Сей опус являет собой черновой выриант раздела книги "Модель космоса", который следует за разделами, описывающими строение магнитосферы и радиационные пояса Земли и должен быть с ними согласован.
Рисунки пока не привязаны к тексту.

Иллюстрации (щелкнуть)



Рис 1 Схема развития суббури по Акасофу

Рис 2 Наземные эфекты на переходе к суббуревой экспансии.

Рис 3 Зоны развития магнитосферных возмущений. Перманентные возмущения -в полярной шапке и в каспе, авроральные возмущения перефирийные - в зоне сияний на границе с полярной шапке центральные - в экваториальной и центральной частью зоны сияний, магнитные бури- на субавроральных и средних широтах.
Рис 4 Строение магнитосферы

Рис 5 Проекция зоны активных сияний и приграничной дуги на зону квазизахвата и хвост магнитосферы.

Рис6 Энергетический спектр авроральных ионов (протонов). Граница между мягкой и жесткой компонентами проходит в диапазоне 30-60 кэВ

Рис 7. Питч-угловое распределение авроральных ионов в спокойное время (типа "бабочки") и на перед началом суббуревой экспансии (типа "голова и плечи")

Рис 8 Плотность энергии авроральных ионов и магнитного поля. На нижнем блоке - парциальная плотность энергии ионов разных энергий.

Рис 9. Потоки электронов и ионов, измеренные спутником CRRES во время суббури12 марта 1991г. и наклон и напряженность магнитного поля.

Рис 10. Возрастание потока электронов во время локадьной активизации.

Рис 11. Питч-угловое распределение электронов во время локальной активизации.

Рис 12. Модель пересоединения

Рис 13. Кеограмма широтного распределения яркости полярного сияния на подготовительной и активной фазе суббури. В верхней части на широте 71 o видна приполюсная дуга сияния, связанная с суббуревой активностью в хвосте магнитосферы.

Рис 14. Иллюстрация нескольких типов высыпания авроральных электронов с помощью модели "дырявого ведра."

Рис 15. Положение границ инжекции по МакИлвайну.

Рис 16. Модифицированная схема меандра Хейкиллы-Пеллинена, иллюстрирующая генерацию индукционного электрического поля при локальном изменении плотности частично-кольцевого тока.

Рис 17. Схема формирования токового клина и продольного потенциала в авроральной магнитосфере.

Рис 18. Схема комбинирующая начало суббури в хвосте посредством пересоединения силовых линий с инжекцией энергичных частиц на волне сжагия (модель серфатрона).

Рис 19. Радиальные профили частиц на дневной и ночной магнитосфере.

Рис 20. Схема распределения электрического поля и конвекции плазмы в проекции на полярную шапку, расчитанные по векторам возмущения магнитого поля.

Рис 21. Измерения электрического поля полярным спутником. 1 - авроральная зона, 2 - электрическое поле индуцируемое движением спутнмка, 3 - поле в полярной шапке.

Рис 22. Схема распределения продольных токов. 1 - втекающий ток, 2 - вытекающий ток, пунктирная линия - разрыв Харанга.

Рис 23. Токовая система ДР12 подготовительной фазы (слева) и ДР11 фазы экспансии суббури.

Рис 24. Схема пространственного распределения типов высыпания энергичных электронов.

Рис 25. Зоны захвата и квазизахвата по Редереру.

Рис 26. Последовательность измерений энергетического спектра мягких электронов во время инжекции.

Рис 27. Последовательность измерений спектра энергетических электронов во время инжекции.

Рис 28. Трансформация ионосферной токовой системы во время суббури.

Рис 29. Динамика аврорального овала в зависимости от уровня магнитной активности.

Рис 30. Движение границ зоны активных сияний в зависимости от уровня магнитной активности по Старкову.

Рис 31. Cхема трехмерной токовой системы во время WTS.

Рис 32. Сечение магнитосферы на уровне 10 Re c ночной стороны Земли.

 

6.3 ВОЗМУЩЕННАЯ МАГНИТОСФЕРА

Оглавление

6.3.1. АВРОРАЛЬНАЯ РАДИАЦИЯ

6.3.1. 1. Две компоненты А. Р.

6.3.1.2. Границы авроральной магнитосферы

6.3.1.2. Характеристики авроральных частиц

6.3.1.3. Инжекция (ускорение) авроральных электронов и ионов

6.3.1.4. Высыпание энергичных авроральных частиц в атмосферу.

6.3.2. ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ

6.3.2.1. Морфология и классификация полярных сияний.

6.3.2.2. Пульсации полярных сияний

6.3.3. МАГНИТОСФЕРНЫЕ СУББУРИ

6.3.3.1. Подготовительная фаза суббури

6.3.3.2. Активная фаза

6.3.3.3. Связь с солнечным ветром. Энергетическая схема суббури.

6.3.3.4 Суббуря во внешней магнитосфере.

 
6.3.1. АВРОРАЛЬНАЯ РАДИАЦИЯ

Магнитосфера редко бывает спокойной. Возмущения вносят существенные изменения в структуру магнитосферы и характеристики населяющих ее частиц.

Возмущения делятся на три типа:

  • полярные перманентные возмущения,
  • суббуревая активность,
  • магнитные бури.

Первый тип наблюдается во внешней магнитосфере и, соответственно, в полярной шапке, второй тип захватывает и зону квазизахвата, авроральную магнитосферу, и, наконец, магнитные бури вызывают существенные процессы и во внутренней магнитосфере, в радиационных поясах.

