Небесные сполохи и земные заботы

Это слабое свечение ночного неба — прямая родня полярному сиянию, в обоих случаях светится одна и та же среда. Только энергия для свечения черпается из разных источников: это либо запасенная ионосферой энергия электромагнитного излучения Солнца, либо (в случае полярных сияний) энергия частиц, приходящих из магнитосферы и бомбардирующих верхние слои атмосферы. Впрочем, высыпающиеся из магнитосферы частицы вносят свой вклад и в общее свечение ночного неба, только высыпания слабые и свечение слабое. Частицы верхних слоев атмосферы получают энергию и при сгорании попавших в нее мелких метеоритов. Кончается тем же: возвращаясь в нормальное состояние, частицы испускают кванты света различной окраски — различных длин волн.

Этим свечением верхние слои атмосферы как бы сообщают о себе, о своем химическом составе, о возбудителях свечения и о многом другом. Так, почти 100 лет назад физики обнаружили в спектре ночного свечения неба яркую зеленую линию. В земных лабораториях такого не наблюдалось. Предположили, что в атмосфере Земли имеется неизвестный газ, дали ему название «геокороний». Но потом оказалось, что эту линию излучают атомы кислорода, не связанные в молекулы. Этот атомарный кислород существует лишь на высотах 100 километров и выше, у нас же, на дне «воздушного океана», атомы кислорода всегда объединены в молекулы газа кислорода по двое.

Воздух ниже высоты 100 километров хорошо перемешан и по составу практически не отличается от приземного (мы отвлекаемся от различия примесей, которое позволяет говорить о слое озона, обсуждать, где находятся пары воды и прочее), только плотность его быстро спадает по мере удаления от Земли. На высоте 100 километров по понятиям земной физики — высокий вакуум, но по составу — это обычный воздух. Выше меняется и состав.

Эта высота, 100 километров, примечательна во многих отношениях. Мы видели, что примерно здесь находится нижняя граница полярных сияний. Свечение ночного неба говорит о том, что свободные электрические заряды в верхних слоях атмосферы есть и ночью. И действительно, особенности распространения радиоволн показывают, что отражающее электропроводное радиозеркало существует круглосуточно, оно окружает нашу планету со всех сторон. Причем электрическая проводимость атмосферы нарастает с высотой весьма показательно: она мала между поверхностью Земли и той же высотой — примерно 100 километров, выше резко увеличивается (днем она, естественно, намного больше, чем ночью, потому что в ионосфере больше «обломков», а значит, и свободных зарядов).

Можно сказать, что на этой 100‑километровой высоте проходит граница земного и космического. Обращенная к Земле часть космоса, ионосфера, — последняя важная Для нас деталь устройства космического телевизора, который показывает нам полярные сияния.

Все земные электронные или просто электротехнические устройства выполняют свои функции потому, что Детали их имеют неодинаковое сопротивление: где надо — поставлен проводник, где надо — изолятор. Проводящий слой, ионосфера, примыкает к магнитосфере и переходит в нее. Они обмениваются между собой электрическими зарядами (токами). Но физические свойства у них различны. Плазма магнитосферы разрежена и состоит в основном из свободных заряженных частиц. Плазма ионосферы гуще, плотность свободных носителей зарядов здесь намного больше, но эти свободные заряды представляют собой малую примесь к нейтральным частицам, с которыми им приходится сталкиваться при движении. Поэтому ионосфера и магнитосфера отличаются и электрическим сопротивлением. Не вдаваясь в подробности, проинформируем читателя, как работает эта «небесная электротехника».

Электропроводящие свойства наших проводников таковы, что при обмене зарядами между ионосферой и магнитосферой токи «предпочитают» течь вдоль силовых линий магнитного поля. В нижней ионосфере в отличие от верхней заряды перетекают также и поперек силовых линий, причем делают это тем легче, чем больше в ионосфере свободных заряженных частиц. Иначе говоря, с увеличением числа носителей зарядов в ионосфере падает ее сопротивление поперечному (по отношению к магнитным силовым линиям) току. С этим связан интересный эффект, когда космические проводники, ионосфера и магнитосфера, как бы сами себя выводят на режим короткого замыкания.

В лабораторных плазменных установках в тех областях, где по плазме течет достаточно сильный ток вдоль силовых линий магнитного поля (продольный ток), появляются частицы, намного более энергичные, чем частицы окружающей плазмы. И летят они также вдоль силовых линий магнитного поля.