Изучение полярных сияний с помощью более совершенной аппаратуры, которая позволяет фотографировать их за более короткое время экспозиции и поэтому регистрировать сияния меньшей интенсивности, показало: все формы полярных сияний имеют еще и тонкую структуру. Стали более ясными переходы одной формы сияния в другую, а также их изменение во времени.
В настоящее время для исследования полярных сияний используются многоканальные телевизионные системы. Такой аппаратурой были зарегистрированы скорости движения сияний до 10 км/с. Было установлено, что вертикальная протяженность пульсирующих сияний меньше 2 км, а максимальная их интенсивность не превышает 10 kR в полосах 4278 Å.
Часто наблюдаются полярные сияния в виде спиралей, которые разворачиваются по часовой стрелке, если смотреть с Земли вдоль магнитных силовых линий. Диаметр спиралей меняется от 20 до 1300 км, наиболее типичные размеры 250—500 км. Спирали видны в вечерние и полуночные часы.
Кроме спиралей бывают также завитки. В последних силовые линии остаются параллельными друг другу, тогда как спираль сопровождается изменениями ориентации магнитных силовых линий. Завитки намного меньше спиралей и закручены в противоположную сторону. В одних и тех же формах полярных сияний могут наблюдаться как спирали, так и завитки.
Считается, что спирали обусловлены продольными электрическими токами, которые текут вдоль геомагнитных силовых линий между ионосферой и магнитосферой. Завитки, видимо, обусловлены тем, что в центре каждого из них имеется избыток отрицательных электрических зарядов.
По мере того как полярные сияния становятся более активными, возникает вращение по часовой стрелке, которое с увеличением интенсивности свечения приводит к образованию изгиба или оптического драпри. Дуги полярных сияний испытывают кручения, искривления, расщепления и другие деформации. Они наблюдаются вдоль дуги с определенной периодичностью и с ними связаны разрушение и восстановление форм полярных сияний.
Остановимся подробнее на высотах полярных сияний.
Высота полярного сияния зависит от нескольких причин, и прежде всего от энергии заряженных частиц, которые вызывают сияния (электронов и протонов). Чем больше энергия этих частиц, тем глубже проникнут они в атмосферу Земли и вызовут свечение атмосферы — полярное сияние на меньших высотах. Еще один фактор, влияющий на высоту полярного сияния: какой именно газ (азот, кислород или водород) светится и в каких линиях? Таким образом, исследователям полярных сияний важно знать высотное распределение плотности атмосферы и концентрацию отдельных ее составляющих.
Самый простой и первый способ определения высоты полярного сияния был предложен еще в XVIII в. Речь идет о триангуляционном методе, по которому высота полярного сияния определялась на основании одновременных измерений углов возвышения над горизонтом одних и тех же точек полярного сияния. Измерения проводились из двух точек, разнесенных на 10—20 км. Возможности метода существенно увеличились, после того как стало возможным применение фотографирования с малыми экспозициями. Точность измерения высоты достигала 1—2 км.
За многие годы наблюдении полярных сияний накопился большой материал, позволяющий установить основные закономерности изменения высот полярных сияний. Прежде всего было установлено, что, чем интенсивнее свечение, тем меньше высота нижнего края сияния (рис. 26). Средняя высота нижнего края дуг и полос полярных сияний различной интенсивности (слабой, средней, сильной и очень сильной) составляют 114,8, 108,0, 99,3 и 94,7 км соответственно. Высота нижнего края дуг полярных сияний с интенсивной красной окраской нижнего края (тип В) равна 65—70 км.
Нижний предел высот полярных сияний в их зоне составляет 95—110 км. В дневной части овала полярных сияний свечение наблюдается на больших высотах, чем в ночной его части.
Высота полярных сияний зависит также от широты. На разных широтах также различны полная интенсивность сияния и частота его появления. Лучи полярных сияний, которые обычно наблюдаются высоко в атмосфере, чаще появляются в высоких широтах, чем в более низких. Зато в последних более часты пульсирующие сияния. Можно сказать, что по мере перехода от высоких широт к более низким форма сияний меняется от лучистых дуг к драпри.
