книги из ГПНТБ / Омхольт, А. Полярные сияния

частицы при нормальных условиях,

С— число частиц в воздухе на длине пробега энер­ гичной частицы.

Глава 1

Распределение и причины появления полярных сияний,

Краткое введение ,

1.1.Формы полярных сияний

1.1.1.Геометрия. Читателю, вероятно, хорошо извест­ но, что полярные сияния появляются в ночные часы в северном и южном полушариях в виде слабого свечения. Чаще Есего они наблюдаются в двух областях вокруг гео­ магнитных полюсов, так называемых зонах полярных сияний. Однако полярные сияния бывают видны более или

менее часто в полярных шапках, а в некоторых случаях к экватору от зон полярных сияний. Появление сияний связано с возмущениями в геомагнитном поле, причем сия­ ния смещаются к экватору с усилением магнитной возму­ щенности.

При наблюдениях типичного полярного сияния удив­ ляет разнообразие форм сияний и различие ситуаций. Од­ нако при детальном анализе каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накла­ дывающихся друг на друга элементарных форм полярных сияний, меняющихся в пространстве и во времени. Для практических целей можно ограничиться четырьмя таки­ ми элементарными формами или структурами: 1) спокой­ ные однородные дуги или полосы, протянувшиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии, 2) лучи полярных сияний, длина которых может существенно меняться, 3) диффузные и неправильные пятна, 4) большие однородные поверхности. Их интенсивность может менять­ ся на несколько порядков величины. Элементарные фор­ мы полярных сияний (1)—(3) показаны на рис. 1.1—1.6.

Спокойная однородная дуга обычно вытянута примерно вдоль‘магнитной параллели. Исключением являются цен­ тральные области полярных шапок, где дуги ориентированы

[3, 4]. Ширина дуги может меняться от менее 1 км до нес­ кольких десятков километров (разд. 2.6). Однородная по­ лоса является более общим случаем однородной дуги. Эта форма полярного сияния также сильно вытянута, но в от­ личие от дуг не имеет правильной структуры. Полоса обычно изогнута в виде буквы S или закручена в форме спирали. Дуги и полосы, как правило, располагаются на высотах от 100 до 150 км.

Лучи’чюлярных сияний наблюдаются как изолированные структуры или в сочетании с дугами и полосами. Их длина может меняться от нескольких десятков до нескольких сотен километров с нижней границей на высоте от 100 до 150 км. Они всегда вытянуты вдоль магнитных силовых ли­ ний и имеют поперечные размеры от нескольких десятков метров до нескольких километров.

Площадь каждого неправильного диффузного пятна обычно составляет по порядку величины 100 км2. Как пра­ вило, одновременно существует много таких пятен. Боль­ шие однородные поверхности, с другой стороны, покры­ вают большую часть видимого небосвода и имеют довольно постоянную, но слабую интенсивность.

При развитии полярного сияния некоторые или даже все его формы могут появляться одновременно, частично накладываясь или внедряясь друг в друга. Так, дуги и полосы полярных сияний часто имеют лучистую структуру. Каждая форма обычно движется, и интенсивность ее ме­ няется с течением времени. Скорости однородных спокой­ ных форм невелики, до нескольких сот метров в секунду, тогда как некоторые формы с лучистой структурой обна­ руживают быстрое движение, причем были измерены ско­ рости отдельных лучей до 50 км/с (разд. 2.6). Одновременно меняется интенсивность свечения в движущихся фор­ мах. Крупномасштабные вариации интенсивности свече­ ния сопровождают эти движения, что приводит к измене­ ниям всей картины полярного сияния за несколько минут или часов. Иногда изменения интенсивности протекают быстрее. В однородных формах могут иметь место пуль­ сации интенсивности с частотой примерно до 10 Гц, хотя

к более детальному описанию и интерпретации характер­ ных свойств полярных сияний в следующих главах; ха­ рактерное проявление сияний описано детально в п. 1.1.3.

