Солнечно-земная
Физика

Справочник

Брейкап (взрыв) полярных сияний (breakup). Начало суббури и сопутствующие явления.


Магнитосферная суббуря начинается со взрывной неустойчивости, которая вызывает цепочку процессов, проявляющихся в магнитосфере, полярной ионосфере и в наземных наблюдениях, и наиболее ярко в полярных сияниях.

Брейкап отражает проявление взрывного начала активной фазы суббури в полярных сияниях, но часто употребляется и в собирательном смысле как совокупность всех быстрых процессов, инициируемых импульсным ускорением (инжекцией) потоков частиц во время взрывной неустойчивости суббури. Высыпание электронов из магнитосферной ловушки в области брейкапа резко увеличивает ионизацию в полярной ионосфере, что приводит к поглощению радиоволн и создает авроральный электроджет, который регистрируется наземными магнитометрами в виде бухтообразного возмущения магнитного поля. Торможение электронов в атмосфере генерирует всплеск рентгеновского излучения, регистрируемого в стратосфере на аэростатах. Высыпание возбуждает атомы кислорода и азота, вызывая собственно брейкап - вспышку полярных сияний. Процесс сброса частиц сопровождается генерацией циклотронного ОНЧ-излечения и альфвеновских волн, модулирующих пульсации магнитного поля.
Брейкап полярных сияний

Рис 1. Брейкап. Снимок Джони Юссила, Оулу, Финляндия.

Спокойная диффузная дуга, медленно смещающаяся к экватору на подготовительной фазе суббури, внезапно разрушается, взрывается яркой динамичной игрой свечения, получившего название брейкап (breakup). Показанный на рис 1 снимок дает некоторое представление об этом процессе.

Рис 2. Схема брейкапа. В центре - развитие полярных сияний в првые минуты помле началп брейкапа. По переферии - типичные графики высыпания энергичных электронов в точках, указанных на центральной схеме.

Брейкап состоит из нескольких активизаций длительностью 20 - 100с, рис.2 дает пространственную схему этого процесса. Собственно короткая и локализованная активизация и является проявлением элементарной суббуревой неустойчивости.

Наблюдается брейкап в ночном секторе авроральной зоны, от 20 до 3 часов местного времени с максимумом около 23 часов. По широте максимум частоты наблюдения брейкапа лежит в диапазоне 65-68°,
Наблюдение активных форм полярных сияний в субавроральных и средних широтах говорит о том, что область брейкапа может смещаться далеко на юг от авроральной зоны, однако исследований среднеширотных брейкапов не проводилось из-за редкости явления.
Магнитные бухты

Рис 3. Магнитограммы X - составляющей (север-юг) магнитограмм нескольких станций авроральной зоны 9.02.97. Пунктирными вертикальными линиями обозначены моменты начал интенсификаций суббурь.

В магнитном поле авроральной зоны брейкапу соответствует резкое начало отрицательной бухты в Н (X) -составляющей магнитного поля. Бухтообразное возмущение обязано происхождением авроральному электроджету, направленной с утра на вечер части токовой системы, рассмотренной отдельно (см.).
Передний фронт бухты тем круче, чем ближе магнитная станция к эпицентру брейкапа. На рис. 3 приведены магнитограммы ( X-составляющие) нескольких высокоширотных обсерваторий во время последовательности суббурь 9 февраля 1997г., из которых видно, что наблюдается несколько укручений бухты, часть из них относится к взаимосвязанной цепочке активизаций, тогда как другие начинаются независимо, и тогда можно говорить о начале новой интенсификации суббури.
Пульсации Pi2

Если отсечь медленные вариации магнитного поля частотным фильтром, как это делается при регистрации магнитных пульсаций, в начале суббури мы увидим иррегулярные колебания с периодом порядка минуты, именуемые Pi2 . На рис 4

Рис 4. N-S -кеограмма полярного сияния и пульсации магнитного поля, 9.02.97

один цуг таких пульсаций приведен вместе с кеограммой полярных сияний для той же суббури 9 февраля 1997 года. Видно, что каждому броску пульсаций Pi2 можно найти вспышку свечения. Период Pi2 примерно соответствует длительности распространения альфвеновской волны от экватора вдоль силовой линии до ионосферы и обратно, поэтому к иррегулярной составляющей пульсаций Pi2, обусловленной цепочкой активизаций, добавляется подкачка альфвеновскими волнами.

Пульсации Pi2 наблюдаются и на среднеширотных станциях. Начало пульсаций используются как индикатор момента начала суббури, точность составляет около одной минуты.

Высыпание электронов, всплески рентгеновского излучения

Общим источником и магнитных возмущений и полярных сияний на активной фазе суббури является высыпание в атмосферу авроральных электронов (см.), ускоренных в момент брейкапа. На рис. 5 приведены результаты измерения тормозного аврорального рентгеновского излучения в момент брейкапа в аэростатном эксперименте Баркуса на Аляске. Справа внизу дается график отношения двух энергетических каналос детектора, из которого следует, что в максимуме каждого всплеска происходит ужестчение спектра. Из многих типов АРИ брейкапу соответствуют короткие жесткие всплески подобные цепочке активизаций полярных сияний, показанной выше на рис 2.

