Полярные сияния - Юрий Мизун

Если линии Нα и Нβ смещены соответственно на 22 и 16 Å, то допплеровская скорость равна 1000 км/с. Профили слабо меняются от одного сияния к другому.

Данные, полученные с помощью ИСЗ, говорят о том, что распределение по питч-углам протонов зависит от широты.

Профили линий водорода в магнитном зените указывают на существование излучения с длинноволновой стороны несмещенной линии. Это излучение обусловлено атомами водорода, которые движутся вверх от наблюдателя. Они имеют компоненту энергии, параллельной магнитному полю, около 1—3 кэВ. Было предположено, что простое смещение обусловлено протонами, отраженными в магнитной зеркальной точке. Но для этого необходимо, чтобы распределение по питч-углам для протонов низких энергий имело максимум вблизи 70—90° и было приблизительно изотропным для меньших углов. В настоящее время это пока еще экспериментально не подтверждено.

Пространственное распределение полярных сияний

Распределение полярных сияний в зависимости от времени суток и широты исследовалось неоднократно. Вопрос оказался весьма сложным, поскольку на это распределение влияют одновременно несколько физических факторов. Основной из них — конфигурация магнитного поля Земли, т. е. магнитосферы, которая зависит от степени возмущенности, сезона, солнечной активности и пр. Зоны высыпания заряженных частиц (электронов и протонов), вызывающие полярные сияния, меняют свое положение в зависимости от конфигурации магнитосферы. Что касается наличия высыпания этих частиц в верхнюю атмосферу Земли, то на него влияет выброс потоков плазмы из Солнца.

Именно зависимость частоты появления полярных сияний от многих факторов и была причиной продолжительных неудачных поисков закономерностей, которым подчиняются полярные сияния.

Рис. 28. Овал полярных сияний по Фельдштейну (заштрихованная область) и внешняя граница области захвата заряженных частиц (жирная линия)

Частота появления сияний 75—90%; поток захваченных электронов с Е ≥ 40 кэВ 104 электрон/см2 с

За период МГГ в 1957—1958 гг. на целой сети обсерваторий был накоплен большой экспериментальный материал, который позволил показать, что дуги полярных сияний наблюдаются не во всех высоких широтах, а в узком овальном поясе, окружающем геомагнитный полюс. Центр овала приблизительно на 3° смещен в ночную полусферу (рис. 28).

Овал полярных сияний фиксирован относительно Солнца. Земля в течение суток совершает один оборот под этим овалом. Наблюдатель на поверхности Земли в разные часы суток сможет видеть полярные сияния в разных областях: его расположение относительно овала будет постоянно меняться.

Зона полярных сияний была определена раньше. Это область, в которой полярные сияния в ночные часы наблюдаются более часто. Отсюда ясно, что в ночном секторе овал полярных сияний совпадает с зоной полярных сияний, но в дневные часы пройдет почти на 10° ближе к геомагнитному полюсу. Овал полярных сияний — это область, где сияния наблюдаются наиболее часто в один и тот же момент мирового времени. Другими словами, если наблюдатель будет регистрировать полярные сияния с точки, поднятой над геомагнитным полюсом, то он с достаточной высоты увидит замкнутую область свечения.

Магнитосфера делится на внутреннюю часть, в которой геомагнитные силовые линии являются замкнутыми, и внешнюю, где они разомкнуты. Заряженные частицы могут быть захвачены только внутренней частью магнитосферы. Из рис. 28 видно, что овал полярных сияний тесно связан с линией пересечения полярной ионосферы с внешней границей области захвата заряженных частиц.

Очевидно, что наиболее существенную роль играет не сама по себе геомагнитная или дипольная широта станции, а ее положение относительно овала полярных сияний. В разные часы мирового времени положение овала полярных сияний относительно географических пунктов меняется (рис. 29).

То, что мгновенная область появления полярных сияний является эксцентричным овалом, связано с асимметрией внутренней структуры магнитосферы в направлении день—ночь. Так же асимметричен внешний радиационный пояс, а линия пересечения его внешней границы с ионосферой примерно совпадает с овалом полярных сияний.

