Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является и единственным проявлением воздействия солнечной корпускулярной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое на больших пространствах можно видеть невооруженным глазом.

Полярное сияние — это свечение земной атмосферы под действием потоков электронов и протонов, которые вторгаются в верхнюю атмосферу. Первоисточником этих заряженных частиц является Солнце. Солнечные корпускулярные потоки, подходя к Земле, обтекают ее, поскольку Земля экранирована от заряженных частиц своим магнитным полем — магнитосферой. Однако конфигурация магнитосферы такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а затем, трансформируясь, и в верхнюю атмосферу. Здесь под действием электронов и протонов происходит ионизация нейтральных атмосферных газов (кислорода и азота), а также возбуждение их атомов и молекул. Это и является причиной свечения атомов и молекул кислорода, азота, водорода и других атмосферных газов.

Полярные сияния, которые вызываются электронами, по своим свойствам отличаются от сияний, вызываемых протонами. Если измерить характеристики излучения (длину волны, интенсивность), то можно сделать заключение о том, какие атомы или молекулы излучили эти волны, а также какими заряженными частицами (с какими энергиями) было вызвано возбуждение излучающих атомов и молекул.

Полярные сияния отличаются по форме, цвету (т. е. длине волны излучения), интенсивности свечения, высоте над поверхностью Земли и другим характеристикам. Дело в том, что они зависят от многих изменчивых факторов. Ото прежде всего потоки заряженных частиц — электронов и протонов, которые зависят от солнечной активности, широты и долготы данного места, времени суток, сезона и др. Потоки заряженных частиц характеризуются энергией, энергетическим спектром и интенсивностью. Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то важным представляется и распределение скоростей заряженных частиц относительно направления магнитной спловой линии. Это так называемое распределение заряженных частиц по питч-углам (это угол между направлением скорости частицы и направлением магнитной силовой линии). От характеристик потоков заряженных частиц, и прежде всего от конфигурации магнитосферы, зависит, в какие области земной атмосферы эти частицы смогут вторгаться. Другими словами, в каких местах на земной поверхности будут наблюдаться полярные сияния.

Это один из основных вопросов, касающихся полярных сияний, и мы его рассмотрим весьма подробно. Здесь только укажем, что имеются две области в земной атмосфере, куда эти частицы проникают наиболее часто. Эти области представляют собой два овала (в северном и южном полушариях), удаленные от геомагнитных полюсов ночью приблизительно на 20°, а днем на 10°. Протяженность этих овальных областей по широте составляет всего несколько градусов (т. е. несколько сот километров). В областях, окруженных этими овалами, т. е. в полярных шапках, полярные сияния наблюдаются реже, чем в овалах полярных сияний, а в периоды сильных возмущений, когда сияния в овалах наиболее интенсивны, в полярных шапках они исчезают вовсе.

Таким образом, полярные сияния наблюдаются в высоких широтах северного и южного полушарий. Поэтому их еще называют северными и южными сияниями. В настоящее время в научной литературе широко распространен термин «аврора» (полярное сияние), авроральный овал (овал полярных сияний), авроральные явления и др. Термин «аврора» пришел к нам от древних римлян, которые называли редкие для них полярные сияния красновато-розового цвета именем богини утренней зари Авроры.

Важным фактором, который определяет свойства полярных сияний, является химический состав верхней атмосферы и ее физические свойства (зависимость плотности каждой составляющей атмосферы от высоты, температуры, движения и др.). Атомы и молекулы, а также их ионы, способные возбуждаться при столкновениях с частицами вторгающегося в атмосферу потока, поглощают при возбуждении определенные порции энергии частиц (это так называемые строго определенные потенциалы возбуждения). Этими величинами энергии определяются и эмиссии (излучения) этих атомов и молекул, их длина волны и интенсивность.

Если бы земная атмосфера имела другой химический состав, то и полярные сияния наблюдались бы в других линиях. Благоприятные условия для сияния зависят от того, какова энергия воздействующего электрона или протона имеется в момент взаимодействия и эффективность этого взаимодействия для данного процесса.

Из сказанного ясно, что проблема полярных сияний относится к проблемам солнечно-земной физики. Видимое, оптическое излучение атмосферы, которое собственно и называется сиянием, является только одной из сторон сложного, но единого физического процесса, связанного с выбросом плазмы из Солнца, приходом этой плазмы к орбите Земли, взаимодействием ее с магнитосферой, которая при этом деформируется, проникновением этой плазмы в околоземное космическое пространство (внутрь магнитосферы), ускорением заряженных частиц в магнитосфере и, наконец, их вторжением в верхнюю атмосферу Земли. С момента вторжения заряженных частиц (электронов и протонов) в атмосферу Земли начинается целый комплекс процессов, включающих ионизацию атомов и молекул, их возбуждение, свечение их в определенных линиях и т. д.

Многие десятилетия полярные сияния исследовались в поверхности Земли. Только последнее время для этих целей стало возможным использование ракет, ИСЗ и высотных самолетов. В самом начале собирались факты о времени сияния, их месте и движениях. Затем стали возможны измерения высот полярных сияний при одновременном их наблюдении из нескольких пунктов на земной поверхности (триангуляционный метод). В дальнейшем стало возможным фотографирование полярных сияний, что положило начало накоплению фактического материала об этом природном явлении. Возможность фотографирования позволила более точно определять высоты сияния по их взаимному расположению относительно изображения на фотографиях из разных пунктов звезд. Полярные сияния очень изменчивы и динамичны. Поэтому применяемая в первых измерениях большая экспозиция при фотографировании не позволяла получить информацию о быстро меняющихся сияниях.

С одной стороны, изучались формы полярных сияний, их изменчивость, движения, условия их возникновения и исчезновения, а также зависимость от времени суток, сезона, солнечной и магнитной активности, широты и др. С другой — исследовалось излучение в отдельных линиях, делались попытки отождествить излучение в отдельных спектральных линиях с определенными переходами возбужденных атомов и молекул и их ионов. Так по характеру излучения верхней атмосферы был определен ее химический состав задолго до того, как стали возможными прямые измерения состава атмосферы с помощью ракет и ИСЗ. Этот источник информации о составе верхней атмосферы не потерял своего значения и в настоящее время, поскольку он позволяет получать более непрерывные и систематические данные.

Первые наблюдения излучения в определенных линиях (эмиссиях) выполнялись при помощи спектрографов. Эти измерения требовали длительных экспозиций и поэтому не давали необходимых разрешений в пространстве и времени. Применение фотометрических методов позволило производить значительно более ценные наблюдения.

Затем стали применяться спектрофотометры. Спектрофотометры, сканирующие в ограниченной области спектра, значительно превосходят спектрографы и широко используются при изучении полярных сияний.