Полярные сияния

Суббуря в полярных сияниях

Положение овала полярных сияний зависит как от местного, так и от мирового времени. Четко разделить действия этих двух факторов достаточно трудно.

Каким видит полярные сияния наблюдатель, находясь в определенной точке их зоны? Напомним, что в ночные часы овал полярных сияний будет располагаться над наблюдателем (зона и овал совпадают), а в остальное время суток (в северном полушарии) — севернее его.

В вечернее время наблюдатель вначале зафиксирует свечение в северной части неба — в районе овала полярных сияний. Он увидит на первых порах только верхушки дуг полярных сияний и воспримет их просто как свечение. По мере наступления темноты ночная часть овала полярных сияний будет надвигаться на наблюдателя, т. е. свечение сместится по направлению к экватору, а значит, и к станции, где находится наблюдатель. В это время последний четко просматривает нижний край сияния. До 21 ч местного времени он может видеть спокойные и однородные формы сияния и только в короткие промежутки времени — лучи полярных сияний и складки.

В последующие два часа (до 23 ч по местному времени) один или два раза наблюдаются складки, которые быстро передвигаются к западу вдоль дуги полярного сияния. После таких периодов (продолжительностью не более получаса) сияния снова имеют спокойные формы.

Около полуночи сияния должны находиться над головой наблюдателя, т. е. в зените. При этом примерно за несколько часов (от 23 до 2 ч ночи) он может увидеть не только спокойные формы полярных сияний, но и возмущенные, или, как принято говорить, активные формы. Став в это время внезапно активными, полярные сияния проявляются на большей части неба. Но постепенно они стихают, остаются лишь светящиеся пятна в виде облаков, которые распространяются по всему небу. Свечение пятен имеет не постоянный, а пульсирующий характер. Затем снова возникает спокойная однородная дуга полярного сияния или другие его спокойные формы. Такое изменение картины полярных сияний от спокойной формы к активной и затем к пятнам и, наконец, опять к спокойной форме (т. е. своего рода цикл развития полярного сияния) может повториться. В отдельные ночи можно наблюдать последовательное развитие от одного до четырех таких циклов.

Таким образом, получается, что наблюдатель, находящийся в зоне полярных сияний, чаще всего (т. е. статистически наиболее вероятно) будет видеть спокойные дуги сияний вечером, активные лучистые полосы около полуночи и светящиеся пятна в утренние часы. Может даже создаться впечатление о некотором фиксированном распределении активности полярных сияний, под которым Земля прокручивается в течение суток.

На самом деле эта картина верна только статистически и в каждом отдельном случае распределение различных форм полярных сияний более сложное. С. А. Акасофу показал, что в определенные периоды все сияния вдоль овала полярных сияний (но не вдоль их зоны) имеют спокойные формы. Но время от времени это спокойствие внезапно в период геомагнитных бурь нарушается. Нарушение начинается в полуночном секторе овала полярных сияний — на его экваториальной границе, т. е. на южной кромке овала (в северном полушарии). Затем область активных форм распространяется по всем направлениям: к полюсу, к западу и к востоку вдоль овала, а также к экватору. Постепенно во всем овале полярных сияний все стихает, успокаивается. Один такой активный период, который может длиться от 0,5 до 1,5—2 ч, принято называть суббурей в полярных сияниях. Серия таких суббурь, следующих друг за другом, образует бурю.

Почему же длительное время считалось, что каждому временному сектору характерны свои формы полярных сияний? Дело в том, что быстро движущиеся активные формы сияний в вечернем секторе не всегда привлекали внимание. Они характеризуются весьма специфической особенностью — изгибом, который во время суббури движется к западу вдоль спокойной дуги полярных сияний (в вечернем секторе). Этот период непродолжителен: изгиб движется со скоростью около 1 км/с, т. е. проносится над отдельной станцией наблюдений почти мгновенно. Ясно, что при статистической обработке данных наиболее часто наблюдаемой характеристикой полярного сияния в вечернем секторе овала полярных сияний оказывалась спокойная однородная дуга, а не изгиб. Кроме того, в вечернее время овал проходит севернее станций, попадающих ночью в его зону. Поэтому регистрировать детали форм полярных сияний, которые на этот раз видны не в зените, а па северной части горизонта, сложнее.

