Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

При специальных предположениях существует линейная связь между корнем квадратным из интенсивности свечения и поглощением космического радиоизлучения: если энер­ гетический спектр и распределение по питч-углам первичных частиц постоянны во времени, то скорость ценообразования q на любой высоте будет пропорциональна яркости I, на­ блюдаемой с земли (интегральной эмиссии вдоль луча зре­ ния)

Постоянная q(A) зависит от высоты и от энергетического спектра частиц. Поглощение А, измеренное риометром (в децибелах), можно выразить через коэффициент погло­ щения К, который пропорционален концентрации N сво­ бодных электронов:

Интегрирование ведется в ионосфере вдоль траектории волны, причем с2 есть функция высоты и частоты риометра. В состоянии квазиравновесия (d/dt « 0) из уравнения (8.1) получаем

N (h, t) = оГ 1/2 (1 + \)~ 1/2 q'ß (А, 0 =

Отсюда, комбинируя (8.3) и (8.5) и полагая, что траектория волны совпадает с лучом зрения, получим

Коэффициент рекомбинации, отношение концентраций от­ рицательных ионов и электронов, частота электронных столкновений (последняя входит в с2) предполагаются неза­ висящими от первичного потока электронов. Величина с4 зависит только от энергетического спектра электронов. Однако с4 можно считать константой только в первом при­ ближении, так как уравнение (8.1) является приближен­ ным.

к явлению. Аналогичные результаты были получе­

ны в [41 ], где показано, что коэффициент с4 может оставаться постоянным в течение нескольких часов, а затем резко изме­ ниться. Некоторые результаты приведены на рис. 8.1. Поскольку углы зрения фотометра и риометра сильно от­ личаются, рассмотрены лишь случаи, когда большая часть небосвода была покрыта довольно однородными сияниями.

Для заданного энергетического спектра первичных электронов вычислен теоретически коэффициент с4 [41]. Из-за неопределенностей в основных параметрах вычислен­ ные значения с4 различаются примерно в 2 раза, но из наблюдений ясно видно влияние спектра первичных час­ тиц. Для двух периодов события, приведенного на рис. 8.1, и при экспоненциальном энергетическом спектре

228 ГЛАВА 8

на ранние утренние часы (4 ч 00 мин — 6 ч 05 мин мест­ ного времени), что привело к более сильному поглощению относительно интенсивности оптического излучения. На основании всех данных измерений в другие часы суток была определена характерная энергия электронного спек­ тра в функции времени ночи [41]. Эти вариации оказались незначимыми.

Густафссон [24] выполнил аналогичное исследование, причем включил случаи, когда происходили заметные вре­ менные вариации и необходимо было учитывать вариации электронной концентрации. При разумном отборе данных найдено согласие между теоретическим и наблюденным вре­ менными запаздываниями пиков аврорального свечения и поглощения. Коэффициент рекомбинации оказался рав­ ным 2-10-6 см3/с, что, по-видимому, соответствует высоте ä ;70 км. В период распада сияний поглощение могло уве­ личиваться сильнее, чем ожидалось, возможно, из-за ужестчения энергетического спектра [25].

Связь между оптическими полярными сияниями и пог­ лощением космического радиоизлучения исследовалась ря­ дом авторов [3, 7, 16]. Берки [7] использовал риометр с узконаправленной антенной, и поэтому ему удалось вы­ явить детальную корреляцию для всех форм сияний. Его исследование представляет продолжение аналогичной ра­ боты [3] и, вероятно, является наиболее обстоятельной из имеющихся в настоящее время. Он подразделил типы вза­ имосвязи на три категории:

ССлабое Интенсивное

Категория А наблюдается главным образом около мест­ ной полночи, В — в вечернем секторе, С — в утреннем. Если суббуря особенно интенсивна, категория А наблю­ дается также в вечернем секторе, сопровождаясь при этом быстро движущимся к западу изгибом.