Величина возмущения оценивается индексами магнитной возмущенности. Кр-индекс (трехчасовой, суточный) оценивает возмущенность в целом. Индекс Dst характеризует развитие магнитных бурь, кольцевого тока, Ае-индексы (минутные, среднечасовые) описывают суббуревую активности и РС-индекс относится к возмущениям в полярной шапке.

В данном разделе основное внимание уделяется авроральной радиации, полярным сияниям и магнитосферным суббурям, а главной ареной является ночная зона квазизахвата, а в проекции на границу атмосферы - зона активных полярных сияний, кольцо/овал Хорошевой/ Фельдштейна/ Старкова.

Магнитные бури рассматриваются отдельно в разделе МБ.

6.3.1. 1. Две компоненты А. Р.

В классификации потоков частиц, населяющих магнитосферу Земли авроральная радиация (АР) занимает промежуточное положение между потоками плазмы и захваченной радиацией. Энергетический диапазон АР - от единиц до сотен кэВ. В верхней части диапазона АР существенно перекрывается с захваченной радиацией радиационных поясов, четкого разграничения вообще нет, и главным критерием отождествления АР является ее изменчивость, ограниченное время существования. В спокойные периоды АР отсутствует.


Одно время в отечественной литературе использовался термин "зона неустойчивой радиации", отражающий изменчивость динамики частиц в области примыкающей к внешнему радиационному поясу.

Как видно из названия, к авроральной радиации относятся потоки частиц, прямо или косвенно связанные с полярными сияниями (aurora). Так как полярные сияния наблюдаются не только в зоне сияний, но и в полярной шапке и в субавроральной зоне, а иногда и в средних широтах, ясно, что такое широкое толкование не позволяет отвести для авроральной радиации какую-либо одну очерченную область в магнитосфере. И действительно, спорадические потоки энергичных электронов и ионов регистрируются в магнитосфере практически повсюду. Следует, однако, выделить две области - авроральную магнитосферу, главную область обитания АР, расположенную в пределах области квазизахвата (ОКЗ) и магнитосферный хвост (МХ), где потоки энергичных частиц появляются эпизодически, на короткое время (рис ).

Авроральная радиация появляется во время магнитосферных суббурь, причем на разных стадиях, фазах суббури действует несколько механизмов ускорения частиц, поэтому авроральную радиацию следует разделять на несколько типов по происхождению, характеру временных вариаций и энергетическому спектру. В 60-70 годы предлагалось много вариантов такого деления и различная терминология, в основном на базе измерений на низковысотных спутниках и ракетах. Чаще всего принято делить АР на два диапазона по энергии - мягкая или низкоэнергичная АР до 10 - 20 кэВ и жесткая или энергичная АР от 10 - 20 кэВ (30-70 кэВ для протонов) до нескольких сот кэВ. Этого деления мы и будем придерживаться при последующем изложении.

Здесь и далее в этом разделе речь идет о энергичной компоненте, мягкая компонента АР будет рассмотрена в разделе по полярным сияниям.


Быстрый почти одновременный рост потоков электронов и ионов, т.н. инжекция совпадает с началом активной фазы суббури и взрывной вспышкой полярных сияний (breakup, substorm onset), на остальных стадиях превалируют более медленные вариации.

Переполнение магнитосферной ловушки приводит к высыпанию частиц в атмосферу, этот процесс заслуживает специального рассмотрения, т.к. с ним связаны и полярные сияния, и возмущения в ионосфере, и тормозное рентгеновское излучение (auroral X-rays). Высыпание частиц, особенно электронов, не является монотонным, наблюдаются вариации с характерными временами от долей секунды до десятков минут и множество типов пульсаций, исследованию который посвящен специальный раздел данной работы.

6.3.1.2. Границы авроральной магнитосферы.

Область, в которой возникает и сохраняется на некоторое время поток свежеускоренных частиц, авроральная магитосфера, находится внутри ОКЗ, но ее мгновенные и среднестатистические границы не совпадают с границами ОКЗ, так как определяются не только конфигурацией магнитного поля, но и величиной и глубиной проникновения крупномасштабного электрического поля конвекции и динамикой суббуревого процесса в целом.

Положение границ ОКЗ определяется внутренним магнитным полем Земли и полями внешних источников и меняется в зависимости от уровня магнитной активности. Внутренняя граница располагается там, где не все частицы смогли завершить полный дрейф вокруг Земли.

При удалении дрейфовых орбит от Земли, первыми теряют возможность замкнутого дрейфа частицы с питч-углом 900, затем продольные частицы, наблюдается так называемый эффект расщепления дрейфовых оболочек. Поток захваченных частиц падает с расстоянием быстрее, чем частиц с меньшими питч-углами. В результате наблюдается показанный на рисунках переход от захваченного питч-углового распределения (ПУР), которое часто называют распределением типа "пирожок", (pancake) через квазиизотропное к распределению типа "бабочка", (butterfly), которое свидетельствует о том, что дрейфовый характер движения все еще сохраняется. Вслед за этим переход к изотропному распределению говорит о том, что частицы больше не удерживаются в магнитной ловушке, спутник пересекает внешнюю границу авроральной магнитосферы.

 

 Внутренняя граница ОКЗ определяется экспериментально по глубине проникновения в магнитосферу космических лучей (протонов) солнечного происхождения, ее изменения во время суббурь и магнитных бурь меняется как показано на рис .

Внутренняя граница авроральной радиации обычно располагается не столь глубоко, как граница ОКЗ, но в отдельных случаях может заходить и глубже максимума внешнего радиационного пояса.