1.1.2. Интенсивность. Полярное сияние видно с неко­ торого расстояния как светящееся облако определенной поверхностной яркости. В видимом участке спектра суще­ ствует пренебрежимо малое самопоглощение в областях свечения, так что видимая поверхностная яркость пропор­ циональна толщине светящейся области, или, точнее, из­ лучению единицы объема, проинтегрированному вдоль луча зрения. Поскольку в большинстве случаев можно измерить только видимую поверхностную яркость, она используется для определения интенсивности полярного сияния, хотя для физики явления больший интерес пред­ ставляет излучение единицы объема.

Если / — поверхностная яркость полярного сияния в определенном направлении, то 4%І есть суммарная эмис­ сия столба единичного поперечного сечения в сиянии, вы­ тянутого вдоль луча зрения. Эта суммарная эмиссия обычно измеряется числом фотонов на 1 см3 в 1 с. Чтобы показать, что это не истинная поверхностная яркость, а эмиссия из­ лучающего столба, часто, хотя и несколько неточно, запи­ сывают размерность величины / в виде числа фотонов на

полярного сияниязависит от направления, в котором оно наблюдается. Тонкий светящийся слой, покрывающий боль­ шую часть небосвода, имеет существенно большую интен­ сивность при наблюдении сбоку на малой высоте над гори­ зонтом, чем при наблюдении снизу.

Спектр полярного сияния состоит из отдельных эмис­ сионных линий и полос. Поэтому интенсивность свечения обычно ;относят не к интегральному излучению, которое трудноизмерить, а к'излучению в какой-либо одной линии

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 17

или полосе. Очень часто используют яркую зеленую линию кислорода с длиной волны 5577 А, которая является силь­ нейшей среди линий и полос, преобладающих в видимой части спектра сияний. Удобной логарифмической системой классификации интенсивности полярных сияний является международный коэффициент яркости (ІВС). Этот коэф­

Распределение интенсивности обычно довольно посто­ янно для наиболее значительных авроральных эмиссий в интервале длин волн, к которым чувствителен челове­ ческий глаз, так что определенные выше коэффициенты яркости обычно пропорциональны наблюдаемой глазом интенсивности свечения. Однако существуют исключе­ ния. Для сияния с сильной красной нижней границей или протяженного диффузного свечения в красной линии коэф­ фициент яркости, определенный по зеленой линии кислорода может не соответствовать визуальной интенсивности, так как отношение интенсивностей других основных видимых эмиссий к зеленой линии переменно. Другой источник ошибок при визуальной оценке коэффициента яркости имеет место, когда свечение покрывает (почти) весь небосвод, так что наблюдателю трудно выбрать область, относитель­ но которой можно произвести оценку.

Типичные интенсивности зеленой линии в диффузных пятнах полярных сияний меняются от несколько ниже порога чувствительности глаза, который составляет при­ мерно один килорэлей, до нескольких килорэлей. Одно­ родные дуги имеют обычно умеренную интенсивность от одного до нескольких десятков килорэлей. Наибольшие интенсивности наблюдаются в краткие периоды всплес­ ков, которые сопровождаются движениями лучистых по­ лос. В этих случаях интенсивность может достигать нес­ кольких сот килорэлей и приближаться к коэффициенту яркости IV, максимальному для любого сияния. Для лучей и узких дуг интенсивность существенно зависит от направ­ ления наблюдения. При наблюдении под большим углом эти формы могут казаться довольно слабыми с интенсив­ ностью несколько килорэлей, тогда как при наблюдении

вдоль магнитных силовых линий их интенсивность может достигать нескольких десятков килорэлей [45]. Интен­ сивности различных линий и полос играют основную роль в физической интерпретации оптических эмиссий полярных сияний и поэтому будут подробно рассмотрены в после­ дующих главах.

