Полярные сияния

Формы полярных сияний

Полярные сияния поражают разнообразием форм, быстрой изменчивостью и подвижностью. Имеется несколько удачных описаний полярных сияний очевидцами, но и они не передают всей грандиозности явления. Они способны только вызвать картины полярных сияний у тех, кто их уже видел. Поэтому здесь мы не беремся описывать все сложное явление — полярное сияние в его динамике, изменчивости и разноцветности. Но каждое самое сложное полярное сияние можно представить состоящим из отдельных «простых» форм, своего рода кирпичиков.

Основные формы полярных сияний (см. рисунки на вклейке):

1. Спокойная однородная дуга или полоса.

2. Лучи полярных сияний.

3. Диффузные и неправильные святящиеся пятна.

4. Большие однородные светящиеся поверхности.

Такое деление основано не только на видимых формах свечения, но и на тех физических причинах, которые их вызывают.

В 1963 г. был издан последний Международный атлас полярных сияний, составленный на основе большого экспериментального материала, накопленного, в частности, за период Международного геофизического года (МГГ) 1957—1958 гг. В этом атласе содержится описание различных форм полярных сияний и их классификация. Очень кратко суть этих описаний сводится к следующему.

Спокойная однородная дуга, так же как и полоса, простирается через весь небосвод и имеет форму прямой или несколько изогнутой линии. Направление этой линии обычно примерно совпадает с магнитной параллелью, т. е. с направлением восток—запад. Правда, в полярных шапках поближе к геомагнитным полюсам спокойные однородные дуги направлены вдоль линий полдень—полночь. Однородные дуги полярных сияний по длине могут достигать более тысячи километров при ширине их от одного километра и менее до нескольких десятков километров.

В спокойных условиях однородная дуга — основная форма свечения в зоне полярных сияний. С наступлением возмущений формы полярных сияний существенно усложняются, резко меняется их интенсивность и подвижность. Интенсивность свечения усиливается при высыпании в верхнюю атмосферу высоких широт потоков электронов. Чем больше энергия потока электронов, тем интенсивнее свечение. Более высокоэнергичные электроны способны глубже проникнуть в атмосферу и вызвать там свечение. Поэтому от энергии электронов зависит высота, на которой видны полярные сияния.

Но электроны потока высыпающихся частиц имеют неодинаковую энергию, а характеризуются определенным распределением по энергиям, или, как говорят, определенным энергетическим спектром. Ясно, что от энергетического спектра высыпающихся электронов будет зависеть и распределение свечения по высоте. Потоки высыпающихся частиц (электронов и протонов) во время возмущений очень изменчивы как по интенсивности, так и по энергетическому спектру. Кроме того, места их высыпания быстро изменяются с развитием возмущения. Все это и является физической причиной изменчивости форм полярных сияний, их высоты и динамики.

По мере наступления возмущения спокойные дуги полярных сияний теряют свою правильную геометрическую форму и превращаются в формы, похожие на спирали и вихри.

На небосводе часто наблюдаются кратные дуги — двойные, тройные или вообще мультиплетные. Интересно, что они никогда не пересекаются друг с другом, хотя и могут располагаться друг от друга очень близко.

С дугами полярных сияний тесным образом связаны электрические токи, которые текут вдоль геомагнитных силовых линий из магнитосферы в ионосферу и обратно из ионосферы в магнитосферу. (Продольные токи в самой ионосфере под длинной и яркой однородной дугой полярного сияния могут достигать сотен тысяч ампер.) Имеется замкнутая система этих продольных электрических токов (замыкание происходит в ионосфере на высотах вблизи 100 км), которая во многом определяет связь ионосферы, а значит, и полярных сияний, с магнитосферой и дальше — с межпланетным магнитным полем и солнечными бурями. Как видим, продольные токи играют очень важную роль во всей цепи солнечно-земных связей.

В принципе однородная дуга является частным случаем однородной полосы. Последняя не имеет правильной структуры, хотя, так же как и дуга, сильно вытянута. Обычно однородная полоса полярного сияния изогнута в виде латинской буквы S или же закручена в форме спирали.

Полосы и дуги полярных сияний чаще всего появляются на высотах между 100 и 150 км.

Лучи полярных сияний представляют собой узкие пучки света длиной от нескольких десятков до нескольких сотен километров и шириной от нескольких десятков метров до нескольких километров.

