Полярные сияния

Результаты измерения температуры атмосферы допплеровским методом показали, что она за 2—3 мин может меняться на 100 К. Было также получено, что с увеличением яркости свечения допплеровская температура уменьшается. Даже при кратковременных изменениях интенсивности изменяется температура. Такая зависимость связана с тем, что высота полярного сияния зависит от характеристик вторгающихся частиц, а именно их энергии.

Второй метод определения температуры атмосферы связан с распределением молекул по вращательным энергиям, которое влияет на распределение интенсивности внутри полосы излучения. Данный метод применяется главным образом к полосам первой отрицательной системы азота N₂⁺. В фиолетовой части спектра, где эти полосы наиболее интенсивны и их легко измерять, вращательная температура такова, что распределение энергии среди вращательных линий можно достаточно точно измерить. Самопоглощение для этих полос мало из-за низкой концентрации ионов N₂⁺. В молекулярных полосах распределение интенсивности вращательных уровней удобно для целей измерения температуры: большинство вращательных уровней населено.

Распределение населенности очень чувствительно к температуре газа. Однако и этот метод сопряжен с большими сложностями, связанными со структурой полос, их интенсивностью и пространственным разрешением, а также с трудностью точно определить высоту полярного сияния. Вращательные линии заметно перекрываются, а слабые полосы сильно блендуются другими эмиссиями полярных сияний. Метод, естественно, дает большую точность для случаев более интенсивных полярных сияний (это позволяет взять меньше время измерения).

Установлено, что лучше всего использовать измерение интенсивности полос (0—0), (0—1) первой отрицательной системы N₂⁺ с длинами волн 3914 и 4278 A.

Поскольку время жизни возбужденных молекул очень мало, то тепловое распределение определяется нейтральными молекулами, находящимися в основном состоянии.

Был изготовлен «температурный фотометр» с двумя узкополосными фильтрами, центрированными на длины волн таким образом, чтобы интенсивности излучений, пропускаемых фильтрами, были чувствительны к вращательной температуре. Измерения проводились за 1 с. С помощью этого прибора был измерен высотный градиент температуры, равный 6 К/км.

Использование фотоэлектрических спектрометров дало наиболее надежные измерения вращательной температуры. Эти измерения также дали величину высотного градиента 5-6 К/км.

Было установлено, что несколько раньше периода распада активных форм полярных сияний вращательная температура несколько выше нормальной, а после фазы распада — ниже ее.

Таким образом, благодаря оптическим наблюдениям полярных сияний можно узнать температуру атмосферы с временным разрешением порядка секунд и с точностью 10% и даже лучше. Такие измерения позволяют непрерывно следить за температурой и ее изменениями в зависимости от солнечного цикла и времени года, а также в течение ночи и в периоды возмущений. Оптические измерения температуры позволяют определить высоту диффузных форм полярных сияний, которую невозможно измерить параллактическим методом.

Радиосияния

Мы говорили о том, что полярная ионосфера очень сильно отличается от ионосферы средних широт. Это отличие состоит прежде всего в том, что источник ионизации, которому обязана своим существованием полярная ионосфера, нерегулярен во времени и неоднороден в пространстве. Кроме того, в полярной ионосфере содержатся неоднородности электронной концентрации различных размеров и с различными временами жизни. Все эти особенности полярной ионосферы не могут не сказываться на распространении радиоволн различных диапазонов в высоких широтах.

Так, еще в 30-е годы было обнаружено, что можно установить надежную связь между корреспондентами в Арктике, если радиоволну направлять не на корреспондента, а в направлении севера. Напомним, что радиосвязь в обычных условиях на коротких волнах идет путем зеркального отражения радиоволны от ионосферного слоя. При этом падающая под определенным углом на ионосферный слой и отраженная от этого слоя радиоволна проходят в одной плоскости. Угол падения и угол отражения радиоволны равны. Чтобы отражение радиоволны было зеркальным, надо, чтобы ионосферный слой был достаточно толстым и не содержал неоднородностей электронной концентрации.

В полярной ионосфере ситуация значительно сложнее: там содержатся не только ионосферные неоднородности, но и горизонтальные градиенты электронной концентрации. Поэтому радиоволны не обязательно будут распространяться в плоскости большего круга. Кроме того, появляются различные возможности отражения и рассеяния радиоволн (вперед, назад, под углом к направлению распространения и т. д.). Отсюда проблема распространения радиоволн в высоких широтах очень сложная, чем и объясняется трудность обеспечения там надежной и стабильной радиосвязи, уверенной работы радионавигационных и радиолокационных систем и других установок, использующих при своем функционировании распространяющиеся радиоволны.

Мы не можем здесь рассматривать всю проблему особенностей распространения радиоволн в высоких широтах, а рассмотрим только особенности, которые очень тесно связаны с полярными сияниями.

Радиосияния — это отражение радиоволн от областей в полярной ионосфере, занятых полярными сияниями. Отсюда и термин «радиосияния» наряду с термином «полярные сияния». По крайней мере длительное время считалось, что отражение радиоволн происходит в точности от полярных сияний и радиометодом можно исследовать закономерности самих полярных сияний. В дальнейшем, при более полном изучении явления, оказалось, что связь радиосияний с полярными сияниями более сложная, тем не менее оба явления являются проявлением одного и того же процесса — вторжения потоков заряженных частиц в ионосферу высоких широт.

Профессиональные исследования радиосияний начались сразу же после второй мировой войны. До этого радиосияния интересовали только радиолюбителей, которые успешно использовали это явление для установления радиосвязи со своими корреспондентами.

В 1947 г. на радиолокационной установке, которая предназначалась для исследования метеоров, в ночь с 15-го на 16 августа, были зарегистрированы интенсивные отраженные сигналы. Антенна радиолокатора была направлена в зенит и имела слабую направленность. В зените и на севере в это время были видны полярные сияния. Интенсивность отражения была настолько сильной, что она не могла быть объяснена отражением от областей в зените. Впоследствии было показано, что радиолокатор через боковой лепесток антенны регистрировал частичное зеркальное отражение от плоской поверхности, образованной дугами и драпри полярных сияний, расположенных на севере близ горизонта.

В этих экспериментах была впервые обнаружена главная особенность радиосияний — «ракурсный эффект». Он состоит в том, что независимо от места расположения станции радиолокаторы регистрировали всегда отражение только под малыми углами к горизонту с дальностей 400—1100 км. В северном полушарии эти отражения регистрировались в северном квадранте, а в южном полушарии — в южном квадранте.

Проблема радиосияний распадается на два главных вопроса: 1) чем они вызываются и 2) каковы их основные закономерности и как они связаны с другими геофизическими явлениями — полярными сияниями, ионосферными токами и возмущением геомагнитного поля.

Первое объяснение радиосияний попытался дать С. Чепмен, который полагал, что они происходят от ионосферных неоднородностей, которые вытянуты вдоль силовых линий геомагнитного поля. Вначале считалось, что последние непосредственно связаны с лучами полярных сияний.

В соответствии с рекомендацией шестой международной комиссии МАГА под радиоавророй (радиосияниями) в настоящее время «понимается специфический для полярных областей эффект, состоящий в том, что в полярной ионосфере во время магнитных возмущений возникают особые неоднородности электронной концентрации, которые способны интенсивно рассеивать радиоволны КВ, УКВ и СВЧ диапазонов. Особые свойства неоднородностей проявляются в том, что интенсивность рассеянного на них сигнала зависит от угла между нормалью к фронту падающей волны и вектором магнитного поля Земли в точке рассеяния».