Л. С. Евлашин

Водородная эмиссия в полярных сияниях и авроральные протоны

Водородная эмиссия в спектрах полярных сияний впервые была обнаружена в Норвегии (Те§згй, 1939), что указывало на внедрение в земную атмосферу солнечных корпускулярных потоков. Несколько позже было зарегистрировано заметное уширение в фиолетовую сторону линий Балъмеровской серии водорода Но1и Н^при спектрографефовании в направлении на магнитный зенит (Vegard, 1948; Gartlein, 1950; Меinel, 1951). Это открытие интерпретировалось исследователями как допплеровское смещение излучения нейтрализующихся в атмосфере атомов водорода, которые приближаются к Земле, с некоторыми определенными скоростями.
Первые ориентировочные расчеты (Чемберлен, 1963) показали, что протоны, порождающие водородную эмиссию в спектрах полярных сияний, могут быть только частично ответственными за возникновение некоторых форм полярных сияний. По интенсивности водородных линий можно также оценить энергию, внесенную протонами или вызванную ими ионизацию, и сравнить эту энергию или скорость ионизации с полной энергией, необходимой для возбуждения сияний.
Экспериментальные данные, полученные в самое последнее время, доказывают, что роль протонов в этом процессе явно недооценивалась, и это делает необходимым пересмотреть существующую точку зрения. Наблюдения потоков частиц на искусственных спутниках Земли и зондирующих ракетах показали, что протоны ж электроны могут высыпаться в авроралъную ионосферу в большом количестве и в любой пропорции (Hultquist, 1968). Интенсивность потоков авроральных протонов часто бывает соизмерима с интенсивностью электронных потоков, а порой даже может их превышать (Whalen+.,,1967), возбуждая особый вид диффузного свечения, названного недавно протонным полярным сиянием (ОпОго!*, 1963).
Источник такого рода протонов в данный момент еще окончателъно не установлен, тем не менее простые расчеты показывают, что солнечный ветер может быть реальным поставщиком необходимого количества протонов (Еаther, 1967). В настоящее время является общепризнанным, что как электронные сияния (Фельдштейн, 1960; Хорошева, 1962; Аkasofu, 1968), так и протонные полярные сияния образуют овальные зоны (Ёвлашин, 1963; Еаther а. Зsanford, 1966; Rees, Вепdict, 1970), ширина которых может достигать в меридиональном направлении 10°. О взаимном расположении этих зон, однако, еще нет единой точки зрения (Красовский, 1967).

В различных ракетных экспериментах (например, Whallen +, 1967; Riedler,19б7) во время спокойных в магнитном отношении условий зарегистрированы потоки протонов вплоть до 10⁷-10<>8 пр/см сек. Учитывая, что такие потоки могут одновременно высыпаться на обширной территории (~10¹⁵ см² ), полный поток осаждающихся протонов может достигать 10²² пр/см² .Интенсивность измеренной в это время эмиссии 3914А такова, что потоки анергии, выделяющейся в полярных сеяниях, должны составлять не менее 10 эрг/см².

Общая энергия, приносимая потоком электронов и фотонов, по оценкам энергетических спектров частиц, измеренных с помощью ракетных приборов во вршя спокойных условий (Whallen & McDiarmid 1970)», оказывается сопоставимой с другими данными значания потоков энергий: для электронов это ~ 6 эрг/см2 сек стер и для протонов ,2-3 эрг/см2 сек стер. Так как области электронного высыпания (электронные полярные сияния), как правило, меньше областей протонного (водородного сияния), потоки полной энергии, приносимой протонами, будут даже превышать эарегистрированные за счет электронов.