Лучи полярных сияний появляются на тех же высотах, что и полосы и дуги, т. е. на 100—150 км. Они возникают либо изолированно друг от друга, либо целыми «связками». В том и другом случае лучи располагаются вдоль геомагнитных силовых линий, которые, как уже говорилось, направляют движение частиц, вызывающих полярные сияния. Последним и объясняется такое направление лучей. Когда лучи полярных сияний наблюдаются над головой, т. е. в зените, то они смотрятся как своего рода корона.

Дело в том, что из-за перспективы геомагнитные силовые линии кажутся наблюдателю сходящимися в магнитном зените. Магнитный зенит — это та точка небесной сферы, в которую силовые линии геомагнитного поля для данного места наблюдения проектируются.

В возмущенных условиях лучи полярных сияний видны в сочетании с полосами и дугами полярных сияний.

Диффузные пятна полярных сияний занимают на небе площадь около 100 км². Само название их говорит об их неправильной форме. Как правило, наблюдается одновременно много таких пятен.

Однородные светящиеся поверхности занимают большую часть небосвода (недаром их называют «большими») и имеют вид довольно постоянного свечения, которое чем-то напоминает вуаль. Эту форму свечения называют еще фоновым свечением.

Конечно, когда полярное сияние в разгаре, в активной фазе возмущений, мы можем зафиксировать сразу несколько или даже все его формы. При этом различные формы накладываются друг на друга или же внедряются друг в друга. Например, дуги и полосы полярных сияний часто имеют лучистую структуру. Каждая форма движется, и излучение меняет свою интенсивность во времени. Скорости движения спокойных форм полярных сияний достигают 50 км/с.

Мы описали четыре классические формы полярных сияний. Но реальные сияния более разнообразные. Так, известны пульсирующие полярные сияния, интенсивность свечения которых изменяется (пульсирует) во времени весьма быстро. Они появляются главным образом после активной фазы развития сияния. За каких-то несколько секунд интенсивность свечения может измениться в десятки и более раз. Такие пульсации свечения можно иногда наблюдать невооруженным глазом.

В отличие от полос, дуг и лучей, которые видны выше 100 км, пульсирующие сияния появляются ниже этого уровня. Интересно, что они сопровождаются такими же пульсациями в магнитном поле Земли. Это объясняется причиной, единой для тех и других пульсаций, — вторжением заряженных частиц в верхнюю атмосферу.

Пульсирующие полярные сияния также бывают различные — собственно пульсирующие, пламенные, мерцающие и струящиеся. Такие живописные описания связаны с ассоциациями, которые они вызывают у наблюдателя. Собственно пульсирующие сияния характерны тем, что их яркость по всей площади свечения изменяется синфазно, т. е. одинаково.

Когда на небосводе появляются своего рода волны света, которые быстро движутся к магнитному зениту, то такие сияния называются пламенными (они подобны движению пламени). Значительно реже можно наблюдать, как эти волны света движутся обратно, т. е. от зенита.

Пламенные сияния возникают в то время, когда возмущение уже затухает, т. е. в периоды после распада форм полярных сияний. Они движутся от уровня 100 км вверх (или реже вниз) со скоростями, достигающими 100 км/с. Правда, были измерены и весьма экзотические скорости их движения, достигающие 1000 км/с. Часто после пламенного сияния наблюдается корона, описанная выше.

Считается, что видимость движения областей свечения вверх связана со своеобразной последовательностью прихода в атмосферу потоков заряженных частиц, вызывающих свечение. Вначале внизу наблюдается свечение, связанное с частицами больших энергий. Затем оно появляется все выше и выше, куда уже приходят частицы меньших энергий и поэтому запаздывающих. С поверхности Земли это будет восприниматься как волнообразное движение свечения вверх. Однако объяснить таким образом движение областей свечения от магнитного зенита вниз нельзя.

Третий тип пульсирующего полярного сияния — это мерцающие сияния, при которых яркость свечения как будто мерцает. Изменения яркости сияния быстрые и неправильные. Этот тип полярного сияния наблюдается в зонах полярных сияний и областях, примыкающих к ним со стороны более низких широт (т. е. в субавроральных зонах).

Мерцающие пятна имеют размер 1—5 км. Мерцания яркости происходят с частотой 10 Гц. Такие мерцающие сияния обычно проявляются в пределах ярких однородных дуг или полос, для которых характерны быстрые внутренние движения со скоростью более 5 км/с.