Внешняя граница ОКЗ в проекции на высокоширотную атмосферу совпадает с границей полярной шапки, а в плоскости экватора - с фоновой границей радиационного пояса. Эта граница в возмущенной магнитосфере может быть крутой, одновременной для всех частиц в широком диапазоне энергий, и динамичной, движущейся к Земле и от Земли на подготовительной и активной фазах суббури соответственно. Рисунок xx иллюстрирует вышесказанное - поток частиц на геостационарной орбите падает на подготовмтельной фазе (т.н. "дропаут") и резко растет в начале активной фазы вследствии диполизации магнитного поля.

Как показывает статистический анализ, поток захваченных частиц у границы в 50-100 раз ниже, чем в максимуме внешнего радиационного пояса для частиц той же энергии.

Мгновенные очертания авроральной магнитосферы в проекции на ионосферу соответствует мгновенной картине активных форм полярных сияний, а зависимость усредненного положения границ от уровня магнитной активности определяется по формуле Старкова-Фельдштейна ( см. рис xx).

Подчеркнем еще раз, что в спокойное время АР отсутствует и зона сияний сводится к узкой полоске на границе ОКЗ и хвоста магнитосферы.

Следует отметить, что за годы исследований появлялись и забывались разные деления и названия для этой области. Термин "геостационарная область" отражает тот факт, что большая часть измерений в авроральной магнитосфере сделана на геостационарных спутниках на 6.6 Re . Околоземная или внутренняя часть плазменного слоя - термин распространенный, но не очень верный, поскольку плазменный слой хвоста магнитосферы - это действительно тонкий слой, за пределами которого потоки частиц существенно меньше, тогда как в области квазазахвата несмотря на существование повышенной интенсивности в плоскости экватора, вся область заполнена энергичными частицами по всей толщине.
Часто применяется термин "внутренняя магнитосфера" для обозначения событий суббури, происходящих не в хвосте, а на замкнутых, квазидипольных силовых линиях. При таком определении "внутренняя" магнитосфера идентична авроральной.
Однако во многих публикациях прошлых лет термин "внутренняя магнитосфера" обозначал область контролируемую внутренними (дипольными) источниками магнитного поля, тогда как во внешней магнитосфере существенный вклад принадлежал внешним источникам. При таком подходе авроральная магнитосфера представляет промежуточной областью, в которой наблюдается динамическая конкуренция внутренних и внешних источников.

6.3.1.3. Характеристики авроральных частиц

Низкоэнергичная компонента авроральной радиации имеет наименование центральный плазменный слой ЦПС (CPS), в отличие от хвостовой, граничной и более холодной части плазменного слоя (BPS). ЦПС пополняется из двух источников - из солнечного ветра путем конвекции из хвоста магнитосферы и из полярной ионосферы. Первый источник более медленный и имеет глобальный характер, второй - быстрый и локализованный в пространстве. Продольные токи в авроральной магнитосфере возникают всюду, где есть градиент плотности плазмы; там же отмечаются и свежеускоренные электроны и ионы. Ускорение частиц приписывается как продольным электрическим полям, так и взаимодействию с волновыми структурами. Ракетные и спутниковые измерения энергетического спектра, питч-углового распределения и временных характеристик потоков низкоэнергичных электронов и ионов демонстрируют значительное разнообразие типовых структур, пока еще не укладывающееся в стройную классификационную систему. Отметим существование двух групп, первая связана с активными формами полярных сияний и суббуревыми активизациями, вторая ассоциируется со спокойными дугами сияний; к этой второй группе относятся потоки частиц типа "перевернутого V".

Динамика энергичных авроральных частиц в принципе не отличается от частиц радиационного пояса. В движении частиц присутствуют все три компоненты - циклотронное вращение, скачки вдоль силовых линий и азимутальный дрейф. Отличие заключается в том, что адиабатические инварианты не сохраняются из-за того, что магнитное поле ловушки меняется за время сравнимое с периодами дрейфа, скачка (пульсации) и ларморовского вращения (ОНЧ-излучения). Все же в некоторых случаях мы видим свидетельство полного дрейфа вокруг Земли, так называемое "дрейфовое эхо" - на место инжекции возвращаются сначала электроны самых больших энергий, затем с задержкой - все остальные.

По сути дела мы можем говорить о наличии АР только из-за заметного переполнения ловушки в данном месте. Облако частиц, ускоренных в полуночном секторе дрейфует вокруг Земли, оставляя след в ионосфере. Поток частиц за время дрейфа существенно снижается - часть высыпается в атмосферу, часть рассеивается и через 1-2 оборота отличить частицы АР от частиц радиационного пояса уже невозможно.

6.3.1.3. Инжекция (ускорение авроральных электронов и ионов)

Быстрое возрастание потока энергичных электронов и ионов наблюдается в момент начала активной фазы суббури или одной из последующих активизиций, время роста интенсивности - от единиц секунд до нескольких минут.

На рис xx приведены радиальные профили энергичных электронов (30-300 кэВ) и ионов, измеренные спутником CRRES на периферии внешнего радиационного пояса. Спутник летал в плоскости экватора по вытянутой квазигеостационарной орбите и по несколько часов в каждом обороте проводил в авроральной магнитосфере. Авроральную радиацию на приведенных примерах легко отделить от захваченной радиации по характеру временных вариаций. Вместе с тем, энергетический диапазон их существенно перекрывается.

Рис spe560 s560. иллюстрирует динамику спектра авроральных электронов во время инжекции. Рост интенсивности частиц в низкоэнергичной части спектра определяется ускорением электронов центрального плазменного слоя, тогда как в высокоэергичной части превалирует эффект радиального смещения траекторий магнитного дрейфа в связи с локальной диполизацией магнитного поля. Этот процесс имеет обратимый характер, ускорения не происходит.

