Рис. 51. Развитие суббури в ОНЧ-излучении: I — шипение; II — хоры
Суббуря в полярном сиянии тесно связана также с микропульсациями геомагнитного поля типа Рi2. Это колебания с периодом 40—150 с, которые наблюдаются в средних широтах во время начальной фазы развития бухтообразных возмущений. Микропульсации геомагнитного поля являются сверхнизкочастотными электромагнитными волнами. Внезапное начало микропульсаций тесно связано с полярной суббурей, которая проявляется во всплесках рентгеновского излучения, в поглощении радиоволн и в отрицательных бухтах с резким началом. Микропульсации опережают усиление поглощения космического радиоизлучения примерно на 100 с (при быстром приближении активных форм полярных сияний к пункту наблюдения). В самом начале отрицательной бухты наблюдается короткий импульсный всплеск пульсаций поля, который длится около 15 мин. За ним следуют непрерывные микропульсации, связанные со всплесками рентгеновского излучения.
Во время положительных бухт регистрируются микропульсации особого типа, середина частотного спектра которых дрейфует в сторону больших частот. В это время в вечерние часы (где имеют место положительные бухты) вблизи горизонта через направление на полюс проходит движущийся на запад изгиб полярного сияния.
В утреннем секторе также наблюдается значительное усиление микропульсаций во время полярных сияний. Для всплесков рентгеновского излучения, как правило, характерно более резкое начало и быстрое затухание, чем микропульсации.
Рис. 52. Общая картина развития суббури в микропульсациях
В дневные часы (10—15 ч) микропульсации имеют квазисинусоидальный характер (как и модуляция всплесков рентгеновского излучения). Микропульсации рентгеновского излучения в полуденные часы ассоциируются с импульсными микропульсациями.
Во время взрывной фазы суббури в полярных сияниях к экватору от их овала отмечаются микропульсации типа КУП (колебания убывающего периода). Всплески Рi2 наблюдаются вдоль узкой области дальше к полюсу от расширяющейся выпуклости полярного сияния (рис. 52). Пульсации Рi2 наиболее четко фиксируются в средних широтах в позднем вечернем секторе.
В фазу восстановления суббури в полярном сиянии дальше к экватору от движущегося на запад изгиба полярного сияния наблюдаются колебания типа КУП. Область, в которой наблюдаются пульсации Рi1, сильно расширяется вплоть до полуденного сектора. Это расширение тесно связано с поглощением типа M, со всплесками рентгеновского излучения и ОНЧ-излучения типа D.
Изучая спектры полярных сияний, мы получаем информацию о верхней атмосфере и о вторгающихся потоках заряженных частиц. Попытаемся схематически представить энергетические уровни и переходы электронов из одного уровня на другой, при которых излучаются кванты света, на примере самого простого атома — атома водорода (рис. 53).
Как известно, атом водорода состоит всего из двух частиц: протона, который является ядром, и вращающегося вокруг него одного электрона. Нейтрона в ядре водорода нет. Электрон, который вращается вокруг ядра, может иметь несколько значений энергий. Если на рис. 53 по вертикальной оси отсчитать энергию, то разрешенные энергетические уровни можно изобразить отрезками прямых (1—5).
Как было сказано выше, электрон в атоме всегда стремится уменьшить свою собственную энергию — перейти на более низкий энергетический уровень (на рис. это показано стрелками). Каждый такой переход сопровождается излучением света с определенной частотой (т. е. определенной энергией). Переходы электрона на один и тот же уровень с разных уровней с большей энергией составляют серию излучаемых квантов; частота излучаемого света в данной серии может быть рассчитана по довольно простым формулам. Эти серии имеют свои названия (в честь их открывателей). Так, первая серия в атоме водорода называется серией Лаймана и обозначается буквой L с индексами α, β, γ, вторая — серией Бальмера — буквой Н с аналогичными индексами и т. д.
