книги из ГПНТБ / Омхольт, А. Полярные сияния

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ II ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ 21

Внутри зоны полярных сияний наблюдатель в фиксиро­ ванной точке видит существенно другое распределение свечения. Например, к полюсу от геомагнитной широты 75—80° дуги всегда ориентированы в направлении к Солн­ цу [16, 32]. На этих широтах полярные сияния чаще появ­ ляются в ближайшей к Солнцу области около геомагнит­ ного полюса (где все еще темно в период зимнего солнце­ стояния вследствие наклона земной оси), чем на ночной стороне. Распад спокойных форм и яркие сияния наблю­ даются значительно реже к полюсу от зоны полярных сия­ ний, где отмечены характерные кратковременные (1 — 5 мин) всплески вытянутых вдоль линии Земля — Солнце протяженных форм [19].

Частота появления так же, как интенсивность полярных сияний, явно коррелирует с активностью Солнца. Это сле­ дует из существования тенденции к 27-дневной повторяе­ мости, коррелирующей с периодом вращения Солнца, так же как 11-летняя вариация коррелирует с циклом солнеч­ ных пятен.

1.2.Морфология полярных сияний

Вмонографии дано только краткое описание основных особенностей общей морфологии полярных сияний и вре­ менной последовательности их развития, так как подроб­

ное описание и исчерпывающее рассмотрение содержатся в книге Акасофу [7] и в обзорной работе Хултквиста [26].

Полярное сияние — результат взаимодействия заря­ женных частиц с атмосферой Земли, а инжекция таких частиц в атмосферу является следствием взаимодействия солнечного ветра, т. е. движущегося от Солнца потока плазмы, с геомагнитным полем. Пространственно-временное распределение сияний зависит поэтому от параметров сол­ нечного ветра, геомагнитного поля и плотности и состава атмосферы.

Прежде чем приступить к детальному рассмотрению морфологии полярных сияний, важно определить есте­ ственную систему координат. Для этого внесем ясность в наиболее существенные особенности движения заряженных частиц в геомагнитном поле, а затем определим систему

координат, удобную для наблюдений и рассмотрения авроральных явлений.

1.2.1. Движение авроральных частиц в магнитном поле. Системы координат. Движение электрически заряженной частицы со скоростью ѵ в магнитном поле напряженности В и электрическом поле напряженности Е определяется ос­ новным уравнением движения

заставляет низкоэнергичную частицу двигаться по винто­ вой траектории вокруг силовой линии, если Е = О

Рис. 1.8. Схематическое изображение траектории частицы в гео­ магнитном поле. V, ѵ± и V л — соответственно полная скорость,

компоненты скорости поперек и вдоль магнитной силовой линии. dl и ds суть дифференциалы дуг вдоль магнитной силовой линии и траектории частицы соответственно.

(рис. 1.8). Штёрмер [50] в своем фундаментальном классичес­ ком труде выполнил расчеты всевозможных траекторий электронов в магнитном поле Земли. Альвен [9] показал, что при малых относительных вариациях напряженности магнитного поля за время одного оборота частицы вокруг силовой линии, выполняется соотношение

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ 23

для нерелятивистской частицы при ее движении в магнит­ ном поле, где Wх— кинетическая энергия движения час­ тицы поперек В, р. — магнитный момент вращающейся частицы. Величина ц называется также первым адиабати­ ческим инвариантом. Движение частицы в этом прибли­ жении можно описать как круговое движение вокруг так называемого ведущего центра и движение последнего вдоль силовой линии. Движение ведущего центра экви­ валентно перемещению небольшого магнита с магнитным моментом р..

Магнитные силы не могут изменить полную энергию частицы, а изменяют только направление вектора скорости, поэтому общая кинетическая энергия W остается постоян­ ной при отсутствии электрического поля. Отсюда следует, что частица не может проникнуть в область пространства,

При В = Вт Wj_= W, т. е. частица движется перпенди­ кулярно магнитному полю. Когда частица проникает в магнитное поле до точки В = Вт, магнитные силы будут заставлять ее возвращаться в области пространства с меньшими значениями В, т. е. происходит отражение частицы в точке с В = Вт. Отсюда если магнитные силовые линии замкнуты, как в случае дипольного поля, то час­ тица будет колебаться между двумя точками с В = Вт, одной в северном и другой в южном полушарии.

