Юрий Мизун - Полярные сияния

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

Проведем плоскость через ось диполя и данную точку. Тогда местное геомагнитное время в данной точке определяется углом между этой плоскостью и главной координатной плоскостью. В магнитный полдень (12 ч 00 мин) и магнитную полночь (00 ч 00 мин) эти две плоскости совпадают. В качестве третьей координаты выбирают или параметр Мак-Илвейна L, или инвариантную геомагнитную широту Λ L, или дипольную широту Φ. Параметр L задает удаление данной магнитной оболочки в экваториальной плоскости от центра Земли и измеряется в радиусах последней.

Оптимальный выбор третьей координаты зависит от того, какое явление изучается. Поскольку преобразование от дипольной широты к другой координате ( L или Λ L) требует детального знания геомагнитного поля, то первичные результаты наблюдений полярных сияний часто представляют с использованием дипольной широты. Но дипольное приближение не вполне справедливо. Поэтому лучше оперировать данными в координатах L или Λ L. Зоны полярных сияний следуют вдоль линий L = const с хорошим приближением.

При описании полярных сияний следует учитывать и то, что ось вращения Земли наклонена относительно плоскости орбиты на 23° и не совпадает с осью геомагнитного диполя на 11°. В результате этого направление на Солнце может в течение года отклоняться до ±34° от геомагнитной экваториальной плоскости. Вследствие этих двух эффектов суточные и сезонные вариации усиливаются.

Наиболее существенными являются сезонные вариации, которые связаны с изменением угла между осью геомагнитного диполя и направлением Земля — Солнце.

Вариация, связанная с всемирным временем UT , включает также компоненты, которые обусловлены 11-летним циклом солнечной активности и 27-дневной повторяемостью, вызванной вращением Солнца.

Полярные сияния определяются характеристиками вызывающих их заряженных частиц, которые, в свою очередь, зависят от процессов в магнитосфере. Поэтому, прежде чем рассматривать протекание суббури в полярных сияниях, проанализируем как протекает магнитосферная суббуря.

Движение заряженных частиц в магнитном поле направляется его силовыми линиями. Поэтому любому перемещению формы полярного сияния, наблюдаемого визуально в высоких широтах, соответствует определенное движение в магнитосфере тех частиц, которые его вызывают. Если вспомнить, как проходят магнитные силовые линии в магнитосфере, то станет ясным, что движение источника заряженных частиц в ее экваториальной плоскости по направлению от Земли в хвост магнитосферы связано с движением видимых форм полярных сияний в область более высоких широт, т. е. к полюсу. Справедливо, естественно, и обратное: движение плазмы в экваториальной плоскости магнитосферы из ее хвоста в направлении к Земле будет регистрироваться наблюдателем с поверхности Земли как движение различных форм полярных сияний от полюса к экватору. Также можно рассуждать и о движениях в направлениях восток — запад. Заметим только, что когда рассматривается свечение протонных полярных сияний, то проследить связь областей свечения с источниками протонов в магнитосфере, а тем более динамику этой связи значительно сложнее: в этом процессе время от времени участвуют атомы водорода, свободные от тех ограничений, которые накладывает магнитное поле на движение протонов. Об этом мы уже говорили при рассмотрении особенностей протонных полярных сияний.