В ранних работах предполагалось, что инжекция протонов и электронов происходит одновременно и обусловлена единым механизмом - переносом частиц из области развития суббуревой неустойчивости (пересоединения силовых линий) в хвосте магнитосферы. Последние исследования показывают, что инжекция протонов и электронов - это два разных процесса, как правило не совпадающих во времени, если измерения позволяют получить достаточно хорошее временное разрешение. Кроме того, взрывная неустойчивость суббури развивается в области квазизахвата, и в ускорении частиц, как электронов, так и ионов радиальный перенос частиц носит характер ограниченного смещения внутри ОКЗ.



6.3.1.4 Высыпание энергичных авроральных частиц в атмосферу.

Общим источником ионосферных, магнитных возмущений и полярных сияний на активной фазе суббури является высыпание в атмосферу авроральных электронов, ускоренных в момент брейкапа и дрейфующих на утреннюю и дневную сторону.

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, отражающие временную структуру всплесков высыпания энергичных электронов. Повышенная ионизация в Д-области ионосферы, вызванная этими высыпаниями и является причиной поглощения.
Для иследования тонкой временной структуры и энергетического спектра высыпаний используются спектрометры тормозного рентгеновского излучение аворальных электронов с Е > 20 кэВ, поднимаемые на аэростатах. Прямые измерения проводятся с помощью низковысотных спутников и ракет.

Деление авроральных электронов на две энергетические группы отражается в механизме и пространственно-временных характеристиках высыпаний. Низкоэнергичные электроны ускоряются продольными электрическими полями, что непосредственно приводит к сбросу частиц в ионосферу. Энергичные электроны ускоряются в экваториальной плоскости и преимущественно с питч-углами близкими к 900. Сброс в атмосферу при этом обеспечивается за счет питч-угловой диффузии. В первом приближении высыпания энергичных электронов можно разделить на две группы - прямые высыпания из источника, в процессе ускорения, в режиме быстрой диффузии и более медленный сброс частиц из дрейфующих облаков авроральных электронов.

На рис. xx приведены результаты измерения тормозного рентгеновского излучения в момент брейкапа в аэростатном эксперименте Баркуса на Аляске. Справа внизу дается график отношения двух энергетических каналов детектора, из которого следует, что в максимуме каждого всплеска происходит ужестчение спектра.

Значительную роль в динамике частиц в авроральной магнитосфере играет взаимодействие с волнами. Колебательный характер движения несет возможность возбуждения волн и резонансного взаимодействия. Результатом является питч-угловая диффузия, радиальная диффузия, нарушение равномерного пространственного распределения частиц, группировка в дрейфовые пучки и бунчировка в сгустки при продольных колебаниях частиц. Эти процессы приводят к пульсациям и микровсплескам потока высыпающихся частиц, полярных сияний и геомагнитного поля, изучение которых составляет обширный раздел физики магнитосферы и ионосферы. Пример пульсаций и микровсплесков приведен на рис xx
Низковысотные спутники с полярной орбитой являются одним из основных, наиболее распространенных, источников информации о потоках энергичных частиц в магнитосфере. В отечественной науке значительную роль сыграли спутники серии "Космос", среди многочисленных зарубежных спутников выделим спутники DMSP, данные которых доступны для общего пользования и поэтому использовались для научного анализа очень часто.
По материалам измерений низкоэнергичных электронов и ионов на спутнике DMSP Фейрфилд а за ним Гальперин и Фельдштейн и Ньюмен выделили несколько областей обитания частиц и границ между ними и сделали ряд предположений о их соответствии зоне полярных сияний и границам в возмущенной магнитосфере. На рис. xx приведена схема границ высыпаний электронов и полярных сияний для полуночного сектора магнитосферы в разгаре умеренного возмущения. Вертикальными стрелками показан диапазон возможного смещения границ.

Если сравнить приведенную схему с измерениями АР в магнитосфере, получится достаточно непротиворечивая картина. Экваториальная граница центрального плазменного слоя, граница аврорального овала соответствуют околоземной границе авроральной магнитосферы, которая может располагаться, на склоне или вблизи максимума внешнего радиационного пояса, совпадающего по определению с границей "устойчивого захвата". Пограничный плазменный слой совпадает с приполюсной частью двойного овала полярных сияний и проектируется на внешнюю границу авроральной магнитосферы с хвостом магнитосферы. Резкое различие энергетических спектров и других характеристик центрального и приграничного плазменного слоя свидетельствует о различии механизмов ускорения частиц и процессов суббури в целом в авроральной магнитосфере и в хвосте магнитосферы.

6.3.2. ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ


6.3.2.1. Морфология и классификация полярных сияний.

