Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

Глава 7

Пульсирующие полярные сияния

7.1.Введение

Вэтой главе мы рассмотрим так называемые пульси­ рующие сияния. Эта группа включает пульсирующие, пламенные, мерцающие и струящиеся формы полярных сияний. Приводимые ниже определения этих форм пульси­ рующих сияний заимствованы из Международного атласа

полярных сияний [29].

р — пульсирующие, характеризуются довольно быс­ трыми, часто ритмическими флуктуациями яркости. Период флуктуаций меняется от доли секунды до минут. Разли­ чают четыре вида пульсаций:

рх (пульсирующее). Для этого подтипа фаза вариаций яркости одинакова по всей форме сияния.

рг (пламенное). Этот подтип относится скорее к протя­ женной области на небе, чем к отдельной форме. На небо­ своде появляются волны света, быстро перемещающиеся к магнитному зениту. Очень редко эти волны быстро переме­ щаются от зенита.

Рз (мерцающее). Большая часть сияния испытывает быстрые, неправильные изменения яркости, подобно мер­ цающему свету пламени.

рі (струящееся). Этот подтип характеризуется непра­ вильными вариациями яркости, которые быстро распро­ страняются горизонтально вдоль однородных форм.

Более или менее ритмичные пульсации свечения дуг, пятен или диффузных поверхностей рассматривались в течение долгого времени как составная часть проявления полярного сияния. Описание прежних визуальных наблю­ дений дано Штёрмером [50]. Эти пульсации в интенсив­ ности свечения должны отражать импульсный характер

202 ГЛАВА 7

(модуляцию) вторгающегося потока первичных частиц, поэтому пульсации полярных сияний должны отражать аналогичные вариации в магнитосфере. Следовательно, изучение пульсирующих сияний является полезным для исследования неустойчивостей и колебаний в магнитосферной плазме.

Первая попытка описать вариации интенсивности в пульсирующем сиянии принадлежит Хасселу (1941 г.) и основана на визуальных наблюдениях (см. [50]). Довольно устойчивая картина пульсирующих пятен и дуг позволила Штёрмеру сфотографировать их и измерить их высоты па­ раллактическим методом. Из данных Штёрмера следует, что высоты пульсирующих дуг не отличаются существенно от высот спокойных дуг (см. [21, 22]). Однако из измерений допплеровских температур следует, что высота полярного сияния изменяется в период флуктуаций интенсивности, уменьшаясь с увеличением интенсивности [28] (см. также разд. 6.2). Аналогичное заключение было сделано на ос­ нове ракетных • наблюдений пульсирующих сияний [42].

Визуальные пульсации обычно низкочастотные с пе­ риодом, равным по порядку величины 10 с, но иногда на­ блюдаются существенно более быстрые пульсации. Общее впечатление автора, не основанное на объективных на­ блюдениях, состоит в том, что быстрые визуальные пуль-, сации чаще наблюдаются к экватору от зоны полярных сияний, чем в самой зоне. Однако систематические наблю­ дения, подтверждающие такую точку зрения, отсутствуют.

Фотоэлектрические методы позволили изучать пуль­ сирующие сияния более детально. Стало возможно изучать субвизуальные сияния, которые часто обнаруживают более слабые и более быстрые пульсации, чем доступные наблю­ дениям невооруженным глазом.

Описание пульсирующих сияний дано в обзорах [11, 39, 49].

7.2.Пульсирующие сияния

7.2.1.Определение. Пульсирующие сияния — это сия-' ния довольно устойчивых очертаний, обнаруживающие более или менее ритмические вариации интенсивности, причем интенсивность всей формы меняется приблизителъ

но в фазе. Идеализированное устойчивое пульсирующее сияние можно приближенно описать соотношением

Это означает, что очертания полярного сияния, устойчивые в пространстве, описываются пространственной функцией Is (г) и что пульсации когерентны во всех точках сияния и описываются функцией І т((). В этом случае геометрию полярного сияния можно исследовать фотографическим способом, причем даже с длинными экспозициями, тогда как характеристики временных вариаций можно изучать фотоэлектрическим методом в какой-либо точке, в которой полярное сияние достаточно интенсивно, чтобы его можно было регистрировать с высоким временным разрешением.

Наблюдения, проводившиеся, в частности, телевизион­ ными методами [19, 48], показали, что соотношение (7.1)

сияния абсолютно устойчивыми, и более точное описание дается соотношением

Примем здесь, что Is (г, t) меняется со временем медленнее, чем Іт(/). Первый сомножитель в (7.2) описывает медленно меняющиеся во времени очертания полярного сияния, а второй — когерентную часть вариаций, которая и пред­ ставляет собой пульсации.

Если Fs (г , со) и FT(со) описывают спектр Фурье функций Is (г, t) и Iт (t), то спектр Фурье функций /(г, t) будет

СО

(7.3)

о

Если Is (г, t) меняется медленно во времени, т. е. Fs (г, со) имеет заметные значения только для малых со, и если спектр Фурье функции І т(t) не имеет узких максимумов, то урав-

спектральная плотность на высоких частотах определяет­ ся функцией Іт(/) в интервалах со, в которых Fs (г, t) не имеет заметных узких пиков.