Мерцающие полярные сияния в южном и северном полушариях (на геомагнитных широтах 63—68°) являются геомагнитно сопряженными, т. е. наблюдаются одновременно в областях на юге и севере, которые связаны между собой (т. е. сопряжены) геомагнитными силовыми линиями. Характер свечения в этих областях одинаковый.

Четвертый тип пульсирующего полярного сияния называется струящимся. Яркость этих сияний изменяется беспорядочно. Ее неправильные вариации быстро распространяются вдоль однородных дуг в горизонтальном направлении. Интересно, что форма самой дуги или полосы при этом не меняется. Уярченная часть дуги или полосы полярного сияния перемещается вдоль формы в виде волны. Как будто солнечный зайчик бежит вдоль дуги сияния.

Струящиеся пульсирующие сияния наблюдаются во время распада сияний. Иногда видны горизонтальные волны в форме вытянутых с востока на запад дуг, движущихся в направлении к экватору со скоростью 50—300 км/с. Такой характер движения имеет место только в послеполуночные часы и только в том случае, если предшествующий день и вечер были спокойными. Но после этих горизонтальных волн свечения наступает кратковременная полярная суббуря.

Характеристики этой формы полярного сияния следующие: яркость их изменяется с частотой 1 Гц, интенсивность излучения на длине волны 4278 Å менее 1 килорэлея. Толщина этой формы сияния составляет 30—120 км, и они перемещаются на расстояния 150 км и более. Пульсирующие дуги полярных сияний появляются на тех же высотах, что и спокойные дуги. Если интенсивность свечения усиливается, то само сияние появляется ниже.

Было установлено, что общие вариации амплитуды интенсивности пульсирующих сияний очень тесно связаны с микропульсациями магнитного поля. В течение 60% времени, когда наблюдаются пульсирующие полярные сияния, пульсации яркости и микропульсации магнитного поля совпадают. Часто отмечается полное совпадение пиков флуктуаций в сияниях и геомагнитном поле.

Такое полное совпадение чаще всего имеет место в периоды правильных пульсирующих сияний и тогда, когда такие периоды разделены последовательностями неправильных флуктуаций.

Временные вариации пульсирующих сияний лучше всего регистрируются фотоэлектрическими фотометрами с линейной характеристикой в очень широком динамическом диапазоне и высокой чувствительностью. Для определения формы пульсирующих сияний применяются телевизионные камеры, хотя линейность и динамическая амплитуда этих установок ограничены по сравнению с обычным фотометром.

Известны пульсирующие сияния особого, более редкого типа. Они характеризуются затухающими колебаниями с одним сильным пиком (максимумом) и с последующими пятью или восемью импульсами с все уменьшающейся амплитудой. Интервал времени между соседними импульсами во всех конкретных случаях постоянный (от 1 до 3 с).

В средних широтах также бывают полярные сияния. Это так называемые красные дуги, или М-дуги. Из названия ясно, что свечение видно в красном цвете, монохроматично (одноцветно) в красных линиях с длинами волн 6300 и 6364 Å. Эти сияния наблюдаются выше, чем сияния в высоких широтах, — на высотах от 300 до 700 км.

Красные дуги по широте могут достигать 600 км, а интенсивность их свечения в линии 6300 Å обычно составляет 1—10 kR. Эту интенсивность нельзя фиксировать невооруженным глазом: она ниже порога его видимости. Протяженность красных дуг в направлении восток—запад достигает нескольких тысяч километров, а иногда они, видимо, простираются вокруг всей Земли. Они появляются одновременно в обоих полушариях и тесно связаны с геомагнитной и солнечной активностью. Красные дуги могут существовать в течение целых суток.

Полярные сияния в полярной шапке выделяют в отдельный тип. Эти сияния, охватывающие обширное пространство в высоких широтах, вызваны солнечными космическими лучами с энергиями 1—100 МэВ и тесно связаны с поглощением радиоволн в полярной шапке (ППШ). Это понятно, поскольку те же потоки солнечных космических лучей, которые способствуют возникновению полярных сияний, образуют повышенную ионизацию нижней ионосферы, ответственную за поглощение радиоволн.

