Юрий Мизун - Полярные сияния

В других экспериментах анализировались данные за двухлетний период наблюдений. Было найдено, что по крайней мере в 50% случаев существовала корреляция в пространстве и во времени между оптическими и радиосияниями. В вечернем и утреннем секторах радиоаврора как бы «окантовывает» дуги полярных сияний: утренние дуги окантовываются с приполюсной стороны, а вечерние — с экваториальной.

Наблюдения показали хорошую корреляцию между положением вторгающихся в верхнюю атмосферу электронов с положением радиосияний на ночной стороне. Потоки электронов измерялись приборами на ИСЗ. В дневные часы имелись случаи, когда вторжение электронов не сопровождалось радиосияниями.

Вторгающиеся протоны никогда не вызывали радиосияния.

Приведем основные результаты экспериментов, проведенных с июля по октябрь 1978 г. на антарктических высокоширотных станциях. Радиолокатор располагался на геомагнитной широте 72,3° и долготе 80,62°. Измерения оптического сияния в линии 4278 Å велись фотометром на удалении от радиолокатора в 270 км с таким расчетом, что область оптического свечения попадала в раскрыв антенны радиолокатора. При этом не вся область, которая могла формировать рассеянный радиосигнал, могла просматриваться фотометром, а только ее центральная часть на высоте 110 км. На этой высоте фотометр регистрировал свечение с пятна диаметром 10 км.

Одновременно с оптическими и радиосияниями анализировались и вариации геомагнитного поля.

Эти эксперименты показали, что в начальный период суббури усиливается интенсивность как оптического сияния, так и радиосияния. Колебания горизонтальной составляющей геомагнитного поля с периодами меньше 10 мин хорошо коррелируют с флуктуациями интенсивности радиосияний. При увеличении интенсивности радиосияний горизонтальная составляющая геомагнитного поля уменьшается.

В определенные часы мирового времени интенсивности оптического и радиосияний увеличиваются в разной мере, возможно, вследствие неполного перекрывания областей их возникновения. Такое объяснение может быть приемлемым, если интенсивность радиосияний возрастает намного больше, чем оптических. В обратном случае усиление оптического свечения вызывается усилением потоков заряженных частиц, а неоднородности, вызывающие радиосияния, создаются слабыми электрическими полями.

Эти эксперименты дали интересный результат. Оказалось, что интенсивность радиосияний хорошо коррелировала с интенсивностью оптического сияния до тех пор, пока дуги полярных сияний не достигали станции с фотометром. Когда дуги находились в зените и интенсивность оптического свечения была максимальной, интенсивность радиосияния уменьшалась. Затем при дальнейшем движении дуг корреляция восстанавливалась. Это можно объяснить тем, что электрические поля и токи, связанные с дугами полярных сияний, внутри самих дуг уменьшаются.

Если при слабой активности радиосияния и оптические сияния в основном хорошо пространственно коррелируют, то при сильной активности эта корреляция часто нарушается, за исключением начальной фазы суббури.

Радиосияния вызываются анизотропными неоднородностями электронной концентрации в полярной ионосфере. Как возникают эти неоднородности?

Были проведены сопоставления областей возможного существования авроральных неоднородностей (вызывающих радиосияния), которые определялись по таковой системе с областями, где регистрировались радиосияния. Оказалось, что все основные типы радиосияний можно объяснить действием двухпотоковой и дрейфовоградиентной неустойчивости в ионосферной плазме. Эта точка зрения составляет основу большинства современных работ, в которых объясняются причины радиосияний.

О полярных сияниях в настоящее время мы знаем намного больше, чем полвека тому назад. Прямые измерения в космосе и околоземном космическом пространстве, которые последние десятилетия проводились с помощью ИСЗ и ракет, дали обширную информацию об окружающем нашу Землю пространстве, об условиях в межпланетной среде, о солнечной радиации как волновой (электромагнитное излучение различных диапазонов), так и корпускулярной, т. е. состоящей из электрически заряженных частиц.

Поэтому, располагая такой обширной информацией, мы можем сказать, что загадка полярных сияний, над которой бились многие за прошедшие столетия и тысячелетия, разгадана. Но не слишком ли самоуверенно это сказано? Проблема полярных сияний — это проблема солнечно-земной физики. Это значит, что она охватывает физико-химические процессы на Солнце, в околоземном космическом пространстве, в магнитосфере Земли. Поэтому, конечно, вся эта проблема не только не решена, но и очень далека от своего решения.

Загадка полярных сияний разгадана в том смысле, что сейчас нам достоверно известно, что они представляют собой свечение верхней атмосферы в высоких широтах северного и южного полушарий Земли, что это свечение вызывают заряженные частицы, приходящие к Земле от Солнца. Установлены и основные закономерности поведения полярных сияний (их зависимость от высоты, географического положения, геомагнитных координат, солнечной активности, возмущенности геомагнитного поля и т. д.). Но тем не менее остались нерешенными еще очень многие принципиальные вопросы. Физики считают, что явление изучено, если его можно описать количественно, формулами, которые выражают определенные физические законы. Если такое описание возможно, то представляется возможным предсказывать, прогнозировать протекание этого физического явления при различных влияющих на него факторах.

Проблема полярных сияний слишком многоплановая и сложная, чтобы мы могли в настоящее время похвастать количественным ее описанием. Если решение этой проблемы сравнить со строительством здания, то можно сказать, что в настоящее время имеются фундамент этого здания и почти построен каркас. Одновременно идет разработка (иногда весьма тщательная) отдельных вопросов — идут внутренние отделочные работы в некоторых помещениях здания. Но таких помещений еще мало. Очень мало! Во многих местах каркас совершенно голый, без стен. Мы, например, до сих пор не можем объяснить хотя бы грубо, как полярные сияния связаны с погодой. Через какие механизмы? Старожилы северяне знают, что северные сияния чаще наблюдаются в морозные ночи. Физики объяснить это не могут. Пока. Имеются некоторые данные о том, что когда Земля при движении по своей орбите вокруг Солнца входит в сектор с обратным направлением магнитного поля, количество облаков в атмосфере Земли резко увеличивается, погода меняется. Но тут мы стоим еще только у подножия проблемы.