Полярные сияния - Юрий Мизун

Все описанные инварианты в общем случае позволяют предсказать движение частицы.

Спокойная магнитосфера

До прямых исследований магнитного поля Земли с помощью ИСЗ было принято считать, что оно представляет собой поле диполя. Первые же измерения показали: магнитное поле Земли несимметрично в экваториальной плоскости в направлении день—ночь. С дневной стороны магнитосфера Земли ограничена расстояниями около 10R3 (в спокойных условиях). С ночной стороны остатки магнитосферы были зарегистрированы спутниками на удалениях в сотни радиусов Земли. Как видим, магнитосфера не является сферой. Это скорее «груша», повернутая своим хвостиком в антисолнечном направлении.

Решающую роль в образовании реальной магнитосферы Земли играет взаимодействие магнитного поля Земли с потоками солнечной плазмы — солнечным ветром. С дневной стороны (т. е. со стороны Солнца) граница магнитосферы, т. е. магнитопауза, образуется на расстоянии, где давление солнечного ветра равно давлению магнитного поля Земли. Поэтому во время солнечных бурь, когда давление солнечного ветра существенно увеличивается, магнитопауза на дневной стороне приближается по направлению к Земле.

Магнитосфера с дневной стороны поджимается солнечным ветром. При очень интенсивных бурях удаление магнитопаузы может сократиться от десяти до трех радиусов Земли.

Рис. 20. Структура переходного слоя в присутствии направленного к югу межпланетного магнитного ноля

Взаимодействие межпланетного магнитного поля и солнечного ветра с магнитным полем Земли достаточно сложное. Понадобились многочисленные спутниковые эксперименты, прежде чем удалось нарисовать картину такого взаимодействия. В результате этого взаимодействия между областями, занятыми межпланетным магнитным полем и магнитным полем Земли, имеется переходной слой. Этот слой образуется ударной волной набегающего потока солнечной плазмы (рис. 20).

Пересоединение силовых линий магнитных полей позволяет заряженным частицам солнечной плазмы, движение которых определяется магнитными силовыми линиями, проникать из солнечного ветра вовнутрь магнитосферы. На рис. 20 видно, что прямой доступ этих частиц имеется в полярных широтах. Отсюда можно сделать вывод, что самые благоприятные условия проникновения частиц солнечной плазмы имеются непосредственно на геомагнитных полюсах. На самом деле, если рассматривать всю магнитосферу, а не только ее переднюю, лобовую часть, то ситуация несколько изменяется.

На рис. 21 приведен разрез магнитосферы в меридиональной плоскости в направлении Солнце—Земля. Как видим, силовые линии геомагнитного поля, связанные с полюсами, не смыкаются с межпланетным магнитным полем, а уходят в хвост магнитосферы (на рисунке переходной слой и межпланетное магнитное поле не показаны). Такая вытянутая в антисолнечном направлении форма магнитосферы обусловлена увлечением магнитного поля Земли потоком солнечного ветра. Силу этого увлечения можно рассчитать, если задаться величиной электрического поля в хвосте магнитосферы (или разностью потенциалов поперек полярной шапки), и размером полярной шапки. Расчет основан на том, что электрическое поле в хвосте магнитосферы, направленное с утренней стороны на вечернюю и проектирующееся в полярные шапки вдоль геомагнитных силовых линий, вызовет конвективное движение плазмы. При разности потенциалов в 1 кВ поперек полярной шапки скорость конвективного движения плазмы вместе с «основаниями» силовых линий составляет около 103 см/с. Если считать, что в спокойных условиях диаметр полярной шапки равен 2*108 см, то можно определить время ее пересечения — порядка 2*105 с. Длина хвоста магнитосферы определяется произведением скорости солнечного ветра и времени, необходимого силовым линиям для пересечения полярной шапки. При этих условиях длина хвоста равна 104 км, а сила увлечения магнитного поля потоком солнечной плазмы составит 5*1011 дин (5*106 H). Ей противодействует сила Лоренца, связанная с возникающей в хвосте магнитосферы системой электрических токов.

Рис. 21. Структура переходного слоя в плоскости полуденного меридиана и распределение плазмы в магнитосфере

1 — плазменный слой (вблизи Земли); 2 — плазменный слой (далекий); 3 — полярный касп; 4 — кольцевой ток

Пересоединение силовых линий межпланетного магнитного поля и геомагнитного поля позволяет заряженным частицам из солнечного ветра проникнуть в магнитосферу Земли и далее вдоль силовых линий — в верхнюю атмосферу. Одно из самых убедительных доказательств справедливости этого заключения: солнечные протоны и электроны регистрируются в овальной форме вокруг геомагнитного полюса без существенного временного запаздывания по отношению к потокам частиц, которые обнаруживаются в межпланетном пространстве. Более того, электроны рассматриваются как идеальные «следы» силовых линий.

