Солнечно-земная Физика

Вопрос о сопряженности сияний в северном и южном полушариях обсуждался давно. Еще Фритц и Штермер писали о том, что, так как северное и южное полушарии связаны магнитными силовыми линиями, то сияния в обоих полушариях должны находиться на одинаковых широтах и иметь сходные вариации яркости [Fritz, 1981; Stormer, 1955]. Большая вероятность наличия сопряженности подтверждается также сходством изохазм в Арктике и Антарктике, если их построить в геомагнитных координатах [см. например, Feldstein et al., 1974]. Однако до МГГ фактически не было станций, наблюдавших полярные сияния, данные которых можно было бы использовать для изучения этого вопроса.

Фактически первая специальная экспедиция для исследования сопряженности сияний была проведена в 1961-1962 годах Полярным геофизическим институтом и Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (руководитель директор ПГИ С.И.Исаев) с одной стороны и Национальным центром научных исследований Франции (руководитель проф. Ж.Блямо) с другой [Исаев и др., 1962; Исаев, 1968].

В южном полушарии наблюдения проводились на о. Кергелен в обс. Порто-о-Франс. Для этого пункта были рассчитаны координаты сопряженной точки в северном полушарии и в качестве основной базы был выбран поселок Яренск в Архангельской области. В Яренске и Кергелене наблюдения велись на одинаковой фотометрической аппаратуре, как в эмиссиях, так и интегральными фотометрами. В северном полушарии кроме Яренска в области, близкой к сопряженной точке, работало несколько камер всего неба.

Рис.25. Вариации интенсивности свечения в северном и южном полушариях в сопряженных точках [Bhavsar et al., 1965]. а - 4 февраля 1962 г. Верхняя панель - вариации интегральной светимости, нижняя - вариации светимости в основных эмиссиях. б - 7 апреля 1962 г. Вариации светимости в эмиссии l 391.4 нм.

Рис.26. Положение сопряженных дуг сияний над Кергеленом ( сплошная линия ) и Карпагорами ( Архангельская обл. ) 25 февраля 1971 г. [Fehrenbach et al., 1974]. Показано взаимное положение пунктов наблюдения (KER - Кергелен, KAR - Карпагоры, SOG - Coгра).

Наиболее надежные результаты по сопряженности сияний были получены во время специального эксперимента, когда с двух самолетов, пролетавших вдоль сопряженных трасс в северном и южном полушариях, проводилось одновременное фотографирование сияний [Belon et al., 1969].

Рис.27. Положения сияний в сопряженных точках. Сплошной линией показано сияние в северном полушарии, пунктиром - в южном. Дуги из южного полушария проектировались в южное. Маленькой стрелкой нанесено положение самолета в момент съемки [Belon et al., 1969].

Тем не менее среднестатистические распределения вероятности появления сияний в северном и южном полушариях очень похожи.

Рис.28. Изоавроры для северного (а) и южного полушарий. Жирной линией показан максимальная изоаврора [Фельдштейн, 1963в].

В [Bond and Thomas, 1971] было исследовано положение овала сияний в южном полушарии при разном уровне магнитной активности. На рис.29 приведены овалы для обоих полушарий. В качестве характеристики магнитной активности в [Bond and Thomas] использовался Кр-индекс.

Рис.29. Авроральные овалы в северном ( а ) [Feldstein and Starkov, 1967] и южном ( б ) [Bond and Thomas, 1971] полушариях в зависимости от магнитной активности.

В связи с этим данные, приведенные в [Feldstein and Starkov, 1967], были обработаны по методике, предложенной в [Bond and Thomas, 1971], то есть определялись экстремальные значения границ из всего набора данных для разных Кр. Эти результаты для северного полушария приведены на рис.30 крестиками. Сравнение положения границ в северном и южном полушариях, полученных с помощью одинаковой методики, показало, что расхождение наблюдается только для Кр = 0, но сдвиг сияний на F ¢ ~ 7 8 ° из-за малой статистики поставлен под сомнение самими авторами и не подтверждается данными северного полушария. Для остальных значений Кр полосы свечения в исправленной геомагнитной системе координат практически совпадают. Отсюда можно заключить, что среднестатистические овалы в северном и южном полушариях хорошо сопряжены для любого уровня магнитной активности.

