книги из ГПНТБ / Омхольт, А. Полярные сияния

сивностей Х4709/НР составляет около единицы. Наиболее надежные измерения отношений Л.3914/Нß и X4709/Hß даны в работе [33]. Они были выполнены для типичных во­ дородных дуг над Фортом Черчилл (L = 8,6) ранним ве­ чером с 17 ч 30 мин до 20 ч 30 мин местного времени (LT) в направлении на север на зенитных расстояниях от 60 до 75° вблизи плоскости магнитного горизонта. Это время было выбрано потому, что практически отсутствовали ка­ кие-либо следы ярких или структурных полярных сияний, которые могли бы указывать на высыпание электронов (п. 3.3.4). Сканирование производилось фотометром с качающимся фильтром [36] с шириной полосы пропускания 2—3 Â в области длин волн от 4865 до 4840 Â. Почти во всех случаях отношение интенсивностей X3914/Hß состав­ ляло от 10 до 17,5, а X4709/Hß от 0,9 до 1,4. Средние зна­ чения были около 14 ± 2 и 1,1 ± 0,1 соответственно в разумном согласии с теоретическими данными (ср.

п. 3.2.5, табл. 3.2).

Из фотометрических данных спутника ЭСРО-1 нижний предел отношения X4278/Hß оказался около 3. Это нес­ колько ниже, чем ожидаемые от сравнения с приведенными выше отношениями, но в хорошем согласии с теоретически­ ми значениями, приведенными в табл. 3.2.

Из имеющихся данных можно составить следующее заключение. Когда отношение X4709/Hß близко к единице, полярные сияния, вероятно, обусловлены преимуществен­ но протонами. Поскольку большие вариации допплеров­ ских профилей редки (п. 3.3.6), распределения протонов по энергиям и питч-углам, вероятно, постоянны*. Отсюда следует, что, когда отношение интенсивностей Х4709/Н ß значительно превосходит единицу, часть излучения И709, которая обеспечивает это высокое отношение, обуслов­ лена электронным полярным сиянием. Эти две составляю­ щие излучения М709 приблизительно дают соотношение между притоками энергии, вносимыми в атмосферу про-

* Результаты недавних исследований показывают, что этот вывод не оправдывается. Характеристики профиля слабо зависят от свойств пучка протонов [см. Ю. Н. Пономарев, Расчеты профи­ лей водородной эмиссии в полярных сияниях, Астрон. цирк., № 703, стр. 3—5 (1972)].— Прим, перев.

тонами и электронами. Соответствующие пределы для от­ ношений интенсивностей Ä,4278/Hß и Л.3914/Н ß от 3 до 5 .

иот 10 до 14 соответственно.

3.3.3.Абсолютные интенсивности и бальмеровский де­ кремент. В табл. 3.3 представлены некоторые данные наблюдений интенсивностей На и Hß, многие из которых приведены в работе [32], а также включены некоторые на­ блюдения линии La. Линия Бальмера Ну также измеря­ лась, но едва ли с хорошей точностью (см. [32]).

Принимая в расчет быстрое развитие наблюдательных методов, разумно, по-видимому, приписать наибольший вес наблюдениям последних лет. Можно сделать заключение, что интенсивность Hß, когда эта линия присутствует, обыч­

но составляет от 10 до 200 рэлей, а иногда от 300 или 400 рэлей и очень редко выше.

Измерения отношения интенсивностей На и Hß труд­ ны из-за зависимости спектральной чувствительности при­ бора от длины волны. Некоторые данные приведены в

Таблица 3.4

Бальмеровский декремент водородных

табл. 3.4 [32]. Из-за экспериментальных трудностей и не­ определенностей теории .нельзя считать эти значения не­ совместимыми с данными табл. 3.1, в которой эти отноше­ ния составляют от 4 до 5,5. На основе данных табл. 3.3 можно было бы предположить, что типичное среднее зна­ чение интенсивности Hß составляет от 100 до 150 рэлей и около 300 рэлей для На. Это дает отношение от 2 до 3.

Интенсивность La по измерениям Хикса и Чабба хо-

19ч45мин

>а 0) "!

О

О.

eL21 30

К

30

23 30

Рис. 3.4. Примеры широтного распределения водородной эмиссии протонного сияния для различного местного времени. Интенсив­ ности приведены к зениту [37]. Штриховка на правой диаграмме соответствует наблюдению в период медленно меняющегося ионо­ сферного поглощения.

к нижнему пределу,— довольно широкая дуга, вытянутая в направлении с востока на запад [28, 32, 36, 37, 53, 55, 63]. Протонная дуга очень широка в направлении с севера на юг от « З д о « 1 0 ° по широте, или от 300 до 1000 км. На рис. 3.4 приводятся типичные примеры широтного рас­ пределения водородной эмиссии. По-видимому, интенсив­ ные линии водорода часто наблюдаются в диффузных пят­

94 ГЛАВА 3

нах, но отсутствуют в более или менее дискретных формах (ср. [55, 62]). Последний результат согласуется с теорети­ ческими соображениями (п. 3.2.3).