Берки нашел систематическое уменьшение постоянной с4 в уравнении (8.6) в течение ночи. Для эмиссии 7.5577 А коэффициент с4 уменьшается от 5 до немного более 1 (килорэлей) '/2/дБ между 18 ч 00 мин и 6 ч 00 мин местного вре­ мени. Это указывает на ужестчение спектра в течение ночи, что было также обнаружено по вариациям высоты и тем­ пературы (разд. 2.5, 6.2 и 6.3). Однако этот результат не согласуется с результатами [41], относящимися к очень диффузным спокойным сияниям, не показывающим замет­ ных изменений. Берки [7] нашел существенные изменения отношения свечения к поглощению только в тех случаях, когда одна из наблюдаемых величин заметно увеличивалась. Он установил также, что спектр жестче на экваториальной стороне овала полярных сияний и во время пульсирующих сияний. Одновременные наблюдения интенсивности Щ указывали, что вклад протонов в ионизацию слоя D нич­ тожно мал.

Долгое время обычно предполагалось, что пульсирую­ щие сияния связаны с более сильным поглощением, чем обычные (см. [32, 39, 40, 49)].

Кэмпбелл и Лейнбах [12] нашли коэффициент корреля­ ции 0,7 между флуктуациями 73914 А и аврорального пог­ лощения, что подтверждает прежние выводы. Ролдугин [1] наблюдал одновременные пульсации в излучении и радио­ поглощении с периодами от 10 до 60 с. Хотя как пульсации, так и сильное поглощение, по-видимому, являются типич­ ными послеполуночными явлениями, имеются сомнения в том, что между ними существует детальная корреляция. Брекке [8] исследовал для каждого часа ночи относитель­ ную частоту поглощения более 0,5 дБ во время пульсирую­ щих оптических сияний и когда они отсутствовали. Он использовал данные за четыре зимы с 1964 по 1968 г., полученные в Тромсё, и не нашел существенных различий, так что оба явления, по-видимому, статистически незави­ симы. Суточные вариации несколько менялись от одной зимы к другой, возможно, вследствие изменения уровня солнечной активности. Исследования подтвердили, что как поглощение, так и пульсации являются типичными после­ полуночными явлениями, и это, вероятно, послужило при­ чиной предположения о тесной статистической связи этих явлений. Для двух явлений, наблюдающихся примерно

в одно и то же время суток, но физически независимых, истинный коэффициент корреляции зависит от временного разрешения используемых данных.

Возможно, исключение составляют ранние утренние часы, когда быстрые пульсации наиболее многочисленны [8]. Установлено, что утренние бухты поглощения, вероят­ но, обусловленные вторжением жестких электронов, свя­ заны с пульсирующим сиянием на геомагнитносопряженной станции [26].

8.3. Ионизация слоя Е

Другим радиоявленнем, связанным с оптическим поляр­ ным сиянием, является спорадический слой Е, часто на­ блюдаемый при полярном сиянии в зените (см., например, [10, 44]). При довольно однородном свечении на достаточно большой площади в зените появляется толстый слой повы­ шенной ионизации, дающий характерный след на ионограмме. Высота полярного сияния обычно такова, что но­ вый ионосферный слой совпадает с обычным слоем Е. Высо­ та и электронная концентрация обычно довольно точно определяются по ионограммам в отличие от спорадических слоев Е или более неправильных спорадических слоев Еа, иногда наблюдающихся при полярных сияниях. Буллен [10] предложил называть этот тип отражений от слоя Е ночным слоем Е и применил эту концепцию к изучению активности полярных сияний в южном полушарии в 1958— 1963 гг.

Отмечались систематические вариации авроральной иони­ зации до и после максимума фазы развития суббури (1 — 2 мин) [14], когда на ионозонде регистрируется полное пог­ лощение. Критическая частота сначала растет, затем падает при соответствующих уменьшении и увеличении видимых высот. Кроме того, относительное усиление f0E в период распада сияний систематически снижается с ростом «спо­ койной авроральной» ионизации (определенной за неко­ торое время до распада сияния).

Изучение прямой связи интенсивности зенитных форм сияний и электронной концентрации, вычисленной по ионо­ граммам, проводилось в [45, 56, 57, 64]. На рис.8.2 приведены одновременные значения интенсивности эмиссионной полосы

бы пропорционально яркости с постоянной пропорциональ­

рис. 8.2, следует, что существует пропорциональная зави­ симость между N 2 и /, как показано прямыми линиями. Ожи­ даемое рассеяние обусловлено дисперсией h0, а также

232 ГЛАВА 8

а(1 + К) вследствие изменения абсолютной высоты поляр­ ного сияния.