Область, которая находится ближе к полюсу от овала полярных сияний, называется полярной шапкой. Поскольку положение овала в разные часы мирового времени различное, то и полярная шапка не является раз навсегда заданной областью. Один и тот же географический пункт может в определенное время попадать в полярную шапку, затем в овал полярных сияний и даже выходить за пределы овала в сторону более низких широт.

Если четко представить себе описанную картину, связанную с положением овала полярных сияний и его вращением в течение суток, то можно попять тот факт, что суточная вариация частоты появления полярных сияний очень сильно зависит от положения станции наблюдения. Это обусловлено изменением в течение суток положения определенной станции относительно овала полярных сияний в течение суток. Станция зоны полярных сияний попадает в овал полярных сияний только в ночные часы, а в остальное время суток она смещена от овала в сторону меньших широт. Естественно, что на такой станции имеется только один максимум частоты появления полярных сияний именно в ночные часы.

Рассмотрим другой пример, когда станция расположена между широтами 70 и 75°. Судя по рис. 28, эта станция пересекает овал полярных сияний дважды в сутки. Это значит, что в периоды этого пересечения частота полярных сияний достигнет максимальной величины, т. е. на этой станции в суточном ходе частоты появления полярных сияний будут наблюдаться два максимума. Этим и объясняется разнообразие в суточном ходе частоты появления полярных сияний на различных высокоширотных станциях.

Рис. 29. Примерное положение овала полярных сияний в северном полушарии в различные моменты мирового времени UT (2, 8, 14 и 20 ч)

Кроме овала полярных сияний, в утреннем секторе имеется и вторая область в виде полосы, которая простирается от полуночной части овала. Эта полоса расположена дальше от овала в сторону средних широт. Полярные сияния в этой полосе вызываются вторгающимися электронами. Эти электроны имеют большие энергии, чем электроны, вторгающиеся вдоль овала полярных сияний. Имея большую энергию, они проникают до меньших высот в область, где не создаются ионосферные токи. Поэтому связь этих полярных сияний в утреннем секторе с магнитными возмущениями очень слабая.

Полярные сияния, наблюдаемые в овале полярных сияний и вызываемые вторжением в эту область электронов, окружены диффузной полосой протонного полярного сияния. Источником этих протонов в полуночном секторе является кольцевой ток (а во время магнитосферной бури — протонный пояс).

Еще дальше в сторону средних широт в период интенсивных магнитных бурь наблюдаются среднеширотные красные дуги полярных сияний. Это свечение красной линии кислорода (λ = 6300 Å). Область этого свечения имеет форму широкой полосы свечения.

Мы показали, что в различные часы мирового времени положение овала полярных сияний меняется. Но это происходит и в результате возмущения магнитного поля Земли, т. е. при различных магнитных условиях.

На рис. 30 хорошо видно, что при интенсивной магнитной буре овал сильно смещен по направлению к экватору. Жирной точкой указано положение станции наблюдения, которая в спокойных условиях находится вне овала полярных сияний (в сторону средних широт); во время умеренного возмущения эта станция попадает в овал полярных сияний, а при интенсивной буре — в полярную шапку. Ясно, что без анализа взаимного расположения станции наблюдения и овала полярных сияний трудно понять характер наблюдаемого свечения. Поэтому определение положения станции относительно овала полярных сияний должно проводиться непрерывно. Только так можно привести в систему обширные данные о полярных сияниях при различных уровнях магнитной активности.

Так как Солнце оказывает влияние на процессы, связанные с вторжением заряженных частиц, а следовательно, и с полярными сияниями, а геомагнитная широта определяет интенсивность потоков этих частиц, то наиболее естественными являются направление на Солнце и направление оси геомагнитного диполя. Исходя из этого целесообразно выбрать систему координат следующим образом: главная ось совпадает с осью геомагнитного диполя, а главной координатной плоскостью является плоскость, которая проходит через линию Земля — Солнце и через ось геомагнитного диполя.

Рис. 30. Овал полярных сияний при различных магнитных условиях

а — в очень спокойный период; б — в умеренно возмущенный период; в — при интенсивной буре