Эпицентр суббури расположен в полуночном участке аврорального овала. Затем она распространяется во все стороны, в том числе и на восток — в сторону утреннего сектора, где чаще всего наблюдаются светящиеся пятна, т. е. те формы, в которые по мере затухания превращаются лучистые полосы полярных сияний. Если активные периоды (суббури) проходят достаточно часто (с интервалом меньше нескольких часов), то светящиеся пятна в утреннем секторе не успевают полностью исчезать с небосвода. Отсюда считалось, что для утреннего сектора характерна фиксированная картина полярных сияний.

Как же протекает суббуря в полярных сияниях? Во-первых, само ее начало определяется не местным временем, а мировым: в определенный его момент начинается процесс активизации форм полярных сияний, который постепенно захватывает овал полярных сияний. Но какую именно форму имеют эти активные сияния, зависит от местного времени: вечером это движущийся к западу изгиб, утром — светящиеся пятна.

Рис. 32. Схема, иллюстрирующая развитие суббури в полярных сияниях

Для удобства анализа данных весь период суббури был поделен на отдельные подпериоды или фазы. Каждый из этих подпериодов характеризуется определенным характером сияний, их динамики и форм. Началом суббури в полярных сияниях принято считать внезапное уярчение одной из спокойных дуг, расположенных в полуночном секторе овала полярных сияний. Кроме того, началом может служить образование новой дуги (рис. 32, схема Б). Это происходит за 5 мин от начала процесса. Затем уярченная или новая дуга начинает быстро двигаться к полюсу. В околополуночном секторе в полярных сияниях появляется «выпуклость» (рис. 32, схема В). Продолжительность этого подпериода 5—10 мин. После чего в образовавшейся выпуклости начинается распад полярных сияний. При этом выпуклость постепенно расширяется во всех направлениях (схема Г). Этот подпериод длится 10—30 мин. В вечернем секторе возникает крупномасштабная складка или, как уже говорилось, движущийся к западу вдоль дуги сияний изгиб (схема Д). Светящиеся пятна в утреннем секторе, образовавшиеся в результате распада активных форм сияний, дрейфуют к востоку со скоростью 30 м/с. На дневной стороне наблюдаются только лучистые формы полярных сияний. Начало суббури в полярных сияниях на дневной стороне проявляется только в предполуденные и послеполуденные периоды. В это время появляются тонкие лучистые дуги, которые ориентируются вдоль овала полярных сияний, их интенсивность увеличивается. Процесс активизации полярных сияний в этих формах на дневной стороне не наблюдается.

Через 5—10 мин после начала суббури па полуденной стороне все еще видны отдельные лучи; дуги полярных сияний в предполуденные и послеполуденные часы уярчаются. Почти одновременно на ночной и дневной сторонах усиливается интенсивность сияний. Но когда на ночной стороне сияния достигают наибольшей активности, на дневной — они ослабевают и распадаются.

Так выглядит фаза развития суббури от ее начала в полуночном секторе овала полярных сияний до момента, когда расширяющаяся выпуклость достигает наибольшей геомагнитной широты. Продолжительность этой фазы постоянно меняется, но в среднем составляет от 30 мин до 1 ч.

Вслед за ней идет фаза восстановления спокойных форм полярных сияний. Ее начало связано с увеличением активности полярных сияний на дневной стороне, где они появляются в зените в большом интервале широт. На приполюсной границе овала дневной стороны возникают формы сияний, характерные для этой стороны при спокойном геомагнитном поле. В этот подпериод изгиб продолжает движение на запад, уходя на большие расстояния (схема Д) и постепенно вырождаясь в нерегулярные полосы свечения. Утром в восстановительную фазу движущиеся к востоку светящиеся пятна наблюдаются до конца суббури, т. е. до момента, когда распределение форм полярных сияний во всех участках овала будет таким же, как и до начала суббури.

Фотоснимки всей полярной области, сделанные камерой, установленной на ИСЗ, подтвердили правильность описанной выше картины суббури в полярных сияниях. Ценную информацию дали также исследования с помощью аппаратуры, смонтированной на высотных скоростных самолетах-лабораториях. Последние, двигаясь в сторону вращения Земли, позволяют наблюдателю (и измерительной аппаратуре) находиться постоянно в точке с одним и тем же местным временем. Благодаря этому наблюдатель имеет возможность видеть изменения форм полярных сияний, зависящие только от мирового времени.

