а — в очень спокойный период; б — в умеренно возмущенный период; в — при интенсивной буре
Проведем плоскость через ось диполя и данную точку. Тогда местное геомагнитное время в данной точке определяется углом между этой плоскостью и главной координатной плоскостью. В магнитный полдень (12 ч 00 мин) и магнитную полночь (00 ч 00 мин) эти две плоскости совпадают. В качестве третьей координаты выбирают или параметр Мак-Илвейна L, или инвариантную геомагнитную широту ΛL, или дипольную широту Φ. Параметр L задает удаление данной магнитной оболочки в экваториальной плоскости от центра Земли и измеряется в радиусах последней.
Оптимальный выбор третьей координаты зависит от того, какое явление изучается. Поскольку преобразование от дипольной широты к другой координате (L или ΛL) 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 ΛL. 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.
Теперь вернемся к рассмотрению магнитосферной бури. Она состоит из целого ряда следующих друг за другом магнитосферных суббурь. Такая неоднородность магнитосферной бури обусловлена турбулентностью плазменного облака, подходящего к Земле, и крайней иррегулярностью северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля. Ясно, не следует ожидать, что суббури будут похожи друг на друга. Тем не менее все они имеют много общего, по которому можно составить представление о том, как протекает некая типичная магнитосферная суббуря.
Электрическое поле, возникшее в хвосте магнитосферы, вызывает внезапное начало интенсивных направленных движений плазмы по направлению, которое ортогонально одновременно обоим направлениям Е и В, т. е. по направлению Е×В. В хвосте магнитосферы это — движение не только к Земле, но и по направлению плоскости, разделяющей северную часть хвоста от южной. Часть магнитосферы в этой плоскости называют нейтральным слоем. Здесь имеется в виду нейтральность магнитная, поскольку выше этой плоскости геомагнитные силовые линии направлены из хвоста к Земле, а ниже, наоборот, — от Земли в хвост магнитосферы. Между ними (на середине) сходятся два противоположных направления магнитного поля. Они нейтрализуют друг друга и в результате возникает так называемый нейтральный слой.
Поскольку плазма из хвоста магнитосферы под действием электрического поля движется к Земле и одновременно сверху и снизу к нейтральному слою, то последнее движение будет сжимать плазменный слой, находящийся посередине хвоста магнитосферы и имеющий вид цилиндра с осью в направлении этого хвоста. В плазменном слое поперек хвоста магнитосферы с утренней стороны на вечернюю течет электрический ток величиной 107 А. Этот плазменный слой постепенно будет сжиматься, а в хвосте произойдет сложное перераспределение плазмы.
В начальной стадии развития магнитосферной суббури плазменный слой становится очень тонким. Из-за этого часть электрического тока, текущего в хвосте магнитосферы, изменит свое направление. Электрический ток из хвоста магнитосферы вдоль геомагнитных силовых линий втекает в утренний сектор овала полярных сияний, затем течет вдоль полуночного сектора овала в направлении на запад и после чего вновь вдоль геомагнитных силовых линий — обратно в хвост магнитосферы. Следы этого тока, вернее, того его количества, которое содержится в ионосфере в овале полярных сияний (так называемая полярная струя), мы уже встречали. Ее наличие всегда будет фиксироваться магнитометрами в высоких шпротах как отрицательная бухта в горизонтальной составляющей геомагнитного поля.
Теперь понятно, почему интенсивность этой полярной или авроральной электроструи, характеризуемой индексом АЕ (первые буквы ее английского названия), является мерилом, показателем состояния магнитосферы. Двигаясь в электрическом и магнитном полях, частицы плазмы ускоряются и возникает плазма с температурой 107 К и более.
Часть этой плазмы вторгается в верхнюю атмосферу высоких широт и вызывает там различные формы полярных сияний, а также различные процессы в полярной ионосфере (спорадические слои ионизации, поглощение радиоволн, ионосферные неоднородности). Другая часть — пополняет собой плазменный слой в хвосте магнитосферы.
