Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

52.McConkey J. W., Woolsey J. M., Burns D. J., Planet. Space Sei., 15, 1332 (1967).

53.McDiarrnid I. B., Budzinsky E. E., Canadian J. Phys., 42, 2048 (1964).

54.McEwen D. J ., Montalbetti R., Canadian J. Phys., 36, 1593 (1958).

55.McNamara А. G., Canadian J. Phys., 47, 1913 (1969).

56.Mhseide K-, Planet. Space Sei., 15, 899 (1967).

57.O'Brien В. J., in Aurora and Airglow, ed. B. M. McCormac, Rein­ hold Publ. Co., 1967.

58.Omholt A., in Electromagnetic Wave Propagation, eds. M. Desi-

rant, J. L. Michiels, Acad. Press, 1960.

59. Omholt A., Planet. Space Sei., 9, 285 (1962).

60.Omholt A., Berger S., in Studies of Morphology, Structure andjDynamics of Aurora, Final Report Contract AF 61-(052)-680, 1964.

61.Philpot J. L„ Hughes R. H., Phys. Rev., 133A, 107 (1964).

62.Pierce J. R., IRE Trans. Electron Devices, 3, 183 (1956).

63.Rees M. H., Planet. Space Sei., 11, 1209 (1963).

64.Rees M. H . Planet. Space Sei., 12, 722 (1964).

65.Rees M. H Planet. Space Sei., 12, 1093 (1964).

66.Rees M. H Space Sei. Rev., 10, 413 (1969).

67.Sheridan IF. F., Oldenberg, Carleton N. P., Abstr. 2nd Int. Conf.

71.Stewart D. T., Proc. Phys. Soc., A69, 437 (1956).

72.Stoffregen IF., J. Atomsph. Terrest. Phys., 21, 257 (1961).

75.Ulwick J. C., in Aurora and Airglow, ed. В. M. McCormac, Rein­ hold Publ. Co, 1967.

76.Walt M., in Aurora and Airglow, ed. В. M. McCormac, Reinhold Publ. Co., 1967.

77.Webster H. F., J. Appl. Phys., 28, 1388 (1957).

78.Wedde T., Thesis. Univ. of Oslo, Internal Report E-162, Nor­ wegian Defence Research Establishment, 1970.

79.Whalen B. A., McDiarmid /. B., J. Qeophys. Res., 75, 123 (1970).

Глава 3

Протонные полярные сияния

3.1. Введение

Линии водорода в спектре полярного сияния впервые обнаружил Вегард в 1939 г. [78, 79]. Он установил, что линии а (3—2) и ß (4—2) серии Бальмера (На 6563 Â й Hß 4861 Â) время от времени появлялись в спектре, и за­ ключил, что эти линии обусловлены потоками атомов во­ дорода или протонов, которые иногда вторгаются в земную атмосферу во время полярных сияний. Позднее он нашел, что в одном случае линия Hß была смещена примерно на 5 Â в сторону коротких длин волн и объяснил это тем, что свечение вызвано протонами, которые, приближаясь к Земле со значительной скоростью, нейтрализовались и воз­ буждались при столкновениях с атомами и молекулами ат­ мосферы [80].

Мейнел [49] обнаружил, что линии водорода появлялись на спектрограммах полярных сияний в зените над Йеркской обсерваторией, и впервые произвел детальное изучение профилей этих линий, которые показывали значительное допплеровское смещение и уширение. В то же время ряд исследователей [40—42, 82] получили хорошие спектры, которые дали результаты, согласующиеся с наблюдениями Мейнела.

На рис. 3.1 представлена серия спектров, полученных при помощи фотоэлектрического фотометра в Кируне, на которых можно видеть большое допплеровское смещение и вариации интенсивности На по сравнению с полосами пер­ вой положительной системы N2 .

Во многих наблюдениях так же, как при лаборатор­ ных измерениях и теоретических исследованиях, делались попытки использовать водородную эмиссию как средство

3*

получения полной

информации о вторжении протонов во время сияний.

В первой части этой главы (разд. 3.2) будет намечена

в общих чертах основа для интерпретации характеристик водородной эмиссии, таких, как абсолютная и относитель­ ная интенсивность, допплеровский профиль линии и вы­ сотное распределение. Эта работа главным образом теоре­ тическая, базирующаяся на основных параметрах, полу­ ченных в лаборатории. В разд. 3.3 мы рассмотрим, что можно извлечь из наблюдений.

