На состоявшемся в 1922 году в Гельсингфорсе конгрессе математиков норвежский ученый Störmer прочел доклад о некоторых результатах, достигнутых в области изучения полярных сияний, и о весьма интересных проблемах физической астрономии и физики, которые тесно связаны с изучением сияний.
Главным образом, благодаря работам норвежских физиков за последние 20 лет, удалось найти удовлетворительное объяснение этому грандиозному явлению.
Целый ряд ученых — Donati в 1872 г., Goldstein в 1881 г., Paulsen в 1894 и Birkeland в 1896 г. — независимо друг от друга пришли к заключению, что происхождение полярных сияний связано с возникновением катодных лучей. Birkeland прибегнул к ряду экспериментов: на пути катодных лучей, испускаемых круксовской трубкой, он ставил сильный магнит, под влиянием которого лучи отклонялись и давали сходящийся в одной точке пучек лучей. Birkeland считал, что земной шар, как сильный магнит, может иметь влияние на пути катодных лучей, излучаемых солнцем. Дальнейшие опыты его, опубликованные в 1901 г., привели его к поразительно интересным данным. Он брал сильно намагниченную сферическую поверхность и подвергал ее действию катодных лучей. Оказалось, что вокруг магнитных поясов сферы образовались два светящиеся пояса, напоминавшие области распространения полярных сияний на земном шаре. Störmer решил подвергнуть интересные опыты Birkeland’a математическому анализу и в дальнейшем попробовать приложить свои выводы к объяснению полярных сияний и магнитных возмущений. Ему удалось дать удовлетворительное объяснение экспериментальным данным, что же касается самого явления полярных сияний, то для него он нашел лишь частичное объяснение: по мере хода его работ область его изысканий неминуемо расширялась и целый ряд коренных вопросов теоретической физики, физической астрономии и математического анализа встают перед ним, как непосредственно связанные с выяснением причины полярных сияний. Для вывода математической формулы он принимает ряд упрощений, не принимает в расчет ни самостоятельного движения солнца и земли, а только их взаимное расположение, не считается также с магнитным и электрическим полем и с силой притяжения других планет: он сводит поле земного магнитизма к полю элементарного магнита или однородно намагниченной сферы, ось которой соответствует оси земного магнитизма. Вся задача его сводилась, таким образом, к нахождению траэктории пути катодной частицы в поле действия элементарного магнита.
Путем долгих усилий и сложных вычислений ему удалось интегрировать выведенную им формулу и после трехлетней работы совместно со своими ассистентами он вычислил целую серию характерных траэкторий пути катодных частиц. Чтобы иметь лучшее пространственное представление об этих траекториях Störmer построил ряд моделей: белые нити представляют собой траэктории; они поддерживаются черными металлическими стержнями и дают, таким образом, вполне ясную картину пути. Благодаря своей формуле он может выяснить не только сами траэктории, но и те пределы, за которые они не могут распространяться.
При сопоставлении теоретических выводов Störmer’a с экспериментальными данными невольно поражает совпадение точек касания теоретических траэкторий с намагниченной сферой в арктическом и антарктическом поясах с местами, по которым направляются катодные лучи в опыте Birkeland’a. Такая же аналогия выясняется в случае сравнения пространства на сфере, заполненного катодными лучами с теоретическим пространством, в котором могут распространяться катодные лучи.
При сравнении теоретических выводов с природным явлением полярных сияний, совпадения уже не столь разительны, но все же в основных чертах факты можно объяснить теорией, несмотря на то, что при ее выводе было сделано много упущений.
Во-первых, на основании теории можно объяснить тот факт, что сияния видны лишь в полярных поясах, окружающих магнитные полюсы; можно объяснить и характер этих сияний то в виде длинных дуг, то в виде завес, ориентированных с востока на запад, непродолжительное время их существования, форму и направление лучей.
Но, с другой стороны, целый ряд вопросов еще не удается разрешить теоретическим путем с теми упрощениями, которые были приняты Störmer’ом.
