полярные сияния

ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ - свечение верхних слоев атмосферы, вызванное возбуждением атомов и молекул на высотах 90-1000 км потоками электронов и протонов с энергиями от сотен эВ до десятков кэВ, вторгающихся в атмосферу из космоса. В видимой области спектра оно наблюдалось на протяжении веков, с появлением же спутников и ракет наблюдения П. с. расширились в ИК-, УФ- и рентгеновскую области спектра. П. с.- конечный результат сложных процессов в околоземном пространстве, где происходит ускорение заряж. частиц, к-рые обычно называют авроральной радиацией или авроральными частицами . Соударения энергичных частиц с атомами и молекулами газов верхней атмосферы приводит к возбуждению последних. Возврат в равновесное состояние сопровождается излучением квантов характерных длин волн, т. е. появляется П. с. Спектроскопич. измерения позволяют судить о величине энергии вторгающихся частиц, т.к. эфф. сечения возбуждения эмиссий по-разному зависят от энергии частиц, а эффективность гашения зависит от частоты соударений, т. е. от высоты. Кроме того, глубина проникновения корпускул в атмосферу непосредственно связана с их энергией. Особенности спектра дают сведения о темп-ре слоев атмосферы, к-рые пересекают корпускулы, их плотности и составе, степени ионизации и ветрах на этих высотах. Однородное высыпание авроральной радиации в верхнюю атмосферу вызывает диффузное свечение, к-рое несёт осн. долю энергии, поглощаемой верхней атмосферой, и создаёт однородный светящийся фон. На этом фоне возникают яркие разноцветные подвижные и вспыхивающие занавеси и лучи, дуги, полосы и пятна, к-рые обычно и наз. П. с. Эти дискретные формы свечения интенсивностью от 1 до десятков кРэлей вызываются концентриров. вторжениями пучков электронов, ускоренных к Земле электрич. полем вдоль магн. силовых линий. Исследования П. с. показали, что частота их появления и интенсивность, особенно в ср. широтах, явно коррелируют с активностью Солнца.

П. с. характеризуются в каждый данный момент разнообразием и причудливостью форм, к-рые в первом приближении можно подразделить на ряд элементарных форм: малоподвижные однородные дуги и полосы в виде длинных лент (рис. 1, а), протянувшихся по небосводу на сотни и иногда тысячи км; лучистые формы со значит. вертикальной протяжённостью в виде отд. лучей, пучков лучей или целых занавесей (рис. 1, б, в); "корона", лучи к-рой вытянуты вдоль силовых линий геомагн. поля и поэтому сходятся в перспективе в т. н. точке магн. зенита (рис. 1, г); диффузное свечение в виде пятен (рис. 1, д)или однородной поверхности - т. н. вуаль. Если П. с. слабое, оно воспринимается человеческим глазом как серо-зеленоватое, если яркое,- наблюдается игра красок и оттенков красного, зелёного, пурпурного и фиолетового-цветов.

Кол-во дней с П. с. увеличивается при переходе от средних к высоким широтам. В ср. широтах П. с. появляются только в периоды магн. бурь. Макс. число дней с П. с. достигается на геомагн. широте в более высоких широтах - значительно меньше. Т. о., макс. изохазма (линия на поверхности Земли, вдоль к-рой П. с. наблюдаются каждый день) располагается над центральной Аляской, сибирским побережьем Сев. Ледовитого ок., пересекает полуостров Таймыр, северную оконечность Скандинавии, юг Исландии и южную оконечность Гудзонова залива в Канаде. Согласно наблюдениям с помощью ав-томатич. камер, дискретные формы П. с. существуют практически постоянно вдоль овалов П. с., к-рые по одному в Северном н Южном полушариях фиксированы относительно направления на Солнце и как бы "висят" в пространстве над вращающейся Землёй, располагаясь эксцентрично геомагн. полюсу - нав дневном секторе и в ночном (рис. 2), постепенно изменяя шпроту в утреннем и вечернем секторах. С высот10000 км со спутников получены фотографии области свечения П. с. во всей области высоких широт (рис. 3).

Рис. 2. Овалы полярных сияний над поверхностью Земли: а - в виде узкого кольца в магнитоспокойные периоды и б - в виде заштрихованной области в магнитовозмущённые периоды. Цифрами указаны высоты овала над поверхностью Земли.

Рис. 3. Фотография овала полярных сияний в Северном полушарии (крестиком обозначен геомагнитный полюс).

