Полярные сияния

Зона ионосферных неоднородностей в области F в ночном секторе овала полярных сияний вызывается низкоэнергичными электронами, приходящими из плазменного слоя магнитосферы. Поэтому меридиональные вариации пояса свечения 6300 A и зоны неоднородностей отражают изменения в конфигурации этого слоя. Установлена количественная связь между интенсивностью эмиссии 6300 A и параметрами слоя F₂.

Теперь рассмотрим ионосферную суббурю.

В настоящее время наиболее полно изучена природа суббури в самой нижней области ионосферы — D. Как известно, интенсивное высыпание заряженных частиц вызывает активное поглощение радиоволн. Последнее делает неэффективным применение в такой момент метода вертикального зондирования ионосферы. Зато можно измерять интенсивность космического радиошума (изменения интенсивности за счет поглощения его в нижней ионосфере), а это дает информацию о состоянии нижней ионосферы.

Интенсивная ионизация в нижней ионосфере, ответственная за поглощение радиоволн, вызывается электронами с большими энергиями, чем у электронов, которые создают видимые полярные сияния. Поэтому должна наблюдаться более тесная связь между суббурей в поглощении и суббурей в рентгеновском излучении.

Рис. 48. Схема, иллюстрирующая суточную вариацию поглощения космического радиоизлучения

1 — довольно спокойный период;

2 — умеренно-возмущенный период;

3 — возмущенный период

Обратимся к схеме суточной вариации поглощения на типичной станции зоны полярных сияний (рис. 48). При этом выделим три типа поглощения: Е — кратковременного, импульсного типа в вечерние часы, N — сильного с внезапным началом в околополуночные и ранние утренние часы, М — с постепенным началом в поздние утренние часы. Эта классификация основана на особенностях развития полярных сияний в период поглощения каждого типа.

Поглощение типа Е связано с движением полярных сияний к полюсу в полуночном секторе в период суббури. Область поглощения расширяется к полюсу в фазе развития и сжимается к экватору в фазе восстановления.

Поглощение типа Е связано с движущимся к западу изгибом. Наибольшая продолжительность поглощения этого типа частично обусловлена сильной концентрацией вторгшихся электронов вблизи центральной области изгиба, которая перемещается со скоростью около 2 км/с. Данное поглощение менее интенсивно, чем в случае типа N, хотя яркий изгиб может покрывать значительную часть небосвода. Видимо, вторгающиеся в область изгиба частицы имеют меньшую энергию, и большая их часть тормозится выше 100 км. Тогда они вызывают интенсивное свечение и только незначительное поглощение.

Если овал полярных сияний спускается до геомагнитной широты 65° в ранние вечерние часы, то спокойное полярное сияние и движущиеся к западу изгибы наблюдаются необычно рано. Это приводит к аномально раннему возникновению поглощения типа Е. В таких случаях поглощение типа N также имеет тенденцию появляться раньше, чем обычно.

Связь между поглощением типа Е и положительными магнитными бухтами либо отсутствует, либо очень слаба. Поглощение минимально в вечерние часы, когда бухты проявляются наиболее часто. Положительные магнитные бухты регистрируются при прохождении движущихся к западу изгибов к полюсу от станции зоны полярных сияний.

Отрицательные магнитные бухты связаны с поглощением типов N и М. Отрицательная бухта наблюдается в тех случаях, когда движущийся к западу изгиб проходит немного севернее станции.

Поглощение типа М связано с дрейфующими к востоку полосами или пятнами. Этот тип поглощения характеризуется не только довольно плавным началом, но и отсутствием одновременного взрывообразного усиления яркости полярного сияния. Поглощение типа М (в отличие от Е и М) обусловлено вторжением более жестких электронов. Последние проникают глубже в атмосферу, поэтому поглощение проявляется больше, а результирующее свечение меньше (вследствие эффективной дезактивации возбужденных атомов кислорода).

Статистические исследования показали, что поглощение типа М наиболее интенсивно в поздние утренние часы и часто охватывает полуденный сектор. В поздние утренние часы оно наблюдается на широтах зоны полярных сияний, а электроструя течет вдоль овала полярных сияний, т. е. севернее области поглощения. Поэтому отсутствует хорошая корреляция между магнитной активностью (интенсивность электроструи) и поглощением типа М.

Поглощение типа М в поздние утренние часы связано с развитием типичной полярной суббури в полуночном секторе (взрывообразным движением полярных сияний, резким началом отрицательных бухт и началом поглощения типа N). Поглощения типа N в полуночном секторе взаимодействуют с поглощением типа М в поздние утренние часы.

Развитие суббури в поглощении показано на рис. 49.

Вторжение заряженных частиц в высокоширотную атмосферу во время магнитосферной суббури связано с различными явлениями. Это возникновение электрических токов, которые служат причиной полярной магнитной суббури, а также изменение (увеличение) ионизации в различных областях ионосферы, прежде всего в области D. Последнее является суббурей в поглощении радиоволн.

Эти два явления мы уже рассмотрели. Но существуют и другие проявления магнитосферной суббури. Так, во время суббури энергичные электроны, вторгающиеся в верхнюю атмосферу в полярных областях, при столкновении с частицами верхней атмосферы порождают фотоны тормозного рентгеновского излучения, которые регистрируются аэростатами на высотах около 30 км. Это так называемая суббуря в рентгеновском излучении.

Рис. 49. Распределение аврорального поглощения во время магнитосферной суббури 15 янв. 1969 г. по данным сети риометров в северном полушарии

Кроме этого имеются и суббури в ОНЧ-излучении и в геомагнитных микропульсациях. Радиолокационные отражения от ионосферных неоднородностей (так называемые радиосияния) также выявляют зависимость от развития магнитосферной суббури.

Существует большое сходство во временных вариациях рентгеновского излучения и поглощения космического радиоизлучения. Всплески рентгеновского излучения связаны с поглощением типа М.

Рентгеновское излучение наиболее интенсивно в окрестностях полярной электроструи, т. е. его максимум совпадает с областью расширяющейся к полюсу выпуклости в полярных сияниях. Рентгеновское излучение наблюдается непосредственно под полосой активного сияния с нижним красным краем.

Определено, что во время магнитосферной суббури энергетический спектр электронов смягчается, а к концу суббури восстанавливается. Была также зафиксирована хорошая корреляция между всплеском рентгеновского излучения и прохождением изгиба полярного сияния.

В вечернем секторе ситуация иная. Здесь всплески рентгеновского излучения не сопровождаются смягчением их энергетического спектра (во время суббури). Они, видимо, не связаны с полярными сияниями или магнитными явлениями. Маловероятно, чтобы они были связаны и с движущимся на запад изгибом полярных сияний. Вечерние всплески рентгеновского излучения, по-видимому, контактируют с потоками энергичных электронов, которые вторгаются также в полуночный сектор, но дрейфуют вокруг Земли через полуденный меридиан.