Полярные сияния

Пространственное распределение полярных сияний

Распределение полярных сияний в зависимости от времени суток и широты исследовалось неоднократно. Вопрос оказался весьма сложным, поскольку на это распределение влияют одновременно несколько физических факторов. Основной из них — конфигурация магнитного поля Земли, т. е. магнитосферы, которая зависит от степени возмущенности, сезона, солнечной активности и пр. Зоны высыпания заряженных частиц (электронов и протонов), вызывающие полярные сияния, меняют свое положение в зависимости от конфигурации магнитосферы. Что касается наличия высыпания этих частиц в верхнюю атмосферу Земли, то на него влияет выброс потоков плазмы из Солнца.

Именно зависимость частоты появления полярных сияний от многих факторов и была причиной продолжительных неудачных поисков закономерностей, которым подчиняются полярные сияния.

Рис. 28. Овал полярных сияний по Фельдштейну (заштрихованная область) и внешняя граница области захвата заряженных частиц (жирная линия)

Частота появления сияний 75—90%; поток захваченных электронов с Е ≥ 40 кэВ 10⁴ электрон/см² с

За период МГГ в 1957—1958 гг. на целой сети обсерваторий был накоплен большой экспериментальный материал, который позволил показать, что дуги полярных сияний наблюдаются не во всех высоких широтах, а в узком овальном поясе, окружающем геомагнитный полюс. Центр овала приблизительно на 3° смещен в ночную полусферу (рис. 28).

Овал полярных сияний фиксирован относительно Солнца. Земля в течение суток совершает один оборот под этим овалом. Наблюдатель на поверхности Земли в разные часы суток сможет видеть полярные сияния в разных областях: его расположение относительно овала будет постоянно меняться.

Зона полярных сияний была определена раньше. Это область, в которой полярные сияния в ночные часы наблюдаются более часто. Отсюда ясно, что в ночном секторе овал полярных сияний совпадает с зоной полярных сияний, но в дневные часы пройдет почти на 10° ближе к геомагнитному полюсу. Овал полярных сияний — это область, где сияния наблюдаются наиболее часто в один и тот же момент мирового времени. Другими словами, если наблюдатель будет регистрировать полярные сияния с точки, поднятой над геомагнитным полюсом, то он с достаточной высоты увидит замкнутую область свечения.

Магнитосфера делится на внутреннюю часть, в которой геомагнитные силовые линии являются замкнутыми, и внешнюю, где они разомкнуты. Заряженные частицы могут быть захвачены только внутренней частью магнитосферы. Из рис. 28 видно, что овал полярных сияний тесно связан с линией пересечения полярной ионосферы с внешней границей области захвата заряженных частиц.

Очевидно, что наиболее существенную роль играет не сама по себе геомагнитная или дипольная широта станции, а ее положение относительно овала полярных сияний. В разные часы мирового времени положение овала полярных сияний относительно географических пунктов меняется (рис. 29).

То, что мгновенная область появления полярных сияний является эксцентричным овалом, связано с асимметрией внутренней структуры магнитосферы в направлении день—ночь. Так же асимметричен внешний радиационный пояс, а линия пересечения его внешней границы с ионосферой примерно совпадает с овалом полярных сияний.

Область, которая находится ближе к полюсу от овала полярных сияний, называется полярной шапкой. Поскольку положение овала в разные часы мирового времени различное, то и полярная шапка не является раз навсегда заданной областью. Один и тот же географический пункт может в определенное время попадать в полярную шапку, затем в овал полярных сияний и даже выходить за пределы овала в сторону более низких широт.

Если четко представить себе описанную картину, связанную с положением овала полярных сияний и его вращением в течение суток, то можно попять тот факт, что суточная вариация частоты появления полярных сияний очень сильно зависит от положения станции наблюдения. Это обусловлено изменением в течение суток положения определенной станции относительно овала полярных сияний в течение суток. Станция зоны полярных сияний попадает в овал полярных сияний только в ночные часы, а в остальное время суток она смещена от овала в сторону меньших широт. Естественно, что на такой станции имеется только один максимум частоты появления полярных сияний именно в ночные часы.

Рассмотрим другой пример, когда станция расположена между широтами 70 и 75°. Судя по рис. 28, эта станция пересекает овал полярных сияний дважды в сутки. Это значит, что в периоды этого пересечения частота полярных сияний достигнет максимальной величины, т. е. на этой станции в суточном ходе частоты появления полярных сияний будут наблюдаться два максимума. Этим и объясняется разнообразие в суточном ходе частоты появления полярных сияний на различных высокоширотных станциях.

