Полярные сияния

Магнитосферная суббуря

Полярные сияния определяются характеристиками вызывающих их заряженных частиц, которые, в свою очередь, зависят от процессов в магнитосфере. Поэтому, прежде чем рассматривать протекание суббури в полярных сияниях, проанализируем как протекает магнитосферная суббуря.

Движение заряженных частиц в магнитном поле направляется его силовыми линиями. Поэтому любому перемещению формы полярного сияния, наблюдаемого визуально в высоких широтах, соответствует определенное движение в магнитосфере тех частиц, которые его вызывают. Если вспомнить, как проходят магнитные силовые линии в магнитосфере, то станет ясным, что движение источника заряженных частиц в ее экваториальной плоскости по направлению от Земли в хвост магнитосферы связано с движением видимых форм полярных сияний в область более высоких широт, т. е. к полюсу. Справедливо, естественно, и обратное: движение плазмы в экваториальной плоскости магнитосферы из ее хвоста в направлении к Земле будет регистрироваться наблюдателем с поверхности Земли как движение различных форм полярных сияний от полюса к экватору. Также можно рассуждать и о движениях в направлениях восток — запад. Заметим только, что когда рассматривается свечение протонных полярных сияний, то проследить связь областей свечения с источниками протонов в магнитосфере, а тем более динамику этой связи значительно сложнее: в этом процессе время от времени участвуют атомы водорода, свободные от тех ограничений, которые накладывает магнитное поле на движение протонов. Об этом мы уже говорили при рассмотрении особенностей протонных полярных сияний.

Из всего вышесказанного видно, что атмосферу высоких широт обоих полушарий можно рассматривать как экран осциллографа или телевизора, засветку которого производят заряженные частицы, поступающие из определенных частей магнитосферы. В осциллографе, как известно, электронный пучок отклоняется электрическим полем, направленным как горизонтально, так и вертикально и расположенным в плоскости, параллельной экрану осциллографа. Эта же физическая причина, т. е. электрическое поле, гонит плазму и в магнитосфере.

Поперек хвоста магнитосферы возникает электрическое поле Е, которое направлено с утренней стороны на вечернюю. Это поле возникает в результате пересоединения межпланетного магнитного и геомагнитного полей. Пересоединение происходит тогда, когда эти линии имеют противоположные направления. Поскольку магнитное поле Земли направлено с юга на север, то условием пересоединения является движение силовых линий межпланетного магнитного поля с севера на юг. Как правило, эта североюжная компонента межпланетного магнитного поля крайне иррегулярна, поэтому и поток плазмы, возникший в хвосте магнитосферы под действием электрического поля (дрейф в ортогональных полях E и B), является по характеру своего движения турбулентным. При рассмотрении движения заряженных частиц в магнитных, электрических и других силовых полях было показано, что в данной ситуации, когда электрическое поле в хвосте магнитосферы направлено поперек хвоста с утренней стороны на вечернюю, заряженные частицы независимо от знака их электрического заряда (т. е. как электроны, так и протоны) будут дрейфовать в направлениях к Земле, поскольку все три ортогональные друг другу направления (электрического и магнитного полей и направление движения) должны составлять правовинтовую систему координат.

Теперь вернемся к рассмотрению магнитосферной бури. Она состоит из целого ряда следующих друг за другом магнитосферных суббурь. Такая неоднородность магнитосферной бури обусловлена турбулентностью плазменного облака, подходящего к Земле, и крайней иррегулярностью северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля. Ясно, не следует ожидать, что суббури будут похожи друг на друга. Тем не менее все они имеют много общего, по которому можно составить представление о том, как протекает некая типичная магнитосферная суббуря.

Электрическое поле, возникшее в хвосте магнитосферы, вызывает внезапное начало интенсивных направленных движений плазмы по направлению, которое ортогонально одновременно обоим направлениям Е и В, т. е. по направлению Е×В. В хвосте магнитосферы это — движение не только к Земле, но и по направлению плоскости, разделяющей северную часть хвоста от южной. Часть магнитосферы в этой плоскости называют нейтральным слоем. Здесь имеется в виду нейтральность магнитная, поскольку выше этой плоскости геомагнитные силовые линии направлены из хвоста к Земле, а ниже, наоборот, — от Земли в хвост магнитосферы. Между ними (на середине) сходятся два противоположных направления магнитного поля. Они нейтрализуют друг друга и в результате возникает так называемый нейтральный слой.

Поскольку плазма из хвоста магнитосферы под действием электрического поля движется к Земле и одновременно сверху и снизу к нейтральному слою, то последнее движение будет сжимать плазменный слой, находящийся посередине хвоста магнитосферы и имеющий вид цилиндра с осью в направлении этого хвоста. В плазменном слое поперек хвоста магнитосферы с утренней стороны на вечернюю течет электрический ток величиной 10⁷ А. Этот плазменный слой постепенно будет сжиматься, а в хвосте произойдет сложное перераспределение плазмы.

В начальной стадии развития магнитосферной суббури плазменный слой становится очень тонким. Из-за этого часть электрического тока, текущего в хвосте магнитосферы, изменит свое направление. Электрический ток из хвоста магнитосферы вдоль геомагнитных силовых линий втекает в утренний сектор овала полярных сияний, затем течет вдоль полуночного сектора овала в направлении на запад и после чего вновь вдоль геомагнитных силовых линий — обратно в хвост магнитосферы. Следы этого тока, вернее, того его количества, которое содержится в ионосфере в овале полярных сияний (так называемая полярная струя), мы уже встречали. Ее наличие всегда будет фиксироваться магнитометрами в высоких шпротах как отрицательная бухта в горизонтальной составляющей геомагнитного поля.

