В зависимости от того, куда движется электрический ток, на запад или на восток, его магнитное поле будет иметь составляющую в горизонтальной плоскости, направленную соответственно на юг или на север. Если электрический ток в ионосфере направлен на восток, то составляющая магнитного поля в горизонтальной плоскости (H-составляющая) должна увеличиваться, если на запад, то — уменьшаться. Это регистрируют магнитометры на поверхности Земли. Магнитометр на НСЗ, ведущий измерение выше области электрического ионосферного тока, дает обратную картину: над восточным током будет отмечено уменьшение суммарного магнитного поля (геомагнитное поле плюс магнитное поле тока), над западным — его увеличение. Эти изменения магнитного поля в сторону его увеличения или уменьшения, имеющие на записях магнитометров форму бухты, называются положительными и отрицательными магнитными бухтами.
Наличие отрицательной магнитной бухты в горизонтальной составляющей магнитного поля на поверхности Земли свидетельствует о том, что создающий ее ток, или, как принято говорить, электроструя (электроджет), направлен в ионосфере на восток.
Полярная магнитная суббуря выглядит следующим образом. На время магнитосферной суббури (1—3 ч) в ионосфере высоких широт образуется токовая система (рис. 35). Как видим, электрические токи текут в утреннем секторе овала полярных сияний на запад, а в вечернем секторе на восток. Эта токовая система появляется только время от времени (в период магнитосферных суббурь) и проявляется импульсным образом в виде последовательных всплесков. Так же как овал полярных сияний привязан не к Земле, а к направлению Земля—Солпце, эта токовая система фиксирована относительно этого направления, а Земля вместе с наблюдательными станциями прокручивается под этой токовой системой.
Теперь обратимся к тому, как связаны полярные сияния в различных временных секторах во время суббури в полярных сияниях с магнитными возмущениями, обусловленными этой токовой системой. Магнитные возмущения будем рассматривать в непосредственной близости от областей, занятых полярным сиянием. Эту связь можно проследить на диаграмме типичных вариаций горизонтальной составляющей геомагнитного поля во время суббури полярных сияний.
Исследования показали, что одновременно со смещением фронта выпуклости в полярных сияниях в полуночном секторе движется электрический ток западного направления. Это подтверждают магнитные записи, показывающие динамику отрицательных бухт в горизонтальной составляющей магнитного поля.
Рис. 35. Эквивалентные токовые системы умеренной (а) и интенсивной полярной магнитной суббури (б) по Я. И. Фельдштейну
В вечернем секторе овала полярных сияний суббури характеризуются движением к западу изгиба вдоль дуги сияния. Сопоставление с данными об изменении магнитного поля показало, что прохождение изгиба связано с увеличением магнитного поля, т. е. магнитометры на Земле регистрируют положительную магнитную бухту в том случае, когда движущийся к западу изгиб перемещался севернее станции измерения. Часто наблюдаются более сложные ситуации, в которых движение изгиба на запад сопровождается как положительными, так и отрицательными бухтами в зависимости от времени развития явления и места регистрации. Станция полярной шапки, находящаяся далеко от изгиба, регистрирует положительную бухту в горизонтальной составляющей магнитного поля. Станция, расположенная достаточно близко к западной электроструе, отметит отрицательную бухту. Для того чтобы правильно сопоставлять указанные данные, необходимо знать расстояние между станцией и овалом полярных сияний.
В утреннем секторе во время суббури активность полярных сияний зависит от положения станции относительно овала сияний. Если наблюдения ведутся из пункта, расположенного к полюсу от овала полярных сияний, то будут регистрироваться либо расширение сияния к полюсу, либо движущийся к востоку изгиб. Этот изгиб менее выражен, чем в вечернем секторе. Вначале наблюдается незначительное движение дуг полярных сияний к экватору, которое сменяется более существенным движением их к полюсу. В самом овале часто регистрируется дрейф нерегулярных полос в направлении к востоку. На экваториальном краю овала наиболее часто происходит распад дуг и дрейф образующихся светящихся пятен к востоку.
