Полярное сияние во многом остается загадкой. В общих чертах механизм его образования описан довольно давно, однако нерешенных вопросов по‑прежнему много. Существенный прорыв в понимании этого явления стал возможен благодаря группе спутников Cluster, исследующих магнитное поле Земли.

Процесс образования полярного сияния сходен с тем, что происходит в старой телевизионной трубке. Здесь электронная пушка разгоняет пучки электронов и направляет их на экран, покрытый люминофором, который светится от соударения. Нечто подобное происходит и в космических масштабах: заряженные частицы солнечного ветра ускоряются за счет магнитного поля Земли в так называемой «разгонной зоне», расположенной над Северным полюсом, на высоте 5−8 тыс. км. Они устремляются дальше в ионосферу, верхний слой земной атмосферы. Здесь разогнанные электроны и ионы начинают сталкиваться с атомами и молекулами ионосферы. Значительная часть энергии при соударении высвобождается в виде света, который мы видим, когда наблюдаем полярное сияние.

Сегодня ученым известно, что кроме магнитного поля Земли, важную роль в ускорении заряженных частиц играют и электрические поля. Благодаря взаимодействию солнечного ветра с магнитным полем Земли планета окружена слоями плазмы, образующими сложную пространственную структуру. Эти слои обладают разными электрическими потенциалами, а значит, при их контакте создаются условия для возникновения электрических токов. Токи, связанные с полярным сиянием, образуются в районе полюсов планеты на очень больших высотах, где сближаются различные плазменные слои — разница потенциалов приводит в возникновению встречных потоков заряженных частиц (электронов и ионов).

Как выяснилось в ходе соответствующих исследований, эти потоки обычно принимают одну из двух распространенных форм — симметричную (U-тип) или асимметричную (S-тип). Структуры симметричного типа обнаружены на границе между центральным плазменным слоем, расположенным в хвосте магнитосферы на экваториальных широтах, и пограничным слоем, который находится несколько севернее. Структуры S-типа найдены на границе между пограничным плазменным слоем и полярной шапкой в еще более высоких широтах.

Было замечено, что в более низких широтах — там, где наблюдаются структуры U-типа — граничащие слои плазмы отличаются большей однородностью, нежели в районе полярной шапки, где формируются структуры S-типа. Это позволило сделать следующее предположение: симметричные слои плазмы должны приводить к образованию симметричных потоков, а если же свойства слоев существенно отличаются, поток принимает асимметричную форму. Словом, возникновение той или иной структуры объясняется специфическими параметрами плазмы на границе двух слоев, прежде всего — разницей в плотности плазмы.

Последние данные, полученные европейскими учеными с помощью группы спутников Cluster, не очень хорошо вписываются в эту модель. Проходя границу между центральным и пограничным плазменным слоем в зоне полярных сияний, первый аппарат обнаружил присутствие симметричной структуры (U-тип). Однако всего через 16 минут второй аппарат группы, двигавшийся по практически идентичной орбите, при пересечении границы слоев зарегистрировал присутствие структуры S-типа, характерной для районов полярной шапки. Ученые не рассчитывали обнаружить здесь ничего подобного, поэтому полученные данные стали для многих большой неожиданностью.

И все же принятую модель еще рано списывать со с счетов: за минуты, разделявшие два спутника, плотность потока заряженных частиц на границе значительно упала, что было зарегистрировано их аппаратурой. По всей видимости, это означает изменение в соотношении плотности слоев — на время они стали «ассиметричными», в результате чего здесь образовалась структура, характерная для районов полярной шапки. Таким образом, произошедшее было проинтерпретировано как временная реконфигурация структуры потенциалов.

Несмотря на значительный прорыв в исследовании полярных сияний, многие вопросы в этой области до сих пор остаются открытыми. Например, что «запускает» механизм ускорения заряженных частиц, результатом которого становится свечение в верхних слоях атмосферы? Ведь полярное сияние не присутствует на небе постоянно — оно появляется лишь время от времени. Возможно, эту загадку удастся разгадать в 2008—2009 гг., когда спутники группы Cluster будут проходить через разгонную зону.

По сообщению ESA