Из рассмотрения профилей водородных линий в спектре полярных сияний, полученных с помощью наземной аппаратуры (Чемберлен, 1963; Гальперин и др., 1966; Красовский, 1967), можно в принципе подучать сведения о величине потока протонов, начальной анергии частиц и распределении их орбит отноштельно магнитных силовых линий. Однако в настоящее время еще недостаточно хорошо измерены эффективные сечения элвментарных процессов, связанных с возбуждением свечения водородных эвшссий и составяющих атмосферы. Кроме того, очень мало данных об энергетическом спектре протонов в области малых энергий и практически неизвестна зависимость питч-углового распределения протонов от энергии. Позтоку форма энергетического спектра авроральных протонов, оцененная по данным наземных измерений профилей водородных линий, существенно расходится с той, которая получается с помощью других методов. В недавнее время осуществлен ряд ракетных экспериментов по исследованию вмсотного профиля водородной эмиссии (Murcraft, 1966; Shepperd & Miller 1970), которые показали, что водородное излучение целиком сосредоточено в узком слое Е ионосферы, а не в области F, как это следует из анализа доплеровского контура водородных лиший. Непосредственное измерение высоты высвечивания водородной эмиссий с помощью наземных методов, проведенное в самое последнее время (Wiens & Wallanc-Jones , 1969), а также косвенные данные (Евлашин, 1964, 1970) показывают, что водородное свечение действительно располагается на уровне слоя Е ионосферы. Протоны, которое могут достигать таких высот, в этом случае должны обладать энергией порядка десятков килоэлектронвольт (Rеез, 1961; Eather, 1967), в то же время оценка эвергжи протонов по допплероюкому контуру водородной эмиссии показывает, что максшум энергетического спектра должен, соответствовать энергии менее I кэв (Шкловский, 1952; Гальперкн и др., 1966; Вайсберг, 1966). Совместный анализ высотного хода свечения водорода и доплеровского профиля водородаой эишссии в спектрах полярных сияний (Mi11еr & Shepperd, 1969; Ивлиев и Пудовкин, 1970) приводит к выводу о необходимости существенного увеличения значения эффективного сечения для возбуждения водородных эмиссий в области малых энергий. Только в этом случае удастся удовлетворительно согласовать сравнительно низкую высоту высвечивания водородной эмиссии и те значения энергий, которые вытекают из додплеровского сдвига водородных лкний в спектре полярных сияний.

Проведенные в последнее время эксперименталыше ракетные и спутниковые жсследования энергетических спектров протонов убедительно показывают, что существует достаточное количество протонов и в десятикиловольтном диапазоне, которые могут быть ответственными за возникновение протонных сияний. Так, измерения энергетических спектров протонов в ионосфере с помощью зондирующих ракет в протонных сияниях СReasoner+.,4968{. Rеmе,1969, Whallen et а1,1967) показали, что в области 10-30 кэв имеет место дополнительный максимум в энергетическом спектре протонов, вариации и интенсивность которого тесно связаны с изменением световых характеристик полярных сияний. Это соответствует недавним теоретическим расчетам (Ивдиев и Пудовкин, 1970). По измерениям на спутнике Космос-261" (Гальперин и др., 19706) следует также, что в приполярных районах вторгающиеся протоны когут быть разделены на две компоненты, обладающие различными угловыми и пространственно-временнымк характеристиками :квазизахваченная юомпонента, с энергией > 5 кэв и более изотропная с энергией около I кэв.

Координированные исследования протонных авроральных потоков и водородных эмиссий с помощью ИСЗ и наземной аппаратуры (Romock and Sharp, 1967) показали, что водородное свечение располагается вблизи 115 км. уровня и вызывается протонами с энергией в диапазоне 3-40 кэв.Таким образом, наличие большого количества протонов средней энергии в авроральной ионосфере является хорошо установленным фактом.

С другой стороны, изменение характеристик потоков протонов только в области малых энергжй (~1 кэв) показало, что большие потоки низкоэнергичных протонов наблюдаются в моменты времени, когда интенсивность водородной эмиссии оказывается крайне низкой, На рис.1 в качестве примера приведен случай, когда с помощью спутника ESRO-1 (Riedler, Hultquist, 1969) 2 февраля, 1969 г. зарегистрирован максимальный (за весь период наблщдения с октября 1968 г. по май 1969 г.) поток низкоэнергичных протонов в районе станции "Тромсё". На рис.2 дана регистрограмма спектра полярного сияния, полученного на ст.Лопарская в то яе время с помощью камеры С-180-S, щель которой была ориентирована в направление пролета спутника. Из регистрограммы видно, что в этот период по всему небу (вдоль геомагнитного меридиана) водородные линии Нα и Нβ наблжщались (предел чувствительности для Нα= 200 R); в красной области зарегестрированы яркие полосы 1PGN2, свидетельствуюоше об энергичном электронном высыпании.