Распад активных форм полярных сияний начинается сначала на экваториальной границе овала полярных сияний в полуночном секторе и быстро распространяется в направлении к востоку и к полюсу. Распад дуг полярных сияний связан с отрицательной бухтой. В утренние часы величина самой бухты меньше, чем в полуночные часы, а начало ее выражено менее четко.
В утреннем секторе вдоль зоны полярных сияний (а не вдоль овала) наблюдается обширное свечение в линиях 3914 и 5577 Å. Напомним, что эта область совпадает с месторасположением области повышенного риометрического поглощения радиоволн в утренние часы. Эти сияния названы сияниями типа мантии. Интенсивность этих сияний зависит от степени планетарной возмущенности геомагнитного поля Земли (от индекса КР).
Магнитосферная суббуря проявляется в верхней атмосфере высоких широт не только в виде полярных сияний и вариаций геомагнитного поля. Под действием высыпающихся электронов и протонов происходит изменение концентрации свободных электронов в различных областях ионосферы, нарушается ее регулярность и пространственная однородность. Повышенная ионизация в нижней ионосфере вызывает поглощение радиоволн.
Рассмотрим, что собой представляет ионосферная суббуря, как она протекает и как она связана с суббурей в полярных сияниях. Но вначале приведем самые общие сведения об ионосфере высоких широт.
Земная атмосфера характеризуется давлением, температурой, плотностью и химическим составом. Плотность атмосферы и ее давление с высотой уменьшается экспоненциально. Температура до 12—13 км над уровнем моря уменьшается до 200 К. Эта область нижней атмосферы называется тропосферой. Высота тропопаузы меняется от экватора к полюсу, как это показано на рис. 36. Выше тропосферы располагается стратосфера (до 50 км), в которой температура с высотой увеличивается до того значения, которое наблюдается на поверхности Земли. Выше этого уровня температура снова уменьшается с высотой. Эта область называется мезосферой, которая на 85 км заканчивается мезопаузой с температурой 150 К. На этой высоте температура земной атмосферы самая низкая. Выше мезопаузы температура с высотой снова увеличивается в интервале высот 30—40 км — от 150 К до 500 К. Выше этого уровня днем и ночью температура изменяется с высотой по-разному: днем она достигает 1500—2000 К, а ночью 700—1000 К. Выше 200—250 км как днем, так и ночью температура с высотой не меняется.
Состав атмосферы зависит от тех движений, которые в ней происходят. От поверхности Земли до уровня 105—110 км атмосфера хорошо перемешана благодаря достаточной вязкости атмосферного газа, который в этой области движется как единое целое. Поэтому состав с высотой на этих уровнях не меняется. Его поддерживает постоянным турбулентное перемешивание или турбулентная диффузия. На этих уровнях изменяются только относительные концентрации химически активных малых компонент, таких, как окись азота, озон и т. д. Область постоянного химического состава называется гомосферой.
Рис. 36. Высотный профиль температуры земной атмосферы
Рис. 37. Высотное распределение концентрации атмосферных газов N2, O2, Ar, O, He
Выше 105—110 км турбулентная диффузия уменьшается и различные атмосферные газы начинают вести себя каждый по-своему: более легкие частицы устремляются вверх, более тяжелые движутся медленнее. Чем выше, тем больше легких частиц (водород, гелий) и меньше тяжелых (кислород, азот).
Вся гетеросфера (до 105—110 км) имеет тот же состав, что и воздух у поверхности Земли: 78% молекулярного азота, 21% молекулярного кислорода и около 1% аргона. Остальные частицы (O3, NO, N, H2O) составляют менее 0,1% общего количества частиц.
Выше 100 км встречается атомарный кислород, который образуется из молекулярного путем диссоциации молекул O2 излучением Солнца. Атомы кислорода появляются на высоте 80—90 км; на высоте 120—130 км количество атомарного и молекулярного кислорода уравнивается, а на 160—180 км концентрация O равна концентрации N2. Выше 600 км обнаружены большие количества гелия и водорода, причем первый является основной компонентой атмосферы до высоты 1500 км, а затем его постепенно сменяет второй (рис. 37).
Распределение с высотой плотности атмосферы, а также температуры в термосфере (выше мезопаузы) зависит от солнечной активности и времени суток (рис. 38).