Второй адиабатический инвариант связан с периодичес­ ким колебанием частицы между точками отражения (зер­ кальными точками). Можно показать, что интеграл

есть постоянная величина при условии, что напряженность магнитного поля В в любой точке траектории не изме­ няется существенно за время, которое требуется частице, чтобы пройти от одной точки отражения к другой. В (1.4) Цц— компонента скорости, а dl — отрезок траектории вдоль

24 ГЛАВА 1

силовой линии. Интегрирование производится от одной

константой для всех частиц, движущихся вдоль магнит­ ной силовой линии и отражающихся при напряженности магнитного поля Вт при условии, что отсутствуют элек­ трические поля и быстрые временные вариации магнит­ ного поля. / иногда называют интегральным инвариантом.

Помимо движения по винтовой траектории вдоль сило­ вой линии между двумя точками отражения, электрически заряженная частица медленно дрейфует вокруг Земли. Этот дрейф обусловлен градиентом напряженности и кри­ визной силовых линий геомагнитного поля; дополнитель­ ный дрейф может быть также обусловлен электрическими полями.

Детальное рассмотрение этих проблем содержится в книге: X. Г. Редерер «Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем» [43]_и в других учебниках, например: Е. Н. Хесс «Радиационный пояс и магнитосфера» [23]. Здесь достаточно указать, что первые два адиабатических инварианта остаются постоянными в период дрейфа частицы при условии, что он происходит значительно медленнее по сравнению с другими движениями.

Можно показать, что на любой долготе имеется только одна силовая линия, удовлетворяющая условию, что час­ тицы отражаются в точке с В = Вт и что интеграл / имеет данное постоянное значение. Совокупность таких силовых линий образует оболочку вокруг Земли. Мак-Илвейн для описания этой оболочки ввел параметр L [34].

Рассмотрим дипольное магнитное поле. Ведущий центр движется вдоль силовых линий дипольного поля с сохра­

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ 25

нением величин Вти I . Эти силовые линии пересекают гео­ магнитную экваториальную плоскость на расстоянии R от центра Земли. Отношение .

азимуту (долготе) и Вт для описания траектории частицы в дипольном магнитном поле. Дрейфовая оболочка частицы получила название L-оболочки. Математически для ди­

В недипольном поле истинное значение R частицы будет меняться с азимутом. Можно также определить L зависи­ мостью (1.8) от / и 5„гдля данной силовой линии и исполь­ зовать это значение L как параметр, характеризующий данную силовую линию. Однако в этом случае значение L не удовлетворяет соотношению (1.7).

Поскольку / определяется только значениями Вт и В, частицы с одной и той же точкой отражения распола­ гаются на одной L-оболочке, если их траектории совпа­ дают на какой-либо долготе. Частицы с зеркальными точ­ ками, в которых Вт различно, не будут располагаться на одной и той же L-оболочке в асимметричном поле. Рас­ смотрим две частицы, первоначально расположенные на одной и той же силовой линии, но имеющие различные точки отражения. При азимутальном дрейфе они не обязательно останутся на одной и той же силовой линии, так как дви­ жение обеих должно удовлетворять требованиям отно­

становится весьма существенным [42]. Увеличение эффекта при больших L обусловлено усилением асимметрии между полуденным и полуночным секторами магнитосферы с гео­ центрическим расстоянием. Эффект расщепления оболочек был количественно исследован на спутниках [38].

В дипольном поле силовая линия, характеризуемая параметром L, пересекает поверхность Земли на широте Al , определяемой соотношением

Величина AL называется инвариантной геомагнитной ши­ ротой и может быть использована вместо L для характе­ ристики дрейфовой оболочки частицы. AL постоянно вдоль линии пересечения L-оболочки с поверхностью Земли.

Как следует из соотношения (1.8) и рассмотрения рас­ щепления L-оболочки, определение L для данной сило­ вой линии зависит от точки отражения Вт рассматривае­ мой частицы. Для частиц полярных сияний удобно опре­ делить L по частицам, отражающимся в земной атмосфере на высотах появления полярных сияний.

