СЕВЕРНОЕ ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

Ионосферная суббуря. Как образуется ионосфера Земли. ППШ - поглощение полярной шапки

Магнитосферная суббуря проявляется в верхней атмосфере высоких широт не только в виде полярных сияний и вариаций геомагнитного поля. Под действием высыпающихся электронов и протонов происходит изменение концентрации свободных электронов в различных областях ионосферы, нарушается ее регулярность и пространственная однородность. Повышенная ионизация в нижней ионосфере вызывает поглощение радиоволн.

Рассмотрим, что собой представляет ионосферная суббуря, как она протекает и как она связана с суббурей в полярных сияниях. Но вначале приведем самые общие сведения об ионосфере высоких широт.

Земная атмосфера характеризуется давлением, температурой, плотностью и химическим составом. Плотность атмосферы и ее давление с высотой уменьшается экспоненциально. Температура до 12—13 км над уровнем моря уменьшается до 200 К. Эта область нижней атмосферы называется тропосферой. Высота тропопаузы меняется от экватора к полюсу, как это показано на  36. Выше тропосферы располагается стратосфера (до 50 км), в которой температура с высотой увеличивается до того значения, которое наблюдается на поверхности Земли.

Выше этого уровня температура снова уменьшается с высотой. Эта область называется мезосферой, которая на 85 км заканчивается мезопаузой с температурой 150 К. На этой высоте температура земной атмосферы самая низкая. Выше мезопаузы температура с высотой снова увеличивается в интервале высот 30—40 км — от 150 К до 500 К. Выше этого уровня днем и ночью температура изменяется с высотой по-разному: днем она достигает 1500—2000 К, а ночью 700—1000 К. Выше 200—250 км как днем, так и ночью температура с высотой не меняется.

Состав атмосферы зависит от тех движений, которые в ней происходят. От поверхности Земли до уровня 105—110 км атмосфера хорошо перемешана благодаря достаточной вязкости атмосферного газа, который в этой области движется как единое целое. Поэтому состав с высотой на этих уровнях не меняется. Его поддерживает постоянным турбулентное перемешивание или турбулентная диффузия.

На этих уровнях изменяются только относительные концентрации химически активных малых компонент, таких, как окись азота, озон и т. д. Область постоянного химического состава называется гомосферой.

Выше 105—110 км турбулентная диффузия уменьшается и различные атмосферные газы начинают вести себя каждый по-своему: более легкие частицы устремляются вверх, более тяжелые движутся медленнее. Чем выше, тем больше легких частиц (водород, гелий) и меньше тяжелых (кислород, азот).

Вся гетеросфера (до 105—110 км) имеет тот же состав, что и воздух у поверхности Земли: 78% молекулярного азота, 21% молекулярного кислорода и около 1% аргона. Остальные частицы (O3, NO, N, H2O) составляют менее 0,1% общего количества частиц.

Выше 100 км встречается атомарный кислород, который образуется из молекулярного путем диссоциации молекул O2 излучением Солнца. Атомы кислорода появляются на высоте 80—90 км; на высоте 120—130 км количество атомарного и молекулярного кислорода уравнивается, а на 160—180 км концентрация O равна концентрации N2. Выше 600 км обнаружены большие количества гелия и водорода, причем первый является основной компонентой атмосферы до высоты 1500 км, а затем его постепенно сменяет второй ( 37).

Распределение с высотой плотности атмосферы, а также температуры в термосфере (выше мезопаузы) зависит от солнечной активности и времени суток ( 38).

Теперь рассмотрим, как образуется ионосфера Земли.

На земную атмосферу падает излучение Солнца с длинами волн от долей Ангстрема до излучения в далеком ультрафиолете ( 39). Излучение в различных диапазонах длин волн проникает в атмосферу Земли на различные высоты. Это зависит от соотношения между энергией излучения (которая обратно пропорциональна длине волны) и порогами диссоциации, ионизации и других элементарных процессов.

Под действием солнечного излучения происходит ионизация атмосферных газов — образуются свободные электроны, оторванные от атомов, и положительные ионы. Если задать интенсивность солнечного излучения и сечения взаимодействия этого излучения с атмосферными газами, то можно рассчитать скорость ионизации при разных условиях. Излучение Солнца, естественно, зависит от его зенитного угла.

