Люди, проживающие в местах, где полярное сияние не редкость, старались объяснить его появление естественным путем. Например, высказывались предположения о том, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда. Долгое время природу северного сияния объясняли отражением солнечных лучей от капель и ледяных кристаллов, скапливающихся в облаках, или от атмосферных газов. Существо этого явления впервые объяснил Ломоносов. Вопреки Декарту, считавшему северные сияния «отражением блеска полярных ледяных масс», и Галлею, связывавшему это явление с «магнитным истечением у Северного полюса», Ломоносов установил электрическую природу полярного сияния, измерил его, отметив «вышину верхнего слоя дуги около 420 верст».
Видели полярные сияния и в южном полушарии. Английский мореплаватель Джеймс Кук был одним из первых, кто не только дал их описание в южном полушарии, но и обратил внимание на то, что полярные сияния появляются в высоких широтах обоих полушарий одновременно.
Современная наука, развивая учение Ломоносова, объясняет полярное сияние вхождением в атмосферу Земли на высоких широтах электронов, обладающих большой энергией. Разгадка явления была обнаружена в связи с исследованием комет — в частности, их шлейфов. Как выяснилось, Солнце излучает не только тепло и свет, но от него исходят также потоки электрически заряженных частиц — протонов и электронов. Когда эти частицы достигают Земли, они не попадают прямо на поверхность планеты, потому что магнитное поле Земли изменяет их траектории. Магнитное поле защищает Землю от них, но не полностью отводит от планеты весь поток. Под воздействием мощного потока электрических частиц магнитное поле деформируется: на обращенной к Солнцу стороне линии поля собираются в пучок, а вблизи обоих полюсов, наоборот, обрываются и образуют как бы шлейфы, типа хвоста у кометы. В этих местах магнитное поле слабее и заряженные частицы проникают в верхние слои атмосферы, где они сталкиваются с молекулами кислорода и углекислого газа. Высвобождающаяся при этих столкновениях энергия выделяется в виде света с разной длиной волны. Если больше кислорода, то свет зеленый и красный, а углекислый газ дает голубое и фиолетовое свечение.
Недавно Европейским космическим агентством были получены новые данные, которые показывают, что электроны просачиваются из ионосферы вовне, в Космос. П. Невелл из университета Джонса Хопкинса сообщил, что, поскольку ионосфера оказывается проницаемой, могут образовываться гигантские электрические поля. Они воздействуют на электроны в солнечном ветре, которые входят в магнитосферу Земли, вызывая цветное представление в верхних слоях атмосферы. Масштабные полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоев атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса, так называемые «авроральные овалы».
В последние годы полярные сияния наблюдались визуально и фотографировались, в частности, с применением прибора нового типа, называемого «аппаратом кругового обзора». Существует много визуальных видов этого явления, но наблюдаемые различия зависят от высоты их формирования. Формы полярного сияния могут быть различными — проблески, пятна, однородные дуги и полосы, пульсирующие дуги и поверхности, всполохи, лучи, лучистые дуги, драпри и короны. Наиболее распространенные арки или дуги обычно формируются на высоте от 65 до 105 км; между тем явление, известное как «колышущиеся занавеси», образуется на высоте около 113 км. Огромные арки переливающихся огней расцвечивают небо всеми цветами спектра — от фиолетово-белого до желто-зеленого и оранжево-красного. Они охватывают значительную часть небесного свода — так, однажды полярное сияние образовало дугу длиной 4827 км и высотой 161 км. Максимальная высота, на которой формируются огни, — 998 км над земной поверхностью. Свечение, как правило, начинается в виде сплошной дуги, которая является одной из самых обычных форм и не имеет лучистой структуры. Яркость может быть довольно постоянной во времени или же пульсировать с периодом менее минуты. Если яркость сияния увеличивается, однородная форма часто распадается на лучи, лучистые дуги, драпри или короны, в которых лучи как бы сходятся к вершине. Всполохи в форме быстро движущихся вверх волн света часто венчаются короной.