Рис. 33. Распределение протонного полярного сияния в координатах широта — время эксцентричного диполя

Теперь рассмотрим, как протекает суббуря в протонных полярных сияниях. Установлено, что они заметно изменяются во время суббури в полярных сияниях. Изучение этих изменений дает информацию о поведении протонов с энергиями 1—50 кэВ в моменты полярных сияний. Эти протоны играют важную роль в основных процессах, связанных с магнитосферной суббурей.

Обратимся к рис. 33. Как видим, протонное сияние занимает область овальной формы с эксцентриситетом относительно геомагнитного полюса. Область-овал протонного сияния располагается к экватору от овала электронных полярных сияний в вечерние часы. В утреннем секторе это положение выражено менее четко. Во время суббури картина существенно усложняется. Поэтому трудно точно определить положение протонного полярного сияния относительно электронного.

Рис. 34. Развитие суббури в протонном полярном сиянии

Как показали измерения, в полуночном секторе в период суббури водородные эмиссии медленно ослабевали в момент появления над станцией наблюдений выпуклости электронных полярных сияний.

В ранние вечерние часы зона водородных эмиссий располагалась значительно южнее яркого свечения полярных сияний и визуально была связана с более слабой однородной дугой, совпадающей с максимумом водородной эмиссии. Последняя медленно ослабевала при наличии очень яркого электронного полярного сияния, охватившего весь небосвод. В момент наблюдения электронных полярных сияний, а также после их распада интенсивность излучения линии Н_β увеличивается по всему небу, но она же остается довольно постоянной в областях, где имеют место пульсирующие полярные сияния.

О том, как развивается суббуря в протонном полярном сиянии, можно судить по рис. 34. Здесь условно обозначены области вторжения протонов для четырех стадий развития суббури. В отсутствии суббури протоны высыпаются вдоль овальной полосы, расположенной несколько экваториальнее овала электронных полярных сияний. В полуночном секторе протоны вторгаются по всей области выпуклости полярного сияния. По мере развития суббури район вторжения, как и сама выпуклость, быстро расширяется. В вечернем секторе протонное сияние в начальной фазе суббури с большой скоростью смещается к экватору. Изгиб электронного полярного сияния, движущийся к западу и отклоняющийся далеко в вечерний сектор, видимо, не содержит водородных эмиссий.

В утреннем секторе водородные эмиссии наблюдаются на значительных площадях. Их интенсивность сохраняется почти неизменной, в то время как интенсивность свечения окружающих пятен может иметь пульсирующий характер.

Говоря об источниках протонных полярных сияний, следует отметить, что в полуночном и раннем утреннем секторах кольцевого тока в начальную фазу развития полярной суббури протоны внезапно исчезают. Возможно, они и вызывают протонные полярные сияния во время суббури.

Рассмотрим, как связана суббуря в полярном сиянии с изменениями, происходящими в это время в геомагнитном поле. Речь идет о ее связи с полярной магнитной суббурей. Обратимся к понятию токовые системы. Как известно, токовые системы, рассчитанные по данным об изменении векторов геомагнитного поля, называются эквивалентными токовыми системами. Конечно, они не являются реальными. Эти токовые системы эквивалентны реальным в смысле создаваемого ими магнитного поля.

Было показано, что основные явления, связанные с электрическими ионосферными токами (так же как и полярные сияния), протекают вдоль овала, а не зоны полярных сияний.

В зависимости от того, куда движется электрический ток, на запад или на восток, его магнитное поле будет иметь составляющую в горизонтальной плоскости, направленную соответственно на юг или на север. Если электрический ток в ионосфере направлен на восток, то составляющая магнитного поля в горизонтальной плоскости (H-составляющая) должна увеличиваться, если на запад, то — уменьшаться. Это регистрируют магнитометры на поверхности Земли. Магнитометр на НСЗ, ведущий измерение выше области электрического ионосферного тока, дает обратную картину: над восточным током будет отмечено уменьшение суммарного магнитного поля (геомагнитное поле плюс магнитное поле тока), над западным — его увеличение. Эти изменения магнитного поля в сторону его увеличения или уменьшения, имеющие на записях магнитометров форму бухты, называются положительными и отрицательными магнитными бухтами.