Согласно принятой классификации формы полярных сияний делятся на три группы: лентообразные, диффузные и лучи.
К лентообразным относятся дуги (А) и полосы (В). Они характеризуются непрерывной нижней границей.
Дуги имеют вид арки, протянутой с запада на восток с правильным, обычно резко очерченным нижним краем. Часто встречаются мультиплетные дуги с интервалом 30-40 км. Если нижний край сияний неправильный и содержит изгиб или складку, форма сиянии называется полосой. Полоса обычно более подвижна, чем дуга.
Лентообразные сияния простираются в направлении восток- запад на несколько тысяч километров, а по вертикали - на несколько сотен километров. Дуги, например, могут простираться на расстояние до 5-6 тыс. км и более, а поперечные размеры их - до 6°. В редких случаях ширина дуги вдоль меридиана достигает 13-14°. Сама лента имеет толщину всего несколько сотен метров, из чего можно сделать вывод, что сияния такого типа вызываются узким электронным пучком. Ленточные формы часто имеют вид многоярусных занавесей, висящих одна на другой и простирающихся через весь небосвод.
Когда лента становится несколько более активной и подвижной, она образует тончайшие складки толщиной в несколько километров. Такая форма свечения кажется состоящей из отдельных вытянутых струй или лучей света; тогда она называется "лучистой дугой". При повышении активности складки расширяются до нескольких десятков километров.
Когда на большие складки налагается тонкая структура "лучей", то такую форму свечения называют "лучистой полосой". Если активность продолжает возрастать, лучистая полоса образует красивую розовато-оранжевую кайму в нижней части складки (обычно эту форму называют сиянием типа В)..Наконец, если интенсивность возрастает еще больше, складки и петли расширяются до огромных размеров (сотни километров).

Диффузные формы сияния могут иметь вид пятен (Р) с нечеткими границами, напоминающих облака, освещенные луной, и вид вуали (V). Вуаль представляет собой протяженное однородное свечение, которое часто покрывает большую часть неба. Пятна возникают обычно в зоне полярных сияний на последней стадии развития явления.

Лучи (R), узкие пучки света, расположенные в пространстве вдоль силовых линий магнитного поля Земли, подразделяются на три группы (в зависимости от их длины): короткие (яркие у нижнего края и бледнеющие с высотой), средние (одинаковая яркость по всей высоте) и длинные (обычно однородные по яркости, но довольно слабые). Могут наблюдаться пучки лучей, расположенных тесно Друг около друга либо разбросанных. Часто лучи наблюдаются одновременно с другими формами.

Пламенное сияние рассматривалось раньше как самостоятельная форма. Теперь признано, что эта форма является редким видом пульсации, одновременно происходящей на большой площади. Это явление, как известно, протекает в виде волн света, вздымающихся вверх одна за другой. Такое сияние возникает при определенных условиях синхронизации пульсации и движения.

Наиболее эффектная форма - "корона" также является несамостоятельной формой, так как она возникает лишь в случае появления лучей в магнитном зените. Однако для нее сохранен свой символ (С).

Дальнейшее описание сияний требует рассмотрения структурных элементов. По международной классификации существует три типа структур: однородная (Н), волокнистая (бороздчатая) (S) и лучистая (R). Однородным сияние считается в случае, когда в нем отсутствует внутренняя структура свечения, без видимых лучей. Волокнистая структура состоит ив довольно беспорядочных полосок или волокон, расположенных приблизительно параллельно нижнему краю. Лучистая структура свечения как бы соткана из массы отдельных, часто мерцающих лучей.

Очень важным элементом новой классификации является описание активности сияния (а). Спокойные формы (q) почти не меняются или меняются очень медленно.
Активная форма подвержена быстрым изменениям во времени и пространстве. Активные сияния обычно яркие. Введено четыре группы активности (а1-а4), учитывающие характер движения как внутри самой формы сияния (образование складок вдоль границы, движение лучей, появление новых форм), так и при ее движении в целом.
Активность полярных сияний развивается от спокойных форм, обычно с однородных дуг, затем спокойные формы образуют лучи, и завершается процесс развития облакообразными пятнами. Однако многие формы сияний исчезают, даже не успев разбиться на пятна.
Когда активность сияний спадает, складки исчезают, лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура свечения представляет собой фундаментальное свойство полярных сияний, а складки и спирали связаны с процессом роста активности явления. Основной формой свечения на вечернем небе высоких широт считается однородная спокойная дуга со средней интенсивностью. Распределение интенсивности свечения в дуге наиболее равномерное: более яркое внизу и постепенно исчезающее кверху на фоне свечения неба.

Следующим параметром, характеризующим сияния, является яркость. Яркость визуальных наблюдаемых сияний оценивается международным коэффициентом яркости. При определении яркости учитывается максимальная интенсивность в данной форме. Для самой интенсивной линии полярного сияния (5577 А), принадлежащей атомному кислороду, индекс яркости определяется по международной шкале (табл. 1); за единицу измерения принят релей (R). Новая световая единица введена специально для измерения спектральной интенсивности свечения ночного неба и полярных сияний.

Таблица 1 Международная шкала яркости полярных сияний

Яркость
эмиссии 5577, kR

Индекс яркости

Примечание

0.1

0

Сияние визуально не фиксируется, может быть обнаружено инструментально

1

I

Яркость сравнима с яркостью Млечного пути.

10

II

Яркость сравнима с яркостью перистых обла-ков, освещенных Луной.

100

III

Яркость сравнима с яркостью кучевых облаков, освещенных Луной.

1000

IV

Яркость много больше III.

Интенсивность свечения в один релей соответствует эмиссии 106 квантов, испускаемых в одну секунду в столбе атмосферы сечением 1 см2:

1R=106 фотонов/ (колонна) см2 сек.

Слово "колонна" означает, что речь идет о суммировании по всему вертикальному столбу атмосферы данного сечения. Килорелей (кR) соответствует излучению 109 фотон/см2 в сек. Интенсивность в релеях соответствует увеличенной в 4π раз поверхностной яркости однородно светящейся атмосферы.


Как можно видеть из табл. 1, интенсивность эмиссии полярных сияний (вместе с тем и интегральная их яркость) может изменяться примерно в 10 000 раз. Соотношение интенсивности отдельных эмиссий в каждом сиянии также непостоянно.

