Полярные сияния - Юрий Мизун

Эпицентр суббури расположен в полуночном участке аврорального овала. Затем она распространяется во все стороны, в том числе и на восток — в сторону утреннего сектора, где чаще всего наблюдаются светящиеся пятна, т. е. те формы, в которые по мере затухания превращаются лучистые полосы полярных сияний. Если активные периоды (суббури) проходят достаточно часто (с интервалом меньше нескольких часов), то светящиеся пятна в утреннем секторе не успевают полностью исчезать с небосвода. Отсюда считалось, что для утреннего сектора характерна фиксированная картина полярных сияний.

Как же протекает суббуря в полярных сияниях? Во-первых, само ее начало определяется не местным временем, а мировым: в определенный его момент начинается процесс активизации форм полярных сияний, который постепенно захватывает овал полярных сияний. Но какую именно форму имеют эти активные сияния, зависит от местного времени: вечером это движущийся к западу изгиб, утром — светящиеся пятна.

Рис. 32. Схема, иллюстрирующая развитие суббури в полярных сияниях

Для удобства анализа данных весь период суббури был поделен на отдельные подпериоды или фазы. Каждый из этих подпериодов характеризуется определенным характером сияний, их динамики и форм. Началом суббури в полярных сияниях принято считать внезапное уярчение одной из спокойных дуг, расположенных в полуночном секторе овала полярных сияний. Кроме того, началом может служить образование новой дуги (рис. 32, схема Б). Это происходит за 5 мин от начала процесса. Затем уярченная или новая дуга начинает быстро двигаться к полюсу. В околополуночном секторе в полярных сияниях появляется «выпуклость» (рис. 32, схема В). Продолжительность этого подпериода 5—10 мин. После чего в образовавшейся выпуклости начинается распад полярных сияний. При этом выпуклость постепенно расширяется во всех направлениях (схема Г). Этот подпериод длится 10—30 мин. В вечернем секторе возникает крупномасштабная складка или, как уже говорилось, движущийся к западу вдоль дуги сияний изгиб (схема Д). Светящиеся пятна в утреннем секторе, образовавшиеся в результате распада активных форм сияний, дрейфуют к востоку со скоростью 30 м/с. На дневной стороне наблюдаются только лучистые формы полярных сияний. Начало суббури в полярных сияниях на дневной стороне проявляется только в предполуденные и послеполуденные периоды. В это время появляются тонкие лучистые дуги, которые ориентируются вдоль овала полярных сияний, их интенсивность увеличивается. Процесс активизации полярных сияний в этих формах на дневной стороне не наблюдается.

Через 5—10 мин после начала суббури па полуденной стороне все еще видны отдельные лучи; дуги полярных сияний в предполуденные и послеполуденные часы уярчаются. Почти одновременно на ночной и дневной сторонах усиливается интенсивность сияний. Но когда на ночной стороне сияния достигают наибольшей активности, на дневной — они ослабевают и распадаются.

Так выглядит фаза развития суббури от ее начала в полуночном секторе овала полярных сияний до момента, когда расширяющаяся выпуклость достигает наибольшей геомагнитной широты. Продолжительность этой фазы постоянно меняется, но в среднем составляет от 30 мин до 1 ч.

Вслед за ней идет фаза восстановления спокойных форм полярных сияний. Ее начало связано с увеличением активности полярных сияний на дневной стороне, где они появляются в зените в большом интервале широт. На приполюсной границе овала дневной стороны возникают формы сияний, характерные для этой стороны при спокойном геомагнитном поле. В этот подпериод изгиб продолжает движение на запад, уходя на большие расстояния (схема Д) и постепенно вырождаясь в нерегулярные полосы свечения. Утром в восстановительную фазу движущиеся к востоку светящиеся пятна наблюдаются до конца суббури, т. е. до момента, когда распределение форм полярных сияний во всех участках овала будет таким же, как и до начала суббури.

Фотоснимки всей полярной области, сделанные камерой, установленной на ИСЗ, подтвердили правильность описанной выше картины суббури в полярных сияниях. Ценную информацию дали также исследования с помощью аппаратуры, смонтированной на высотных скоростных самолетах-лабораториях. Последние, двигаясь в сторону вращения Земли, позволяют наблюдателю (и измерительной аппаратуре) находиться постоянно в точке с одним и тем же местным временем. Благодаря этому наблюдатель имеет возможность видеть изменения форм полярных сияний, зависящие только от мирового времени.

