книги из ГПНТБ / Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник

ГЛАВА XI

ПОЛЯРНЫЕ сияния

Результатом взаимодействия заряженных частиц внеземного происхождения с частицами верхней атмосферы при наличии гео­ магнитного поля является одно из красивейших геофизических явлений — полярное сияние. Это явление своеобразного свечения верхних слоев атмосферы возникает преимущественно в поляр­ ных районах.

Большие и очень большие магнитные бури, как правило, со­ провождаются полярными сияниями, которые наблюдаются в вы­ соких широтах на всех долготах в северном и южном полуша­ риях. Интенсивные полярные сияния могут иногда наблюдаться в умеренных и даже в низких широтах. Связь между магнитными бурями и полярными сияниями обусловлена общностью причин, вызывающих те и другие явления.

§1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ

1.Форма полярных сияний. По своей структуре полярные сия­ ния могут быть чрезвычайно разнообразными. Однако по форме их все же можно классифицировать на две большие группы: фор­ мы без лучистой структуры и формы с лучистой структурой.

Перечислим наиболее характерные формы полярных сияний первой группы.

К о р о н а — лучистое сияние, видимое вблизи магнитного зе­ нита1). Поскольку лучи расположены примерно вдоль силовых линий геомагнитного поля, то в результате эффекта перспективы они сходятся в направлении магнитного зенита.

Д р а п р и — полоса, состоящая из длинных лучей и создаю­ щая впечатление свисающего занавеса.

') Магнитный зенит — это воображаемая точка пересечения продолжения магнитной стрелки с небесной сферой, если стрелка подвешена свободно в маг­ нитном поле Земли.

2 2 2

Ко второй группе относятся три формы полярных сияний.

Д у г а — светящаяся полоса, простирающаяся в направлении магнитной параллели с запада на восток. Наивысшая точка по­ лосы расположена вблизи магнитного меридиана. Нижняя гра­ ница дуги резко очерчена, а верхняя — размыта и постепенно исчезает с высотой.

П о л о с а — форма, подобная дуге, но не имеющая такой пра­ вильной структуры. Вдоль полосы могут происходить активные видимые движения.

П у л ь с и р у ю щ а я п о в е р х н о с т ь — форма, имеющая вид светящегося облака, интенсивность свечения которого нере­ гулярно колеблется с периодом в несколько секунд.

Многие формы полярных сияний могут быть видимы одновре­ менно.

В полярных сияниях встречаются почти все цвета. Преобла­ дающим цветом, особенно в дугах, является зеленовато-желтый, напоминающий цвет растений, выросших в темноте. Драпри и светящиеся поверхности часто бывают окрашены в красный или даже в темно-красный цвет. Изредка наблюдаются голубые и фиолетовые сияния.

Каждая из форм полярного сияния соответствует определен­ ному физическому процессу, происходящему в верхней атмосфе­ ре. Некоторые из форм, например кброна, определяются также перспективой и зависят от положения наблюдателя.

2. Интенсивность полярных сияний. Самое слабое сияние, ви­ зуально отличимое от фона, имеет интенсивность, в 3—4 раза большую, чем нормальное свечение ночного неба.

Интенсивность полярных сияний при визуальных наблюде­ ниях оценивают с помощью международного коэффициента яр­ кости (IBC). Различают четыре класса интенсивности:

I — яркость Млечного пути;

II— яркость перистых облаков, освещенных Луной; III — яркость кучевых облаков, освещенных Луной;

IV — освещенность на земной поверхности, равная освещенно­ сти, создаваемой полной Луной.

Полярные сияния классов I и II являются бесцветными, а классов III и IV обычно имеют цветную окраску.

Приведенная градация интенсивности полярных сияний яв­ ляется слишком грубой и субъективной.

Для объективной оценки интенсивности используют электро­

приведена в табл. 11.1.

Измерения, проведенные с помощью электрофотометров, по­ казали, что величина светового потока от полярного сияния не­ прерывно меняется, пульсирует.

223

Однородные дуги имеют, как правило, небольшую яркость, но значительную продолжительность существования. Световой поток от них изменяется во времени медленно и плавно.

В группе форм полярных сияний с лучистой структурой про­ исходят быстрые изменения светового потока, имеющие харак­ тер всплесков.

Наиболее прямым и точным методом определения высоты поляр­ ных сияний является метод триангуляции.

к м

Рис. 11.1. Высоты нижней границы дуг полярных сияний в зависимости от их интенсивности

Наиболее удобно измерять высоту у дуг и полос полярных сияний, имеющих резкую нижнюю границу. Результаты измере­ ний показывают, что в высотном распределении полярных сия­ ний имеется двойной максимум между 95 и ПО км.