6.3.2.2. Пульсации полярных сияний

Другой важной характеристикой активности сияний служит пульсация (Р), которая подразделяется на четыре группы (Р1,2,3,4). Пульсация описывает быстрые ритмические флюктуации яркости с периодом обычно от долей секунды до минуты. К определенному типу пульсирующих принадлежит, как уже указывалось, пламенное сияние. Быстрое нерегулярное изменение яркости называется "мерцанием".

Пульсации сияний P1 преимущественно с периодом 3-25 сек., сопровождаются аналогичными пульсациями геомагнитного поля (типа Рi1).


Быстрые пульсации интенсивности отдельных эмиссий в полярных сияниях в диапазоне 1-20 гц в интегральном свете и в линии 4278 А N2+ схожи между собой; в линии 5577 А быстрые вариации отсутствуют, что, повидимому, связано с большим временем жизни возбужденного атома в состоянии 'S. Пульсации большей частью сопровождают медленные вариации интенсивности свечения, но иногда появляются независимо.

Спектры мощности пульсации характеризуются быстрым уменьшением мощности на 1 гц с увеличением частоты. По-видимому, существует большое различие между пульсациями с низкими частотами и частотами более 1 гц. Высокочастотные пульсации довольно иррегулярны и появляются только при сияниях в виде слабых диффузных пятен исключительно после магнитной полуночи.

Пространственное распределение областей свечкения (зон) полярных сияний приведено на рис xx. Основная зона активных сияний имеет форму кольца (кольцо Хорошевой), смещенного на дневной стороне к полюсу. Южнее расположена область субавроральных сияний, полюснее - сияния полярной шапки. На дневной стороне выделяется зона каспа или клефта - проекция воронки или щели открытой для прямого вторжения частиц солнечного ветра.


6.3.3. МАГНИТОСФЕРНЫЕ СУББУРИ


Термин "суббуря" был введен в 1961г. С-И. Акасофу для обозначения авроральных возмущений в зоне сияний длительностью порядка часа. В магнитных данных еще раньше были выделены бухтообразные возмущения, совпадающие по времени с суббурей в полярных сияниях. Со временем термин "магнитосферная суббуря" объединил большую совокупность процессов в магнитосфере и ионосфере.

Элементарная суббуря представляется последовательностью процессов накопления энергии в магнитосфере и взрывного высвобождения энергии.

Можно обозначить две области, обе на ночной стороне Земли, где для развития взрывной неустойчивости могут возникнуть благоприятные условия. Первая область - это хвост магнитосферы, его часть вблизи нейтрального слоя. Здесь неустойчивость определяется геометрией силовых линий, направленных навстречу друг другу, что создает возможность пересоединения силовых линий, при которой возникают сильные индукционные поля, ускоряющие эаряженные частицы.

Область квазизахвата вблизи полуночного меридиана также полагается благоприятной для развития взрывной неустойчивости. Здесь магнитное поле имеет квазидипольную конфигурацию, силовые линии вытянуты в хвост, но способны удерживать и накапливать заряженные частицы в магнитной ловушке. При этом напряженность поля достаточно мала, чтобы плотность энергии частиц могла приближаться или превышать плотность энергии магнитного поля, создавая благоприятные условия для развития неустойчивости. Значительная роль отводится при этом продольным и азимутальным токам, рост которых может также приводить к неустойчивости.

Долгое время область хвоста и механизм пересоединения считались непосредственно связанными с суббуревой активностью в авроральной зоне, а процессы в зоне квазизахвата - вторичными. В настоящее время наиболее адекватна экспериментальным данным схема независимого развития суббуревой активности в этих двух областях, с возможным их воздействием друг на друга. Имеется также позиция, отрицающая возможность или значимость процесса пересоединения, исходя из свидетельств существенной турбулизации структуры хвоста магнитосферы.

Элементарная суббуря состоит из трех фаз: подготовительной (growth phase), активной (active phase) и фазы затухания (recovery phase). Взрывное начало (onset) активной фазы выделяется как отдельный объект исследований, кроме того, первые 5-15 минут активной фазы имеют самостоятельное обозначение как фаза экспансии (expansion phase).

Элементарная изолированная суббуря наблюдается редко, как правило возмущение состоит из нескольких интенсификаций, каждая из которых имеет такие элементы суббури, как взрывное начало, экспансию и элементы подготовительной фазы. Загрузка энергии в магнитосферу на подготовительной фазе носит глобальный характер, тогда как активизации локальны и могут перекрываться во времени с продолжающейся подготовительной фазой.
Мощность суббури можно оценить по максимальной величине бухты в Н-составляющей магнитного поля (от ~100 до 1000нТ) и по площади охваченного возмущением пространства, по протяженности экспансии суббури к полюсу. У слабых, недоразвитых суббурь экспансия практически отсутствует; их называют псевдобрейкапами (pseudobreakup). Экспансия к полюсу для определенного классов суббурь может быть ограниченной, или, наоборот, повышенной, когда суббуря выходит в полярную шапку, до геомагнитных широт 80-85o .

Азимутальный, долготный размер активной суббуревой области обычно ограничен сектором в 30-50o. В остальных секторах может наблюдаться активность типа подготовительной фазы. Расширение активной области происходит обычно скачками, посредством развития новых интенсификаций.


