Юрий Мизун - Полярные сияния

Измеряя спектры полярных сияний, можно определить не только состав атмосферы и свойства потоков вторгающихся заряженных частиц, но и температуру в атмосфере.

Во время вторжения в верхнюю атмосферу потоков заряженных частиц наряду с полярными сияниями происходит целый ряд других процессов и явлений, с которыми полярные сияния тесно связаны. То, что сияния усиливаются и число их возрастает с увеличением солнечной и магнитной активности, понятно: усиление активности означает усиление потоков заряженных частиц. Вторгающиеся частицы наряду с возбуждением атомов и молекул (и их ионов) производят и ионизацию. В высоких широтах в зонах вторжения этих частиц создаются целые слои ионизованных атомов и молекул и свободных электронов. Так, в зонах, где чаще всего наблюдаются полярные сияния, за счет ионизации потоками электронов на высотах около 100 км создается целый слой свободных электронов толщиной ~5—15 км с плотностью электронов 10 6см -3. Это так называемый спорадический ионосферный слой E s . Его возникновение и величина концентрации электронов тесно связаны с появлением и интенсивностью полярных сияний в овалах полярных сияний.

Вторжение высокоэнергичных солнечных протонов (солнечных космических лучей) с энергиями 1—100 мэВ в полярные шапки вызывает образование ионизации на более низких высотах (50—80 км). Эта ионизация в области D ионосферы является причиной поглощения радиоволн коротковолнового диапазона, которое называется поглощением типа полярной шапки (ППШ). Во время ППШ также наблюдаются полярные сияния определенного типа и определенной формы (мантийные полярные сияния), которые очень тесно связаны с этим слоем ионосферы.

Таким образом, полярные сияния очень тесно связаны с полярной ионосферой. Такая же тесная связь имеется между полярными сияниями и магнитными возмущениями. Дело в том, что часть изменений магнитного поля во время магнитных бурь происходит за счет возникновения электрических токов в ионосфере на высоте около 100 км. Образование электрического тока зависит от двух причин: наличия электрического поля и достаточной проводимости ионосферы. Проводимость ионосферы определяется количеством свободных электронов, а они в свою очередь создаются ионизацией потоками заряженных частиц. Таким образом, эта связь полярных сияний с магнитными возмущениями также физически понятна. Пульсирующие полярные сияния, интенсивность которых изменяется с частотой в несколько герц, очень тесно связаны с пульсациями в магнитном поле Земли.

Тесно связаны полярные сияния и с другими явлениями, например с отражением радиоволн КВ и УКВ диапазона от ионосферных (авроральных) неоднородностей. Недаром эти радиоотражения, регистрируемые радиолокаторами, называются также радиосияниями.

Таким образом, для того чтобы осветить проблему полярных сияний, необходимо рассмотреть условия и закономерности выброса потоков заряженных частиц (электронов и протонов) из Солнца, их зависимость от 11-летнего цикла солнечной активности и 27-дневного периода обращения Солнца. Кроме того, надо рассмотреть строение магнитосферы Земли и изменение ее при воздействии солнечных потоков плазмы, а также процессы в магнитосфере и ионосфере Земли во время магнитосферной бури. После рассмотрения этих вопросов многие аспекты проблемы полярных сияний становятся понятными и экспериментальные данные хорошо укладываются в общую картину солнечно-земного взаимодействия.

Полярные сияния — одно из проявлений солнечно-земного взаимодействия, т. е. солнечно-земной физики. Они возникают в результате вторжения в верхнюю атмосферу высоких широт потоков заряженных частиц, первопричиной которых является Солнце. Приведем здесь по возможности кратко необходимые для данной проблемы сведения о процессах на Солнце, которые связаны с выбросом из него геоэффективной плазмы.

Вначале несколько количественных характеристик. Масса Солнца содержит вещества приблизительно в 332 000 раз больше, чем Земля. Объем Солнца в 109 3раз больше объема Земли. Средняя плотность Солнца составляет 0,256 плотности Земли или 1,4 плотности воды. Сила тяготения на Солнце в 28 раз больше земной. Низкая средняя плотность Солнца и одновременно такая большая сила тяготения определяют характер процессов внутри Солнца. Среднее расстояние до Солнца составляет 149 500 000 км с точностью до 16 000 км. Луч света преодолевает это расстояние за 8,3 мин, а ракете потребовалось бы около 10 лет. Заряженные частицы, выбрасываемые из Солнца и затем действующие на магнитосферу Земли, проходят расстояние Солнце—Земля за полтора суток. Расстояние между Солнцем и Землей меняется в течение года приблизительно на 4,8*10 6км. Это обусловлено эксцентриситетом земной орбиты. Это расстояние наименьшее, когда Земля находится в перигелии, т. е. в начале января, и наибольшее в начале июля, когда она находится в афелии. Вследствие этого солнечное излучение, достигающее Земли, меняется в течение года на 7 %.

Вещество Солнца в значительной мере состоит из тех же химических элементов, которые имеются на Земле. Температура внутри Солнца так высока, что оно является раскаленным газовым шаром.

Солнце имеет слоистую структуру. В самой внутренней его части температура составляет около 20 млн. градусов (скорости движения атомов между столкновениями равны около 200 км/с). Атомы здесь главным образом лишены электронной оболочки, т. е. многократно ионизованы. Естественно, что эти свободные электроны также входят в состав солнечного вещества. При таких больших температурах там имеется излучение огромной плотности в виде рентгеновских лучей или γ-лучей, которые несут большую энергию. Там происходят термоядерные реакции, при которых определенная доля массы ядер переходит в лучение.

На любом расстоянии от центра Солнца должно соблюдаться равновесие между противоположно направленными силами, а именно гравитационным тяготением, которое направлено к центру Солнца, и давлением потока излучения, которое направлено от центра к поверхности. По мере продвижения из глубины Солнца к его поверхности энергия γ-излучения постепенно уменьшается (происходит бесчисленное число актов поглощения и переизлучения их другими атомами), а само излучение отмечается на большей длине волны. Вначале это излучение проявляется как рентгеновские лучи, затем на другом уровне как ультрафиолетовое излучение и т. д. На поверхности Солнца большая часть излучения — это видимый свет.

Чем же характерны отдельные слои Солнца? На удалении около 700 000 км от центра находится фотосфера Солнца. Здесь солнечный газ становится прозрачным. При наблюдении за Солнцем извне фотосфера и есть тот наиболее глубокий уровень, который доступен наблюдению. От фотосферы Солнца Земля получает большую часть света и тепла. Температура фотосферы равна 6000 К.