Взаимосвязь между протонным и электронным поляр­ ными сияниями весьма сложна. В некоторых случаях сия­ ние, очевидно, представляет собой чисто протонную дугу; в других случаях сияние, по-видимому, является резуль­ татом совместных протонных и электронных вторжений. Различные наблюдения отчасти противоречивы и трудны для приведения их к простой согласующейся картине. Подробное рассмотрение имеющихся наблюдений дано в работе [32]. Общая морфология протонного полярного сияния будет рассмотрена в следующем разделе.

Некоторые наблюдатели считают, что происходит умень­ шение интенсивности линии водорода, когда полярное сия­ ние становится активным; согласно другим сообщениям, имеет место увеличение ее интенсивности во время распада сияний, связанное с распространением по небу водород­ ного излучения [33]. По наблюдениям на станции Сёва Бейз (70° S геомагнитной широты) [76] На всегда предше­ ствует излучению полос первой положительной системы

ифазе распада.

3.3.5.Морфология протонного полярного сияния. Дела­ лись попытки построить водородный овал полярных сия­ ний, при которых выяснилось, что появление и интенсив­ ность линий водорода связаны с ориентированной на Солнце геомагнитной системой координат (п. 1.2.2). По­ строить такой овал трудно, поскольку большая часть ис­ пользуемого для этой цели наблюдательного материала получена отдельными наблюдателями независимо от дру­ гих наблюдений. На основе имевшихся в его распоряжении

данных Изер [32] построил овальную водородную зону с центром приблизительно в 25° от геомагнитного полюса на дневной стороне, сильно смещенную к полюсу на ноч­ ной стороне. Данные измерений на спутниках [71] потоков протонов находятся в приемлемом согласии с этим постро­ ением, но показывают двойной пик на дневной стороне, указывающий на то, что две части овала, расположенные на вечерней и утренней сторонах, не перекрываются или что овал расщепляется. Наземные измерения в Антарк­

тике [39] на ночной стороне также показали согласие с результатами Изера [32].

Всестороннее изучение морфологии водородной эмис­ сии по наземным измерениям выполнили Винс и Валланс Джонс [84]. Они рассмотрели водородную зону при раз­ личных уровнях магнитной активности на основании более чем 7500 спектрограмм линии На, полученных с 1964 по 1965 г. Вследствие характера наблюдений данные огра­ ничены периодом 12 ч — с 18 ч 00 мин до 6 ч 00 мин мест­ ного геомагнитного времени. Обнаружено, что центр ова­ ла водородной эмиссии протонного сияния находится на

1 ч 00 мин местного геомагнитного времени, как показано на рис. 3.5. Делбром ранее пришел к аналогичным результа­ там [28]. Он нашел систематическое смещение между про­ тонными и электронными полярными сияниями, которое меняется в течение ночи так же, как описано в работе [84].

Средние зоны вторжения протонов и электронов зна­ чительно перекрываются. С усилением магнитной актив­ ности водородная зона распространяется к экватору и зна­ чительно увеличивается в максимуме интенсивности. Вы­ ше геомагнитной широты 70° интенсивность слабо зависит от геомагнитной активности. При низком уровне гео­ магнитной активности интенсивность линии водорода до­ вольно симметрична относительно геомагнитной полуночи, тогда как при высоком уровне активности имеется максимум интенсивности, сильнее смещенный к экватору до полуночи. Спутниковые измерения излучения La [18, 19] и Hß [25] находятся в хорошем согласии с данными наземных изме­ рений. Данные работы [19] согласуются такжесобщей гео­ магнитной сопряженностью протонных полярных сияний в северном и южном полушариях. На рис. 3.5 показаны зоны Н а и 7,5577 при высоком уровне геомагнитной ак­ тивности [84]. При более низкой геомагнитной активности обе зоны перекрываются гораздо сильнее, и расположены ближе к полюсу.

По наблюдениям в Антарктиде в течение 1967 г. было установлено [66], что протонные полярные сияния всегда возникают ближе к экватору, чем сильные отдельные элек-

более 200 рэлей и 3 килорэлей соответственно при высоком уровне геомагнитной активности Кр > 4 (по данным [84]).

тронные полярные сияния. Однако в утренние часы этот эффект проявляется менее отчетливо, чем в вечерние, и, по-видимому, качественно согласуется с результатами Винса и Валланс Джонса [84] о том, что протонное сияние ближе к электронному в утренние часы, чем в полночь. Расхождение результатов, возможно, обусловлено вариа­ циями размера овала протонных сияний по сравнению с овалом электронных сияний в зависимости от магнитной активности. Вероятно, протяженность овала протонных сияний несколько меньше, чем электронных при увеличе­ нии магнитной активности [26].