С ростом геомагнитной широты средняя высота полярных сияний увеличивается. На широтах 75—76° высоты полярных сияний составляют 145—180 км с максимумом около 175 км. На широте 68° средняя высота максимума свечения в спокойных дугах сияний равна 120 км, а на 72° — 164 км.
Рис. 26. Высотное распределение яркости (интенсивность свечения) полярных сияний четырех типов
1 — лучи; 2 — драпри; 3 — лучистые дуги; 4 — однородные дуги. D, Е, F — области ионосферы
На рис. 27 показана зависимость высоты спокойных дуг полярных сияний от широты, полученная по большому количеству наблюдений в северном полушарии. Видно, что к северу и к югу от широты 63—65° высота дуг увеличивается. Это увеличение больше в направлении к полюсу, чем к экватору.
Верхний предел полярных сияний определяется с меньшей точностью. Он также различен для разных форм полярных сияний. Так, верхний предел лучей много больше, чем верхний предел других форм сияний.
Рис. 27. Зависимость высоты полярных сияний от широты
Лучи полярного сияния, освещенные Солнцем (перед заходом или после восхода), наблюдаются на высотах между 200—400 км и 1000—1100 км.
Высоты полярных сияний в низких широтах измерялись редко. Имеющиеся немногие данные говорят о том, что там эти величины выше, чем в овале полярных сияний. Они могут достигать 1000 км (см. рис. 27).
Протонные полярные сияния
Особо выделяют полярные сияния, которые вызываются протонами. Их свойства во многом отличаются от рассмотренных выше форм электронных полярных сияний.
Когда пучок высокоэнергичных протонов входит в атмосферу, их энергия постепенно уменьшается вследствие неупругих столкновений, при которых происходит ионизация и возбуждение молекул и атомов атмосферных газов. В некоторых ионизационных процессах протон может захватить свободный электрон и таким образом превратиться в нейтральный атом водорода. Этот процесс называется перезарядкой. Атом водорода может возникать или в основном пли в каком-либо возбужденном состоянии.
Когда возбужденный атом водорода переходит в основное или метастабильное состояние 2S, в результате нескольких каскадных переходов, его излучение возможно в линиях серии Бальмера α(3—2) и β(4—2), а также с длинами волн Нα 6563 Å и Нβ 4861 Å.
Некоторые особенности протонных (водородных) полярных сияний вызваны особым характером движения протонов — атомов водорода. Первоначальный протон в своем движении направляется силовыми линиями геомагнитного поля. Когда протон превращается в атом водорода, его движение больше не ограничивается магнитным полем и он может далеко уйти от направления движения первоначального протона. Затем атом водорода при столкновении с другой частицей вновь теряет свой электрон (т. е. ионизуется) и превращается в протон. Снова его движение направляется магнитным полем.
Протоны и атомы водорода испытывают большое число столкновений, сопровождающихся перезарядкой, прежде чем растратят полностью свою энергию и затормозятся. Меняется и состав пучка протонов — атомов водорода по мере его проникновения в атмосферу.
Поскольку излучающие атомы водорода движутся с достаточно большой скоростью, то длина волны их излучения несколько изменяется вследствие эффекта Доплера. Напомним, что сам эффект состоит в том, что если источник волн приближается к наблюдателю (или удаляется от него), то последний регистрирует уменьшение (или увеличение) длины волны по сравнению с длиной волны того же излучателя, когда он неподвижен.
Таким образом, при движении атомов водорода к Земле спектральные линии, регистрируемые с земной поверхности, будут смещены в сторону более коротких длин волн. Для примера скажем, что линия Нβ 4861 Å обычно смещается примерно на 5 Å. Это смещение измеряется, и информация используется для определения параметров пучка протонов — атомов водорода.
По мере своего продвижения в глубь атмосферы пучок протонов — атомов водорода постепенно расползается за счет выхода из-под контроля магнитным полем атомов водорода. Происходит своего рода диффузия поперек пучка. Но когда частицы попадают в более плотные слои атмосферы, то величина этой диффузии быстро уменьшается.
Процесс перезарядки состоит из ряда процессов, которые можно записать в виде
H+ + M →→ H(nl) + M+,
где n и l — орбитальное и азимутальное квантовое число соответственно. Реакции имеют различные эффективные сечения σ10(nl) для захвата электрона на разные уровни nl.