Теперь понятно, почему интенсивность этой полярной или авроральной электроструи, характеризуемой индексом АЕ (первые буквы ее английского названия), является мерилом, показателем состояния магнитосферы. Двигаясь в электрическом и магнитном полях, частицы плазмы ускоряются и возникает плазма с температурой 10⁷ К и более.

Часть этой плазмы вторгается в верхнюю атмосферу высоких широт и вызывает там различные формы полярных сияний, а также различные процессы в полярной ионосфере (спорадические слои ионизации, поглощение радиоволн, ионосферные неоднородности). Другая часть — пополняет собой плазменный слой в хвосте магнитосферы.

Часть горячей плазмы, которая попадает на оболочки с замкнутыми геомагнитными силовыми линиями, т. е. в области захвата, образует так называемый кольцевой электрический ток, располагающийся на удалении 2—3 радиусов Земли и идущий с востока на запад. Магнитное поле этого тока, создаваемого протонным поясом, па поверхности Земли направлено с севера на юг. Поэтому на земных магнитометрах наличие кольцевого тока проявится уменьшением горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это главная фаза магнитосферной бури, которая создается серией магнитосферных суббурь, во время каждой из которых идет подпитка протонного пояса (кольцевого тока).

Сопоставим развитие магнитосферной суббури, т. е. процессов в магнитосфере, с развитием суббури в полярных сияниях. Для этого обратимся к схеме (рис. 31), на которой изображены направление межпланетного магнитного поля (север—юг), плазменный слой в хвосте магнитосферы и области захваченной радиации. Широкими стрелками показаны направления движения плазмы.

В самом начале при пересоединении силовых линий межпланетного магнитного поля и геомагнитного поля происходит поджатие магнитосферы Земли с дневной стороны, или, другими словами, движение магнитопаузы к Земле (см. рис. 31, 1). Как видим, на дневной стороне в высоких широтах, где геомагнитные силовые линии входят в верхнюю атмосферу, полярные сияния должны двигаться в направлении к экватору (жирные стрелки — 2). При сжатии магнитосферы магнитное поле в хвосте будет усиливаться.

Рис. 31. Схематические диаграммы, иллюстрирующие различные магнитосферные явления на разных фазах суббури

I — начало процесса пересоединения, когда межпланетное магнитное поле поворачивается от северного направления к южному и магнитный поток с дневной стороны переносится в хвост магнитосферы: 1 — движение к Земле, 2 — движение сияний, 3 — увеличение В;

II — начальная стадия формы развития: 4 — утоньшение плазменного слоя, 5 — движение плазменного слоя к Земле, 6а, 6б — направления движения силовой линии, 7 — конвекция, 8 — движение сияний к полюсу, 9 — полярная электроструя, 10 — силовые линии магнитного поля, подобные диполю;

III — начальная стадия фазы восстановления: 11 — расширение плазменного слоя, 12 — движение плазмы к Земле, 13 — инжекция плазмы в высокоширотную ионосферу, градиентный и электромагнитный дрейфы, 14 — полярная инжекция

После этого за период времени менее 1 ч плазма совершает в хвосте магнитосферы описанное выше движение — в направлении к Земле и поперек к нейтральному слою. Когда плазменный слой начинает двигаться по направлению к Земле, в овале полярных сияний на экваториальной его кромке интенсивность полярного сияния резко увеличивается (или уярчается имеющаяся спокойная дуга полярного сияния, или возникают новые дуги). Затем сияние начинает двигаться к полюсу. Этот момент соответствует началу суббури в полярных сияниях. После уменьшения II плазменный слой наблюдается снова, вначале в ближней к Земле части хвоста (6б), а затем на больших геометрических расстояниях (11). Плазменный слой появляется значительно скорее в плоскости нейтрального слоя, чем в направлении, нормальном к этому слою. Быстрое движение форм полярных сияний в направлении к полюсу в полуночном секторе (8) происходит при утоньшении плазменного слоя на расстояниях от Земли более 18 R_E. Движение сияний к полюсу связано с появлением интенсивного западного электрического тока — полярной электроструи — (9) и ее движением к полюсу. Магнитное поле Земли на расстояниях 6—10 R_E меняет свою форму от «вытянутого» или «открытого» хвоста до дипольной конфигурации (10). Очевидно, ток, который является источником вытянутого в виде хвоста магнитного поля, внезапно уменьшается или частично прерывается. Этот момент совпадает с появлением западной электроструи.

Важный процесс периода суббури — струйная инжекция плазмы из хвоста магнитосферы в область захвата (13). Видимо, инжекция в область захвата происходит не вдоль всей внутренней границы плазменного слоя, а из довольно узкой области в полуночном секторе (13). Эти захваченные магнитным полем электроны являются основным источником их во внешнем радиационном поясе, а также источником электронов, которые вызывают интенсивные поглощения радиоволн в утреннем секторе на широтах зоны полярных сияний. Выше говорилось, что захваченные таким же образом протоны служат основным источником кольцевого тока и протонных полярных сияний. Рассмотрим более подробно протекание суббури в полярных сияниях.