1.1.3. Характерные особенности полярных сияний. Зоны полярных сияний представлют собой пояса вокруг геомаг­ нитных полюсов на расстоянии «23° от них. Для наблю­ дателей на поверхности Земли на широтах зоны частота появления полярных сияний максимальна в ночные часы. Сияния регулярно появляются также и ближе к полюсу, но с меньшей частотой и интенсивностью. При удалении от зон полярных сияний к экватору частота появления сияний быстро уменьшается. Появление сияний на низ­ ких широтах всегда связано с усилением магнитной актив­ ности, магнитными бурями. На дневной стороне полярные сияния появляются ближе к полюсу, но их не очень легко наблюдать оптическими методами с поверхности Земли.

В любой момент времени сияние располагается вдоль двух овалов, окружающих геомагнитные полюса. Расстояние от овалов до геомагнитных полюсов составляет «23° на ноч­ ной и «15° на дневной стороне. Эти значения меняются с геомагнитной активностью. Дальнейшее рассмотрение зон и овалов полярных сияний проведено в разд. 1.2.2.

В зоне полярных сияний имеет место типичное развитие сияний при наблюдении из фиксированной точки на по­ верхности Земли. Явление обычно начинается со спокой­ ных однородных дуг интенсивностью 10 килорэлей, вытя­ нутых примерно вдоль геомагнитной параллели. Может наблюдаться одна дуга или несколько близко расположен­ ных дуг. Через некоторое время, возможно через несколь­ ко часов, в полярном сиянии может развиться лучистая структура, приобретающая форму полосы, и одновременно усиливается интенсивность свечения. В это же время сия­ ние начинает быстро двигаться, меняя форму и интенсив­ ность, временами усиливаясь до нескольких сотен кило­ рэлей, а отдельные структурные образования в сияниях имеют видимую* скорость в восточном или западном на­ правлении несколько десятков км/с. В течение нескольких

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ 19

минут свечение может охватить весь небосвод, а затем сла­ беет и становится довольно неправильным. Типичный при­ мер такого распада сияния показан на рис. 1.7, где приве­ дена последовательность снимков небосвода через одина­ ковые интервалы и с заданными экспозициями, снятых камерой полного обзора неба, которая фотографирует весь небосвод при помощи системы зеркал.

Наиболее эффектная часть явления обычно длится все­ го несколько минут, причем весь активный период занимает около получаса или меньше. Затем весь небосвод более или менее равномерно покрыт однородными поверхностями слабого аврорального свечения, интенсивность его обычно от 1 до 5 килорэлей, но часто оно субвизуально. Слабые пятна, лучи или дуги, окруженные этим диффузным авро­ ральный свечением, имеют вполне достаточную интен­ сивность, чтобы быть различными на фонеэтого диффузного свечения. Вследствие. эффектов контраста интенсивность таких слабых диффузных поверхностей по сравнению с более дискретными и отчетливыми формами часто недооце­ нивается при визуальных наблюдениях. Это обстоятель­ ство вместе с тем фактом, что в некоторых случаях такие диффузные сияния субвизуальны, объясняет то, что такие поверхности фонового аврорального свечения появляются гораздо чаще, чем это следует изданных визуальных на­ блюдений.

Если распад полярного сияния происходит в начале ночи, то сияние снова часто сжимается довольно быстро до спокойных дуг и в течение ночи могут повториться один или несколько новых активных периодов. После геомагнит­ ной полночи (определение дано в п. 1.2.1.) преобладают полярные сияния в виде лучей и пятен, которые часто об­ наруживают быстрые флуктуации интенсивности и пуль­ сации.

Следует иметь в виду, что мгновенное.глобальное рас­ пределение полярных сияний определяется Солнцем и геомагнитным полем. Поэтому полярное сияние, наблю­ даемое из фиксированной точки на Земле, зависит как от развития общего распределения сияний, так и от специфи­ ческого движения наблюдателя пгш ч-рим ряг.пр£ладони<°м