Свечение в полярной шапке (во время ППШ) является однородным и занимает всю полярную шапку вплоть до 60° (по широте). Известно, что явление ППШ длится несколько суток. В течение первых суток после начала ППШ интенсивность свечения увеличивается, а затем в течение нескольких последующих суток постепенно спадает. Максимальная интенсивность свечения на длине волны 3914 Å достигает 10 kR, а у свечения на длине волны 5577 Å она в пять раз меньше.

Такое распределение интенсивностей свечения на этих двух линиях характерно только для полярного сияния в полярной шапке во время ППШ и не имеет места в овале полярных сияний. Оно вызвано тем, что солнечные космические лучи (протоны и альфа-частицы, т. е. ядра гелия) производят ионизацию и возбуждение в основном на высотах 30—80 км, где плотность атмосферы намного больше, чем в областях свечения в овале полярных сияний, т. е. на 100 км и выше. Поэтому из-за большой плотности на низких высотах происходит быстрая дезактивация возбужденных атомов кислорода (которые образуются при прямой диссоциации молекулярного кислорода или диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов кислорода). По этой причине на этих высотах (менее 80 км) почти все излучение с длиной волны 5577 Å гасится.

Во время сияния, связанного с ППШ, происходит излучение не только с длиной волны 3914 Å, но и с другими длинами волн, которые регистрируются и в овале полярных сияний. Однако эти эмиссии пока что детально не исследованы.

Диффузные полярные сияния часто простираются по всему небу, достигая максимальной интенсивности в утренние и дневные часы. Диффузные сияния в зоне полярных сияний называют мантийными сияниями. Их пространственное распределение отличается от распределения дискретных форм сияний, таких, как дуги, полосы и лучи. Мантийные сияния появляются наиболее часто при максимальной солнечной активности и намного реже при минимальной. Размеры области диффузного свечения заметно не меняются с усилением магнитной активности. С увеличением магнитной активности возрастает только интенсивность свечения и величина утреннего максимума.

Кроме описанных выше форм полярных сияний, были предложены и некоторые другие (не вошедшие в Международный атлас):

Лист — полярное сияние имеет такую же форму, как и дискретная дуга, но характеризующуюся так называемой «тонкостью». Такие тонкие дуги, имеющие форму тонкого листа S, типичны для вечернего сектора на границе овала полярных сияний со стороны полюса.

Широкая же дуга со слабым свечением была названа диффузной дугой. Такие дуги часто появляются вместе с дугами — листами.

Имеется полярное сияние, по своей форме напоминающее дым сигареты. Оно так же дрейфует и вращается и названо «дымом». В дыме нередко различима тонкая структура сияния, но она проглядывается не так часто, как в дискретной дуге. Дымчатое сияние обычно появляется вблизи границы свечения.

Выделяют еще полоски или бороздки. Эти сияния выглядят как диффузные дуги, если полосчатость в них меняется очень быстро.

Бывают еще «сияния наоборот», т. е. четко выраженные области «пустот», в которых отсутствуют какие-либо излучения и которые вкраплены внутри полярных сияний. Такие области без полярных сияний получили название «черные полярные сияния». Они имеют форму тонких лент или вытянутых эллиптических отверстий и дрейфуют в восточном направлении после полуночи и в западном направлении до полуночи. Эти формы полярных сияний возникают при переходе от диффузных сияний к дискретным. Можно считать, что они являются промежуточными формами.

Изучение полярных сияний с помощью более совершенной аппаратуры, которая позволяет фотографировать их за более короткое время экспозиции и поэтому регистрировать сияния меньшей интенсивности, показало: все формы полярных сияний имеют еще и тонкую структуру. Стали более ясными переходы одной формы сияния в другую, а также их изменение во времени.

В настоящее время для исследования полярных сияний используются многоканальные телевизионные системы. Такой аппаратурой были зарегистрированы скорости движения сияний до 10 км/с. Было установлено, что вертикальная протяженность пульсирующих сияний меньше 2 км, а максимальная их интенсивность не превышает 10 kR в полосах 4278 Å.

Часто наблюдаются полярные сияния в виде спиралей, которые разворачиваются по часовой стрелке, если смотреть с Земли вдоль магнитных силовых линий. Диаметр спиралей меняется от 20 до 1300 км, наиболее типичные размеры 250—500 км. Спирали видны в вечерние и полуночные часы.

Кроме спиралей бывают также завитки. В последних силовые линии остаются параллельными друг другу, тогда как спираль сопровождается изменениями ориентации магнитных силовых линий. Завитки намного меньше спиралей и закручены в противоположную сторону. В одних и тех же формах полярных сияний могут наблюдаться как спирали, так и завитки.