3.2.Теория водородной эмиссии

3.2.1.Протоны полярных сияний, солнечный ветер и магнитосфера. Во время протонного полярного сияния поток протонов при типичной для Hß интенсивности 100

рэлей (ср. табл. 3.3) составляет по' порядку величины ІО7 (см2-с)-1 [возможно, до 108 (см2-с)“1] с учетом того, что излучается несколько фотонов Hß на протон в зависимости от энергии (ср. табл. 3.1). Энергии протонов сияния обычно порядка 1—100 кэВ, и наиболее вероятным их источником является солнечный ветер. Из теоремы Лиувилля следует, что такая же, как и наблюдающаяся в полярном сиянии, интенсивность протонов должна исходить из области маг­ нитосферы, где медленные протоны плазменного слоя прев­ ращаются в быстрые протоны сияний, при условии, что возникающее угловое распределение интенсивности изо­ тропно и первый адиабатический инвариант сохраняется от места ускорения частиц до атмосферы. Под интенсив­ ностью мы понимаем поток частиц через поверхность, перпендикулярную вектору скорости; этот поток часто также называют направленным потоком. В этой книге рассматривается поток частиц через поверхность, перпен­ дикулярную направлению магнитного поля. Первона­ чальный источник частиц, солнечный ветер, имеет харак­ терную интенсивность ІО8 частиц/(см2-с) (см., например, [70]). Поэтому количественная сторона проблемы, каса­ ющейся источника протонов полярных сияний, не вызывает трудностей, хотя точный механизм ускорения не известен.

С учетом геометрических факторов Изер [32] сделал заключение, что гораздо меньше 1 % протонов, поступаю­ щих в магнитосферу, необходимо превратить в протоны

в атмосферу ограничивается двумя круговыми зонами вокруг магнитных полюсов, расположенными между 60 и 70° широты. Это дает отношение между геометрическими площадями источника и зон вторжения около 300, так что полный источник вполне обеспечивает энергию, необхо­ димую для возникновения сияния. Конечно, эти цифры только иллюстративны, и их можно считать значимыми исключительно потому, что нет очевидных количественных расхождений.

Изер [32] указал, что плотностью кинетической энер­ гии в потоке протонов нельзя пренебрегать по сравнению

составляет ~100 рэлей (см. табл. 3.3). При характерной энергии протонов (при экспоненциальном энергетическом спектре) 10 кэВ в качестве разумной рабочей модели (п. 3.3.6) для достижения такой интенсивности требуется приток около ІО8 протон/(см2-с) (табл. 3.1). Тогда полный

тонов в потоке должна быть ä : 2- ІО-15 Дж/см3. Если угло­ вое распределение изотропно в экваториальной плоскости, то плотность энергии должна быть от 3-10_15 до 4 -ІО-15 Дж/см3 (в 2 раза больше, чем приток, так как в магнито­ сфере мы должны также учитывать отражение протонов в зеркальных точках, что приводит к телесному углу 4я вместо 2я). Магнитная индукция В составляет от М О '7

до 2 -10~7 Вб/см2 (от 1 -10_3 до 2-10-3 Гс), т. е. плотность энергии магнитного поля по порядку величины ІО-14Дж/см3.

Поэтому типичные протонные сияния происходят на магнитной силовой трубке, умеренно возмущенной в маг­ нитной экваториальной плоскости. Интересно заметить, что очень интенсивное электронное сияние (несколько со­ тен килорэлей), возбуждаемое электронами с энергиями от 5 до 10 кэВ, также требует плотности энергии в пучке порядка ІО-15 Дж/см3. Таким образом, электронные поляр­ ные сияния согласуются с умеренно возмущенным полем.

3.2.2. Протонный пучок в атмосфере: перезарядка.

Когда протоны входят в атмосферу, их энергия постепенно

уменьшается вследствие неупругих столкновений, ионизи­ рующих и возбуждающих молекулы и атомы воздуха. В некоторых ионизационных процессах протон может за­ хватить электрон, потерянный молекулой или атомом. Этот процесс, называемый перезарядкой, описывается в

Атом водорода может возникать или в основном, или в каком-либо возбужденном состоянии. В последнем случае возбужденный атом водорода перейдет в основное состоя­ ние или в метастабильное состояние 2s с излучением, воз­ можно, в результате нескольких каскадных переходов. Поэтому атом может излучить в линиях На и Hß. Нейтраль­ ный атом водорода затем покидает магнитную силовую линию, вокруг которой первоначальный протон двигался по винтовой траектории и движется в атмосфере по прямой линии, пока не испытывает нового столкновения, наиболее вероятно приводящего к ионизации:

Если обозначить через N+ пучок протонов и через Nн пучок атомов водорода, проникающих в атмосферу, то из­ менение числа протонов на единицу длины пути, вызванное процессами (3.1) и (3.2), описывается выражением

Здесь orl0 и cr01 — эффективные сечения для процессов (3.1) и (3.2) соответственно (индексы 1 и 0 обозначают соответ­