сияния,- вклад же протонных сияний в свечение неба относительно невелик. Все формы сияний, имеющие достаточно четко выраженную структуру (дуги, лучистые полосы, ленты), обусловлены электронами. Фактически лишь диффузные пятна могут быть обязаны своим происхождением протонам. Ниже мы еще вернемся к этому вопросу.

Как возникают электронные полярные сияния? Упрощенно это можно представить себе следующим образом. Приносимый солнечным ветром поток электронов, достигая Земли, начинает взаимодействовать с ее магнитным полем. Электроны захватываются геомагнитным полем и далее движутся по спиральным траекториям вокруг силовых линий поля. Линии, постепенно сгущаясь , подходят к земной поверхности в приполярных областях (напомним рисунок 10.8,в). Туда-то и устремляются закручивающиеся вокруг силовых линий электроны. Но достигнуть поверхности Земли они все же не могут. Ведь по мере перемещения вдоль линии поля и приближения к земной поверхности электрон попадает в области все более сильного поля. Как мы уже знаем, неоднородное магнитное поле стремится вытолкнуть заряженную частицу в направлении, в котором оно ослабевает. Значит, на опускающийся в земной атмосфере электрон будет действовать со стороны геомагнитного поля сила, стремящаяся отбросить его назад - в верхние слои атмосферы. В результате, опустившись до высоты порядка 100 км, электроны как бы отражаются геомагнитным полем назад; вдоль тех же самых силовых линий они возвращаются в верх-

ние слои атмосферы - с тем, чтобы, следуя этим линиям, начать опускаться к земной поверхности теперь уже в другом полушарии. Вплоть до нового отражения назад.

Сказанное поясняет рисунок 10.10,а, где схематически, без наблюдения масштаба, изображена траектория одного из электронов. Красным цветом показана траектория электрона, когда он приближается к земной поверхности в районе Северного полюса, а зеленым - когда он движется назад - от Северного полюса к Южному.

Любуясь лучистой полосой полярного сияния, мы обычно не задумываемся над тем, что каждый светящийся луч - это светящийся след, оставленный лавиной электронов, спустившихся вдоль силовых линий магнитного поля Земли до высоты примерно 100 км (рис. 10.10,б Иными словами, вертикальные лучи, равно как вертикальные светящиеся нити лент,- все это своеобразная фотография силовых линий геомагнитного поля.

Оговоримся, что описанная картина движения электронов, захваченных магнитным полем Земли, верна лишь в общих чертах. На самом деле все оказывается более сложным. Электроны не просто захватываются и направляются полем Земли. Они еще и ускоряются в нем. Это означает, что на электроны в геомагнитном поле действуют не только магнитные, но и электрические силы. Оказывается, что при этом существенную роль играет хвост геомагнитного поля, образующийся на ночной стороне земного шара; именно благодаря ему электроны ускоряются и собираются в ленто-

образную структуру пучков. Правда, до сих пор непонятно, каким образом все это происходит.

Кроме того, при рассмотрении движения электронов в геомагнитном поле мы не принимали во внимание их столкновения с атомами и молекулами атмосферы. Конечно, на высотах выше 100 км атмосфера сильно разрежена, так что с точки зрения влияния на движение электрона столкновения несущественны и ими можно пренебречь. Однако столкновения все же происходят. Более того, они принципиально важны, так как именно благодаря им возбуждаются и ионизуются атомы и молекулы атмосферы, в результате чего и возникает свечение полярного сияния.

Основную роль в возникновении наблюдаемого свечения по-

лярных сиянии играют столкновения космических электронов с атомами и молекулами кислорода и азога. В результате этих столкновений атомы и молекулы возбуждаются или ионизуются. В первом случае происходит изменение электронной оболочки микрочастицы, связанное с переходом ее в возбужденное состояние. Во втором случае частично разрушается электронная оболочка; микрочастица теряет электрон и превращается в атомарный или молекулярный ион. Возбужденная микрочастица возвращается вскоре в основное состояние; ион реком-бинирует со свободным электроном. В обоих случаях возможно испускание фотона люминесцентного излучения, уносящего энергию возбуждения. Это люминесцентное излучение мы и наблю-

®

о 40

0,45 3

0,55

0,60 1

0,65

070 ,мкм

даем, когда любуемся полярным сиянием.

На рисунке 10.11 представлен спектр полярного сияния. Ионизованные молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра, а возбужденные молекулы азота высвечиваются красным светом. Возбужденные атомы кислорода высвечивают зеленую (к=0,56 мкм) и красную (0,63 мкм) линии. Особенно интенсивными оказываются синие линии азота и зеленая линия кислорода, вследствие чего полярные сияния окрашиваются преимущественно в сине-зеленые тона.

Интересно рассмотреть, почему, например, красная линия в спектре кислорода оказывается значительно слабее зеленой линии. На рисунке 10.9 были изображены квантовые переходы, соответствующие этим спектральным линиям. Все дело в величине времени жизни атома кислорода на уровнях So и Dg, т. е. в том времени, какое проходит с момента попадания атома на рассматриваемый уровень до момента его ухода с него (имеется в виду уход, связанный с самопроизвольным, иначе говоря, спонтанным, возвращением атома в основное состояние). Заметим, что время жизни атома в том или ином состоянии не надо понимать буквально. Один атом проживет в данном состоянии дольше, дру-

гой меньше; время жизни - это усредненная величина, получаемая при рассмотрении большого числа одинаковых атомов. Так вот, уровни So и Dg атома кислорода имеют существенно разные времена жизни: 0,7 с для уровня So и 100 с для Dg. Получается, что, оказавшись на уровне Dg, атом кислорода долго живет на нем, не решаясь сделать еще один скачок вниз. Пока атом раздумывает , на него может налететь другой атом или свободный электрон; это столкновение может вынудить наш атом перескочить на основной уровень, передав избыток энергии частице, столкнувшейся с ним. В итоге испускание фотона с 7=0,63 мкм в данном случае не состоится. Практически все атомы кислорода переходят с уровня So на Dg, испуская фотон; в то же время лишь сравнительно немногие атомы испускают фотон, переходя с Dg на основной уровень. Находящиеся на уровне атомы попросту не успевают высветиться - столкновения с другими частицами вынуждают их перейти на основной уровень без испускания фотона. Вот почему излучение с Я,=0,56 мкм оказывается существенно интенсивнее, чем излучение с Я,=0,63 мкм.

Сегодня многое понятно в физике полярных сияний. Как мы убедились, нетрудно объяснить (хотя бы в общих чертах) форму, высоту и спектр сияний. Изменчи-