Рис. 29. Примерное положение овала полярных сияний в северном полушарии в различные моменты мирового времени UT (2, 8, 14 и 20 ч)

Кроме овала полярных сияний, в утреннем секторе имеется и вторая область в виде полосы, которая простирается от полуночной части овала. Эта полоса расположена дальше от овала в сторону средних широт. Полярные сияния в этой полосе вызываются вторгающимися электронами. Эти электроны имеют большие энергии, чем электроны, вторгающиеся вдоль овала полярных сияний. Имея большую энергию, они проникают до меньших высот в область, где не создаются ионосферные токи. Поэтому связь этих полярных сияний в утреннем секторе с магнитными возмущениями очень слабая.

Полярные сияния, наблюдаемые в овале полярных сияний и вызываемые вторжением в эту область электронов, окружены диффузной полосой протонного полярного сияния. Источником этих протонов в полуночном секторе является кольцевой ток (а во время магнитосферной бури — протонный пояс).

Еще дальше в сторону средних широт в период интенсивных магнитных бурь наблюдаются среднеширотные красные дуги полярных сияний. Это свечение красной линии кислорода (λ = 6300 Å). Область этого свечения имеет форму широкой полосы свечения.

Мы показали, что в различные часы мирового времени положение овала полярных сияний меняется. Но это происходит и в результате возмущения магнитного поля Земли, т. е. при различных магнитных условиях.

На рис. 30 хорошо видно, что при интенсивной магнитной буре овал сильно смещен по направлению к экватору. Жирной точкой указано положение станции наблюдения, которая в спокойных условиях находится вне овала полярных сияний (в сторону средних широт); во время умеренного возмущения эта станция попадает в овал полярных сияний, а при интенсивной буре — в полярную шапку. Ясно, что без анализа взаимного расположения станции наблюдения и овала полярных сияний трудно понять характер наблюдаемого свечения. Поэтому определение положения станции относительно овала полярных сияний должно проводиться непрерывно. Только так можно привести в систему обширные данные о полярных сияниях при различных уровнях магнитной активности.

Так как Солнце оказывает влияние на процессы, связанные с вторжением заряженных частиц, а следовательно, и с полярными сияниями, а геомагнитная широта определяет интенсивность потоков этих частиц, то наиболее естественными являются направление на Солнце и направление оси геомагнитного диполя. Исходя из этого целесообразно выбрать систему координат следующим образом: главная ось совпадает с осью геомагнитного диполя, а главной координатной плоскостью является плоскость, которая проходит через линию Земля — Солнце и через ось геомагнитного диполя.

Рис. 30. Овал полярных сияний при различных магнитных условиях

а — в очень спокойный период; б — в умеренно возмущенный период; в — при интенсивной буре

Проведем плоскость через ось диполя и данную точку. Тогда местное геомагнитное время в данной точке определяется углом между этой плоскостью и главной координатной плоскостью. В магнитный полдень (12 ч 00 мин) и магнитную полночь (00 ч 00 мин) эти две плоскости совпадают. В качестве третьей координаты выбирают или параметр Мак-Илвейна L, или инвариантную геомагнитную широту Λ_L, или дипольную широту Φ. Параметр L задает удаление данной магнитной оболочки в экваториальной плоскости от центра Земли и измеряется в радиусах последней.

Оптимальный выбор третьей координаты зависит от того, какое явление изучается. Поскольку преобразование от дипольной широты к другой координате (L или Λ_L) требует детального знания геомагнитного поля, то первичные результаты наблюдений полярных сияний часто представляют с использованием дипольной широты. Но дипольное приближение не вполне справедливо. Поэтому лучше оперировать данными в координатах L или Λ_L. Зоны полярных сияний следуют вдоль линий L = const с хорошим приближением.

При описании полярных сияний следует учитывать и то, что ось вращения Земли наклонена относительно плоскости орбиты на 23° и не совпадает с осью геомагнитного диполя на 11°. В результате этого направление на Солнце может в течение года отклоняться до ±34° от геомагнитной экваториальной плоскости. Вследствие этих двух эффектов суточные и сезонные вариации усиливаются.

Наиболее существенными являются сезонные вариации, которые связаны с изменением угла между осью геомагнитного диполя и направлением Земля — Солнце.

Вариация, связанная с всемирным временем UT, включает также компоненты, которые обусловлены 11-летним циклом солнечной активности и 27-дневной повторяемостью, вызванной вращением Солнца.