Юрий Мизун - Полярные сияния

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 Н βувеличивается 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.

Наличие отрицательной магнитной бухты в горизонтальной составляющей магнитного поля на поверхности Земли свидетельствует о том, что создающий ее ток, или, как принято говорить, электроструя (электроджет), направлен в ионосфере на восток.

Полярная магнитная суббуря выглядит следующим образом. На время магнитосферной суббури (1—3 ч) в ионосфере высоких широт образуется токовая система (рис. 35). Как видим, электрические токи текут в утреннем секторе овала полярных сияний на запад, а в вечернем секторе на восток. Эта токовая система появляется только время от времени (в период магнитосферных суббурь) и проявляется импульсным образом в виде последовательных всплесков. Так же как овал полярных сияний привязан не к Земле, а к направлению Земля—Солпце, эта токовая система фиксирована относительно этого направления, а Земля вместе с наблюдательными станциями прокручивается под этой токовой системой.

Теперь обратимся к тому, как связаны полярные сияния в различных временных секторах во время суббури в полярных сияниях с магнитными возмущениями, обусловленными этой токовой системой. Магнитные возмущения будем рассматривать в непосредственной близости от областей, занятых полярным сиянием. Эту связь можно проследить на диаграмме типичных вариаций горизонтальной составляющей геомагнитного поля во время суббури полярных сияний.

Исследования показали, что одновременно со смещением фронта выпуклости в полярных сияниях в полуночном секторе движется электрический ток западного направления. Это подтверждают магнитные записи, показывающие динамику отрицательных бухт в горизонтальной составляющей магнитного поля.

Рис. 35. Эквивалентные токовые системы умеренной (а) и интенсивной полярной магнитной суббури (б) по Я. И. Фельдштейну

В вечернем секторе овала полярных сияний суббури характеризуются движением к западу изгиба вдоль дуги сияния. Сопоставление с данными об изменении магнитного поля показало, что прохождение изгиба связано с увеличением магнитного поля, т. е. магнитометры на Земле регистрируют положительную магнитную бухту в том случае, когда движущийся к западу изгиб перемещался севернее станции измерения. Часто наблюдаются более сложные ситуации, в которых движение изгиба на запад сопровождается как положительными, так и отрицательными бухтами в зависимости от времени развития явления и места регистрации. Станция полярной шапки, находящаяся далеко от изгиба, регистрирует положительную бухту в горизонтальной составляющей магнитного поля. Станция, расположенная достаточно близко к западной электроструе, отметит отрицательную бухту. Для того чтобы правильно сопоставлять указанные данные, необходимо знать расстояние между станцией и овалом полярных сияний.

В утреннем секторе во время суббури активность полярных сияний зависит от положения станции относительно овала сияний. Если наблюдения ведутся из пункта, расположенного к полюсу от овала полярных сияний, то будут регистрироваться либо расширение сияния к полюсу, либо движущийся к востоку изгиб. Этот изгиб менее выражен, чем в вечернем секторе. Вначале наблюдается незначительное движение дуг полярных сияний к экватору, которое сменяется более существенным движением их к полюсу. В самом овале часто регистрируется дрейф нерегулярных полос в направлении к востоку. На экваториальном краю овала наиболее часто происходит распад дуг и дрейф образующихся светящихся пятен к востоку.