Невероятной красоты огни часто играют в небесах вблизи обоих полюсов в холодные зимние ночи. Атмосферные свечения наблюдаются обычно в высоких широтах, начиная с 46-го градуса, в полосе примерно 400 км от обоих магнитных полюсов Земли. Жители Заполярья могут наблюдать северное сияние до 200 ночей в году. В Северном полушарии этот регион простирается от северной части Скандинавского полуострова до Аляски. Одно из наиболее удобных мест для наблюдения за сиянием — Северная Скандинавия; хорошо наблюдать его на острове Шпицберген, севернее Норвегии.
Изредка северные сияния наблюдаются в более южных районах. И хотя танцующие огни в небе и получили научное объяснение, они сохранили некую ауру таинственности и неожиданности. Так, в начале третьего тысячелетия этот атмосферный эффект наблюдали сразу в нескольких европейских странах. Ночное небо светилось пурпурно-красным, зеленым, бирюзовым светом, а перепуганные жители думали о ядовитых выбросах с химических предприятий, об атаке инопланетян, о пожаре в соседней деревне и о чем угодно другом, кроме северного сияния. В ту ночь в некоторых землях Германии не переставая звонили телефоны в полицейских участках. Озабоченные граждане требовали срочного вмешательства или хотя бы информации от властей.
В городе Везель после первых же тревожных сообщений служба пожарной охраны взяла пробы воздуха на анализ — на предмет химического загрязнения. После прояснения обстоятельств полиция успокаивала граждан, что никаких отравляющих веществ в воздухе нет, что это чисто оптическое, а не химическое явление. Оно было видно также в Швеции и в США, где появляется в среднем четыре раза в год на севере Флориды. Директор астрономической обсерватории в Бохуме профессор Хайнц Камински прокомментировал ситуацию следующим образом: «Специалисты наблюдают в Германии отблеск северного сияния примерно раз в 11 лет, однако в этом году солнечное излучение было настолько интенсивным, что при попадании лучей в земную атмосферу был очень сильный оптический эффект. Поэтому явление, наблюдаемое обычно только в полярных широтах, было хорошо видно в центральной Европе».
В старину людей особенно пугало кроваво-красное свечение, известное под названием «черная Аврора». Сейчас ученые изучают его как один из видов полярного свечения. Несмотря на столь мрачное определение, оно не означает сплошную черноту и появляется примерно через полчаса после особенно яркого и масштабного северного сияния.
Призрачные обманы миражей
Мираж (от фр. «mirage») — это оптическое явление в атмосфере, благодаря которому в зоне видимости появляются изображения предметов, которые при обычных условиях скрыты от наблюдения. Подобные чудеса происходят потому, что в оптически неоднородной атмосфере лучи света искривляются, как бы заглядывают за горизонт. Чаще всего неоднородности возникают из-за неравномерного нагрева воздуха на разной высоте. Древние египтяне верили, что мираж — это призрак страны, которой больше нет на свете. Легенда говорит о том, что у каждого места на Земле есть своя душа.
Чаще всего миражи наблюдаются в пустыне. Объясняется это тем, что горячий воздух действует подобно зеркалу. Например, в Сахаре ежегодно наблюдается около 160 тысяч миражей; они бывают стабильными и блуждающими, вертикальными и горизонтальными. Жертвами миражей особенно часто оказываются караваны в пустыне Эрг-эр-Рави на Севере Африки. Перед людьми «воочию» на расстоянии 2–3 км предстают оазисы, до которых в действительности не менее 700 км. Мираж может ввести в заблуждение и опытных людей. Так, в 360 км от оазиса Бир-Ула жертвой миража стал караван, который вел бывалый проводник из местных племен. Погибли 60 человек и 90 верблюдов, следовавших за обманчивым миражом, увлекшим их на 60 км в сторону от колодца.
В давние времена кочевники, чтобы убедиться, видят ли они мираж или реальные предметы, разжигали костер. Если в пустыне было хотя бы небольшое движение воздуха, то стелющийся по земле дым быстро разгонял мираж. Для многих караванных путей составлены карты, на которых обозначены места часто встречающихся миражей. На этих картах указано даже, где видятся колодцы, оазисы, пальмовые рощи, горные цепи и т. д.
