Юрий Мизун - Полярные сияния

Оптимальный выбор третьей координаты зависит от того, какое явление изучается. Поскольку преобразование от дипольной широты к другой координате ( L или Λ L) требует детального знания геомагнитного поля, то первичные результаты наблюдений полярных сияний часто представляют с использованием дипольной широты. Но дипольное приближение не вполне справедливо. Поэтому лучше оперировать данными в координатах L или Λ L. Зоны полярных сияний следуют вдоль линий L = const с хорошим приближением.

При описании полярных сияний следует учитывать и то, что ось вращения Земли наклонена относительно плоскости орбиты на 23° и не совпадает с осью геомагнитного диполя на 11°. В результате этого направление на Солнце может в течение года отклоняться до ±34° от геомагнитной экваториальной плоскости. Вследствие этих двух эффектов суточные и сезонные вариации усиливаются.

Наиболее существенными являются сезонные вариации, которые связаны с изменением угла между осью геомагнитного диполя и направлением Земля — Солнце.

Вариация, связанная с всемирным временем UT , включает также компоненты, которые обусловлены 11-летним циклом солнечной активности и 27-дневной повторяемостью, вызванной вращением Солнца.

Полярные сияния определяются характеристиками вызывающих их заряженных частиц, которые, в свою очередь, зависят от процессов в магнитосфере. Поэтому, прежде чем рассматривать протекание суббури в полярных сияниях, проанализируем как протекает магнитосферная суббуря.

Движение заряженных частиц в магнитном поле направляется его силовыми линиями. Поэтому любому перемещению формы полярного сияния, наблюдаемого визуально в высоких широтах, соответствует определенное движение в магнитосфере тех частиц, которые его вызывают. Если вспомнить, как проходят магнитные силовые линии в магнитосфере, то станет ясным, что движение источника заряженных частиц в ее экваториальной плоскости по направлению от Земли в хвост магнитосферы связано с движением видимых форм полярных сияний в область более высоких широт, т. е. к полюсу. Справедливо, естественно, и обратное: движение плазмы в экваториальной плоскости магнитосферы из ее хвоста в направлении к Земле будет регистрироваться наблюдателем с поверхности Земли как движение различных форм полярных сияний от полюса к экватору. Также можно рассуждать и о движениях в направлениях восток — запад. Заметим только, что когда рассматривается свечение протонных полярных сияний, то проследить связь областей свечения с источниками протонов в магнитосфере, а тем более динамику этой связи значительно сложнее: в этом процессе время от времени участвуют атомы водорода, свободные от тех ограничений, которые накладывает магнитное поле на движение протонов. Об этом мы уже говорили при рассмотрении особенностей протонных полярных сияний.

Из всего вышесказанного видно, что атмосферу высоких широт обоих полушарий можно рассматривать как экран осциллографа или телевизора, засветку которого производят заряженные частицы, поступающие из определенных частей магнитосферы. В осциллографе, как известно, электронный пучок отклоняется электрическим полем, направленным как горизонтально, так и вертикально и расположенным в плоскости, параллельной экрану осциллографа. Эта же физическая причина, т. е. электрическое поле, гонит плазму и в магнитосфере.

Поперек хвоста магнитосферы возникает электрическое поле Е , которое направлено с утренней стороны на вечернюю. Это поле возникает в результате пересоединения межпланетного магнитного и геомагнитного полей. Пересоединение происходит тогда, когда эти линии имеют противоположные направления. Поскольку магнитное поле Земли направлено с юга на север, то условием пересоединения является движение силовых линий межпланетного магнитного поля с севера на юг. Как правило, эта североюжная компонента межпланетного магнитного поля крайне иррегулярна, поэтому и поток плазмы, возникший в хвосте магнитосферы под действием электрического поля (дрейф в ортогональных полях E и B ), является по характеру своего движения турбулентным. При рассмотрении движения заряженных частиц в магнитных, электрических и других силовых полях было показано, что в данной ситуации, когда электрическое поле в хвосте магнитосферы направлено поперек хвоста с утренней стороны на вечернюю, заряженные частицы независимо от знака их электрического заряда (т. е. как электроны, так и протоны) будут дрейфовать в направлениях к Земле, поскольку все три ортогональные друг другу направления (электрического и магнитного полей и направление движения) должны составлять правовинтовую систему координат.