Солнечно-земная
Физика

ПЛАНЕТАРНАЯ ДИНАМИКА АВРОРАЛЬНОГО СВЕЧЕНИЯ ч.1 из 6

опубликовано в сборнике ПГИ "Физика околоземного космического пространства", т.1, Апатиты, 2000"

     Оглавление

  <> ВВЕДЕНИЕ
   1. ПЛАНЕТАРНАЯ МОРФОЛОГИЯ СИЯНИЙ
   2. ДИНАМИКА АВРОРАЛЬНОГО ОВАЛА

   3. ДИФФУЗНОЕ СВЕЧЕНИЕ
   4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ АППРОКСИМАЦИИ ГРАНИЦ АВРОРАЛЬНОГО СВЕЧЕНИЯ
   5. ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕЧЕНИЯ НА РАЗНЫХ ВЫСОТАХ
   6. СОПРЯЖЕННОСТЬ СИЯНИЙ И АВРОРАЛЬНЫХ ОВАЛОВ

   7. ВЛИЯНИЕ НАКЛОНА МАГНИТНОЙ ОСИ НА ПОЛОЖЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ СВЕЧЕНИЯ
   8. ДВОЙНОЙ ОВАЛ
   9. ВЛИЯНИЕ Вz КОМПОНЕНТЫ ММП НА АВРОРАЛЬНОЕ СВЕЧЕНИЕ
  10. ВЛИЯНИЕ СЕКТОРНОЙ СТРУКТУРЫ И Вy КОМПОНЕНТЫ ММП НА АВРОРАЛЬНОЕ СВЕЧЕНИЕ
  11. ВАРИАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ АВРОРАЛЬНОГО СВЕЧЕНИЯ И ПЛАЗМЕННЫХ ВТОРЖЕНИЙ В НОЧНОМ СЕКТОРЕ
  12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  13. ЛИТЕРАТУРА

Полярные сияния являются видимым проявлением динамики и энергетики вторгающихся энергичных заряженных частиц и четко оконтуривают границы возмущенной области. Планетарное распределение сияний есть отображение структуры околоземного космического пространства и крупномасштабных вариаций магнитосферных электрических полей. Области свечения, получившие название “авроральных овалов”, имеют вид светящихся, несколько деформированных и смещенных на ночную сторону колец, висящих над полярными шапками обоих полушарий. Эти кольца меняют свои размеры в зависимости от геофизической возмущенности, существенно расширяясь при ее увеличении. Активность всех возмущений в полярной ионосфере максимальна в области свечения и дышит синхронно с изменениями овала.

1. ПЛАНЕТАРНАЯ МОРФОЛОГИЯ СИЯНИЙ

Для того, чтобы понять природу полярных сияний необходимо знать их пространственное рпспределение. Они наблюдаются, как правило, в высоких широтах, однако первые же исследования показали, что вероятность появления сияний увеличивается с ростом широты только до какого-то предела. Потом наблюдается спад и в районе полюсов они появляются реже, чем в более низких широтах. На это в прошлом веке обратил обратил внимание Лумис [Loomis, 1860]. Первые карты “изохазм” - изолиний одинаковой частоты появления сияний - были построены Фритцем [Fritz, 1881]. Область максимальной вероятности появления сияний образует несколько деформированное кольцо на широте ~ 67° с центром в геомагнитном полюсе. Эта кольцевая зона максимальной вероятности появления сияний получила название “зоны Фритца”. Интересно отметить, что термин “изохазма” для описания пространственного распределения полярных сияний впервые использовал Аристотель. Результаты Фритца в дальнейшем были уточнены Вестиным по наблюдениям во время первого (1882-1883 гг) и второго (1932-1933 гг) Международных полярных годов [Vestine, 1944].

Все эти исследования относились к наблюдениям сияний в течение всей ночи независимо от местного времени. Первым, кто указал на необходимость учитывать эффект местного времени был Никольский [Никольский, 1956, 1961]. На основании изучения пространственного распределения магнитных возмущений он пришел к заключению, что в высоких широтах в утренние и дневные часы должна существовать вторая зона сияний на F ¢ ~ 75-80° . Это предположение было подтверждено Лассеном [Lassen, 1959], который обнаружил, что на ст. Годхавн (F ¢ ~ 77 ° ) максимум вероятности появления сияний наблюдается в утренние часы. В дневные часы из-за засветки Солнцем наблюдения сияний на этой станции отсутствовали.

Принципиальные изменения в представлениях о пространственно-временном распределении полярных сияний произошли после Международного геофизического года. Решающую роль здесь сыграло создание в полярных районах обоих полушарий густой сети камер всего неба.

Результаты обработки этих данных показали, что представление об областях максимальной вероятности появления полярных сияний в виде круга или овала с центром в геомагнитном полюсе можно рассматривать только как первое приближение. Оказалось, что, как на это ранее указывал Никольский, положение области свечения зависит от местного времени.