Скорость образования электронов в зависимости от высоты дана на  41. Здесь, в частности, показано, что суммарная скорость ионообразования (5) ответственна за образование ионосферы.

Электронная концентрация в разных областях ионосферы (D, Е  и F ) зависит от состояния атмосферы, от излучения Солнца и других факторов. Поэтому электронные высотные профили будут изменяться в зависимости от солнечной и магнитной активности, сезона и времени суток, широты.

В высоких широтах, где имеют место полярные сияния, на верхнюю атмосферу, кроме электромагнитного волнового излучения, действуют потоки заряженных частиц (электронов и протонов). Они усиливаются во время солнечных и магнитосферных бурь и вызывают ионизацию атомов и молекул, повышая таким образом концентрацию электронов на разных уровнях ионосферы в 10—100 раз. Так, в нижней ионосфере (около 92 км) электронная концентрация в течение 15 с может увеличиваться в 100 раз в периоды высыпания потоков электронов перед началом суббури в полярных сияниях.

В верхнюю атмосферу приходят электроны и протоны с широким диапазоном энергий. Наибольшую энергию имеют галактические космические лучи (с энергией 109 эВ). Затем идут солнечные космические лучи (появляющиеся в периоды протонных вспышек и порождающие ППШ). За ними следуют протоны, которые связаны с солнечными и магнитосферными бурями и имеют энергию в несколько кэВ.

Заряженные частицы отклоняются магнитным полем Земли. Они могут проникать в нижнюю атмосферу лишь через ограниченные области вокруг полюсов.

Ионизация заряженными частицами происходит особенно эффективно в конце пути заряженной частицы, т. е. когда время пролета частицы около атома становится сравнимым с временем пребывания электрона на борновской орбите. Когда частицы попадают в атмосферу, где газ распределен по барометрическому закону, скорость образования электронов в конце пути увеличивается очень быстро. Протоны, образующиеся при протонных вспышках на Солнце и покрывающие расстояние от Солнца до Земли за 1—3 ч, создают наибольшее количество электронов в интервале высот до 60 км, т. е. в области D  ионосферы ( 44).

Нам необходимо остановиться на условиях протекания электрических токов в ионосфере. Ранее было сказано, что электрические токи текут в основном около уровня 100 км. Это связано с высотным распределением электропроводности. Максимум электропроводности приходится на высоту около 105 км ( 45).

Изменения в полярной ионосфере во время магнитосферной суббури очень тесно связаны с суббурей в полярных сияниях и полярной магнитной суббурей. Это и понятно, поскольку первопричина этих явлений одна и та же — вторгающиеся в верхнюю атмосферу высоких широт заряженные частицы и электрические поля.

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 α-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 Å 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 Å.

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 Еs  различных типов. Их пространственное распределение отражает размещение в пространстве потоков заряженных частиц, которые их вызывают. Основные особенности широтно-временного распределения этих типов (см.  46) следующие:

1. Имеются две области увеличенной вероятности появления спорадической ионизации — авроральная зона и приполюсная область. Максимальные значения вероятности появления Еs  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 Еs . 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 Es  минимальная. В послеполуденные и вечерние часы такое расщепление отсутствует и отмечается только один максимум в вероятности образования Es  на 69—70°.

Наибольшая вероятность образования Es  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 Es  в зависимости от уровня геомагнитной активности. В магнитоспокойных условиях расщепление авроральной области увеличенной вероятности образования Es  отсутствует (наблюдается один максимум в широтном ходе вероятности образования Es ). 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 Es  плоского типа и типа а  наиболее часто проявляются в геомагнитоспокойные сутки. При умеренной активности вероятность образования Es  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 Es  типа а  наблюдался слой Es  типа r; когда же спокойные условия восстанавливались, снова можно было увидеть слой Es  типа a .

Спорадические слои Es  очень тесно связаны с полярными сияниями. Так, с увеличением активности последних возрастают критические частоты слоя Es  типа r. Суточный ход вероятности образования Es  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.

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  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 Å, 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 Å 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.

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 Å и зоны неоднородностей отражают изменения в конфигурации этого слоя. Установлена количественная связь между интенсивностью эмиссии 6300 Å и параметрами слоя F