СЕВЕРНОЕ ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

Вторжение заряженных частиц в атмосферу. Авроральная и магнитная активность. Микропульсации рентгеновского излучения

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.

Обратимся к схеме суточной вариации поглощения на типичной станции зоны полярных сияний ( 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.

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.

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.

Рентгеновское излучение в зоне полярных сияний в полуденном секторе, которое наблюдается регулярно, в большинстве случаев не связано с местной магнитной активностью. Поскольку в утреннем секторе энергичные электроны, вызывающие рентгеновское излучение, высыпаются вдоль зоны полярных сияний, а электроструя протекает севернее — в овале полярных сияний, то отмечается плохая корреляция этих двух явлений. Несмотря на это, всплески рентгеновского излучения в позднем утреннем секторе связаны с полярными суббурями и происходят одновременно с резкими отрицательными геомагнитными бухтами в полуночном секторе.

Для утренних всплесков рентгеновского излучения часто характерны квазииррегулярные пульсации. В некоторых случаях медленные пульсирующие всплески связаны с подобными пульсациями на риометрических и магнитных записях.

схематическая картина развития суббури по аэростатным наблюдениям рентгеновского излучения на высотах около 30 км. Во время самой ранней ее фазы рентгеновское излучение может регистрироваться вдоль узкой полосы, где наблюдается первое проявление суббури в полярных сияниях. Затем область вторжения энергичных электронов расширяется по всем направлениям. Расширение вдоль зоны сияний в утреннюю сторону продолжается до самого конца суббури.

Следует обратить внимание на то, что рентгеновское излучение отсутствует вдоль овала полярных сияний. Оно наблюдается вдоль вечерней части овала только вместе с движущимися к западу изгибами интенсивных полярных сияний.

С усилением авроральной и магнитной активности наблюдается радиоизлучение атмосферы на частотах в несколько килогерц. Оно появляется в виде всплесков, которые хорошо коррелируют с усилением свечения атмосферы в красной линии кислорода (6300 Å). Длительность этих всплесков около 3 ч. Иногда наблюдаются всплески в несколько раз более продолжительные. Было установлено, что ОНЧ-излучения связаны с полярными суббурями.

Здесь рассмотрим два вида такого излучения, а именно шипения и хоры. Шипение — это излучение, частотный спектр которого напоминает спектр теплового шума в ограниченной полосе частот. На слух это излучение воспринимается как шипение. Хор — это последовательность дискретных излучений, близко следующих друг за другом и часто накладывающихся одно на другое (по времени). Чаще всего наблюдаемая форма хора — множество повышающихся токов в диапазоне от 1 до 5 кГц со скоростью изменения частоты около 3 кГц/с.

Шипения появляются в основном в послеполуденные и вечерние часы примерно вдоль полярной границы овала полярных сияний. Во время ранней фазы суббури в ОНЧ-излучении, соответствующей взрывной фазе суббури в полярных сияниях, шипения наблюдаются по направлению как к полюсу, так и к экватору от овала, вдоль которого распространяется движущийся к западу изгиб. Это показано на  51. Шипения отмечаются также в узкой области, располагающейся перед фронтом расширяющейся выпуклости в полярном сиянии. Хоры фиксируются в пределах выпуклости в полярных сияниях и вдоль овала полярных сияний в утреннем секторе.

Во время более поздней фазы суббури в ОНЧ-излучении, соответствующей фазе восстановления в ходе развития суббури в полярных сияниях, шипения могут наблюдаться вдоль пути движущегося к западу изгиба сияния. К этому времени изгиб успевает стать заметно слабее, и нижняя ионосфера уже не поглощает шипения. Область, в которой могут наблюдаться хоры, простирается вплоть до полуденного сектора и очень близка к области усиления поглощения и появления всплесков рентгеновского излучения.

Суббуря в полярном сиянии тесно связана также с микропульсациями геомагнитного поля типа Рi2. Это колебания с периодом 40—150 с, которые наблюдаются в средних широтах во время начальной фазы развития бухтообразных возмущений. Микропульсации геомагнитного поля являются сверхнизкочастотными электромагнитными волнами. Внезапное начало микропульсаций тесно связано с полярной суббурей, которая проявляется во всплесках рентгеновского излучения, в поглощении радиоволн и в отрицательных бухтах с резким началом. Микропульсации опережают усиление поглощения космического радиоизлучения примерно на 100 с (при быстром приближении активных форм полярных сияний к пункту наблюдения). В самом начале отрицательной бухты наблюдается короткий импульсный всплеск пульсаций поля, который длится около 15 мин. За ним следуют непрерывные микропульсации, связанные со всплесками рентгеновского излучения.

Во время положительных бухт регистрируются микропульсации особого типа, середина частотного спектра которых дрейфует в сторону больших частот. В это время в вечерние часы (где имеют место положительные бухты) вблизи горизонта через направление на полюс проходит движущийся на запад изгиб полярного сияния.

В утреннем секторе также наблюдается значительное усиление микропульсаций во время полярных сияний. Для всплесков рентгеновского излучения, как правило, характерно более резкое начало и быстрое затухание, чем микропульсации.

В дневные часы (10—15 ч) микропульсации имеют квазисинусоидальный характер (как и модуляция всплесков рентгеновского излучения). Микропульсации рентгеновского излучения в полуденные часы ассоциируются с импульсными микропульсациями.

Во время взрывной фазы суббури в полярных сияниях к экватору от их овала отмечаются микропульсации типа КУП (колебания убывающего периода). Всплески Рi 2 наблюдаются вдоль узкой области дальше к полюсу от расширяющейся выпуклости полярного сияния ( 52). Пульсации Рi 2 наиболее четко фиксируются в средних широтах в позднем вечернем секторе.

В фазу восстановления суббури в полярном сиянии дальше к экватору от движущегося на запад изгиба полярного сияния наблюдаются колебания типа КУП. Область, в которой наблюдаются пульсации Рi 1, сильно расширяется вплоть до полуденного сектора. Это расширение тесно связано с поглощением типа M , со всплесками рентгеновского излучения и ОНЧ-излучения типа D .