По аскафильмам советских станций Хорошевой было показано, что дуги сияний могут тянуться на несколько тысяч километров, причем их широта зависит от местного времени. В полуночные часы полярные сияния располагаются на относительно низких широтах, а в утренние и вечерние часы поднимаются, достигая наиболее высоких широт в полдень [Хорошева, 1961, 1963]. Полярные сияния образуют светящееся кольцо, сдвинутое на ночную сторону, которое висит над полярной шапкой. Во время геомагнитных возмущений все кольцо вспыхивает одновременно, хотя яркость вспышки не одинакова на разных его участках [Хорошева, 1967]. Положение этого кольца над полярной шапкой северного полушария для двух моментов мирового времени приведено на рис.1. При своем суточном вращении это кольцо своим полуночным участком создает зону Фритца, а полуденным - внутреннюю зону сияний.

Рис.1. Кольцо полярных сияний в 05 (I) и 21(II) UT. Штриховкой поеазаны положения зоны Фритца и внутренней зоны сияний. Жирными точками отмечено положение станций, данные которых использовались при построении колец сияний [Хорошева, 1967].

Независимо Фельдштейном было показано, что кривая максимумов появления сияний на разных ширтах представляет собой овал, смещенный по линии “Солнце - Земля” на ночную сторону [Фельдштейн, 1960]. Детальный анализ распределения сияний по данным 24 станций северного полушария позволил Фельдштейну получить полную картину пространственно- временного распределения сияний.

Рис.2. Овальная зона с вероятностью появления сияний выше 75% [Фельдштейн, 1963]. 1 и 2 - области с пониженной вероятностью появления сияний.

На рис.2 приведена овальная зона, где вероятность появления сияний выше 75% [Фельдштейн, 1963а; Feldstein, 1966]. Широта овала минимальна в ночные часы и максимальна в полуденные. Модель овала хорошо совпадает с результатами Хорошевой.

Таким образом, работами Фельдштейна и Хорошевой было показано, что планетарное распределение полярных сияний представляет собой асимметричный овал, смещенный относительно геомагнитного полюса на ночную сторону. Этот овал является как местом существования одновременно наблюдаемых, физически связанных между собой форм сияний (Хорошева), так и областями наибольшей вероятности их появления (Фельдштейн). Модель овального распределения была подтверждена по наземным наблюденим во время

Рис.3. Авроральный овал в ультрафиолете. Снимки со спутника Polar

Международного года спокойного Солнца [Stringer and Belon, 1967; Lassen, 1969], а в дальнейшем и с помощью спутников. Примеры изображений аврорального овала , полученных спутником POLAR приведен на рис.3.

Модель аврорального овала хорошо объясняет особенности суточных ходов вероятности появления сияний на разных широтах, которые приведены на рис.4.

Рис.4. Суточные ходы вероятности появления сияний на разных станциях.

В полярной шапке (рис.4а) вероятность появления сияний сравнительно низка и не наблюдается явно выраженного суточного хода. На F ¢ ~

Полярные сияния тесно связаны с магнитной активностью. Наиболее интенсивные токи в высокоширотной ионосфере текут в областях, где наблюдаются полярные сияния и поэтому изучению связи сияний с магнитной активностью было посвящено большое число исследований. Уже в ранней работе [Gartlein, 1944] было показано, что в ночные часы между магнитным индексом К и положением экваториальной границы свечения наблюдается простая линейная зависимость и с ростом К сияния смещаются в более низкие широты. В [Bless et al., 1956] найдена связь яркости свечения с вариациями dН и обнаружено, что в полночь сияния спускаются на наиболее низкие широты и поднимаются к полюсу в вечерние и утренние часы. С ростом магнитной активности вся область свечения синхронно сдвигается к югу. Детальный анализ вероятности распределения сияний в ночные часы по широкой сети пунктов визуальных наблюдений в период ММГ, использованы данные 620 станций, был проведен в [Фельдштейн и Шевнина, 1963]. Также как и в [Gartlein, 1944], обнаружена линейная зависимость положения экваториальной кромки полосы свечения от Кр. В [Малько, 1966] исследовано распределение сияний при низкой солнечной активности. Получены аналогичные результаты, но в минимуме солнечного цикла при одном и том же Кр сияния располагаются ближе к полюсу.

Станции, аскафильмы которых использовались для определения границ, выбирались таким образом, чтобы перекрыть весь необходимый диапазон широт. Например, экваториальная граница в полуночные часы определялась по аскафильмам станций Челюскин, Мурманск и Верхоянск. Данные Челюскина использовались, в основном, при низкой магнитной активности, а Верхоянска при высокой, так как в этих случаях граница сияний находилась вблизи зенита станций. На станции Мурманск при этих уровнях магнитной активности граница сияний располагалась у северного или южного горизонта или уходила из поля зрения камеры, поэтому аскафильмы этой станции использовались при среднем уровне возмущенности. Данные Мурманска, в пределах ошибки измерений, совпадают с данными Челюскина при Q=1-2 и Верхоянска при Q=4-5.