Харанг показал, что наличие такого двойного максимума воз­ никает из-за наложения высотного распределения сияний раз­ личной интенсивности (рис. 11.1). Из приведенного графика вид-

224

но, что наиболее интенсивные сияния возникают на более низких высотах.

Полярные сияния с нижней границей менее 150 км — это обычные полярные сияния с зеленоватым оттенком, часто появ­ ляющиеся вблизи широт 60—70°. Ширина дуг составляет около 20 км, а полос и драпри — до 80 км. Высота лучей может дости­ гать нескольких сотен километров. Крайне редко полярные сия­ ния могут опускаться ниже 100 км (иногда до 60 км).

Кроме обычных полярных сияний, чаще всего в периоды вы­ сокой солнечной активности возникают сияния на значительно больших высотах (выше 250 км). Это — полярные сияния ти­ па А0. Они имеют красноватую окраску и наиболее интенсивные из них могут наблюдаться в низких широтах. Так, в ночь с 8 на 9 марта 1970 г. яркое полярное сияние наблюдалось в окрестно­ стях Москвы.

Полярные сияния, наблюдаемые в средних и низких широтах, обычно располагаются в северной части небосвода. При средней высоте 105 км полярные сияния можно видеть с расстояния до

1000 км.

§ 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ЧАСТОТА ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЯ

Полярные сияния наиболее часто возникают в высоких ши­ ротах северного и южного полушарий. Если составить карту изо­

Она может несколько перемещаться, сужаться и расширяться в зависимости от времени суток, сезона года и года в 11-летнем цикле солнечной активности.

В каждый данный момент времени полярное сияние наблю­ дается одновременно на всех долготах в северном и южном полу­ шариях в виде кольца овальной формы. Это кольцо совпадает с зоной полярных сияний только в области местной полуночи, а в других местах оно лежит внутри приполюсной области, ограни­ ченной зоной полярных сияний.

Ширина светящейся области, как правило, составляет около 1° широты, а иногда может быть и меньше.

При низкой солнечной активности овал уменьшается и стано­ вится почти кругом с центром в геомагнитном полюсе, а при воз­ растании солнечной активности он расширяется и занимает экс­ центричное положение относительно геомагнитного полюса. Во время больших магнитных бурь овал полярного сияния смещает­ ся еще дальше в низкие широты.

Частота полярных сияний, измеряемая в ночах за год, имеет суточный и сезонный ход, а также вариации, связанные с цик­ лом солнечной активности и геомагнитными возмущениями.

Суточный ход. Частота появления полярных сияний в течение суток характеризуется главным максимумом, обычно наступаю­ щим за 1 ч до местной полуночи. Яркие быстродвижущиеся фор­ мы полярных сияний имеют тенденцию возникать до этого мак­ симума, а слабые, спокойные формы появляются преимуществен­ но после максимума.

Ход интенсивности сияний по различным участкам неба зави­ сит от места наблюдения. Так, в северном полушарии для райо­ нов, которые расположены южнее зоны полярных сияний, вече­ ром сияния появляются на северной стороне неба и по мере на­ ступления ночи распространяются все более к югу; после полуно­ чи они снова отступают к северу. В целом увеличение интенсив­ ности полярного сияния сопровождается продвижением его в более низкие широты.

Сезонный ход. Частота появления полярных сияний макси­ мальна в равноденственные месяцы (март, сентябрь) и, так же как геомагнитная возмущенность, минимальна в летние и зимние месяцы. С приближением к полюсу осенний максимум стано­ вится все глубже, а весенний постепенно сглаживается и совер­ шенно исчезает. Ширина зоны полярных сияний близ равноден­ ствий расширяется, а в периоды солнцестояний сжимается. Внутри зоны полярных сияний максимум достигается зимой.

Связь полярных сияний с солнечной активностью. На любой геомагнитной широте частота появления полярных сияний изме­ няется от года к году и показывает тесную корреляционную связь со среднегодовым количеством солнечных пятен. При повышении солнечной активности частота возникновения полярных сияний увеличивается. При этом имеет место запаздывание максимума сияний по отношению к максимуму солнечных пятен на 1—2 го­ да, а минимумы практически совпадают. Вариации частоты по­

226

лярных сияний в течение солнечного цикла наиболее ярко выра­ жены в низких геомагнитных широтах.

Установлено, что полярные сияния особенно часто наблю­ даются примерно через сутки после прохождения больших групп солнечных пятен через центральный меридиан Солнца. Подобная же зависимость существует и для больших магнитных бурь.

Так же, как геомагнит­ ные возмущения, полярные сияния имеют тенденцию повторяться через 27-днев­ ный промежуток времени.

Результаты наблюдений позволили установить зави­ симость полуденной и полу­ ночной широты кольца по­ лярного сияния от уровня магнитной активности (рис. 11.3). При возмущениях гео­

магнитного поля и возрастании геомагнитного планетарного ин­ декса Кр происходит смещение полярного сияния от полюса в умеренные широты.