В работе (Bernstein еt al.., 1969) описаны измерения потоков протонов и электронов с помощью ракетных приборов на различных стадиях развития полярного сияния. Показано, что с переходом к ярким формам полярных сияний спектр протонов становится мягче (преобладанщими оказываются протоны с энергией ~1 кэв), а интенсивность протонов и электронов достигает значительной величины - до 10⁸ /см2 сек стер кэв . Согласно многочисленным наблвдениям водородной эмиссии ь различных лучистых формах (Евлашин, 1961, 1970), ее интенсивность обратно пропорциональна яркости свечения зеленой линии кислорода 5577А. Отсутствие водородных линий в ярких лучистых формах отмечалось и другими авторами (Красовский, 1961; Аkasofu etаl,1969)
Резкое смягчение энергетического спектра во время вспышки полярного сияния свидетельствует вероятно, о том, что происходит существенное изменение условие для возбуждения атомов водорода, жа что нами уяе указывалось ранее (Евлашин, 1961).

По-видимому, действуют механизмы, в результате которых энергия протонов трансформируется в энергию электронов. Чем эффективнее данный процесс, тем менее интенсивна становится водородная эмиссия из-за уменьшения энергии вторгашщхся протонов (Красовекий, 1971).




Наблюдения низкоэнергичных протоков ~1 кэв на спутнике Космос-261 (Гальперин и др., 1970а)на широтах ~65° в утреннем секторе также наводят на мысль о том, что такие протоны не могут вызывать свечение в форме водородных дуг, так как эти дугж никогда не наблюдаются на таких низких широтах в утренние часы (Wiens, W Jones, 19б9» Евлашин, 1970).

В эжщериментальных данных по питч-угловому распределению протонов имеется много противоречивого (Whallen & МcDiarmid, 1969; Гальперин и др., 19706; Reme, 1969; Нultquist еt аl, 1970). Поэтому в настоящее время очень трудно делать какие-либо окончательные выводы на этот счет. Тем не менее тот факт, что именно для протонов средних энергий (для 6 кэв, а не для I кэв) наблюдается существенная анизотропия (вдоль линий поля) (Нultquist еt аl, 1970), позволяет отдавать предпочтение в выборе источника протонных сияний более энергичным протонам,.Наличие преимущественной продольной компоненты для протонов средних энергий находится в удовлетворительном согласии с результатами ракетных измерений узкого высотного профиля водородной эмиссии (Мurkray, 1966; Мi11ег а, Shepperd, 1969; Waх а. Веrndstain, 1970).

Мы полагаем, что ответственными за возникновение водородных полярных сияний все же должны быть протоны с энергией в диапазоне 10-50 кэв. Это согласуется и с нашими прежними выводами (Бвлашин и др., 1968).
Если считать, что источником авроральных протонов является солнечный ветер, который представляет собой в основном поток протонов с энергией I кэв и плотностью 10 см^-3 (Snyder +, 1964), то доллжны, вероятно, существовать механизмы преобразования энергии некоторой части этих протонов до существенно больших значений. Такие протоны в свое время были обнаружены в окрестностях Земли (Frank, 1967). Однако установлено (Frank, 1970а), что в межпланетной среде во время магнитных бурь появляются большие потоки протонов в диапазоне 5-50 кэв с максимумом интенсивности 10 цр/см2 сек стер эв на 20 квв. Наличие таких протонов,, по-видимому, может исключить необходимость привлечения локальных механизмов ускорения протонов солнечного ветра с энергией в несколько сотен электронвольт. Такие усжоренные протоны могут непосредственно наполнять токовый внеионосферный пояс, в реальности которого не приходится сомневаться.

Между этим поясом и протонным сиянием можно проследить вполне оределенную связь. Так, наиболее характерной формой полярного сияния в вечернее время до начала развития еуббури является однородная дуга, содержащая интенсивную водородную эмиссжю и ограничивающая протонное сияние с экваториальной стороны. При умеренных геомагнитных возмущениях такая дуга располагается в вечернем векторе на широтах ~60^o что соответствует значению L=4.
Сошшжо ввйвдщежшш вт ОGO-5 19?ОЬ), в вечернее время на ранней фазе развития суббури имеет место существенная асимметрия протонного пояса, максимум интенсивности которого расположен также на расстоянии L=4). (риc 4). Протонное сияние вместе с водородной дугой, такш обраазом, может иредставлять собой проекцию в ионосфере подобного токового кольца вдоль силовых линий магнитного поля Земли. В спокойное в магнитном отношении время экваториальный край кольцевого тока с несколько более мягким энергетическим епектром располагается на расстоянии L=б.5 (Pizella & Frank, 1971).