Овал располагается в пределах полосы диффузного аврорального свечения, охватывающей также область широт к полюсу и к экватору от овала. Это слабое субвизуальное (ниже порога чувствительности глаза) свечение с интенсивностью 10 Рэлеев.

В магнитоспокойные интервалы овал П. с. очень узок; во время магн. возмущений он существенно расширяется, особенно на ночной стороне. Полярное диффузное свечение распространяется далеко к полюсу от овалов в магнитоспокойные интервалы, но прижимается к овалу в виде узкой полосы во время возмущений. В спокойные периоды в т. н. полярной шапке появляются ориентированные на Солнце дуги полярных сияний. Диффузное субвизуальное авроральное свечение распространяется и к экватору от овала.

Исследование спектра П. с. показало, что он состоит как из атомарных эмиссий, так и из систем полос нейтрального и ионизированного молекулярного азота и кислорода. Наиб. интенсивны эмиссии атомарного кислорода с длинами волн l = 557,7 нм (зелёная линия) и l = 630-636,4 нм (красный дублет) ионизированного молекулярного азота в эмиссиях 391,4; 427,8 и 522,8 нм (ближняя УФ-; фиолетовая и зелёная части спектра). Эмиссии кислорода соответствуют метастабильным состояниям со временем жизни соответствующих возбуждённых атомов 0,74 и 110 с. Поэтому красный дублет возбуждается только на высотах 150-400 км, где замедленно протекают процессы дезактивации возбуждённых атомов кислорода. В высотных П. с. (т. н. тип А) этот дублет доминирует. П. с. на сравнительно небольших высотах (80-90 км), где из-за гашения интенсивности зелёной и красной линий понижены, с развитыми системами молекулярных полос относятся к типу В. Дневной и ночной участки овала П. с. располагаются на разных высотах над поверхностью Земли - 150- 170 км днём и 100-120 км ночью. Это объясняет преобладание атомарных эмиссий в дневном секторе овала и появление полос молекулярных эмиссий заметной интенсивности в ночном.

Вторжения ионов водорода приводят к появлению в спектре П. с. эмиссий Балъмера серии. Наиб. интенсивна (до кРэлея) линия с l = 656,3 нм. Протоны, двигающиеся к Земле вдоль магн. силовых линий, нейтрализуются в результате процессов перезарядки уже на высотах в сотни км и движутся дальше как нейтральные атомы водорода. Возбуждаясь при столкновениях, эти атомы затем излучают, причём линии их спектра оказываются сдвинутыми по длине волны в результате Доплера эффекта .По сдвигу линии можно определить направление движения атомов и их энергию. Излучение сосредоточено на высотах более 130 км и обусловлено вторжением протонов с энергиями 1- 100 кэВ. В вечернем секторе оно располагается к экватору от овала в виде слабой светящейся полосы протяжённостью в неск. сотен км по широте. В П. с. наб- людаются также спектральные линии гелия. Эмиссия Не с l = 388,9 нм является характерной особенностью П. с. в полярной шапке.

Спектр П. с. меняется с широтой. В ср. широтах обыч- но преобладают красные сияния типа А, на широтах зоны П. с. в ночные часы - обычный (смешанный) тип, а также сияния типа В, в полярной шапке - сияния типа А. В приполюсной области после интенсивных хромо-сферных вспышек на Солнце возникает равномерное "свечение полярной шапки" в полосах нейтрального и ионизиров. азота, к-рое обусловлено непосредств. вхождением в атмосферу солнечных протонов с энергией 1 - 100 МэВ, проникающих до высот 20-100 км.

Рис. 4. а - Структурная схема основных плазменных доменов в магнитосфере Земли, к-рая рассечена вертикальной плоскостью полдень - полночь и экваториальной плоскостью утро - вечер, а также плоскостью поперёк хвоста магнитосферы.

Планетарная картина распределения аврорального свечения связана со структурой магнитосферы, с геометрией геомагн. поля и распределением в магнитосфере авроральной плазмы. Асимметричное расположение овала П. с. относительно геомагн. полюса обусловлено сжатием магнитосферы солнечным ветром на дневной стороне и образованием магн. хвоста на ночной. На рис. 4 приведены структурная схема расположения плазменных доменов в магнитосфере (рис. 4, а) и связь их с разл. типами аврорального свечения на высотах земной атмосферы (рис. 4, б). Для выявления внутр. структуры магнитосфера рассечена вертикальной плоскостью полдень - полночь и экваториальной плоскостью утро - вечер, а также плоскостью поперёк хвоста магнитосферы. На рис. 4(б) обозначены типы аврорального свечения цифрами 1-3 на ночной стороне и цифрами 4, 5 на дневной стороне. Эти же цифры даны на сечении магнитосферы.