Приведенные выше факты говорят о том, что полярные сия­ ния и геомагнитные возмущения (магнитные бури) — внутренне связанные геофизические явления.

§ 3. СПЕКТР СВЕЧЕНИЯ'ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ

Верхняя атмосфера имеет спорадическое свечение во время полярных сияний и собственное непрерывное свечение, которое принято подразделять на дневное, сумеречное и ночное свечение. Наиболее изучены спектры полярных сияний и спектры свечения ночного неба. Рассмотрим их основные особенности.

1. Спектр полярного сияния. Полярное сияние имеет линейча­ тый спектр излучения, состоящий из многочисленных эмиссион­ ных линий и полос, при полном отсутствии непрерывного спектра.

В видимой части спектра наиболее сильные линии имеют дли-

(красный дублет). Все эти три линии создаются атомами кисло­ рода и в основном обусловливают видимое свечение полярных сияний. Зеленая линия дает желто-зеленые оттенки полярному сиянию, а красный дублет — темно-красные оттенки, характер­ ные для наиболее интенсивных полярных сияний типа А. Кроме того, в видимой и инфракрасной частях спектра имеется ряд сла­ бых линий, принадлежащих атомам кислорода и азота.

Нейтральные и ионизированные молекулы азота (N2, N^) создают в спектре несколько полос. Наиболее интенсивные из них

О

расположены на К = 3914, 4278, 4708 и 5225 А, которые придают

ротковолновую часть спектра. Это говорит о том, что она обра­ зуется атомами водорода, вторгающимися в верхнюю атмосферу извне со скоростями около 1000 км/сек.

2. Спектр свечения ночного неба. В результате ионизационно­ рекомбинационных и фотохимических процессов, а также, воз­ можно, и других причин верхняя атмосфера имеет собственное непрерывное свечение. Оно наблюдается повсеместно в любое время суток. Однако его обнаружение днем возможно лишь с по­ мощью ракет на больших высотах, где рассеяние солнечного све­ та становится незначительным.

Свечение ночного неба является чрезвычайно слабым и для его исследования с земной поверхности требуются сложные спектроскопические наблюдения-

Спектр свечения ночного неба состоит из линий и полос излу­ чения. Основными из них являются: зеленая линия и красная ли­ ния — дублет атомного кислорода (те же, что и в спектре поляр­ ного сияния), желтая линия натрия, полосы молекулярного кис­ лорода и молекулы гидроксила ОН.

Таким образом, в отличие от спектра полярного сияния в спектре ночного неба отсутствуют полосы молекулярного азота, но имеются линия Na и полосы 0 2 и ОН. Это различие в спектрах связано с тем, что спектр полярного сияния относится к высотам ПО км и выше, а спектр свечения ночного неба — к более низким высотам, к слою от 70 до 100 км.

Неожиданным явилось обнаружение натрия в спектре. Во­ прос о его происхождении пока не разрешен. По-видимому, он попадает в верхнюю атмосферу с кристаллами морской соли, а, возможно, имеет вулканическое или метеорное происхождение.

Особенностью спектра сумеречного неба является увеличение интенсивности зеленой линии кислорода и желтой линии натрия.

Спектр дневного свечения подобен спектру сумеречного неба, но более богат эмиссионными линиями.

Следует отметить, что ночное свечение атмосферы никогда не бывает одинаково интенсивным по всему небу. Оно как бы со­ стоит из отдельных пятен, которые могут перемещаться по небу и изменять свою форму. Установлено, что осредненное ночное свечение зависит от времени ночи, широты места, сезона года и фазы солнечного цикла.

228

ГЛАВА XU

РАДИАЦИОННЫЙ ПОЯС ЗЕМЛИ

§ 1 ОТКРЫТИЕ РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ЗЕМЛИ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ

Одним из наиболее замечательных открытий в области гео­ физики, сделанных с помощью ИСЗ и космических ракет, было обнаружение в окрестностях Земли зон заряженных частиц высо­ ких энергий, которые были названы внутренним и внешним ра­

заполнена весьма интенсивным потоком заряженных частиц и ра­ диационный пояс Земли представляет собой единое образование со сложным распределением частиц по составу и энергиям.

Формирование радиационного пояса — одно из проявлений сложного комплекса процессов взаимодействия магнитного поля Земли с солнечными корпускулярными потоками.

Изучение радиационного пояса Земли имеет большое теоре­ тическое и практическое значение для геофизики, астрофизики, космонавтики и других наук.

Состояние радиационного пояса тесно связано с такими гео­ физическими явлениями, как магнитные бури и полярные сияния. Предполагается, что существование радиационного пояса при­ суще не только Земле, но и всем небесным телам, которые обла­ дают значительным магнитным полем.

230