Полярные сияния

Мизун Юрий Гаврилович

На рис. 21 показана не только конфигурация магнитного поля Земли, но и области магнитосферы, занятые плазмой, а именно: плазменный слой (далекий), плазменный слой (вблизи Земли), кольцевой ток и полярный касп. Жирной линией в хвосте магнитосферы показан нейтральный слой. Полярные каспы (мешки или воронки) на дневной стороне магнитосферы, обнаруженные с помощью ИСЗ, представляют собой области, в которые вторжение солнечной плазмы наиболее благоприятно. На ночной стороне плазма может проникать в область магнитосферы независимо от того, есть пересоединение силовых линий или его нет.

Как же ведут себя частицы в магнитосфере?

На дневной стороне овала полярных сияний были обнаружены интенсивные потоки частиц плазмы (~10⁹ см^{– 2}с^{– 1})

примерно с такими же характеристиками, как и плазма в переходном слое между магнитопаузой и солнечным ветром. Это свидетельствует о том, что плазма из переходного слоя проникает через магнитопаузу в магнитосферу.

Часть этой плазмы поступает в верхнюю атмосферу высоких широт вдоль овальной полосы. Она вызывает невидимое излучение на длине волны 6300 A. Эта полоса совпадает с дневной полосой овала полярных сияний. Таким образом, силовые линии, выходящие с дневной стороны овала полярных сияний, связаны с силовыми линиями межпланетного поля, которые лежат в переходной области и за ней.

При рассмотрении движения заряженных частиц в дипольном магнитном поле Земли мы установили, что там должны образовываться области стабильного захвата заряженных частиц. Для этого необходимо, чтобы сохранялись все три инварианта движения частиц, Эти условия выполняются в статическом дипольном поле. При этом заряженные частицы остаются долго (практически неограниченно) во внутренней области захвата. Такие частицы принято называть стабильно захваченными. Уход энергичной частицы из области захвата несовместим с сохранением инвариантов. Именно поэтому нарушение инвариантов чрезвычайно важно для понимания временных вариаций потоков частиц в радиационном поясе.

Распределение энергичных протонов с энергией больше 50 мэВ показано на рис. 22. Эти протоны образуются следующим образом. Космические лучи, которые вторгаются в атмосферу и сталкиваются с ядрами атомов кислорода и азота, порождают нейтроны двумя путями. Во-первых, это расщепление ядра, в результате чего возникают выбитые нейтроны с энергией порядка 1 МэВ — 1 ГэВ. Во-вторых, это возбуждение ядер, при этом нейтроны «испаряются» по мере перехода ядра к нормальному состоянию (энергия нейтрона более 8 МэВ). Эти нейтроны могут покинуть атмосферу: их движение не ограничено магнитным полем Земли. Те нейтроны, которые возникли в результате «испарения», имеют тенденцию диффундировать через атмосферу, часть из них может свободно пройти через атмосферные слои. Но нейтроны живут около 1000 с. Затем они распадаются па протон и электрон. Таким путем возникают протоны во внутреннем радиационном поясе. Непрерывный поток космических лучей способствует постоянному образованию частиц в радиационных поясах, появившихся за счет распада нейтронов.

Распределение энергичных электронов (больше 5 МэВ) во внутреннем радиационном поясе показано на рис. 23. Эти электроны создаются в процессах распада нейтронов. Имеется определенная часть электронов, рожденных в результате высотных ядерных взрывов. Электроны с энергией меньше 40 кэВ занимают всю область захвата. Они ускоряются во время магнитосферных суббурь, в течение которых большее число таких электронов инжектируется в область захвата и геомагнитный хвост.

Существует еще одна область магнитосферы в виде двух воронок, простирающихся от Земли, каждая из которых опирается на полярную шапку. Концы этих воронок в дневной части магнитосферы совпадают с нейтральной линией (обозначенной на рис. линией Bb) на поверхности магнитопаузы. Основные свойства плазмы в этих воронках и в переходном слое между магнитосферой и солнечным ветром чрезвычайно схожи. Поэтому считают, что частицы солнечного ветра имеют свободный доступ в эти области и, проникнув через воронки, высыпаются вдоль дневной стороны овала полярных сияний. На ночной стороне плазма воронок сливается с плазменным слоем.