& Возможно, к пульсирующим полярным сияниям следует относить сияния, для которых уравнение (7.4) справедливо

форма полярного сияния может двигаться по небосводу. Функция, описывающая пульсирующее сияние, очевидно, будет зависеть от системы координат наблюдателя. Описа­ ние в движущейся системе координат будет отличаться от описания в покоящейся системе (если такую можно опре­ делить).

Учитывая, что Земля является малым объектом в кос­ мическом масштабе, нет очевидных причин считать систе­ му координат, фиксированную на Земле, самой удобной для описания" пульсирующих сияний. Если преобразовать функцию /(г, t) к движущейся относительно Земли системе координат, то функции Is (г, і) и IT{t) тоже изменятся. Как следует из определения пульсирующего сияния, самой важной задачей является разделение функции /(г, t) на составляющие Is (г, t) и Іт(/) таким образом, чтобы Is (г, t) обнаруживала как можно более медленные вариации. Это означает, что амплитуда спектра Фурье Es (г, со) должна быть как можно меньше на высоких частотах. Поэтому естес­ твен поиск системы координат, которая наилучшим обра­ зом удовлетворяет этому требованию. Таким способом мож­ но определить скорость дрейфа пульсирующих сияний: скорость дрейфа — это скорость такой системы координат, в которой уравнение (7.4) справедливо для самых низких возможных частот и на максимально большой площади.

Только . фотоэлектрические приборы можно использо­

вать для регистрации динамических характеристик пульси­ рующих сияний. Временные вариации наилучшим образом регистрируются фотоэлектрическими фотометрами с линей­ ной характеристикой в очень широком динамическом диапа­ зоне и высокой чувствительностью. Однако труднее измерять дрейф направленными фотометрами с узким полем зрения,так как эти приборы регистрируют интенсивность в отдельных точках, но не позволяют определить положение области све­ чения. Для определения формы пульсирующих сияний применяются телевизионные камеры [18, 19], хотя линей­ ность и динамическая амплитуда этих установок сущест­ венно ограничены по сравнению с обычным фотометром.

Пульсации препятствуют непосредственному приме­ нению простого метода, используемого при измерениях ионосферного дрейфа: регистрации амплитуды из трех раз­ личных подходящим образом расположенных точек с одновременным измерением сдвига фазы. Когда пульсирую­ щее сияние движется относительно точки наблюдения, то запись неподвижного фотометра будет содержать временные вариации, связанные с тем, что сияния имеют пятнистую структуру и дрейфуют в добавлении к временным вариа­ циям, обусловленным пульсациями в полярных сияниях, как наблюдалось бы в движущейся системе координат. Если скорость дрейфа мала по сравнению с характерным размером пятен, то дрейф дает вклад только в низкочастот­ ную часть спектра. Оценки характерного размера и ско­ рости дрейфа позволяют судить о надежности фотометри­ ческой регистрации.

Простейшим, по-видимому, является случай, когда истинные пульсации в полярных сияниях совершенно не со­ держат низких частот, а размеры пятен и их скорость дрей­ фа таковы, что они дают вклад только в низкочастотные временные вариации интенсивности. Тогда дрейф можно определить по наблюдениям фазового сдвига на низких частотах из трех подходящим образом расположен­ ных точек (аналогично измерениям ионосферного дрейфа).

Вэтом случае на более высоких частотах не было бы фазо­ вого сдвига между точками наблюдений, т. е. вариации являются истинными пульсациями, как определено выше.

Внекоторых частотных интервалах может иметь место наложение истинных пульсаций и дрейфа. Любой метод,

ристиках пульсирующих оптических полярных сияний

из различных пунктов и в произвольные моменты, собран­ ные данные не позволяют получить полное и систематичес­ кое описание явления, а представляют только определен­ ные характеристики отдельных пульсирующих полярных сияний. Получена также некоторая информация о корре­ ляции пульсирующих сияний с другими явлениями и об их морфологии (разд. 7.6—7.8).

Пульсирующее сияние чаще всего появляется во второй половине ночи и обычно связано с периодом после распада сияний. Частотный интервал пульсаций от 0,01 до 10 Гц при интенсивности 1—2 килорэлей или меньше. Интен­ сивность никогда не превосходит 10 килорэлей в эмиссиях Х5577 или 3914 Â. Наиболее характерные и легко наблюдае­ мые типы пульсирующих сияний имеют вид довольно мед­ ленно пульсирующих пятен и дуг с периодом пульсаций несколько секунд. Примеры таких низкочастотных пуль­ саций приведены на рис. 7.1. В некоторых редких слу­ чаях пульсации могут быть более правильными, почти си­ нусоидальными [31]. Амплитуда и спектр Фурье могут оставаться довольно постоянными в течение нескольких минут, даже если пульсации нерегулярны. Пульсации дос­ таточной интенсивности, наблюдаемые визуально, отно­ сятся именно к такому типу — по крайней мере в зоне сия­ ний и ее окрестностях. На рис. 7.2 приведена спектраль­ ная плотность пульсаций, изображенных на рис. 7.1.

Иногда периоды пульсаций значительно короче. Ча­ ще всего (по крайней мере в зоне полярных сияний) эти быстрые пульсации субвизуальны и существуют либо изо­ лированно, либо накладываются на медленные пульсации. Примеры таких быстрых пульсаций приведены на рис. 7.3, а пример высокочастотной области спектральной плотности на рис. 7.4.

Наблюдались [31] пульсирующие сияния особого, более редкого типа с затухающими колебаниями с одним сильным