одновременно в некоторой кольцевой области, которая охватывает магнитный полюс Земли. В зависимости от обстановки в космосе это кольцо то стягивается к полюсу, то, наоборот, растягивается, сползая в более низкие широты. В среднем его полуденная (обращенная к Солнцу) часть занимает полосу между 74,5° и 79,5° геомагнитной широты (такой широты, 90° которой соответствуют полюсу, но не географическому, а магнитному), полуночная часть захватывает полосу 60,5°‑75,5°. На одних участках этого кольца сияния видны лучше, на других хуже или вовсе не видны, как, например, днем; где–то они могут выглядеть как неподвижные, ровным светом горящие дуги, в других местах — двигаться, вспыхивать и переливаться. Но при всем этом разнообразии они образуют целостную систему. Ее стали называть овалом полярных сияний, или авроральным овалом. И таких овалов на Земле два — по одному вокруг каждого магнитного полюса.

Аврора, как известно, — богиня утренней зари. При чем тут утренняя заря? Ни при чем. Однако как раз ее именем древние римляне называли полярные сияния. Они бывают редко на средних и низких широтах, а когда случаются, тон их обычно красновато–розовый. Видно, цвет и определил древнее название полярных сияний — «аврора», которое вошло затем в ряд европейских языков. Потом, когда появились спутники и полярные сияния стали всесторонне изучаться, обнаружилась масса явлений, с ними связанных. По–русски эти явления можно было бы назвать «полярносиянными», но это звучит несколько громоздко. Поэтому и в русский язык вошли выражения типа «авроральные явления».

Середина 70‑х годов. В читальном зале я открываю очередной номер геофизического журнала. Вот она — картина, которую так давно хотелось увидеть! Передо мной снимок полярного сияния, переданный из космоса, с борта спутника, летевшего на высоте 1400 километров. Светящаяся линия тянется на многие тысячи километров, замыкаясь кольцом вокруг магнитного полюса. А сколько было споров, составляют наблюдаемые с Земли дуги полярных сияний единую систему, авроральный овал, или нет! Вот и в журнале читаю: «Одно такое изображение стоит сотен часов работы научного семинара»…