Хотя параметр L mih AL удобен для описания захвачен­ ных частиц, его физический смысл для частиц, проникаю­ щих в атмосферу, т. е. для частиц визуальных полярных сия­ ний, не полностью ясен. Инжекция частиц полярных сия­ ний в атмосферу есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Это поле сильно де­ формировано во внешней области и образует магнитный хвост с нейтральным слоем на антисолнечной стороне. Частицы входят в геомагнитное поле через хвост и начинают дрей­ фовать вокруг Земли под действием электрического поля, возникающего при взаимодействии солнечного ветра с геомагнитным полем. Последующее бетатронное ускорение и высыпание квазизахваченных частиц под влиянием неус­ тойчивостей могут объяснить появление частиц полярных сияний. Детальное рассмотрение этого процесса выходит за рамки данной монографии, но следует отметить, что гео­ магнитное поле во внешних областях сильно возмущено этим взаимодействием и кольцевым током, образуемым дрейфующими частицами. Это приводит к тому, что исполь­ зование L или Al для высоких широт становится сомни­ тельным. Для значений L, больших 7 или 8, магнитное поле во время геомагнитных бурь меняется так сильно, что значения L, вычисленные для спокойных периодов, становятся щеверными. Существование этого эффекта было доказано при исследованиях сияний, располагающихся в магнитносопряженных точках северного и южного полу­

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 27

шарий (т. е. в точках одной и той же магнитной силовой линии для спокойных условий), которые показывают, как нарушается сопряженность полярных сияний [35, 36]. Несмотря на это, параметр Ад является наилучшей коор­ динатой для описания магнитной широты.

В [30] указано, что для вычисления истинной формы маг­ нитных силовых линий необходимо вводить поправку на геомагнитную долготу, так как конкретная магнитная си­ ловая линия не располагается в одной плоскости, как пред­ полагается в дипольном приближении.

Поскольку явление магнитной бури обусловлено Солн­ цем, а ее интенсивность на поверхности Земли определяется геомагнитной широтой, направление на Солнце и направле­ ние оси геомагнитного диполя являются наиболее естествен­ ными направлениями. Поэтому наиболее удобная система координат следующая: главная ось совпадает с осью гео­

кой-либо точке определяется углом между этой плоскостью и плоскостью, проходящей через ось диполя и данную точку. Эти две плоскости совпадают, когда магнитное время равно 12 ч 00 мин (магнитный полдень) или 0 ч 00 мин (маг­

стве третьей координаты того или иного параметра зависит от изучаемого явления. Первичные результаты наблюде­ ний полярных сияний часто представляют с использованием дипольной широты, так как преобразование к другой коор­ динате зависит от детального знания геомагнитного поля.

1.2.2. Глобальная морфология полярных сияний. Об­ ширные систематические данные о проявлениях полярных сияний с использованием системы координат геомагнит­ ная широта — местное геомагнитное время содержатся в исследованиях Дэвиса [15, 16] и Акасофу [6, 7].

Отдельный активный период в развитии сияний часто называют суббурей в полярных сияниях. На рис. 1.9 при­ ведено развитие суббури в полярных сияниях в координа­ тах геомагнитная широта — местное время. На каждой диа­

28 ГЛАВА 1

грамме начало координат соответствует геомагнитному полюсу, причем ось диполя перпендикулярна плоскости рисунка, а Солнце расположено вверху*. До суббури суще­ ствует довольно устойчивая система дуг и полос полярных сияний (рис. 1.9, а). Активизация начинается с увеличения яркости одной или нескольких полос (рис. 1.9, б) с после­ дующей деформацией и движением к полюсу всей системы дуг около полуночного меридиана. Новые лучистые формы

ризуется яркими формами с быстрым движением и быстры­ ми вариациями интенсивности вдоль всего овала полярных сияний. Фазы от а до а соответствуют последовательности, изображенной на рис. 1.7. Первоначально существовавшие полосы и вновь образовавшиеся формы обычно движутся от центра возмущения. После максимума суббури появляются

На основании рис. 1.9 можно заключить, что развитие суббури в полярных сияниях для наблюдателя в какойлибо точке на поверхности Земли будет зависеть от его положения (каждый наблюдатель видит круг диаметром 1000 км на высоте 100 км). В общем его восприятие будет зависеть как от развития суббури в течение ночи, так и от его собственного движения под полярным сиянием.

Ввечернем секторе будут преобладать дуги и полосы,

ав утренние часы наиболее часто появляются диффузные пятна, отдельные лучи и другие диффузные слабые авро­ ральные явления. Временные и пространственные масштабы и интенсивность суббури могут сильно меняться, некото­ рые суббури приводят к образованию только выпуклостей

в системе дуг, тогда как другие могут привести к их рас­

* Глобальная схема развития суббури в полярных сияниях детально описана в монографии С. И. Исаева и М. И.Пудовкина. «Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли», изд-во «Наука», Л., 1972. Изображенная на рис. 1.9 схема развитиясуб-

а глобальная схема, включающая фазу зарождения суббури, опи­