Рис 4. б - Типы аврорального свечения на высотах верхней атмосферы в увеличенном масштабе. На ночной стороне:

1 - приполюсное диффузное свечение, 2 - овал полярных сияний, 3 - экваториальное диффузное свечение. На дневной стороне: 4 - овал полярных сияний, 5 - приполюсное диффузное свечение, 6 - полярная шапка.

Показано, на какие структурные плазменные образования в магнитосфере проектируются разл. типы аврорального свечения. Овал П. с. 2 и 4 проектируется на низкоширотную (главную, центральную) часть плазменного слоя на ночной стороне Земли и на входной слой вблизи границы магнитосферы на дневной стороне. Экваториальное диффузное свечение 3 проецируется в магнитосферу на остаточный слой, в к-рый авроральные электроны с< 1 кэВ переносятся из плазменного слоя под действием скрещённых электрич. и магн. полей. Полярное диффузное свечение 1 и 5 проектируется на высокоширотную граничную область плазменного слоя. Дуги полярной шапки 6, ориентированные на Солнце, погружены в полярное диффузное свечение и, следовательно, проектируются на расширенный (в спокойных условиях) плазменный слой хвоста либо на расширенный пограничный слой (мантию). В дневном секторе диффузное свечение 5 к полюсу от овала проектируется на плазменную мантию и воронку каспа. Оно обусловлено вторжением частиц небольших энергий, непосредственно проникающих в эту область из солнечного ветра.

Планетарная картина развития П. с. может быть разделена на отд. серии интенсивных вспышек свечения, начинающихся на ночной стороне и постепенно охватывающих всю область высоких широт. Продолжительность их от неск. мин до десятков мин с общей длительностью серии до 1-2 ч (т. н. авроральная суббуря). Авроральная суббуря является частью суббури в магнитосфере, связанной с увеличением втекающего в магнитосферу потока энергии из солнечного ветра и частичной диссипацией энергии магн. поля, запасённой в хвосте магнитосферы. В период суббурь в верхней атмосфере при торможении авроральных электронов образуются интенсивные потоки рентг. лучей, к-рые являются более проникающими, чем авроральные электроны. Они достигают высот 30-40 км, где их можно зарегистрировать аппаратурой на высотных аэростатах. При быстрых сверхзвуковых движениях П. с. и связанных с ними мощных ионосферных токах возникают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 с, достигающие нижних слоев атмосферы.

Телевизионная техника позволила установить сопряжённость П. с. в двух полушариях, исследовать быстрые изменения и тонкую структуру П. с. Наряду с изучением естеств. П. с. были поставлены эксперименты по созданию искусств. П. с., во время к-рых с ракеты на высоте неск. сотен км инжектировался в атмосферу пучок электронов высоких энергий. Измерения интенсивности отд. эмиссий и фотографирование П. с. из космоса проводятся со спутников как на полярных круговых орбитах с высот400-1000 км, так и на эксцентричных орбитах с апогеем км. Использование свечения в крайнем ультрафиолете, излучаемого на высотах110 км, позволяет вести наблюдения П. с. также и в областях атмосферы, освещённых прямыми солнечными лучами. Т. о., со спутников осуществляется непрерывная регистрация свечения верхней атмосферы, его распределения в области высоких широт и интенсивности. Результаты используются для диагностики эл--магн. состояния ближнего космоса.

Лит.: Чемберлен Д ж., Физика полярных сияний и излучения атмосферы, пер. с англ., М., 1963; Акасофу С--И., Полярные и магнитосферные суббури, пер. с англ., М., 1971; Исаев С. И., Пудовкин М. И., Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли, Л., 1972; Омхольт А., Полярные сияния, пер. с англ., М., 1974; Полярная верхняя атмосфера, под ред. Ч. Дира, Я. Холтета, пер. с англ., М., 1983; The solar wind and the Earth, ed. by S. - I. Akasofu, G. Kamide, Tokyo, 1987; Лайонс Л., Уильяме Д., Физика магнитосферы, пер. с англ., М., 1987.

Я. И. Фельдштейн.

   <<      Предметный указатель      >>