Широта границ определялась как среднее значение всех измерений для данного Q-индекса и выбранного интервала местного времени. Средняя точность определения границ составляла около 0.2° широты, она уменьшалась как с увеличением числа отсчетов. Средняя квадратичная ошибка отдельного измерения составляла 1-2° широты и при n > 50 она фактически не менялась с увеличением n. Это связано с тем, что Q-индекс при всех своих плюсах (хорошее временное разрешение, привязка к полуночным часам и нормировка к определенной широте) не является идеальной характеристикой магнитной активности в связи с тем, что не учитывает влияния Dst и фаз суббури. Число определений границ, соответствующее одному значению Q-индекса, варьировалось от 20 до 350, в большинстве случаев оно было равно 50 -150.

Рис.5. Положение полосы свечения в зависимости от уровня магнитной активности [Старков и Фельдштейн, 1967]. а - дневные часы, б - ночные.

На рис.5 приведены примеры изменения границ овала в полдень и в полночь в зависимости от уровня магнитной активности. Дневная часть овала при увеличении Q-индекса практически без расширения смещается к экватору. На ночной стороне овал при повышении магнитной активности сначала несколько смещается к экватору, но начиная с Q = 2, расширяется как к полюсу, так и к экватору, причем середина ночной полосы свечения вплоть до Q = 6 остается на F ¢ ~ 67.5° , то есть расширение в обе стороны идет с близкими скоростями. При спокойных магнитных условиях ширина овала днем и ночью приблизительно одинакова и составляет 2° широты. Наблюдается только небольшое уширение в утренние часы.

Хотя овал сияний представляет собой единую область вторжения авроральных частиц, но источники этих высыпаний на дневной и ночной сторонах различаются. Свечение дневной стороны связано с высыпаниями частиц солнечного ветра через область каспа, а на ночной стороне сияния вызываются частицами плазменного слоя ночной магнитосферы, ускоренными электрическими полями. Это проявляется и в морфологии сияний. На дневной стороне преобладают лучистые формы [Старков и Фельдштейн, 1967б]. Они возникают на экваториальной стороне полосы свечения, движутся к полюсу и затухают вблизи приполюсной границы [Vorobjev et al., 1975]. На ночной стороне яркость сияний выше, здесь часто набюдаются однородные дуги и полосы, внутри овала преобладают движения к экватору. Поэтому возможно появление каких-то аномалий в вечерние и утренние часы, связанные с различной физической природой дневных и ночных высыпаний.

В полуденные и полуночные часы вероятность появления сияний практически равна 100%, то есть если камера всего неба располагается там, где должен наблюдаться овал при данном уровне магнитной активности, то она всегда наблюдает сияния. Однако в утренние и вечерние часы при спокойных магнитных условиях возможно появление разрывов между дневными и ночными сияниями. На рис.7 приведен суточный ход вероятности появления сияний вдоль овала при спокойных условиях, из которого видно, что утром и вечером при отсутствии магнитных возмущений вероятность появления сияний ниже 100%. Наличие таких разрывов было детально исследовано в [Старков и Фельдштейн, 1968а] по данным станций Визе, Челюскин и Пирамида, которые в эти интервалы времени при спокойных магнитных условиях должны находиться под авроральным овалом. Можно утверждать, что сияния не уходили за северный или южный горизонты, это дополнительно контролировалось наблюдениями на других станциях. Когда сияния появлялись, то они возникали сразу там, где должен был наблюдаться овал в данный момент времени и при данном уровне магнитной активности, а не приходили из-за горизонта.

Возможно, появление разрывов при спокойных условиях связан с понижением интенсивности свечения ниже порога чувствительности камер всего неба в этих частях овала, а не с исчезновением самого свечения. Это подтверждают самолетные наблюдения дневной части овала [Buchau et al, 1970, 1972]. При пролете над участками, где должен был наблюдаться авроральный овал, даже при спокойных условиях, как правило, наблюдались дискретные формы сияний. Если же они отсутствовали, то самолетные фотометры регистрировали повышение интенсивности свечения, особенно в эмиссии l =630 нм.

Более сложная ситуация наблюдается в утреннем секторе. В районе экваториальной границы овала здесь часто наблюдаются пульсирующие сияния, средняя высота которых составляет 98 км и они на 10-20 км ниже одновременно существующих в утренние часы непульсирующих форм сияний [Stenback-Nielsen and Hallinan, 1979]. Отдельные измерения в утреннем секторе, проведенные в [Емельяненко и Хорошева, 1970], дали высоту ~ 120 км, но они относились только к дискретным формам сияний. Таким образом, в утренние часы в возмущенных условиях, когда здесь велика вероятность появления пульсирующих форм, возможен разрыв по высоте. Это подтверждают и самолетные исследования дневной части овала [Buchau, 1970,]. Самолетная обсерватория имела ионосферную станцию и в районе полудня был зафиксирован скачок высоты слоя Es от 110 до 140-150 км. На вечерней стороне происходит плавный подъем высоты сияний от ночных часов к дневным. При увеличении магнитной активности вдоль всего овала высоты сияний понижаются.

назад		вперед		оглавление		литература
		другие обзоры