В работе (Гальперин и др», 19706) также отмечается, что компонента авроральных протонов средних энергий оказывается непосредственно связанной с интенсивностью протонов этого диапазона энергий в поясе кольцевого тока.

Косвенные данные, свидетельствующие об изменениях интенсивности протонов в токовом поясе ;(Аkasofu, 1968) во время развития суббури (населенность вечернего протонного сектора увеличивается, а утреннего уменьшается), полностью соответствуют наблюдениям водородной эмиссии на Земле: вероятность появления водородной змиссжи (или интенсивность) максимальна вечером и минимальна утром (Евлашин, 1961, 1970). Отмечено, что энергетический спектр авроральных протонов к утренним часам также становится значительно мягче (Pudovkun + 1970.
Все эти факты, по-видимому, позволяют утверждать, что токовый внеионосферный псяс протонов ж водородная эмиссия взаимосвязаны, на что уже было указано ранее Akasofu, 1969, Hultquist 1971)« Следует однако, осторожно подойти к ответу на вопрос, является ли токовое кольцо всточникой протонос или же оба явления порождены одной причиной (О'Вrien, 1964), В работе (Еather аnd Canovelano, 1970) предпринята попытка показать, что источником авроральных протонов является токовый пояс.


Однако некоторые выводы, вытекающие из этой теории, недостаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Это относится, в частности, к форме полученного ими энергетического спектра. В последнее время (Hones,1971)в плазменном слое на расстоянии 18Re в магнитно-возмущенное время обнаружены протоны, энергетический спектр которых имеет максимум в диапазоне 10 кэв или выше с преимущественным направлением движения вдоль силовых линий поля. Такие протоны могут иметь непосредственное отношение к рассматриваемой проблеме. Однако для того, чтобы сделать окончательные выводы, необходимы комплексные одновременные измерения характеристик протонов в хвосте магнитосферы, в токовом кольце, в авроралъной ионосфере, а также определения параметров водородной эмиссии с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли, зондирующих ракетах и на Земле.