На рис. 21 показана не только конфигурация магнитного поля Земли, но и области магнитосферы, занятые плазмой, а именно: плазменный слой (далекий), плазменный слой (вблизи Земли), кольцевой ток и полярный касп. Жирной линией в хвосте магнитосферы показан нейтральный слой. Полярные каспы (мешки или воронки) на дневной стороне магнитосферы, обнаруженные с помощью ИСЗ, представляют собой области, в которые вторжение солнечной плазмы наиболее благоприятно. На ночной стороне плазма может проникать в область магнитосферы независимо от того, есть пересоединение силовых линий или его нет.

Как же ведут себя частицы в магнитосфере?

На дневной стороне овала полярных сияний были обнаружены интенсивные потоки частиц плазмы (~109 см-2с-1) примерно с такими же характеристиками, как и плазма в переходном слое между магнитопаузой и солнечным ветром. Это свидетельствует о том, что плазма из переходного слоя проникает через магнитопаузу в магнитосферу.

Часть этой плазмы поступает в верхнюю атмосферу высоких широт вдоль овальной полосы. Она вызывает невидимое излучение на длине волны 6300 Å. Эта полоса совпадает с дневной полосой овала полярных сияний. Таким образом, силовые линии, выходящие с дневной стороны овала полярных сияний, связаны с силовыми линиями межпланетного поля, которые лежат в переходной области и за ней.

При рассмотрении движения заряженных частиц в дипольном магнитном поле Земли мы установили, что там должны образовываться области стабильного захвата заряженных частиц. Для этого необходимо, чтобы сохранялись все три инварианта движения частиц, Эти условия выполняются в статическом дипольном поле. При этом заряженные частицы остаются долго (практически неограниченно) во внутренней области захвата. Такие частицы принято называть стабильно захваченными. Уход энергичной частицы из области захвата несовместим с сохранением инвариантов. Именно поэтому нарушение инвариантов чрезвычайно важно для понимания временных вариаций потоков частиц в радиационном поясе.

Распределение энергичных протонов с энергией больше 50 мэВ показано на рис. 22. Эти протоны образуются следующим образом. Космические лучи, которые вторгаются в атмосферу и сталкиваются с ядрами атомов кислорода и азота, порождают нейтроны двумя путями. Во-первых, это расщепление ядра, в результате чего возникают выбитые нейтроны с энергией порядка 1 МэВ — 1 ГэВ. Во-вторых, это возбуждение ядер, при этом нейтроны «испаряются» по мере перехода ядра к нормальному состоянию (энергия нейтрона более 8 МэВ). Эти нейтроны могут покинуть атмосферу: их движение не ограничено магнитным полем Земли. Те нейтроны, которые возникли в результате «испарения», имеют тенденцию диффундировать через атмосферу, часть из них может свободно пройти через атмосферные слои. Но нейтроны живут около 1000 с. Затем они распадаются па протон и электрон. Таким путем возникают протоны во внутреннем радиационном поясе. Непрерывный поток космических лучей способствует постоянному образованию частиц в радиационных поясах, появившихся за счет распада нейтронов.

Распределение энергичных электронов (больше 5 МэВ) во внутреннем радиационном поясе показано на рис. 23. Эти электроны создаются в процессах распада нейтронов. Имеется определенная часть электронов, рожденных в результате высотных ядерных взрывов. Электроны с энергией меньше 40 кэВ занимают всю область захвата. Они ускоряются во время магнитосферных суббурь, в течение которых большее число таких электронов инжектируется в область захвата и геомагнитный хвост.

Существует еще одна область магнитосферы в виде двух воронок, простирающихся от Земли, каждая из которых опирается на полярную шапку. Концы этих воронок в дневной части магнитосферы совпадают с нейтральной линией (обозначенной на рис. линией Bb) на поверхности магнитопаузы. Основные свойства плазмы в этих воронках и в переходном слое между магнитосферой и солнечным ветром чрезвычайно схожи. Поэтому считают, что частицы солнечного ветра имеют свободный доступ в эти области и, проникнув через воронки, высыпаются вдоль дневной стороны овала полярных сияний. На ночной стороне плазма воронок сливается с плазменным слоем.