6.3.3.1. Подготовительная фаза суббури

Подготовительная фаза начинается с поворота вектора межпланетного магнитного поля к югу (составляющая ММП Bz <0), что усиливает поступление энергии в магнитосферу. Определяющая роль в этом отводится электрическому полю, т.н. полю конвекции или электрическому полю солнечного ветра, ,направленному с утра на вечер поперек хвоста и авроральной магнитосферы. Суммарная разность потенциалов оценивается в 40-100 кВ. На рис xx приведена схема распределения электрического поля и конвективного переноса плазмы в проекцию на полярную ионосферу.

Конвективное поле усиливает и сдвигает к Земле дрейфовый ток в зоне квазизахвата, что меняет конфигурацию магнитосферы, вытягивая силовые линии в хвост. Магнитное поле в долях хвоста растет за счет переноса магнитного потока с дневной стороны и толщина плазменного слоя в хвосте уменьшается. Подготовительная фаза хорошо прослеживается по наблюдениям полярных сияний - время от времени возникают на севере и движутся к югу диффузные дуги. Предполагается, что скорость движения дуг определяется как радиальный ЕхВ дрейф авроральных частиц.


6.3.3.2. Активная фаза

Начало активной фазы В конце подготовительной фазы в двух частях магнитосферы возникает напряженная, критическая ситуация, способная породить неустойчивость.
В хвосте, на расстоянии 25-50 Re, близкое расположение силовых линий магнитного поля противоположного направления может приводить к развитию пересоединения. (NENL - модель суббури).

В области квазизахвата, на 7-10 Re рост тока и градиента давления на границе плазменного слоя вызывает взрывное начало типа баллонной неустойчивости (ballooning) и/или токового разрыва (current disruption instability).

Взрывная неустойчивость, знаменующая начало активной фазы, вызывает целый ряд быстрых процессов, проявляющихся в наблюдениях в космосе и на Земле. В магнитосфере наблюдаются следующие три основных процесса:

1 - ускорение вдоль силовых линий и сброс в атмосферу кэВных электронов. Формирование локализованного токового клина.
2 - быстрая перестройка магнитного поля ближе к дипольному. Движение внешней границы зоны квазизахвата от Земли в хвост.
3 - ускорение ("инжекция") энергичных электронов и ионов и высыпание в атмосферу.

Следствием первого процесса является вспышка полярного сияния, вызываемая высыпанием авроральных электронов. На рис xx приведены снимки сияния на переходе к активной фазе, дающие представление о пространственно-временных характеристиках начала уярчения сияний и начала активной фазы.
Одновременно растет проводимость в ионосфере и начинается отрицательная бухта в Н-составляющей магнитного поля, наиболее крутая на ближайшей к эпицентру магнитной станции. Начинаются магнитные пульсации Pi2 и Pi1B.

В стратосфере на аэростатах регистрируется всплеск рентгеновского излучения, порождаемый высыпанием в атмосферу энергичных электронов. Вызванная высыпанием ионизация Д-слоя ионосферы приводит к поглощению космического радиошума, основным инструментом мониторинга поглощения служит сеть риометров. В магнитосфере и на Земле регистрируется всплески ОНЧ излучения.

Измерения электрического поля в магнитосфере показывает резкий рост переменной составляющей. В стратосфере немногочисленные измерения указывают на уменьшения поля, возможно связанное с тем, что силовые линии из магнитосферы в ионосферу перестают быть эквипотенциальными, вдоль силовых линий появляется аномальное сопротивление.

Все перечисленные события происходят одновременно с разбросом в 1-2 минуты, повторяясь со сдвигов в пространстве в серии локализированных активизаций. По мере роста чувствительности и временного разрешения аппаратуры выявляются все новые закономерности, иногда значительно меняющие сложившиеся представления.

Фаза экспансии Наиболее ярко выраженным процессом активной фазы является движение активных сияний к полюсу (poleward expansion). Оно может быть плавным, движение дуги или ее сегментов или скачкообразным, с образованием новых активных форм полюснее предыдущих. Внутри расширяющейся к полюсу выпуклости (auroral bulge) отдельные дуги могут двигаться и к экватору.

Развитие экспансии в виде отдельных активизаций отражается и в структуре, временной и пространственной, ускорения и сброса частиц, и в пульсациях Pi2, повторяющих временной ход цепочки активизаций.

На рис xx приводится схема развития перечисленных выше процессов на переходе к активной фазе, предложенная М.И. Пудовкиным.

До сих пор остается неясным, почему некоторые возмущения приводят к экспансии, а другие - нет. Возможно существенное подавление экспансии может вызывать электрическое поле солнечного ветра. Если начало суббури было спонтанным и межпланетное магнитное поле остается отрицательным, возможно тогда экспансия подавляется и ее пространственный пробег ограничивается несколькими градусами. С другой стороны, часто суббури начинаются тогда, когда Bz ММП меняет знак, электрическое поле уменьшается и не препятствует экспансии.

Расширение активной области на запад и на восток происходит по-разному: на западном направлении формируется в активной зоне выступ с северо-южным изгибом направления фронта сияний, так называемые WTS (Westward travelling surge), которые скачкообразно, серией последовательных интенсификаций, перемещается на Запад. Расширение на восток чаще наблюдается в виде новых суббурь, без видимой зависимости от активности в начальном секторе.

Активная фаза не заканчивается, когда экспансия прекращается. Активные формы сияний, может быть не такие яркие как в начале, продолжают возникать и двигаться по небу. Экваториальнее аврорального выступа развиваются пульсирующие сияния, в основном в виде пятен, таким способом магнитная ловушка освобождается от избытка авроральных частиц. На западе на границе WTS, еще недостаточно изученной, течет мощная струя продольного тока, разделяются популяции частиц и готовится новая интенсификация суббури с расширением скачком к Западу.

