Юрий Мизун - Полярные сияния

Из всего вышесказанного видно, что атмосферу высоких широт обоих полушарий можно рассматривать как экран осциллографа или телевизора, засветку которого производят заряженные частицы, поступающие из определенных частей магнитосферы. В осциллографе, как известно, электронный пучок отклоняется электрическим полем, направленным как горизонтально, так и вертикально и расположенным в плоскости, параллельной экрану осциллографа. Эта же физическая причина, т. е. электрическое поле, гонит плазму и в магнитосфере.

Поперек хвоста магнитосферы возникает электрическое поле Е , которое направлено с утренней стороны на вечернюю. Это поле возникает в результате пересоединения межпланетного магнитного и геомагнитного полей. Пересоединение происходит тогда, когда эти линии имеют противоположные направления. Поскольку магнитное поле Земли направлено с юга на север, то условием пересоединения является движение силовых линий межпланетного магнитного поля с севера на юг. Как правило, эта североюжная компонента межпланетного магнитного поля крайне иррегулярна, поэтому и поток плазмы, возникший в хвосте магнитосферы под действием электрического поля (дрейф в ортогональных полях E и B ), является по характеру своего движения турбулентным. При рассмотрении движения заряженных частиц в магнитных, электрических и других силовых полях было показано, что в данной ситуации, когда электрическое поле в хвосте магнитосферы направлено поперек хвоста с утренней стороны на вечернюю, заряженные частицы независимо от знака их электрического заряда (т. е. как электроны, так и протоны) будут дрейфовать в направлениях к Земле, поскольку все три ортогональные друг другу направления (электрического и магнитного полей и направление движения) должны составлять правовинтовую систему координат.

Теперь вернемся к рассмотрению магнитосферной бури. Она состоит из целого ряда следующих друг за другом магнитосферных суббурь. Такая неоднородность магнитосферной бури обусловлена турбулентностью плазменного облака, подходящего к Земле, и крайней иррегулярностью северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля. Ясно, не следует ожидать, что суббури будут похожи друг на друга. Тем не менее все они имеют много общего, по которому можно составить представление о том, как протекает некая типичная магнитосферная суббуря.

Электрическое поле, возникшее в хвосте магнитосферы, вызывает внезапное начало интенсивных направленных движений плазмы по направлению, которое ортогонально одновременно обоим направлениям Е и В, т. е. по направлению Е×В. В хвосте магнитосферы это — движение не только к Земле, но и по направлению плоскости, разделяющей северную часть хвоста от южной. Часть магнитосферы в этой плоскости называют нейтральным слоем. Здесь имеется в виду нейтральность магнитная, поскольку выше этой плоскости геомагнитные силовые линии направлены из хвоста к Земле, а ниже, наоборот, — от Земли в хвост магнитосферы. Между ними (на середине) сходятся два противоположных направления магнитного поля. Они нейтрализуют друг друга и в результате возникает так называемый нейтральный слой.

Поскольку плазма из хвоста магнитосферы под действием электрического поля движется к Земле и одновременно сверху и снизу к нейтральному слою, то последнее движение будет сжимать плазменный слой, находящийся посередине хвоста магнитосферы и имеющий вид цилиндра с осью в направлении этого хвоста. В плазменном слое поперек хвоста магнитосферы с утренней стороны на вечернюю течет электрический ток величиной 10 7А. Этот плазменный слой постепенно будет сжиматься, а в хвосте произойдет сложное перераспределение плазмы.

В начальной стадии развития магнитосферной суббури плазменный слой становится очень тонким. Из-за этого часть электрического тока, текущего в хвосте магнитосферы, изменит свое направление. Электрический ток из хвоста магнитосферы вдоль геомагнитных силовых линий втекает в утренний сектор овала полярных сияний, затем течет вдоль полуночного сектора овала в направлении на запад и после чего вновь вдоль геомагнитных силовых линий — обратно в хвост магнитосферы. Следы этого тока, вернее, того его количества, которое содержится в ионосфере в овале полярных сияний (так называемая полярная струя), мы уже встречали. Ее наличие всегда будет фиксироваться магнитометрами в высоких шпротах как отрицательная бухта в горизонтальной составляющей геомагнитного поля.

Теперь понятно, почему интенсивность этой полярной или авроральной электроструи, характеризуемой индексом АЕ (первые буквы ее английского названия), является мерилом, показателем состояния магнитосферы. Двигаясь в электрическом и магнитном полях, частицы плазмы ускоряются и возникает плазма с температурой 10 7К и более.

Часть этой плазмы вторгается в верхнюю атмосферу высоких широт и вызывает там различные формы полярных сияний, а также различные процессы в полярной ионосфере (спорадические слои ионизации, поглощение радиоволн, ионосферные неоднородности). Другая часть — пополняет собой плазменный слой в хвосте магнитосферы.

Часть горячей плазмы, которая попадает на оболочки с замкнутыми геомагнитными силовыми линиями, т. е. в области захвата, образует так называемый кольцевой электрический ток, располагающийся на удалении 2—3 радиусов Земли и идущий с востока на запад. Магнитное поле этого тока, создаваемого протонным поясом, па поверхности Земли направлено с севера на юг. Поэтому на земных магнитометрах наличие кольцевого тока проявится уменьшением горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это главная фаза магнитосферной бури, которая создается серией магнитосферных суббурь, во время каждой из которых идет подпитка протонного пояса (кольцевого тока).

Сопоставим развитие магнитосферной суббури, т. е. процессов в магнитосфере, с развитием суббури в полярных сияниях. Для этого обратимся к схеме (рис. 31), на которой изображены направление межпланетного магнитного поля (север—юг), плазменный слой в хвосте магнитосферы и области захваченной радиации. Широкими стрелками показаны направления движения плазмы.

В самом начале при пересоединении силовых линий межпланетного магнитного поля и геомагнитного поля происходит поджатие магнитосферы Земли с дневной стороны, или, другими словами, движение магнитопаузы к Земле (см. рис. 31, 1 ). Как видим, на дневной стороне в высоких широтах, где геомагнитные силовые линии входят в верхнюю атмосферу, полярные сияния должны двигаться в направлении к экватору (жирные стрелки — 2 ). При сжатии магнитосферы магнитное поле в хвосте будет усиливаться.