Для практического использования больший интерес представляют средние, а не предельные значения границ овалов, тем более что эти данные подтверждаются спутниковсими наблюдениями. В связи с этим овалы, полученные в [Feldstein and Starkov, 1067], в преположении их сопряженности и инвариантности в исправленной системе координат, были спроектированы в южное полушарие для разных моментов мирового времени. В качестве характеристики магнитной активности использовался Q-индекс.

Примеры овалов сияний в северном и южном полушариях для двух моментов мирового времени приведены на рис.31 и 32. Согласно [Фельдштейн и Старков, 1968], нанесены разрывы между дневными и ночными участками овалов для спокойных магнитных условий. При отсутствии магнитных возмущений внутри овала наблюдаются сияний полярной шапки, которые исчезают при повышении магнитной активности.

Внутри овалов показаны формы сияний, типичные для данного уровня магнитной активности и данного участка овала. Распределение форм определяется, в основном, интенсивностью и фазой магнитосферной суббури. Схема развития суббури была предложена Акасофу [Akasofu, 1964, 1968] и в дальнейшем развита и уточнена другими исследователями, см., например [Белякова и др., 1968; Старков и Фельдштейн, 1971; Arasofu et al., 1973; Воробьев и Реженов, 1975; Сергеев и Яхнин, 1979; Rostoker et al., 1980]. Распределение дискретных форм внутри овала на рис.31 и 32 нанесены по данным многочисленных работ, некоторые из которых упомянуты выше. Распределение сияний при Q = 4 соответствует активной фазе средней суббури, а при Q = 7 - сильной. Различие конфигураций областей свечения в северном и южном полушариях при одинаковом уровне магнитной активности определяется различием реального магнитного поля Земли. Как уже отмечалось, предполагается сопряженность областей свечения и в исправленных геомагнитных координатах овалы пространственно совпадают.

Такие карты удобны при сопоставлении геофизических явлений в каком-то конкретном районе высоких широт с областями аврорального свечения. Более подробные карты овалов сияний в географических координатах для разного уровня магнитной активности и разных моментов мирового времени для Арктики и Антарктики приведены в [Cтарков, 1973; Зверев и Старков, 1975].

Можно предположить, что границы диффузного свечения тоже сопряжены, но отсутствие экспериментального материала не позволяет ни подтвердить, ни отвергнуть это предположение.

Авроральное свечение вызывается заряженными частицами, которые направляются магнитным полем Земли, и поэтому положение овалов сияний и пояса диффузного свечения по самой методике их определения должны быть инвариантны в исправленной геомагнитной системе координат, которая учитывает реальное магнитное поле, то есть при одном и том же уровне магнитной активности и для одного того же момента местного времени сияния должны располагаться на той же широте для любого сезона и момента мирового времени.

Однако было показано [Свердлов, 1975; 1977], что и исправленная система геомагнитных координат требует корректировки, связанной с вариациями угла наклона магнитной оси, который, из-за несовпадения оси диполя с осью вращения, зависит как от мирового времени, так и от сезона. Система координат, предложенная в [Свердлов, 1975, 1977] и названная инвариантной, учитывает угол наклона и позволяет исключить как сезонные вариации, так и эффект мирового времени. В этой системе реальная точка на земной поверхности меняет свои инвариантные координаты в зависимости от угла наклона земной оси. В период равноденствия инвариантные координаты близки к исправленным геомагнитным.

Схематически конфигурация широтных изолиний инвариантной системы относительно геомагнитных координат в зависимости от сезона приведена на рис.33. Любая фиксированная точка в исправленной геомагнитной системе координат в течение сезона несколько меняет свою инвариантную широту. Как видно из рисунка, в равноденствие эти системы практически совпадают. Наиболее сильно эффект смещения проявляется для меридиональных сектороа 0 и 180° , причем в течение года знак смещения меняется на противоположный.

Согласно [ Свердлов, 1975; Cергеева, 1975 ], кривая на рис. 34 соответствует изменению геомагнитной широты в зависимости от UT и в инвариантной системе координат эти вариации должны отсутствовать. В связи с этим данные рис.24 по картам, приведенным в [Свердлов и др., 1975], были пересчитаны в инвариантную систему. На рисунке эти результаты показаны штриховой линией. Видно, что в пределах ошибки в инвариантной системе координат эффект мирового времени практически отсутствует.

