Землю можно рассматривать как большой магнит, южный полюс которого располагается вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного полюса Земли (так называемые геомагнитные линии) выходят из области северного магнитного полюса Земли, охватывают нашу планету и входят в нее в области южного магнитного полюса Земли (рис. 1).

Рис. 1. Магнитосфера земли, искаженная солнечным ветром.

Форма магнитных силовых линий не является симметричной относительно Земли. Это связано с так называемым солнечным ветром - потоком высокоэнергичных электронов и протонов, постоянно излучаемых Солнцем, резко увеличивающимся по интенсивности во время вспышек на Солнце. Налетая на магнитную оболочку Земли, потоки заряженных частиц приводят к сжатию магнитных силовых линий со стороны Солнца и их оттягиванию в противоположном направлении, образуя у Земли магнитный хвост.

Чтобы понять, почему сияния наблюдаются чаще всего именно в полярных областях Земли, надо вспомнить, как движутся заряженные частицы в магнитном поле.

Рассмотрим возможные варианты.

1. Заряженная частица движется вдоль магнитного поля. В этом случае поле никак не влияет на ее движение. В высоких широтах Земли силовые линии магнитного поля почти вертикальны, что создает благоприятные условия для проникновения частиц в атмосферу Земли.

2. Заряженная частица движется поперек магнитного поля. При этом на частицу действует сила Лоренца, которая закручивает ее вокруг силовой линии магнитного поля. В результате при отсутствии столкновений с другими частицами рассматриваемые частицы будут просто вращаться вокруг силовых линий. Столкновения могут приводить к перескоку частиц с одних круговых орбит на другие. Но скорость такого движения существенно меньше, чем скорость направленного движения потока частиц при отсутствии магнитного поля. В низких широтах силовые линии почти параллельны поверхности Земли. Поэтому, чтобы частицы, вызывающие полярное сияние, могли здесь проникнуть в атмосферу, они должны прорваться поперек силовых линий Земли, а это для них практически невозможно.

3. Частица движется под определенным углом к направлению магнитного поля. Такое движение можно разложить на две составляющие: поперек магнитного поля и одновременно вдоль него. Оба эти случая рассмотрены выше. Из сказанного следует, что траектория частицы в этом случае будет спиралью, накручивающейся на силовую линию магнитного поля. Шаг спирали зависит от величины продольной скорости, а радиус - от поперечной скорости. Таким образом, заряженная частица, попадая в магнитное поле Земли, может достигнуть ее атмосферы только в полярных областях независимо от того, где она оказалась вначале.

4. Частица движется в неоднородном магнитном поле, то есть магнитное поле изменяется в пространстве. Если частица движется по спирали вокруг силовой линии магнитного поля, которое увеличивается по мере продвижения частицы вперед (то есть силовые линии сгущаются), то с ростом напряженности поля частица замедляет свое движение вдоль силовой линии и, в конце концов, отразится и будет двигаться в обратном направлении. Силовые линии магнитного поля Земли сходятся около ее поверхности в высоких широтах. Поэтому заряженные частицы, вращаясь вокруг этих линий и подходя к местам их сгущений, отражаются и движутся в другое полушарие (рис. 2). Там повторяется аналогичное отражение, и частицы оказываются в первом полушарии. Это повторяется до тех пор, пока частица не потеряет энергию при соударении с нейтральными частицами в плотной атмосфере вблизи поверхности Земли.

Рис. 2. Схематическое изображение траектории заряженной частицы в магнитном поле Земли.

Силовые линии магнитного поля Земли меняются не только в радиальном направлении, но они к тому же и изогнуты. Это также влияет на движение заряженных частиц. В результате электроны и протоны начинают дрейфовать в противоположных направлениях (на восток или запад).

Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, стекают в область полюсов, где достигают плотных слоев атмосферы и производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии. Действительно, в солнечном ветре протоны обладают энергией 100-200 эВ (1 эВ=1,6*10^-19 Дж), а электроны - энергией 10-20 кэВ. Пороги ионизации составляют 13,6 эВ для атомов водорода и кислорода и 14,5 эВ для атома азота. Пороги возбуждения этих частиц еще меньше. Возбужденные атомы испускают энергию в виде света. Нечто подобное наблюдается в газовом разряде при пропускании через газ электрического тока.

Ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути заряженной частицы, когда ее энергия уже невелика. Нейтральные частицы распределены в атмосфере по барометрическому закону (естественно, частиц больше на низких высотах), что также увеличивает скорость ионизации вблизи поверхности Земли. С этим и связаны резкая нижняя и размытая верхняя границы полярных сияний.

Особого внимания заслуживает вопрос об аналогии между полярными сияниями и газовым разрядом, с многочисленными проявлениями которого мы встречаемся на каждом шагу (молния, лампы дневного света, неоновые огни реклам, яркая вспышка света при дуговой сварке и т.д.). Традиционно считалось, что такая аналогия ограничивается только элементарными актами ионизации и возбуждения атомов энергичными частицами, которые происходят и в газовом разряде, и в полярных сияниях. Хорошо известно, что в газовом разряде ионизующие электроны нагреваются во внешнем электрическом поле. В случае с полярными сияниями раньше считалось, что ионизующие заряженные частицы - это сверхгорячие электроны и протоны солнечного ветра, которые охлаждаются в столкновениях с атомами и молекулами атмосферы. Однако современные исследования показали, что в последнем случае ситуация более сложная. Заряженные частицы солнечного ветра (по крайней мере электроны) могут осуществлять ионизацию другим образом.

Дело в том, что ионосферная плазма, в которую вторгается высокоэнергичный пучок заряженных частиц, неустойчива. В такой системе за счет энергии пучка раскачиваются колебания, сопровождаемые переменным электрическим полем. Электроны ионосферы по прямой аналогии с лабораторным газовым разрядом нагреваются в этом электрическом поле до энергий, при которых начинается ионизация в столкновениях с атомами и молекулами. Получающийся таким образом разряд носит название пучково-плазменного разряда и не только известен специалистам по газовому разряду, но и используется в некоторых технических приложениях. Таким образом, аналогия между полярными сияниями и газовым разрядом оказалась более глубокой, чем предполагалось вначале.

Анализ спектров излучения в полярных сияниях показывает, что зеленое и красное свечение испускается возбужденными атомами кислорода, а инфракрасное и фиолетовое - ионизованными молекулами азота. Часть линий испускания кислорода и азота образуется на высоте 110 км, а красное свечение кислорода - на высоте 200-400 км. Слабое излучение испускается также атомами водорода, которые образуются в верхних слоях атмосферы из протонов солнечного ветра при захвате электронов от нейтральных частиц атмосферы. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода, который и излучает красный свет.

Интересно, что энергичные протоны, вторгаясь в верхнюю атмосферу и вызывая протонные сияния, часть своего пути движутся как нейтральные атомы водорода. В этом случае они свободны от действия магнитного поля Земли и, имея большие (протонные) скорости, могут проникать в области, недоступные заряженным частицам. Вследствие этого области, где наблюдаются протонные полярные сияния, отличаются большой протяженностью.

Вспышки северного сияния обычно наблюдаются через день-два после вспышек на Солнце. Это служит непосредственным доказательством взаимосвязи между упомянутыми явлениями.

Поверхность Земли не самое лучшее место для наблюдения за полярными сияниями: во-первых, почти всегда их надо наблюдать ночью, когда не мешает солнце; во-вторых, наблюдениям могут помешать облака. Этих трудностей можно избежать, если следить за полярными сияниями из Космоса, где к тому же нет искажающего влияния нижних плотных слоев атмосферы.

Наблюдения с пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций дали богатый материал о пространственном расположении сияний, их изменении во времени и о многих особенностях этого явления. Более того, космические аппараты позволили выполнять измерения внутри полярного сияния. При этом одинаково удобно исследовать сияния и в северном и в южном полушариях. Таким способом можно наблюдать сияния и на дневной стороне Земли.