Наличие отрицательной магнитной бухты в горизонтальной составляющей магнитного поля на поверхности Земли свидетельствует о том, что создающий ее ток, или, как принято говорить, электроструя (электроджет), направлен в ионосфере на восток.

Полярная магнитная суббуря выглядит следующим образом. На время магнитосферной суббури (1—3 ч) в ионосфере высоких широт образуется токовая система (рис. 35). Как видим, электрические токи текут в утреннем секторе овала полярных сияний на запад, а в вечернем секторе на восток. Эта токовая система появляется только время от времени (в период магнитосферных суббурь) и проявляется импульсным образом в виде последовательных всплесков. Так же как овал полярных сияний привязан не к Земле, а к направлению Земля—Солпце, эта токовая система фиксирована относительно этого направления, а Земля вместе с наблюдательными станциями прокручивается под этой токовой системой.

Теперь обратимся к тому, как связаны полярные сияния в различных временных секторах во время суббури в полярных сияниях с магнитными возмущениями, обусловленными этой токовой системой. Магнитные возмущения будем рассматривать в непосредственной близости от областей, занятых полярным сиянием. Эту связь можно проследить на диаграмме типичных вариаций горизонтальной составляющей геомагнитного поля во время суббури полярных сияний.

Исследования показали, что одновременно со смещением фронта выпуклости в полярных сияниях в полуночном секторе движется электрический ток западного направления. Это подтверждают магнитные записи, показывающие динамику отрицательных бухт в горизонтальной составляющей магнитного поля.

Рис. 35. Эквивалентные токовые системы умеренной (а) и интенсивной полярной магнитной суббури (б) по Я. И. Фельдштейну

В вечернем секторе овала полярных сияний суббури характеризуются движением к западу изгиба вдоль дуги сияния. Сопоставление с данными об изменении магнитного поля показало, что прохождение изгиба связано с увеличением магнитного поля, т. е. магнитометры на Земле регистрируют положительную магнитную бухту в том случае, когда движущийся к западу изгиб перемещался севернее станции измерения. Часто наблюдаются более сложные ситуации, в которых движение изгиба на запад сопровождается как положительными, так и отрицательными бухтами в зависимости от времени развития явления и места регистрации. Станция полярной шапки, находящаяся далеко от изгиба, регистрирует положительную бухту в горизонтальной составляющей магнитного поля. Станция, расположенная достаточно близко к западной электроструе, отметит отрицательную бухту. Для того чтобы правильно сопоставлять указанные данные, необходимо знать расстояние между станцией и овалом полярных сияний.

В утреннем секторе во время суббури активность полярных сияний зависит от положения станции относительно овала сияний. Если наблюдения ведутся из пункта, расположенного к полюсу от овала полярных сияний, то будут регистрироваться либо расширение сияния к полюсу, либо движущийся к востоку изгиб. Этот изгиб менее выражен, чем в вечернем секторе. Вначале наблюдается незначительное движение дуг полярных сияний к экватору, которое сменяется более существенным движением их к полюсу. В самом овале часто регистрируется дрейф нерегулярных полос в направлении к востоку. На экваториальном краю овала наиболее часто происходит распад дуг и дрейф образующихся светящихся пятен к востоку.

Распад активных форм полярных сияний начинается сначала на экваториальной границе овала полярных сияний в полуночном секторе и быстро распространяется в направлении к востоку и к полюсу. Распад дуг полярных сияний связан с отрицательной бухтой. В утренние часы величина самой бухты меньше, чем в полуночные часы, а начало ее выражено менее четко.

В утреннем секторе вдоль зоны полярных сияний (а не вдоль овала) наблюдается обширное свечение в линиях 3914 и 5577 Å. Напомним, что эта область совпадает с месторасположением области повышенного риометрического поглощения радиоволн в утренние часы. Эти сияния названы сияниями типа мантии. Интенсивность этих сияний зависит от степени планетарной возмущенности геомагнитного поля Земли (от индекса К_Р).