Считается, что спирали обусловлены продольными электрическими токами, которые текут вдоль геомагнитных силовых линий между ионосферой и магнитосферой. Завитки, видимо, обусловлены тем, что в центре каждого из них имеется избыток отрицательных электрических зарядов.

По мере того как полярные сияния становятся более активными, возникает вращение по часовой стрелке, которое с увеличением интенсивности свечения приводит к образованию изгиба или оптического драпри. Дуги полярных сияний испытывают кручения, искривления, расщепления и другие деформации. Они наблюдаются вдоль дуги с определенной периодичностью и с ними связаны разрушение и восстановление форм полярных сияний.

Остановимся подробнее на высотах полярных сияний.

Высота полярного сияния зависит от нескольких причин, и прежде всего от энергии заряженных частиц, которые вызывают сияния (электронов и протонов). Чем больше энергия этих частиц, тем глубже проникнут они в атмосферу Земли и вызовут свечение атмосферы — полярное сияние на меньших высотах. Еще один фактор, влияющий на высоту полярного сияния: какой именно газ (азот, кислород или водород) светится и в каких линиях? Таким образом, исследователям полярных сияний важно знать высотное распределение плотности атмосферы и концентрацию отдельных ее составляющих.

Самый простой и первый способ определения высоты полярного сияния был предложен еще в XVIII в. Речь идет о триангуляционном методе, по которому высота полярного сияния определялась на основании одновременных измерений углов возвышения над горизонтом одних и тех же точек полярного сияния. Измерения проводились из двух точек, разнесенных на 10—20 км. Возможности метода существенно увеличились, после того как стало возможным применение фотографирования с малыми экспозициями. Точность измерения высоты достигала 1—2 км.

За многие годы наблюдении полярных сияний накопился большой материал, позволяющий установить основные закономерности изменения высот полярных сияний. Прежде всего было установлено, что, чем интенсивнее свечение, тем меньше высота нижнего края сияния (рис. 26). Средняя высота нижнего края дуг и полос полярных сияний различной интенсивности (слабой, средней, сильной и очень сильной) составляют 114,8, 108,0, 99,3 и 94,7 км соответственно. Высота нижнего края дуг полярных сияний с интенсивной красной окраской нижнего края (тип В) равна 65—70 км.

Нижний предел высот полярных сияний в их зоне составляет 95—110 км. В дневной части овала полярных сияний свечение наблюдается на больших высотах, чем в ночной его части.

Высота полярных сияний зависит также от широты. На разных широтах также различны полная интенсивность сияния и частота его появления. Лучи полярных сияний, которые обычно наблюдаются высоко в атмосфере, чаще появляются в высоких широтах, чем в более низких. Зато в последних более часты пульсирующие сияния. Можно сказать, что по мере перехода от высоких широт к более низким форма сияний меняется от лучистых дуг к драпри.

С ростом геомагнитной широты средняя высота полярных сияний увеличивается. На широтах 75—76° высоты полярных сияний составляют 145—180 км с максимумом около 175 км. На широте 68° средняя высота максимума свечения в спокойных дугах сияний равна 120 км, а на 72° — 164 км.

Рис. 26. Высотное распределение яркости (интенсивность свечения) полярных сияний четырех типов

1 — лучи; 2 — драпри; 3 — лучистые дуги; 4 — однородные дуги. D, Е, F — области ионосферы

На рис. 27 показана зависимость высоты спокойных дуг полярных сияний от широты, полученная по большому количеству наблюдений в северном полушарии. Видно, что к северу и к югу от широты 63—65° высота дуг увеличивается. Это увеличение больше в направлении к полюсу, чем к экватору.

Верхний предел полярных сияний определяется с меньшей точностью. Он также различен для разных форм полярных сияний. Так, верхний предел лучей много больше, чем верхний предел других форм сияний.

Рис. 27. Зависимость высоты полярных сияний от широты

Лучи полярного сияния, освещенные Солнцем (перед заходом или после восхода), наблюдаются на высотах между 200—400 км и 1000—1100 км.

Высоты полярных сияний в низких широтах измерялись редко. Имеющиеся немногие данные говорят о том, что там эти величины выше, чем в овале полярных сияний. Они могут достигать 1000 км (см. рис. 27).