ЛИТЕРАТУРА
ВАЙСЕЕРГ О.Л., 1966. Геомагнетизм и аэрономия, 6, № I, 135-137.
ГАЛЬПЕРИН Ю.И., ПОЛУЗКТОВ И.А., СОБЕЛЬМАН И.И., 1966. Геомагнетизм и аэрономия, 6, № 4, 633-649.
ГАЛЬПЕРИН Ю.И.. ГЛАДЫШЕВ В.А., ИВАНОВ Й.Д., И ДР., 1970а. Космические исследования, 8, № I, 120-126.
ГАЛЬПЕРИН Ю.И., ГЛАДЫШЕВ В.А., ГУРЕВИЧ А.В., И ДР., 19706. Космические исследования* 8, № 3, 457-460.
ЕВЛАШИН Л.С., 1961. Геомагнетизм и аэрономия, I., № I, 54-58.
ЕВЛАШИН Л.С., 1963. Геомагнетизм и аэрономия, 3, Л 3, 496-501. ЕВЛАШИН Л.С., 1964. Сб. "Исследование полярных сияний, геомагнитных возмущений и ионосферы в высоких широтах"г Изд. АН СССР, М.-Л., С 11-16. ЕВЛАШИН Л.С,, 1970. Сб. "Полярные сияния", изд. "Наука", М., № 19, 12-26.
ЕВЛАШИН Л.С., ЗАЙЦЕВА С.А.. ЛОГИНОВ Г.А., ПЕТРОВА Г.А.. ПУДОВКИН М.И.. РАПОПОРТ З.Ц. И ДР, 1968. Сб.. "Полярные сияния", изд. "Наука", М.,№ 17, 5-21.
ИВЛИЕВ Д.Я.,'ПУДОВКИН М.И., ЗАЙЦЕВА С.А., 1970. Геомагнетизм и аэрономия, 10, № 2, 300.
КРАСОВСКИЙ В.И., 1961. Успехи физических наук, 75, Л 3, 501-525.
КРАСОВСКИЙ В.И., 1967. Космические исследования, 5, * I, 71-81. КРАСОВСКИЙ В.И., 1971. Штили и штормы в верхней атмосфере, Изд. "Наука", М.
ФЕЛЬДШТЕЙН Я.И., 1960, Сб. "Исследование полярных сияний", Изд. АН СССР, М.
ХОРОШЕВА О.В., 1962. Геомагнетизм и аэрономия, 2, № 5, 839.
ЧЕМБЕРЛЕН Дж., 1963. Физика полярных сияний и излучения атмосферы. Изд. инс лит., М.
ШКЛОВСКИЙ И.С., 1952. Изв. Крымской астрофизической обсерватории, 8, 51-79.
АKАSOFU S-I. , 1968. Polar and magnetospheric substorms, D.Reidel Publishing Company.
АKАSOFU S-I. , 1969. Annals of the IQSY, 5, The M.I.T. Press, England, 167-180.
АKАSOFU S-I. , EATHER R.H. , BRADBURY J.H., 1969. Planet. Space Sci., 17, 1409-1412.
БЕRNSTEIN W., ET AL. ,1969. J. Geophys. Res. , 74 #14, 3601-3&68.
ЕАТHER B.H., 1967. Rev. of Geophys., 5, # 3, 207-285.
EATHER E.H. and SAHDPOED B.P. , 1966. Austr. J.Phys. , 19.» 25-33. ЕАТНЕR E.H. and САНОУД&Ш) E.L. , 1970. The ring current as the soixcge region for proton .auroras, preprint.
FRANK L.A., 1967. J.Geophys.Ees., 22 , N 1 , 3753-3763.
FRANK L.A., , 1970а. J.Geophys.Ees., 75 #4 707-716.
FRAHK L.A., 1970b. J.Geophys.Ees., 25. #7 1263-1268.
GARTLEIN G.W., 1950. Trans. Am. Geophys. Union, 3J. 18-20.
HULTQUIST В., 1968. Ann. ue Geophys., 24, N 2, 563
HULTQUIST В., 1970, May. On the interaction between the magnetоsphere and the ionosphere, KGO preprint.
HULTQUIST В., BOSG H. , RIEDLER W. and CHRISTOPHERSEN P., 1970, May. Observations of magneticf ield aligned anisotropy for 1 and 6 kev protons in the upper ionosphere, EGO preprint.
HOHES E.W., ASBRIDGE J.E. , BAME S.J. and SINGER S., 1971. J. Geophys. Res. , 76, 1, 63-87.
MEINEL A.B., 1951, Astrophys.J., 113. 50-54
MILLER J.E. and SHEPHERD G.G., 19&9. J. Geophys. Ees. , 74 N21, 4987-4997.
MURCRAY W.B., 1966. J.Atmos. Terr.Phys. , 28, 812-814.
0'ВRIEN B.J., 1964, J Geophys. Ees., 69_, N1 , 13.
ОМНОLT A., 1963. Planet. Space Sci. , 10, 247-262.
PIZ2ELLA G. and FRANK L.А., 1971 J. Geophys. Res. , 76,N1 88-91.
РUDOVKIN M.I., ISAEV S.I., ZAITZETA S.A., 1970. Ann. de Geophys., 24 N 3, 761-770.
REASONER D.L., EATHER E,H. and O'BRIEN B.J., 1968. J. Geophys. Res. , 73, 185
NESS.M.E., 1961. Mem.Soc.Eoy. Sci. Liege, Ser. 5» 4 609-619.
NESS.V.E. and BENEDICT P.O., 1970. J. Geophys. Res., 75 N25, 4763-4774.
REME H. , 1969. Program and Abstracts General Scientific Assemblies, Madrid, 1-12 September, 269.
RIEDLER W, , 1967 High proton flux in homogeneous auroral glow, preprint»
RIEDLER W. and НULTQUISТ.В. , 19&9, June. KGO Report, N 696.
ROMICK G.J. and SHARP R Л)., 19&7. J.Geophys.Ees., 72 4791-4802
SHEPHBRD G. and MILLER J.R. , 1968. Ann.de Geophys., 24, N 2, 305.
SNYDER C.W. and UETJGEBAUER ffi. , 1964. Space Eesearsh 4, Horth-Holland, 89-113.
VAGARD L., 1939. Nature, 144. 1089-1090.

В сб. Геофизические исследования в зоне полярных сияний, ПГИ, КФ АН СССР, 1972, с 25-32