Из приведенных в разд. 2.5 данных среднее значение Іг0х 20 км. Из данных на рис. 8.2 значения интенсивности 2-10° фотон/(см3-с) и электронной концентрации 2 -ІО5 см-3 являются типичной парой. Подставляя эти значения в уравнение (8.8), получаем значение а(1 + X) = 2-10_6см3/с. Это на порядок величины больше, чем следует из оценок, полученных на основе ракетных данных об интенсивности свечения, потоках частиц и электронной концентрации (разд. 2.2). Расхождение может быть частично обусловлено трудностями калибровки при оптических измерениях и поэтому нереально. Кружки на рис. 8.2, вычисленные из данных [45], приводят к в три раза меньшей абсолютной величине интенсивности при заданной электронной кон­

8.4. Радиосияния

Обратное рассеяние излучения радиолокаторов от об­ ластей с авроральной активностью наблюдается довольно регулярно. Обзоры этого явления, получившего название радиосияния, даны в [22, 46, 47]. Существует общеприня­ тое объяснение явления: радиоволны высоких частот рас­ сеиваются неоднородностями ионизации на высотах поляр­ ных сияний, причем такое рассеяние обычно связано с полярными сияниями и магнитными бурями. Важной осо­ бенностью таких рассеивающих неоднородностей является их вытянутость вдоль магнитного поля, и поэтому обратное рассеяние происходит только из областей, где луч зрения составляет прямой угол с магнитной силовой линией (от­ клонение не более ±10° на 40 МГц и ±4° на 100 МГц).

Несколько лет продолжались почти непрерывные деба­ ты по поводу детальной корреляции между положением рассеивающих областей и оптических сияний. Причина этой неопределенности обусловлена в основном тем, что рассея­ ние может происходитьтолько при малых углах возвыше­ ния зондирующего луча, т. е. на расстоянии нескольких

сотен километров от станции наблюдений, а рефракция радиоволн в тропосфере и ионосфере существенно меняет траекторию зондирующего луча [22, 67]. Из-за этих труднос­ тей было выполнено мало подходящих измерений.

Наблюдалось несколько случаев, когда положение ра­ дио- и оптических сияний было довольно близким и даже частично совпадало [48] (см. также [46]). Аналогично сооб­ щалось о тесной корреляции между оптическими и радио­ локационными измерениями [43], о хорошей корреляции между положением вторгающихся электронов по измере­ ниям на спутнике и положением радиоотражений на ноч­ ной стороне [6]. На дневной стороне часть электронных вторжений не сопровождалась радиолокационным отраже­ нием. В 14 случаях, когда при помощи фотометрических параллаксов были получены точные положения оптических сияний, большинство радиоотражений располагалось близ­ ко к узким, дискретным сияниям, использованным для параллактических измерений. Согласно [6], радиосияния тесно связаны в пространстве и во времени с оптическими сияниями в овале полярных сияний, хотя и нет точного со­ ответствия. Не было найдено корреляции между радиоло­ кационным отражением и вторгающимися протонами.

В противовес этому и в согласии с собственными более ранними результатами Гадсден [23] не нашел прямой связи между двумя явлениями. Он искал корреляцию между ин­ тенсивностью оптического сияния над одной станцией и эхо-сигналом от той же области на другой соответственно выбранной станции. Не было найдено корреляции между частотой появления эхо-сигнала и интенсивностями опти­ ческих эмиссий Х5577, 3914 и 6300 А. На этом основании он заключил, что область обратного рассеивания не обя­ зательно связана с наиболее интенсивным свечением, а наибольшее свечение не всегда связано с областями обрат­ ного рассеяния. Анвин и Кнокс [68] пришли к аналогич­ ному выводу, тогда как Мак-Диармид и Мак-Намара [52] нашли, что за двухлетний период наблюдений сущест­ вовала по крайней мере 50-процентная корреляция в про­ странстве и во времени между оптическими и радиосия­ ниями. Мак-Диармид и Мак-Намара [52] сравнивали радио­ отражения от двух далеко разнесенных радиолокаторов с фотографическими регистрациями сияний. Вариации час­