Рис. 33. Распределение протонного полярного сияния в координатах широта — время эксцентричного диполя

Теперь рассмотрим, как протекает суббуря в протонных полярных сияниях. Установлено, что они заметно изменяются во время суббури в полярных сияниях. Изучение этих изменений дает информацию о поведении протонов с энергиями 1—50 кэВ в моменты полярных сияний. Эти протоны играют важную роль в основных процессах, связанных с магнитосферной суббурей.

Обратимся к рис. 33. Как видим, протонное сияние занимает область овальной формы с эксцентриситетом относительно геомагнитного полюса. Область-овал протонного сияния располагается к экватору от овала электронных полярных сияний в вечерние часы. В утреннем секторе это положение выражено менее четко. Во время суббури картина существенно усложняется. Поэтому трудно точно определить положение протонного полярного сияния относительно электронного.

Рис. 34. Развитие суббури в протонном полярном сиянии

Как показали измерения, в полуночном секторе в период суббури водородные эмиссии медленно ослабевали в момент появления над станцией наблюдений выпуклости электронных полярных сияний.

В ранние вечерние часы зона водородных эмиссий располагалась значительно южнее яркого свечения полярных сияний и визуально была связана с более слабой однородной дугой, совпадающей с максимумом водородной эмиссии. Последняя медленно ослабевала при наличии очень яркого электронного полярного сияния, охватившего весь небосвод. В момент наблюдения электронных полярных сияний, а также после их распада интенсивность излучения линии Нβ увеличивается по всему небу, но она же остается довольно постоянной в областях, где имеют место пульсирующие полярные сияния.

О том, как развивается суббуря в протонном полярном сиянии, можно судить по рис. 34. Здесь условно обозначены области вторжения протонов для четырех стадий развития суббури. В отсутствии суббури протоны высыпаются вдоль овальной полосы, расположенной несколько экваториальнее овала электронных полярных сияний. В полуночном секторе протоны вторгаются по всей области выпуклости полярного сияния. По мере развития суббури район вторжения, как и сама выпуклость, быстро расширяется. В вечернем секторе протонное сияние в начальной фазе суббури с большой скоростью смещается к экватору. Изгиб электронного полярного сияния, движущийся к западу и отклоняющийся далеко в вечерний сектор, видимо, не содержит водородных эмиссий.

В утреннем секторе водородные эмиссии наблюдаются на значительных площадях. Их интенсивность сохраняется почти неизменной, в то время как интенсивность свечения окружающих пятен может иметь пульсирующий характер.

Говоря об источниках протонных полярных сияний, следует отметить, что в полуночном и раннем утреннем секторах кольцевого тока в начальную фазу развития полярной суббури протоны внезапно исчезают. Возможно, они и вызывают протонные полярные сияния во время суббури.

Рассмотрим, как связана суббуря в полярном сиянии с изменениями, происходящими в это время в геомагнитном поле. Речь идет о ее связи с полярной магнитной суббурей. Обратимся к понятию токовые системы. Как известно, токовые системы, рассчитанные по данным об изменении векторов геомагнитного поля, называются эквивалентными токовыми системами. Конечно, они не являются реальными. Эти токовые системы эквивалентны реальным в смысле создаваемого ими магнитного поля.

Было показано, что основные явления, связанные с электрическими ионосферными токами (так же как и полярные сияния), протекают вдоль овала, а не зоны полярных сияний.

В зависимости от того, куда движется электрический ток, на запад или на восток, его магнитное поле будет иметь составляющую в горизонтальной плоскости, направленную соответственно на юг или на север. Если электрический ток в ионосфере направлен на восток, то составляющая магнитного поля в горизонтальной плоскости (H-составляющая) должна увеличиваться, если на запад, то — уменьшаться. Это регистрируют магнитометры на поверхности Земли. Магнитометр на НСЗ, ведущий измерение выше области электрического ионосферного тока, дает обратную картину: над восточным током будет отмечено уменьшение суммарного магнитного поля (геомагнитное поле плюс магнитное поле тока), над западным — его увеличение. Эти изменения магнитного поля в сторону его увеличения или уменьшения, имеющие на записях магнитометров форму бухты, называются положительными и отрицательными магнитными бухтами.