Самый существенный пункт расхождения это несовпадение области распространения полярных сияний с вычисленной для нее теоретической величиной. Из теории вытекает,что радиус этой зоны должен быть лишь в несколько градусов, на самом же деле на земном шаре сильные полярные сияния видны на расстоянии в 20—25°, а во время магнитных бурь захватывают полосу в 40°. Чем это объяснить? Störmer предпринял целый ряд новых вычислении, исходя уже из менее упрощенных гипотез. После долгих усилий он, наконец, нашел объяснение этому факту, когда предположил, что в плоскости магнитного экватора земного шара, но вне его, находится окружающее его кольцо, которое влияет на ход солнечных катодных частиц, вступающих в земную атмосферу. Если предположить, что магнитная сила этого кольца составляет лишь тысячную долю силы земного магнитизма, то область распространения сияний находит свое объяснение. Возможность существования такого кольца подтвердилась в дальнейшем наблюдениями над магнитными возмущениями.
Для выяснения высоты полярных сияний Störmer прибегнул к фотографированию, выработав специальные методы.
Снимки делались одновременно на двух станциях, соединенных телефоном; это давало возможность вычислить величину и местонахождение сияний в пространстве. Он сделал более 2.400 определений высоты и нанес их на одну диаграмму; все вычисления относились к нижнему краю сияний. Они расположены в верхних слоях атмосферы, начиная с 80—90 клм. и выше, причем наибольшее число их приходится на расстояние от 90 до 120—125 клм. Однако, в более высоких слоях сияния также весьма обычны. На основании своих фотограмм сильного северного сияния 20—23 марта 1920 г. с лучами исключительной длины, Störmer вычислил, что верхние концы лучей достигали высоты 600 клм., т. е. величины почти вдвое больше принятой для атмосферы.
При своих изысканиях он исходил из предположения о катодной природе лучей, обусловливающих сияние, но несмотря на это он говорит, что вполне понятны мнения некоторых других исследователей, что это какие-либо иные электрические лучи. Он оставляет этот вопрос открытым, считая, что надо произнести еще целый ряд новых работ — изучить заново траэктории в атмосфере, а также свойства этой атмосферы в верхних своих частях. Он намечает 3 вопроса: 1) изучение состава, плотности и температуры атмосферы, начиная с 80 клм. и до предела ее распространения, 2) изучение законов поглощения и яркости различных лучей, проходящих через газы различной плотности и 3) изучение магнитного поля в верхних слоях атмосферы. Как известно, по всем этим вопросам ведутся работы, но далеко еще не достигнуты достаточно надежные результаты, чтобы ими можно было воспользоваться для объяснения столь сложного явления, как полярное сияние. Störmer пробовал делать различные подсчеты. Он вычислял, напр., траэктории как для катодных лучей, так и для L-лучей, но для последних получил совершенно несоответствующие действительности данныя, с катодными же лучами результаты были значительно лучше. Он подходил также путем вычислений к выяснению состава атмосферы и пришел к выводу, что замена атмосферы азота и кислорода атмосферой гелия и водорода происходит на высоте 95—120 клм. Это дает ему, напр., ключ к пониманию отчего у сияний наблюдается неодинаково сильное свечение в нижних и верхних их частях — свечение сильнее внизу — т. е. в атмосфере азота и кислорода, другой же состав атмоферм, повидимому, вызывает менее интенсивное свечение.
Упомянем еше лишь об одном интересном вопросе, которого касается Störmer. При вычислении траэктории катодных частиц, излучаемых самой намагниченной сферой, он получил данныя по форме чрезвычайно напоминающие лучи солнечных венцов, наблюдаемых особенно хорошо во время затмения. Поэтому ему приходит мысль, что солнце также окружено магнитным полем. Он вычислил приблизительную силу этого магнитизма и получил величину около 10—17 Гауса; поразительно, что величину такого же порядка дает Deslanders, который, однако, подходил к этому вопросу при помощи совершенно иных методов.
Таким образом видно, насколько обширна тема изучения полярных сияний, сколько она вызывает интересных, требующих серьезного подхода, проблем по различным областям знания, и чем дальше идет работа, тем интереснее и шире она развивается и требует большего количества работников.
Э. Конштедт.