Рис 5. Измерения рентгеновского излучения авроральных электронов на аэростате 10.03.63. Наверху - общий ход излучения, внизу леве - подробный временной ход вовремя брейкапа, справа - отношение темпа счета в канале E> 25 кэВ к счету в канале E>50 кэВ


Более быстрые секундные пульсации или микровсплески, присущие высыпаниям электронов из магнитосферной ловушки, в жестких всплесках не наблюдаются. Можно полагать, что высыпание происходит в режиме сильной питч-угловой диффузии, когда модуляция потока частиц в конус потерь отсутствует. Подтверждением этому является регистрация в момент брейкапа всплеска ОНЧ-излучения.

Источником жестких всплесков в магнитосфере являются инжекции авроральных электронов (см.) - импульсные всплески ускорения частиц в области квазизахвата. Хорошее совпадение временной структуры, энергетических спектров и точной привязки к брейкапу не оставляет сомнений в идентичности этих двух явлений.

Между брейкапом в сиянии и всплесками рентгеновского излучения также наблюдается хорошее соответствие. При совпадении структурных элементов некоторая размытость временного профиля яркости сияний объясняет во-первых разницей входной апертуры детекторов и во-вторых различным энергетическим диапазоном электронов, вызывающих сияние и тормозное излучение: энергичные ( E >30 кэВ) электроны гораздо быстрее выносятся из области ускорения, чем электроны с энергией в единицы кэВ.
На рис 6 приведена картина рентгеновского кольца, аналогичного кольцу сияний, измеренного со спутника Polar рентгеновским детектором PIXIE.

Совпадения пространственно-временных характеристик сияний и Х-лучей во время брейкапа указывает на общность механизма ускорения электронов во всем диапазоне от единиц до сотен кэВ. В этом вопросе пока много неясного, физический механизм брейкапа неизвестен. Принято считать, что низкоэнергичные электроны ускоряются продольным электрическим полем на высотах 2000-4000км, тогда как энергичные электроны - вблизи плоскости магнитного экватора индукционными полями связанными с диполизацией.
Работает ли один из этих механизмов во всем диапазоне энергий или действует тесное сочетание двух или нескольких механизмов ускорения - предстоит выяснить в будущих экспериментах.

Эффекты в ионосфере

Высыпания частиц создают специфические для брейкапа изменения состояния ионосферы. Ионосферные станции в эти моменты перестают принимать отраженный сигнал, наступает так называемый блокаут - полное экранирование не частотах в единицы мгц.
Риометры, измеряющие поглощение космического радиошума на частотах 25-50 мгц, регистрируют всплески поглощения, аналогичные всплескам высыпания энергичных электронов. Повышенная ионизация в Д-области ионосферы, вызванная этими высыпаниями и является причиной поглощения.

Брейкап и суббуря

В модели элементарной изолированной суббури, предложенной С. Акасофу и развитой М.И. Пудовкиным, С.И. Исаевым и др. , брейкапу предшествует подготовительная фаза и с него начинается активная фаза суббури (active phase). Брейкап наблюдается на ближайшей к экватору дуге сияний. Начальная стадия активной фазы длительностью 10-20 минут называется фазой экспансии (expansion phase).

Рис 7 Схема суббури Пудовкина - Исаева


На фазе экспансии область, охваченная активными сияниями, растет во всех направлениях, на юг - плавно и медленно, к полюсу и на восток более динамично, часто в виде новых локальных брейкапов.
Образующаяся при этом пространственная структура имеет вид выпуклости (auroral bulge) с крутым изгибом с вечерней стороны, где дуги полярных сияний изгибаются, меняют направление на меридиональное. К западу от изгиба может сохраняться картина подготовительной фазы и готовиться новая интенсификация суббури.

В реальных сложных возмущениях брейкап может повторяться несколько раз. Собственно суббурю выделить в таких возмущениях бывает трудно, проще говорить о последовательности интенсификаций высокоширотного возмущения, главным признаком которой и является очередной брейкап, причем сохраняются такие признаки, как предшествующее смещение авроральных дуг к экватору и последующая экспансия к полюсу. Эта экспансия может быть совсем небольшой, в таких случаях говорят, что это - псевдобрейкап (pseudobreakup). Большие усилия были потрачены, чтобы найти различия в природе и в проявлениях брейкапа и псевдобрейкапа, однако кроме упомянутой выше разницы в размахе экспансии, ничего найти не удалось.

Длительное время большинство исследователей полагало, что процесс развития взрывной неустойчивости суббури происходит в хвосте магнитосферы на расстояниях от Земли в 20, 40 и более земных радиусов. Сейчас большинство уверено, что описанные выше проявления брейкапа проектируются по силовым линиям магнитного поля на расстояния в 7-10Re, т.е. в авроральную магнитосферу, которая по наашему убеждению, находится в зоне квазизахвата (см.).

Л.Л.

Назад, к оглавлению справочника