Для полярных сияний сведения более разноречивые. В [Davis, 1961] показано, что вероятность появления сияний над Скандинавией ниже чем над Аляской. В [Старков, 1966] обнаружено влияние мирового времени, но оно сравнительно невелико и проявляется только в некоторой деформации кривых суточных вариаций, которые определяются местным временем. Согласно [Фельдштейн и Соломатина, 1961], долготный эффект активности сияний практически отсутствует.

Надо отметить, что в [Мишин и Немцова, 1964], где исследовался долготный эффект магнитной активности, получено, что минимум магнитной активности зимой наблюдается в 04 UT, а летом - в 16 UT, что хорошо совпадает с сезонным эффектом движения инвариантной широты [Свердлов и др., 1975]. Влиянием угла наклона оси земного диполя, которое учитывается инвариантной системой координат, можно также объяснить долготные вариации магнитной активности, полученные в [Фельдштейн, 1963; Пудовкин и Шумилов, 1967].

Непосредственная экспериментальная проверка применимости инвариантной системы для объяснения сезонных вариаций положения сияний была проведена в [Cвердлов и др., 1977а]. В качестве исходного материала использовались таблицы визуальных наблюдений полярных сияний в период МГГ [McInnes, 1964], когда работала густая наблюдательная сеть. Все данные были разбиты на 8 долготных интервалов, в которых отмечалось наличие или отсутствие сияний для каждого градуса геомагнитной широты. Для исследования были выбраны взаимопротивоположные сектора, центрированные на 06 и 18 UT, в которых сезонный эффект должен быть максимальным и противоположным по знаку. Внутри выбранных секторов определялось наиболее экваториальное положение сияний для данного часа и данного значения AE-индекса.

Наиболее пригодным для исследования был сектор 06 UT за счет большого различия между географическими и геомагнитными координатами, причем высоким геомагнитным широтам соответстуют низкие географические. Поэтому в этом секторе в полночь даже летом было достаточно темно для наблюдения сияний и появилась возможность исследовать поведение сияний для всех сезонов. Данные для этого сектора приведены на рис36а. На верхней панели приведены положения эквториальной границы сияний в зимние, равноденственные и летние месяцы в зависимости от уровня магнитной активности. Штриховыми линиями проведены аппроксимации положения границ для разных сезонов в геомагнитной системк координат. Отчетливо видно, что зимой сияния занимают наиболее северное положение и смещаются к югу при переходе к равноденствию и лету. На нижней панели приведены те же данные, пересчитанные в инвариантную систему. Разброс точек довольно велик, что связано с неоднородностью и большими ошибками визуальных наблюдений, в таблицах отмечены только случаи наличия сияний, а при их отсутствии не указаны погодные условия. Тем не менее видно, что все данные центрируются вокруг какой-то средней кривой независимо от сезона.

На рис.36б приведены данные противоположного сектора, центрированного на 18 UT (район Диксона и Челюскина). Здесь летние наблюдения были невозможны и приведены данные только для зимы и равноденствия. Как и на верхней панели рис.36а, наблюдается отчетливое различие положения сияний для разных сезонов, причем сезонный сдвиг сияний имеет обратный знак. Пересчет в инвариантную систему тоже приводит к исчезновению сезонного эффекта.

На рис.37 приведено положение аврорального овала для среднего уровня магнитной активности в 08 UT для трех сезонов [Свердлов и др., 1977б]. Надо отметить, что выбран момент мирового времени, когда сезонный эффект проявляется наиболее сильно, для других интервалов UT он меньше.

В заключение надо отметить, что существует зависимость положения сияний от угла наклона земного магнитного диполя. Она в среднем невелика, но при точных расчетах ее необходимо учитывать. Более подробные сведения об инвариантной системе координат приведены в [Свердлов, 1975, 1977]. Сезонный эффект не влияет на сопряженность (см. предыдущий раздел), так как зимой в северном полушарии на конкретной долготе инвариантная широта смещается в том же направлении, что и летом в южном.