Рис. 53. Схема энергетических уровней атомов водорода
Показанная на рис. 53 схема энергетических уровней очень упрощена даже для случая одного орбитального электрона. Если атом поместить в сильное магнитное поле, то энергетические уровни расщепляются. Это можно определить по тому, какой частоты свет, излучаемый атомом. Если он излучен на какой-либо определенной частоте, то в сильном магнитном поле появится излучение па частотах, которые меньше и больше ее.
Энергетические уровни атомных электронов обладают еще одним свойством: вероятность перехода электронов на разные уровни различна. Некоторые уровни, соответствующие таким значениям энергии, которые электроны принимают очень неохотно, с малой вероятностью, называются запрещенными.
Электроны, как уже говорилось, стремятся приблизиться по-возможности ближе к ядру, но при этом им приходится отдавать лишнюю энергию в виде излучения. В обратной ситуации электрон поглощает квант (порцию) света. Тогда его энергия увеличивается, и он вынужден переселиться на более удаленную от ядра орбиту. Атом с таким электроном называется возбужденным. В этом состоянии атом долго находиться не может: как правило, через 1*10-8 с этот электрон излучает лишнюю порцию света, возвращаясь при этом в свое основное, нормальное состояние, т. е. на прежний свой энергетический уровень.
Дело обстоит иначе, когда электрон находится на запрещенном энергетическом уровне. Энергетический уровень, с которого запрещены переходы на более низкие, называется метастабильным, или почти стабильным. Переход электрона, находящегося на этом уровне, на более низкие маловероятен. Но этот электрон может перейти на более высокий энергетический уровень, если поглотит соответствующий квант света. Возможна ситуация, когда электрон после этого переходит на более удаленный уровень (с большой энергией), который является метастабильным. Таким путем электрон оказывается как бы «загнанным» на уровень, уйти из которого ему очень сложно: вероятность перехода из метастабильного уровня на более низкие энергетические уровни очень мала (т. е. для этого необходимо весьма продолжительное время).
Основным объектом при изучении полярных сияний является излучаемый при этом свет (его интенсивность, частота). Все излучение, включающее различные цвета (т. е. различные частоты), принято называть спектром излучения. Он может быть непрерывным, т. е. иметь все частоты. В видимом участке спектра это выражается в плавном переходе одного цвета в другой. Спектр излучений может состоять из излучения с определенными частотами. Если его зарегистрировать спектроскопом, то излучению определенной частоты будет соответствовать одна линия. Поэтому такой спектр назвали линейчатым. Он получается при излучении газов, которые состоят из атомов.
Если иметь дело с излучением не атомов, а молекул, то картина энергетических уровней сильно усложняется. В этом случае излучается свет не с определенными дискретными частотами, а в определенных диапазонах (полосах), где излучение непрерывное. Такой спектр излучения называется полосчатым. С частотой связано и количество энергии, содержащееся в данном излучении. Чем больше частота, тем больше энергия кванта света. Частота, умноженная на постоянную величину (постоянную Планка), дает величину энергии данного кванта излучения.
Всякое излучение характеризуется или частотой или длиной волны. Видимый и невидимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны имеют одну и ту же физическую природу. Все это — электромагнитные волны, которые отличаются друг от друга только частотой или длиной волны. Все эти излучения представляют непрерывный спектр электромагнитных колебаний (рис. 54). Если рассматривать весь спектр электромагнитного излучения, то длины волн будут изменяться от сотен километров до миллионных долей миллиметра. Отметим, что человеческий глаз способен воспринимать только незначительную часть всего спектра электромагнитного излучения, которое пронизывает все окружающее нас пространство. Это диапазон с длинами волн от 7600 Å (темно-красный цвет) до 3800 Å (фиолетовый цвет).
Как известно, по частоте (или длине волны) излучения, которое порождает данный атом, можно определить, какому химическому элементу он принадлежит. Это значит, что, находясь на поверхности Земли и регистрируя излучение атмосферных газов на высотах в сотни километров, можно выяснить химический состав этих газов. Такой способ определения химического состава называется спектральным анализом, поскольку в данном способе анализируется спектр излучения данного вещества.
