Полярные сияния - Юрий Мизун

После внезапного начала магнитной бури (в начальную ее фазу) в полярных областях, особенно около геомагнитной широты 80°, в полуденном секторе освещенного полушария наблюдается существенное увеличение геомагнитной активности. На этой широте в полдень отмечаются интенсивные возмущения магнитного поля даже тогда, когда они отсутствуют в полуночном секторе овала полярных сияний.

Главная фаза магнитосферной бури характеризуется не только уменьшением горизонтальной составляющей в средних широтах, но и частым появлением полярных магнитных возмущений.

Мы уже говорили, что магнитосферная буря «питается» целой серией полярных магнитных суббурь. Если величина авроральной электроструи не очень велика (~500γ), то даже при очень частых проявлениях интенсивность буревой (Dst) вариации не превышает 50—70γ. Наблюдение высоких значений буревой Dst вариации (—100γ) возможно при AE >≈ 1000γ.

Формы полярных сияний

Полярные сияния поражают разнообразием форм, быстрой изменчивостью и подвижностью. Имеется несколько удачных описаний полярных сияний очевидцами, но и они не передают всей грандиозности явления. Они способны только вызвать картины полярных сияний у тех, кто их уже видел. Поэтому здесь мы не беремся описывать все сложное явление — полярное сияние в его динамике, изменчивости и разноцветности. Но каждое самое сложное полярное сияние можно представить состоящим из отдельных «простых» форм, своего рода кирпичиков.

Основные формы полярных сияний (см. рисунки на вклейке):

1. Спокойная однородная дуга или полоса.

2. Лучи полярных сияний.

3. Диффузные и неправильные святящиеся пятна.

4. Большие однородные светящиеся поверхности.

Такое деление основано не только на видимых формах свечения, но и на тех физических причинах, которые их вызывают.

В 1963 г. был издан последний Международный атлас полярных сияний, составленный на основе большого экспериментального материала, накопленного, в частности, за период Международного геофизического года (МГГ) 1957—1958 гг. В этом атласе содержится описание различных форм полярных сияний и их классификация. Очень кратко суть этих описаний сводится к следующему.

Спокойная однородная дуга, так же как и полоса, простирается через весь небосвод и имеет форму прямой или несколько изогнутой линии. Направление этой линии обычно примерно совпадает с магнитной параллелью, т. е. с направлением восток—запад. Правда, в полярных шапках поближе к геомагнитным полюсам спокойные однородные дуги направлены вдоль линий полдень—полночь. Однородные дуги полярных сияний по длине могут достигать более тысячи километров при ширине их от одного километра и менее до нескольких десятков километров.

В спокойных условиях однородная дуга — основная форма свечения в зоне полярных сияний. С наступлением возмущений формы полярных сияний существенно усложняются, резко меняется их интенсивность и подвижность. Интенсивность свечения усиливается при высыпании в верхнюю атмосферу высоких широт потоков электронов. Чем больше энергия потока электронов, тем интенсивнее свечение. Более высокоэнергичные электроны способны глубже проникнуть в атмосферу и вызвать там свечение. Поэтому от энергии электронов зависит высота, на которой видны полярные сияния.

Но электроны потока высыпающихся частиц имеют неодинаковую энергию, а характеризуются определенным распределением по энергиям, или, как говорят, определенным энергетическим спектром. Ясно, что от энергетического спектра высыпающихся электронов будет зависеть и распределение свечения по высоте. Потоки высыпающихся частиц (электронов и протонов) во время возмущений очень изменчивы как по интенсивности, так и по энергетическому спектру. Кроме того, места их высыпания быстро изменяются с развитием возмущения. Все это и является физической причиной изменчивости форм полярных сияний, их высоты и динамики.

По мере наступления возмущения спокойные дуги полярных сияний теряют свою правильную геометрическую форму и превращаются в формы, похожие на спирали и вихри.

На небосводе часто наблюдаются кратные дуги — двойные, тройные или вообще мультиплетные. Интересно, что они никогда не пересекаются друг с другом, хотя и могут располагаться друг от друга очень близко.

