СЕВЕРНОЕ ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

 

 

Струящиеся пульсирующие сияния. Свечение в полярной шапке. Диффузные полярные сияния

 

Мы описали четыре классические формы полярных сияний. Но реальные сияния более разнообразные. Так, известны пульсирующие полярные сияния, интенсивность свечения которых изменяется (пульсирует) во времени весьма быстро. Они появляются главным образом после активной фазы развития сияния. За каких-то несколько секунд интенсивность свечения может измениться в десятки и более раз. Такие пульсации свечения можно иногда наблюдать невооруженным глазом.

 

В отличие от полос, дуг и лучей, которые видны выше 100 км, пульсирующие сияния появляются ниже этого уровня. Интересно, что они сопровождаются такими же пульсациями в магнитном поле Земли. Это объясняется причиной, единой для тех и других пульсаций, — вторжением заряженных частиц в верхнюю атмосферу.

 

Пульсирующие полярные сияния также бывают различные — собственно пульсирующие, пламенные, мерцающие и струящиеся. Такие живописные описания связаны с ассоциациями, которые они вызывают у наблюдателя. Собственно пульсирующие сияния характерны тем, что их яркость по всей площади свечения изменяется синфазно, т. е. одинаково.

 

Когда на небосводе появляются своего рода волны света, которые быстро движутся к магнитному зениту, то такие сияния называются пламенными (они подобны движению пламени). Значительно реже можно наблюдать, как эти волны света движутся обратно, т. е. от зенита.

 

Пламенные сияния возникают в то время, когда возмущение уже затухает, т. е. в периоды после распада форм полярных сияний. Они движутся от уровня 100 км вверх (или реже вниз) со скоростями, достигающими 100 км/с. Правда, были измерены и весьма экзотические скорости их движения, достигающие 1000 км/с. Часто после пламенного сияния наблюдается корона, описанная выше.

 

Считается, что видимость движения областей свечения вверх связана со своеобразной последовательностью прихода в атмосферу потоков заряженных частиц, вызывающих свечение. Вначале внизу наблюдается свечение, связанное с частицами больших энергий. Затем оно появляется все выше и выше, куда уже приходят частицы меньших энергий и поэтому запаздывающих. С поверхности Земли это будет восприниматься как волнообразное движение свечения вверх. Однако объяснить таким образом движение областей свечения от магнитного зенита вниз нельзя.

 

Третий тип пульсирующего полярного сияния — это мерцающие сияния, при которых яркость свечения как будто мерцает. Изменения яркости сияния быстрые и неправильные. Этот тип полярного сияния наблюдается в зонах полярных сияний и областях, примыкающих к ним со стороны более низких широт (т. е. в субавроральных зонах).

 

Мерцающие пятна имеют размер 1—5 км. Мерцания яркости происходят с частотой 10 Гц. Такие мерцающие сияния обычно проявляются в пределах ярких однородных дуг или полос, для которых характерны быстрые внутренние движения со скоростью более 5 км/с.

 

 

Мерцающие полярные сияния в южном и северном полушариях (на геомагнитных широтах 63—68°) являются геомагнитно сопряженными, т. е. наблюдаются одновременно в областях на юге и севере, которые связаны между собой (т. е. сопряжены) геомагнитными силовыми линиями. Характер свечения в этих областях одинаковый.

Четвертый тип пульсирующего полярного сияния называется струящимся. Яркость этих сияний изменяется беспорядочно. Ее неправильные вариации быстро распространяются вдоль однородных дуг в горизонтальном направлении. Интересно, что форма самой дуги или полосы при этом не меняется. Уярченная часть дуги или полосы полярного сияния перемещается вдоль формы в виде волны. Как будто солнечный зайчик бежит вдоль дуги сияния.

 

Струящиеся пульсирующие сияния наблюдаются во время распада сияний. Иногда видны горизонтальные волны в форме вытянутых с востока на запад дуг, движущихся в направлении к экватору со скоростью 50—300 км/с. Такой характер движения имеет место только в послеполуночные часы и только в том случае, если предшествующий день и вечер были спокойными. Но после этих горизонтальных волн свечения наступает кратковременная полярная суббуря.

 

Характеристики этой формы полярного сияния следующие: яркость их изменяется с частотой 1 Гц, интенсивность излучения на длине волны 4278 Å менее 1 килорэлея. Толщина этой формы сияния составляет 30—120 км, и они перемещаются на расстояния 150 км и более. Пульсирующие дуги полярных сияний появляются на тех же высотах, что и спокойные дуги. Если интенсивность свечения усиливается, то само сияние появляется ниже.

 

Было установлено, что общие вариации амплитуды интенсивности пульсирующих сияний очень тесно связаны с микропульсациями магнитного поля. В течение 60% времени, когда наблюдаются пульсирующие полярные сияния, пульсации яркости и микропульсации магнитного поля совпадают. Часто отмечается полное совпадение пиков флуктуаций в сияниях и геомагнитном поле.

 

Такое полное совпадение чаще всего имеет место в периоды правильных пульсирующих сияний и тогда, когда такие периоды разделены последовательностями неправильных флуктуаций.

 

Временные вариации пульсирующих сияний лучше всего регистрируются фотоэлектрическими фотометрами с линейной характеристикой в очень широком динамическом диапазоне и высокой чувствительностью. Для определения формы пульсирующих сияний применяются телевизионные камеры, хотя линейность и динамическая амплитуда этих установок ограничены по сравнению с обычным фотометром.

 

Известны пульсирующие сияния особого, более редкого типа. Они характеризуются затухающими колебаниями с одним сильным пиком (максимумом) и с последующими пятью или восемью импульсами с все уменьшающейся амплитудой. Интервал времени между соседними импульсами во всех конкретных случаях постоянный (от 1 до 3 с).

