Полярные сияния

Рис. 44. Распределение электронной концентрации в области D ионосферы, измеренной вблизи Осло (Норвегия) методом кросс-модуляции

Числами на графиках указано время дня в часах (время среднеевропейское 15° в. д.)

Рис. 45. Высотное распределение электропроводности ионосферы

На вертикальной оси указаны два значения высоты над уровнем моря

Как уже говорилось, в высоких широтах в отличие от средних в ионизации атмосферы, кроме электромагнитного излучения Солнца, участвуют также заряженные частицы. Если анализировать профиль электронной концентрации снизу вверх, то получится следующая картина. На самом низу ионосферы, выше 50 км, ионизация создается потоками солнечных космических лучей (протонов с энергиями в сотни МэВ). Эта ионизация вызывает поглощение радиоволн коротковолнового диапазона. Область повышенной ионизации в нижней ионосфере занимает всю полярную шапку. Это так называемое поглощение полярной шапки (ППШ), с которым связано появление форм полярных сияний определенных свойств. Особенность состоит в том, что частицы, вызывающие ППШ (протоны и -частицы), имеют энергию от 10 до 100 МэВ и проникают на высоты 30—80 км, где производят ионизацию и возбуждение. Здесь происходит быстрая дезактивация возбужденных атомов при столкновениях с окружающим газом. Поэтому ниже 70 км почти все излучение в линии 5577 A гасится. Отсюда наиболее поразительной оптической характеристикой этого типа свечения является то, что полосы первой отрицательной системы N₂⁺ в несколько раз сильнее, чем зеленая линия 5577 A.

Рис. 46. Распределение частоты появления плоских E_s и E_s типа а для зимы (I) и лета (II) по данным за 1958 г. по А. С. Беспрозванной

Система координат: исправленная геомагнитная широта — местное время

Кроме ППШ, в высоких широтах наблюдается авроральное поглощение. Оно обусловлено повышенной ионизацией в области D заряженными частицами, которые осаждаются приблизительно в зону полярных сияний. Распределение аврорального поглощения зависит от широты, времени суток, сезона, солнечной активности и магнитной возмущенности.

Выше области D располагается область Е. В высоких широтах наряду с ионизацией, создаваемой в этой области электромагнитным излучением Солнца, под действием заряженных частиц создаются целые ионосферные слои. Это спорадические слои Е_s различных типов. Их пространственное распределение отражает размещение в пространстве потоков заряженных частиц, которые их вызывают. Основные особенности широтно-временного распределения этих типов (см. рис. 46) следующие:

1. Имеются две области увеличенной вероятности появления спорадической ионизации — авроральная зона и приполюсная область. Максимальные значения вероятности появления Е_s в первой зоне превышают 0,7, во второй составляют только 0,25—0,30.

2. Авроральная область увеличенной вероятности появления имеет сложный характер, в утренне-ночном секторе она расщепляется на две зоны повышенной вероятности образования Е_s. Более высокоширотная подобласть достигает максимума на широте 70°, более низкоширотная подобласть — на 62—63°. В щели между этими подобластями, которая центрируется на 66,5° и имеет протяженность по широте 2—3°, вероятность образования E_s минимальная. В послеполуденные и вечерние часы такое расщепление отсутствует и отмечается только один максимум в вероятности образования E_s на 69—70°.

Наибольшая вероятность образования E_s в этих двух подобластях авроральной области возможна в равное время суток: в высокоширотной она приходится на околополуночные часы, а в низкоширотной — на ранние утренние. Наблюдается существенное изменение положения подобластей и щели между ними и величины самой вероятности образования E_s в зависимости от уровня геомагнитной активности. В магнитоспокойных условиях расщепление авроральной области увеличенной вероятности образования E_s отсутствует (наблюдается один максимум в широтном ходе вероятности образования E_s). В магнитовозмущенные периоды отчетливо выражен второй максимум на 63°, сравнимый по величине с первым. Такой же широтный ход был зафиксирован и в полярных сияниях и магнитной активности.

Ионосферные слои E_s плоского типа и типа а наиболее часто проявляются в геомагнитоспокойные сутки. При умеренной активности вероятность образования E_s типа a уменьшается, в сильновозмущенных условиях он практически не наблюдается. Наблюдения показали тесную связь между увеличением электронной концентрации на высоте 120 км и уровнем геомагнитной активности. С увеличением геомагнитной активности вместо слоя E_s типа а наблюдался слой E_s типа r; когда же спокойные условия восстанавливались, снова можно было увидеть слой E_s типа a.

Спорадические слои E_s очень тесно связаны с полярными сияниями. Так, с увеличением активности последних возрастают критические частоты слоя E_s типа r. Суточный ход вероятности образования E_s типа r имеет три максимума в моменты, близкие к моментам наблюдения максимальных значений интенсивности водородной эмиссии в зените. При минимальной и максимальной солнечной активности полярные сияния, как правило, сопровождаются образованием спорадических слоев.

Рис. 47. Схематическое представление в системе координат инвариантная широта — местное время зон, в которых в зимних условиях наблюдается увеличение электронной концентрации на высоте 1000 км в магнитоспокойных и магнитовозмущенных условиях

Установлено, что спорадический слой Е является чувствительным индикатором дискретных полярных сияний от слабых и субвизуальных до очень ярких и активных полярных сияний во время суббури.

Влияние высыпания заряженных частиц области F высоких широт прослеживается и в подобных областях, совпадающих по широте с овалом полярных сияний, концентрация электронов также повышенная. Эта область получила название плазменного кольца. Заряженные частицы, ответственные за повышенную ионизацию в области F, вызывают и полярные сияния. Плазменное кольцо, так же как и овал полярных сияний, с увеличением магнитной активности смещается в сторону более низких широт. При этом оно расширяется. В системе координат инвариантная широта — местное время о зонах повышенной концентрации электронов на высоте 1000 км можно судить из схемы рис. 47.

Область повышенной концентрации электронов характеризуется рассеянным характером отражений радиоволн и большой ото дня ко дню изменчивостью электронной концентрации. Во время суббури эта область неоднородностей расширяется и движется в сторону более низких широт, как и овал полярных сияний. В восстановительную фазу суббури, так же как и овал сияний, смещаются обратно в направлении к полюсу.

Экваториальная граница зоны неоднородностей дневного сектора соответствует экваториальной границе полярных сияний независимо от движения последних или фазы суббури. Ширина этой зоны в дневном секторе увеличивается на несколько градусов по широте на протяжении фазы расширения магнитосферной суббури. Установлена тесная связь между движениями полярного каспа, фазой суббури и положением зоны неоднородностей.

В ночном секторе овала полярных сияний зона ионосферных неоднородностей совпадает с областью, занятой эмиссией 6300 A, которая простирается от 2 до 10° по широте вдоль овала. В ночном секторе в отличие от дневного в этой области появляются как дискретные, так и диффузные формы полярных сияний. Напомним, что зона неоднородностей и область эмиссии 6300 A дневного сектора содержат только дискретные формы полярных сияний. Существует очень тесная связь между шириной этой зоны и активностью суббури во все фазы магнитосферной суббури, начиная от ее начала и даже после фазы восстановления.