С дугами полярных сияний тесным образом связаны электрические токи, которые текут вдоль геомагнитных силовых линий из магнитосферы в ионосферу и обратно из ионосферы в магнитосферу. (Продольные токи в самой ионосфере под длинной и яркой однородной дугой полярного сияния могут достигать сотен тысяч ампер.) Имеется замкнутая система этих продольных электрических токов (замыкание происходит в ионосфере на высотах вблизи 100 км), которая во многом определяет связь ионосферы, а значит, и полярных сияний, с магнитосферой и дальше — с межпланетным магнитным полем и солнечными бурями. Как видим, продольные токи играют очень важную роль во всей цепи солнечно-земных связей.

В принципе однородная дуга является частным случаем однородной полосы. Последняя не имеет правильной структуры, хотя, так же как и дуга, сильно вытянута. Обычно однородная полоса полярного сияния изогнута в виде латинской буквы S или же закручена в форме спирали.

Полосы и дуги полярных сияний чаще всего появляются на высотах между 100 и 150 км.

Лучи полярных сияний представляют собой узкие пучки света длиной от нескольких десятков до нескольких сотен километров и шириной от нескольких десятков метров до нескольких километров.

Лучи полярных сияний появляются на тех же высотах, что и полосы и дуги, т. е. на 100—150 км. Они возникают либо изолированно друг от друга, либо целыми «связками». В том и другом случае лучи располагаются вдоль геомагнитных силовых линий, которые, как уже говорилось, направляют движение частиц, вызывающих полярные сияния. Последним и объясняется такое направление лучей. Когда лучи полярных сияний наблюдаются над головой, т. е. в зените, то они смотрятся как своего рода корона.

Дело в том, что из-за перспективы геомагнитные силовые линии кажутся наблюдателю сходящимися в магнитном зените. Магнитный зенит — это та точка небесной сферы, в которую силовые линии геомагнитного поля для данного места наблюдения проектируются.

В возмущенных условиях лучи полярных сияний видны в сочетании с полосами и дугами полярных сияний.

Диффузные пятна полярных сияний занимают на небе площадь около 100 км2. Само название их говорит об их неправильной форме. Как правило, наблюдается одновременно много таких пятен.

Однородные светящиеся поверхности занимают большую часть небосвода (недаром их называют «большими») и имеют вид довольно постоянного свечения, которое чем-то напоминает вуаль. Эту форму свечения называют еще фоновым свечением.

Конечно, когда полярное сияние в разгаре, в активной фазе возмущений, мы можем зафиксировать сразу несколько или даже все его формы. При этом различные формы накладываются друг на друга или же внедряются друг в друга. Например, дуги и полосы полярных сияний часто имеют лучистую структуру. Каждая форма движется, и излучение меняет свою интенсивность во времени. Скорости движения спокойных форм полярных сияний достигают 50 км/с.

Мы описали четыре классические формы полярных сияний. Но реальные сияния более разнообразные. Так, известны пульсирующие полярные сияния, интенсивность свечения которых изменяется (пульсирует) во времени весьма быстро. Они появляются главным образом после активной фазы развития сияния. За каких-то несколько секунд интенсивность свечения может измениться в десятки и более раз. Такие пульсации свечения можно иногда наблюдать невооруженным глазом.

В отличие от полос, дуг и лучей, которые видны выше 100 км, пульсирующие сияния появляются ниже этого уровня. Интересно, что они сопровождаются такими же пульсациями в магнитном поле Земли. Это объясняется причиной, единой для тех и других пульсаций, — вторжением заряженных частиц в верхнюю атмосферу.

Пульсирующие полярные сияния также бывают различные — собственно пульсирующие, пламенные, мерцающие и струящиеся. Такие живописные описания связаны с ассоциациями, которые они вызывают у наблюдателя. Собственно пульсирующие сияния характерны тем, что их яркость по всей площади свечения изменяется синфазно, т. е. одинаково.

Когда на небосводе появляются своего рода волны света, которые быстро движутся к магнитному зениту, то такие сияния называются пламенными (они подобны движению пламени). Значительно реже можно наблюдать, как эти волны света движутся обратно, т. е. от зенита.

Пламенные сияния возникают в то время, когда возмущение уже затухает, т. е. в периоды после распада форм полярных сияний. Они движутся от уровня 100 км вверх (или реже вниз) со скоростями, достигающими 100 км/с. Правда, были измерены и весьма экзотические скорости их движения, достигающие 1000 км/с. Часто после пламенного сияния наблюдается корона, описанная выше.