 

В средних широтах также бывают полярные сияния. Это так называемые красные дуги, или М-дуги. Из названия ясно, что свечение видно в красном цвете, монохроматично (одноцветно) в красных линиях с длинами волн 6300 и 6364 Å. Эти сияния наблюдаются выше, чем сияния в высоких широтах, — на высотах от 300 до 700 км.

 

Красные дуги по широте могут достигать 600 км, а интенсивность их свечения в линии 6300 Å обычно составляет 1—10 kR. Эту интенсивность нельзя фиксировать невооруженным глазом: она ниже порога его видимости. Протяженность красных дуг в направлении восток—запад достигает нескольких тысяч километров, а иногда они, видимо, простираются вокруг всей Земли. Они появляются одновременно в обоих полушариях и тесно связаны с геомагнитной и солнечной активностью. Красные дуги могут существовать в течение целых суток.

 

Полярные сияния в полярной шапке выделяют в отдельный тип. Эти сияния, охватывающие обширное пространство в высоких широтах, вызваны солнечными космическими лучами с энергиями 1—100 МэВ и тесно связаны с поглощением радиоволн в полярной шапке (ППШ). Это понятно, поскольку те же потоки солнечных космических лучей, которые способствуют возникновению полярных сияний, образуют повышенную ионизацию нижней ионосферы, ответственную за поглощение радиоволн.

 

Свечение в полярной шапке (во время ППШ) является однородным и занимает всю полярную шапку вплоть до 60° (по широте). Известно, что явление ППШ длится несколько суток. В течение первых суток после начала ППШ интенсивность свечения увеличивается, а затем в течение нескольких последующих суток постепенно спадает. Максимальная интенсивность свечения на длине волны 3914 Å достигает 10 kR, а у свечения на длине волны 5577 Å она в пять раз меньше.

 

Такое распределение интенсивностей свечения на этих двух линиях характерно только для полярного сияния в полярной шапке во время ППШ и не имеет места в овале полярных сияний. Оно вызвано тем, что солнечные космические лучи (протоны и альфа-частицы, т. е. ядра гелия) производят ионизацию и возбуждение в основном на высотах 30—80 км, где плотность атмосферы намного больше, чем в областях свечения в овале полярных сияний, т. е. на 100 км и выше. Поэтому из-за большой плотности на низких высотах происходит быстрая дезактивация возбужденных атомов кислорода (которые образуются при прямой диссоциации молекулярного кислорода или диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов кислорода). По этой причине на этих высотах (менее 80 км) почти все излучение с длиной волны 5577 Å гасится.

 

Во время сияния, связанного с ППШ, происходит излучение не только с длиной волны 3914 Å, но и с другими длинами волн, которые регистрируются и в овале полярных сияний. Однако эти эмиссии пока что детально не исследованы.

 

Диффузные полярные сияния часто простираются по всему небу, достигая максимальной интенсивности в утренние и дневные часы. Диффузные сияния в зоне полярных сияний называют мантийными сияниями. Их пространственное распределение отличается от распределения дискретных форм сияний, таких, как дуги, полосы и лучи. Мантийные сияния появляются наиболее часто при максимальной солнечной активности и намного реже при минимальной. Размеры области диффузного свечения заметно не меняются с усилением магнитной активности. С увеличением магнитной активности возрастает только интенсивность свечения и величина утреннего максимума.

 

Кроме описанных выше форм полярных сияний, были предложены и некоторые другие (не вошедшие в Международный атлас):

 

Лист — полярное сияние имеет такую же форму, как и дискретная дуга, но характеризующуюся так называемой «тонкостью». Такие тонкие дуги, имеющие форму тонкого листа S , типичны для вечернего сектора на границе овала полярных сияний со стороны полюса.

 

Широкая же дуга со слабым свечением была названа диффузной дугой. Такие дуги часто появляются вместе с дугами — листами.

Имеется полярное сияние, по своей форме напоминающее дым сигареты. Оно так же дрейфует и вращается и названо «дымом». В дыме нередко различима тонкая структура сияния, но она проглядывается не так часто, как в дискретной дуге. Дымчатое сияние обычно появляется вблизи границы свечения.

 

Выделяют еще полоски или бороздки. Эти сияния выглядят как диффузные дуги, если полосчатость в них меняется очень быстро.

 

Бывают еще «сияния наоборот», т. е. четко выраженные области «пустот», в которых отсутствуют какие-либо излучения и которые вкраплены внутри полярных сияний. Такие области без полярных сияний получили название «черные полярные сияния». Они имеют форму тонких лент или вытянутых эллиптических отверстий и дрейфуют в восточном направлении после полуночи и в западном направлении до полуночи. Эти формы полярных сияний возникают при переходе от диффузных сияний к дискретным. Можно считать, что они являются промежуточными формами.

 

Изучение полярных сияний с помощью более совершенной аппаратуры, которая позволяет фотографировать их за более короткое время экспозиции и поэтому регистрировать сияния меньшей интенсивности, показало: все формы полярных сияний имеют еще и тонкую структуру. Стали более ясными переходы одной формы сияния в другую, а также их изменение во времени.

 

В настоящее время для исследования полярных сияний используются многоканальные телевизионные системы. Такой аппаратурой были зарегистрированы скорости движения сияний до 10 км/с. Было установлено, что вертикальная протяженность пульсирующих сияний меньше 2 км, а максимальная их интенсивность не превышает 10 kR в полосах 4278 Å.

 

 

К содержанию книги: Ю.Г. Мизун: "Полярные сияния"

 

Смотрите также:

 

Полярное сияние  полярные сияния и радиационные пояса.  оптические и электрические явления в атмосфере...  Магнитный полюс Земли