Юрий Мизун - Полярные сияния

Рис. 31. Схематические диаграммы, иллюстрирующие различные магнитосферные явления на разных фазах суббури

I — начало процесса пересоединения, когда межпланетное магнитное поле поворачивается от северного направления к южному и магнитный поток с дневной стороны переносится в хвост магнитосферы: 1 — движение к Земле, 2 — движение сияний, 3 — увеличение В;

II — начальная стадия формы развития: 4 — утоньшение плазменного слоя, 5 — движение плазменного слоя к Земле, 6а, 6б — направления движения силовой линии, 7 — конвекция, 8 — движение сияний к полюсу, 9 — полярная электроструя, 10 — силовые линии магнитного поля, подобные диполю;

III — начальная стадия фазы восстановления: 11 — расширение плазменного слоя, 12 — движение плазмы к Земле, 13 — инжекция плазмы в высокоширотную ионосферу, градиентный и электромагнитный дрейфы, 14 — полярная инжекция

После этого за период времени менее 1 ч плазма совершает в хвосте магнитосферы описанное выше движение — в направлении к Земле и поперек к нейтральному слою. Когда плазменный слой начинает двигаться по направлению к Земле, в овале полярных сияний на экваториальной его кромке интенсивность полярного сияния резко увеличивается (или уярчается имеющаяся спокойная дуга полярного сияния, или возникают новые дуги). Затем сияние начинает двигаться к полюсу. Этот момент соответствует началу суббури в полярных сияниях. После уменьшения II плазменный слой наблюдается снова, вначале в ближней к Земле части хвоста (6б), а затем на больших геометрических расстояниях (11). Плазменный слой появляется значительно скорее в плоскости нейтрального слоя, чем в направлении, нормальном к этому слою. Быстрое движение форм полярных сияний в направлении к полюсу в полуночном секторе (8) происходит при утоньшении плазменного слоя на расстояниях от Земли более 18 R E . Движение сияний к полюсу связано с появлением интенсивного западного электрического тока — полярной электроструи — (9) и ее движением к полюсу. Магнитное поле Земли на расстояниях 6—10 R E меняет свою форму от «вытянутого» или «открытого» хвоста до дипольной конфигурации (10). Очевидно, ток, который является источником вытянутого в виде хвоста магнитного поля, внезапно уменьшается или частично прерывается. Этот момент совпадает с появлением западной электроструи.

Важный процесс периода суббури — струйная инжекция плазмы из хвоста магнитосферы в область захвата (13). Видимо, инжекция в область захвата происходит не вдоль всей внутренней границы плазменного слоя, а из довольно узкой области в полуночном секторе (13). Эти захваченные магнитным полем электроны являются основным источником их во внешнем радиационном поясе, а также источником электронов, которые вызывают интенсивные поглощения радиоволн в утреннем секторе на широтах зоны полярных сияний. Выше говорилось, что захваченные таким же образом протоны служат основным источником кольцевого тока и протонных полярных сияний. Рассмотрим более подробно протекание суббури в полярных сияниях.

Положение овала полярных сияний зависит как от местного, так и от мирового времени. Четко разделить действия этих двух факторов достаточно трудно.

Каким видит полярные сияния наблюдатель, находясь в определенной точке их зоны? Напомним, что в ночные часы овал полярных сияний будет располагаться над наблюдателем (зона и овал совпадают), а в остальное время суток (в северном полушарии) — севернее его.

В вечернее время наблюдатель вначале зафиксирует свечение в северной части неба — в районе овала полярных сияний. Он увидит на первых порах только верхушки дуг полярных сияний и воспримет их просто как свечение. По мере наступления темноты ночная часть овала полярных сияний будет надвигаться на наблюдателя, т. е. свечение сместится по направлению к экватору, а значит, и к станции, где находится наблюдатель. В это время последний четко просматривает нижний край сияния. До 21 ч местного времени он может видеть спокойные и однородные формы сияния и только в короткие промежутки времени — лучи полярных сияний и складки.

В последующие два часа (до 23 ч по местному времени) один или два раза наблюдаются складки, которые быстро передвигаются к западу вдоль дуги полярного сияния. После таких периодов (продолжительностью не более получаса) сияния снова имеют спокойные формы.

Около полуночи сияния должны находиться над головой наблюдателя, т. е. в зените. При этом примерно за несколько часов (от 23 до 2 ч ночи) он может увидеть не только спокойные формы полярных сияний, но и возмущенные, или, как принято говорить, активные формы. Став в это время внезапно активными, полярные сияния проявляются на большей части неба. Но постепенно они стихают, остаются лишь светящиеся пятна в виде облаков, которые распространяются по всему небу. Свечение пятен имеет не постоянный, а пульсирующий характер. Затем снова возникает спокойная однородная дуга полярного сияния или другие его спокойные формы. Такое изменение картины полярных сияний от спокойной формы к активной и затем к пятнам и, наконец, опять к спокойной форме (т. е. своего рода цикл развития полярного сияния) может повториться. В отдельные ночи можно наблюдать последовательное развитие от одного до четырех таких циклов.

Таким образом, получается, что наблюдатель, находящийся в зоне полярных сияний, чаще всего (т. е. статистически наиболее вероятно) будет видеть спокойные дуги сияний вечером, активные лучистые полосы около полуночи и светящиеся пятна в утренние часы. Может даже создаться впечатление о некотором фиксированном распределении активности полярных сияний, под которым Земля прокручивается в течение суток.

На самом деле эта картина верна только статистически и в каждом отдельном случае распределение различных форм полярных сияний более сложное. С. А. Акасофу показал, что в определенные периоды все сияния вдоль овала полярных сияний (но не вдоль их зоны) имеют спокойные формы. Но время от времени это спокойствие внезапно в период геомагнитных бурь нарушается. Нарушение начинается в полуночном секторе овала полярных сияний — на его экваториальной границе, т. е. на южной кромке овала (в северном полушарии). Затем область активных форм распространяется по всем направлениям: к полюсу, к западу и к востоку вдоль овала, а также к экватору. Постепенно во всем овале полярных сияний все стихает, успокаивается. Один такой активный период, который может длиться от 0,5 до 1,5—2 ч, принято называть суббурей в полярных сияниях. Серия таких суббурь, следующих друг за другом, образует бурю.