3.3.6. Допплеровские профили. Из рассмотрения в п. 3.2.6 очевидно, что по допплеровским профилям линий водорода можно изучать распределение протонов по питчуглам и энергиям, однако серьезным препятствием явля­ ется отсутствие основных данных. Но хотя детальная интер­ претация для точного нахождения распределения по питчуглам и энергиям все еще довольно сомнительна, регулярные наблюдения профилей линий водорода могут дать ин­ формацию о пространственных и временных изменениях этих свойств.

На рис. 3.6 представлено несколько наблюдавшихся профилей. Видно, что профили очень сходны по форме и что все профили, измеренные в одном и том же направле­ нии, имеют примерно одинаковую полуширину. Доппле­ ровская скорость 1000 км/с соответствует смещениям около 22 и 16 А для линий На и Hß соответственно. Профили в магнитном горизонте имеют полуширины в шкале доппле­ ровских скоростей около 700—800 км/с, профили в маг­ нитном зените около 1000 км/с. Однако последние асим­ метричны и полуширины длинноволновой и коротковолновой частей составляют около —150 и +850 км/с соответ­ ственно. Небольшая асимметрия некоторых профилей в маг­ нитном горизонте может быть обусловлена наложением дру­ гих эмиссий. Анализ этой суперпозиции выполнен в [68].

Большинство наблюдений подтверждает точку зрения, что профили слабо меняются от одного сияния к другому. Однако некоторые наблюдения показывают, что иногда полуширина может значительно измениться в течение относительно короткого времени [6, 44, 46, 47, 52].

Рассмотрение наблюдаемых профилей удобно разделить на три части: 1) основная проблема распределений по энер­ гиям и питч-углам, 2) проблема наблюдаемого красного смещения профиля в магнитном зените и 3) вариации ширины.

1.Общая интерпретация допплеровских профилей дл

определения их зависимости от распределений протонов по энергиям и питч-углам, как отмечалось выше, значи­ тельно затруднена ошибками в исходных данных. Изер [32] на основе ранних обзорных данных сделал вывод, что

согласуется с наблюдениями. Для распределения по питчуглам в виде cos"0 наилучшее значение« находится между

—1 и + 2 .

Эти заключения базируются на сравнении с теорией и на довольно гипотетическом предположении, что рас­ пределения по питч-углам и энергиям не зависят друг от друга. Значение п в одних случаях основано на отношении

их/ѵг, которое дается уравнением (3.34), в других случаях — на более детальном сравнении с теорией. Как указывалось в п. 3.2.6, при п = —1 профиль в магнитном зените сов­

падает с половиной профиля в магнитном горизонте, пос­ кольку тогда поток изотропен, а это, безусловно, не осу­ ществляется. (Интенсивность изотропна прип = 0, п. 3.2.6.). Согласно приведенной в п. 3.2.6 модели, п почти равно нулю или положительно, причем последняя возможность наиболее вероятна [46].

Спутниковые данные показывают, что распределение по питч-углам изменяется с широтой [25]. Характерное для захваченных частиц распределение (соответствующее от­ рицательному п) наблюдалось к экватору от водородной дуги; эти протоны могли диссипировать из основного пуч­ ка вследствие перезарядки и процессов’диффузии (п. 3.2.3).

Определенная трудность в интерпретации профилей состоит в следующем: если выбрать параметры так, чтобы теоретический профиль в магнитном зените соответствовал наблюдаемому, то у теоретического профиля в магнитном горизонте будут слишком длинные крылья и слишком резкий максимум в центре линии. Это противоречие можно устранить, • введя предположение, что протоны высоких энергий имеют более узкое распределение по питч-углам, чем протоны низких энергий [46, 62]. Распределение по питч-углам с максимумом вблизи Ѳ = 0° для высокоэнер­ гичных протонов уменьшило бы крылья в теоретическом профиле в магнитном горизонте и до некоторой степени снизило бы интенсивность в центре профиля в магнитном зените. Наоборот, сдвиг в распределении протонов низких

.энергий по питч-углам в сторону больших значений при­ водил бы к росту интенсивности в центре профиля в маг­ нитном зените и уменьшению интенсивности в центре про­ филя в магнитном горизонте.

2. Профили линий водорода в магнитном зените неиз­ менно указывают на существование излучения с длинновол­ новой (красной) стороны несмещенной линии. Это, безу­ словно, не инструментальный эффект, т. е. он не является следствием конечной инструментальной ширины линии. Поэтому эта смещенная в красную сторону часть излуче­ ния должна быть обусловлена атомами водорода, которые движутся вверх от наблюдателя.

Предполагалось [52, 85], что это красное смещение обусловлено фотонами, испускаемыми в других направ­ лениях и затем рассеянными атмосферой в направлении