В ионосфере на активной фазе происходит смена токовых систем. На подготовительной фазе реконструкция токов по сети магнитометров дает систему ДР12 (рис xx) двухвихревой структуры с границей между восточной и западной электроструей вблизи полуночи (так называемый разрыв Харанга). Активная фаза добавляет вихрь ДР11, которых частично подавляет двухвихревую систему. Плоская в проекции на ионосферу система токов должна быть дополнена до трехмерной продольными токами вдоль магнитных силовых линий. Предлагается глобальная крупномасштабная система продольных токов (рис ор3) , которую во время активизаций суббури дополняют возникающим вследствии разрыва экваториального тока локальным токовым клином суббури (рис xx).

Фаза затухания Довольно условна граница между активной фазой и фазой затухания (recovery phase) . Так же условно и время окончания фазы затухания. Магнитосфера возвращается к спокойной структуре границ за 1-2 часа, если не происходит нового возмущения. Внешний радиационный пояс освобождается от избытка частиц, ускоренных во время суббури, довольно долго, отдельные типы микровсплесков рентгеновского излучения, свидетельствующие о сбросе частиц, наблюдаются и через сутки после сильной суббури.


6. 3.3.3 Связь с солнечным ветром. Энергетическая схема суббури.

Суббуревая активность обеспечивается энергией солнечного ветра. Мощность источника регулируется направлением вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля, она резко возрастает при южном (отрицательном) направлении Bz. Предполагается, что передача энергии происходит через электрическое поле солнечного ветра, величина которого пропорциональна скорости солнечного ветра и Bz. Следующим ключевым процессом в энергетической загрузочной цепочке является трансформация структуры магнитного поля магнитосферы - вытягивание силовых линий на ночной стороне Земли, усиление напряженности поля в долях хвоста, приближение внешней границы квазизахвата к Земле.

Разрядка, высвобождение накопленной энергии начинается на поздней стадии подготовительной фазы в виде отдельный локальный активизаций и продолжается после окончания процесса загрузки, когда Bz меняет направление на северное. Таким образом, обобщенная схема суббуревой активности может быть представлена схемой на рис xx: глобальный процесс загрузки энергии, локализированные всплески активности и глобальная фаза затухания, когда магнитосфера освобождается от избытка частиц и возвращается в спокойное состояние.

Показателем мощности элементов локальной активности является степень диполизации, возвращения структуры магнитного поля в нормальное состояние, которую можно также связать с размером экспансии активности к полюсу. Слабые активизации, псевдобрейкапы, имеют многие черты полноценной активной фазы элементарной суббури, за исключением экспансии.

Схема рис xx может описать и элементарные изолированные суббури и сложные суббуревые возмущения в которых суббури сменяют одна другую или даже наблюдаются одновременно в разных долготных секторах.


6.666 Суббуря во внешней магнитосфере.

Хвост магнитосферы включает следующие структуры. В центре находится тонкий нейтральный слой (neutral sheet), по обе стороны от которого магнитное поле меняет направление. Нейтральный слой магнитного поля находится в центре плазменного слоя (plasma sheet) - области горячей плазмы, играющей важную роль в динамике возмущенной магнитосферы. Плазменный слой делится на две части - центральный плазменный слой (CPS), расположенный в зоне квазизахвата и внешний плазменный слой (boundary plasmasheet, BPS), расположенный собственно в хвосте магнитосферы.

Благодаря действию электрического поля конвекции (convective E-field), частицы внешнего плазменного слоя проникают из хвоста ближе к Земле, в область квазизахвата. Вместе с тем этот резервуар частиц, дальнейшее ускорение которых обеспечивает заполнение радиационных поясов, вызывает полярные сияния и магнитные возмущения пополняется и за счет ускорения частиц из ионосферы.

Внешние части плазменного слоя имеют название граничный плазменный слой (plasmasheet boundary layer, PSBL). Здесь плазма имеет более высокую плотность и температуру и здесь регистрируются узкие пучки направленных к Земле и от Земли энергичных электронов и ионов (ffst flux events FFE), которые повидимому ответственны за активность сияний на приполюсной границе авроральной зоны..Дальний конец хвоста и признаки плазменного слоя наблюдаются вплоть до орбиты Луны (> 100 Re ).

На рисунке XX приведены два поперечных разреза хвоста магнитосферы на расстояниях примерно 7-9 Re и 15-20 Re.

Здесь хорошо видны уже упомянутые образования, к которым следует еще добавить так называемые доли хвоста (lobes) в которых малая плотность плазмы компенсируется повышенной величиной магнитного поля. Внешний, примыкающий изнутри к магнитопаузе cлой долей хвоста именуется мантией (mantle).

Развитие суббури в хвосте магнитосферы связывается с процессом пересоединения силовых линий (reconnection). Дело в том, что геометрия магнитного поля с параллельными противоположно направленными силовыми линиями неустойчива и возможно быстрое пересоединение силовых линий, "аннигиляция" магнитного поля с выделением большой энергии на ускорение заряженных частиц. Впервые процессы пересоединения в приложении к вспышечным областям на Солнце были рассмотрены выдающимся советским физиком С.И.Сыроватским. Существуют теории, предполагающие образование в хвосте магнитосферы одной или двух (ближней и дальней) точек пересоединения. Длительное время модель пересоединения доминировала в исследованиях возмущенной магнитосферы, однако в последнее время модели суббури, основанные на представлениях о процесах в области квазизахвата, привлекают все большее внимание.

Л.Лазутин

 

 

====================