Рис. 22. Распределение потоков протонов (см^{– 2}с^{– 1}) с энергией, большей 50 мэВ

Рис. 23. Распределение

электронов с энергией, большей 5 мэВ, наблюдавшееся 10 ноября 1962 г.

Рис. 24. Схема, иллюстрирующая последовательные стадии возмущения межпланетной среды, обусловленного солнечной бурей

а — 10—30 мин; б — 12 ч, в — 40—50 ч после вспышки. F — локализация вспышки на диске Солнца

1 — солнечные протоны с энергией > 1 ГэВ, 2 — >= 40 мэВ; 3 — <= 15 мэВ

Магнитосферная буря

Проследим далее движение облака солнечной плазмы по направлению к Земле. Рассмотрим три момента в этом движении: через 10—30 мин, 12 ч и 40—50 ч после солнечной вспышки. Ситуация схематически изображена на рис. 24.

Положение солнечной вспышки, как ее видит наблюдатель с Земли, зависит от угла между солнечным радиусом, который проходит через место вспышки и линией Солнце-Земля. Если вспышка видна на центральном меридиане, то Земля расположена в точке А. Если же вспышка видна на удаляющейся западной полусфере, Земля будет находиться в точке В и в точке С в том случае, если вспышка видна в приближающейся восточной полусфере. В первый промежуток времени солнечные протоны быстро распространяются в межпланетном пространстве. Они достигают земной орбиты вначале в точке В, а затем в точке А, поскольку они движутся вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля. В этот начальный период в точке С протоны не наблюдаются.

Примерно через 12 ч после вспышки солнечная плазма и генерированная в ней ударная волна проходят половину расстояния до Земли. Релятивистские солнечные протоны распространяются во внешнюю межпланетную среду. Как ударная волна, так и движущаяся вперед плазма замедляются и пересекают земную орбиту примерно через 40—50 ч после вспышки (рис. 24, в).

На рис. 25 показано пересоединение геомагнитных силовых линий и силовых линий межпланетного магнитного поля в разных секторах межпланетного магнитного поля (положительном и отрицательном), а также дано направление движения солнечных электронов.

Рис. 25. Схема, показывающая пересоединение геомагнитных силовых линий и силовых линий межпланетного магнитного поля, когда Земля находится в положительном секторе (вверху) и отрицательном секторе (внизу) межпланетного магнитного поля

Стрелками с точкой около силовых линий показано направление движения солнечных электронов

При прохождении фронта ударной волны мимо Земли магнитосфера «погружается» в солнечный ветер. Солнечный ветер имеет повышенные значения скорости, плотности и температуры. Это приводит к внезапному сжатию магнитосферы. Магнитометры на поверхности Земли регистрируют в это время внезапное увеличение горизонтальной компоненты геомагнитного поля. Это и есть начало геомагнитной бури. Примерно в это же время вне магнитосферы и в полярных областях часто наблюдается сильное увеличение солнечных протонов низкой энергии.

Когда ударная волна, несущая облако плазмы, действует на магнитосферу, последняя становится неустойчивой. Во внешней магнитосфере образуется большой поток частиц с большой энергией. На этой стадии растут и затухают системы интенсивных электрических токов, которые вызывают магнитосферные возмущения.

Рассмотрим, какие процессы в околоземном пространстве происходят, когда электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца действует на магнитосферу и атмосферу Земли.

Электромагнитное излучение Солнца, приходящее к Земле во время солнечных бурь, воздействует на земную атмосферу примерно через 10 мин после солнечных явлений. После момента подхода быстрых частиц к орбите Земли магнитосфера в течение нескольких дней оказывается окруженной потоком энергичных частиц. Часть из этих частниц проникает в верхнюю атмосферу в высоких широтах северного и южного полушарий.