Файл: Омхольт, А. Полярные сияния.pdf

Скачать файл (7,15Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 22.10.2024

Просмотров: 73

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

32 ГЛАВА 1

чем обычных полярных сияний: нижняя граница прихо дится на высоту »300 км, а верхняя на »700 км. Широт ная протяженность составляет до »600 км. Интенсивности в эмиссионной линии 6300 Â обычно от 1 до 10 килорэлей, что на этой длине волны меньше, чем порог видимости не вооруженным глазом.

Эти дуги характеризуются следующими особенностя ми [40].

1.Они наблюдались между геомагнитными широтами 41 и 60° с медианным значением 53°.

2.Протяженность с севера на юг »600 км.

3.Высота свечения от 300 до 700 км, фотометрический центр около 400 км.

4.Протяженность в направлении восток-запад тысячи километров (возможно, вокруг всей Земли).

5.Имеются данные, что дуги появляются одновремен но в северном и южном полушариях.

6 . Дуги ориентированы вдоль геомагнитной, а не гео

графической параллели. Ориентация лучше описывается инвариантной широтой, чем геомагнитной широтой или магнитной, вычисленной по наклонению*.

7. Только в отдельных случаях дуги достаточно интен сивны, чтобы их можно было наблюдать визуально. Порог визуального наблюдения для эмиссии 6300 Â около 10 ки

лорэлей, а типичная	интегральная интенсивность дуги
» 6 килорэлей.	дуг положительно коррелирует с
8 . Интенсивность	дуг положительно коррелирует с

геомагнитной активностью.

9. Данные наблюдений, охватывающие немногим более одного полного цикла солнечной активности, указывают на положительную корреляцию между появлением красных дуг и пятнообразовательной деятельностью Солнца.

10.	- Меридиональные движения медленны, но час
их можно	измерить.

11.Время жизни типичной дуги около суток, очень редко дуги наблюдались в последующие дни.

12.При прохождении коротких радиоволн от спутника

кЗемле через дугу наблюдались довольно сильные мер-

Исключения описаны в [21].

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СМЯНИП 33

дания. Мерцания отмечались также и у пучка радиоволн от внеземных радиоисточников при пересечении М-дуги.

13. В одном случае дуга существовала непосредственно под областью внешнего радиационного пояса, в котором резко повышена интенсивность радиации.

Найдено свидетельство в пользу того, что М-дуги связаны с видимыми дискретными формами полярных сия ний, расположенных в 5—10° к полюсу от М-дуг [27, 28]. И те и другие формы двигались, причем средняя скорость перемещения по широте дискретных форм полярных сия

ний была в 3,5 раза выше,		чем М-дуг.		Кроме того, направ
ления движения коррелировали с изменениями направле
ния М-дуги спустя 1—3		мин после		изменений	в види
мых сияниях.
1.2.4.	Свечение в полярной		шапке и мантийные поляр
ные сияния. Свечение, в		полярной		шапке и мантийные
полярные сияния являются особыми типами свечения, ох.
ватывающими	обширные	площади	в	высоких	широтах

[46, 47]. Свечение в полярной шапке возбуждается солнеч ными космическими лучами в интервале энергий от 1 до 100 МэВ и связано с сильным поглощением радиоволн, так называемым поглощением в полярной шапке (ППШ) (разд. 8 .6 ). Однородное свечение генерируется над всей полярной шапкой до геомагнитной широты »60°— широ ты обрезания мягких космических лучей. Интенсивность свечения увеличивается в течение суток с максимальной

интенсивностью полосы	первой	отрицательной системы
Из+ до 1 0 килорэлей, а	затем	медленно уменьшается за

период несколько дней. Начало магнитных бурь прихо дится примерно на момент максимума интенсивности све чения.

Высоты проникновения частиц колеблются от 20 до 100 км, т. е. до высот возникновения свечения. Дальней шее рассмотрение этих сияний содержится в разд. 8 .6 .

Другой тип свечения на широтах зоны полярных сияний, обнаруженный Сэндфордом, получил название мантийных полярных сияний. Они представляют протяженное свече ние, пространственное распределение которого сильно от личается от распределения дискретных форм сияний [46, 47]. Максимум свечения приходится на утренние часы и

2—836

ГЛАВА I

меняется с уровнем геомагнитной активности, тогда как размеры области свечения заметно не меняются. Суточный максимум интенсивности обычно составляет от 1 до 1 0 килоэрлей, а минимум в 5 раз слабее. Измерения Сэндфорда про водились во время МГГ, в период высокой солнечной ак тивности. Изер [18], проводивший наблюдения на высотном самолете в 1968 г., не обнаружил такой эмиссии на Al ~

80° с. ш. По наблюдениям в Антарктике в 1963 г. Сэндфорд [48] также отметил значительно меньшую интенсив ность. Это свидетельствует о том, что интенсивность мантий ных сияний и, возможно, их протяженность зависят от солнечной активности.

1.3. Поведение частиц: отражение, поглощение и рассеяние

1.3.1. Эффекты отражения. Мы не будем детально рас сматривать механизмы инжекции частиц полярных сияний, а ограничимся некоторыми особенностями и аспектами этих механизмов, которые существенны для интерпрета ции оптических наблюдений. Важность магнитного отра жения частиц в этом отношении ограниченна, но, чтобы изу чить свойства вторгающихся частиц по оптическим данным, желательно иметь некоторые основные сведения о траек тории частиц как в атмосфере, так и непосредственно над ней.

Важное значение имеет теорема Лиувилля, устанавли вающая, что плотность частиц в фазовом пространстве постоянна вдоль траектории частиц. Это значит, что если на данной силовой линии имеет место изотропное распре деление по питч-углам на некотором расстоянии от Земли, то распределение остается изотропным по мере приближения частиц к Земле, а поток частиц не зависит от схождения силовых линий магнитного поля. (Уменьшение сечения силовой трубки компенсируется отражением частиц с боль шими питч-углами.) Таким образом, соотношение между ин тенсивностью полярного сияния и потоком частиц на боль ших расстояниях от Земли не зависит от локальных ано малий магнитного поля. Кроме того, требование изотропии относится только к тем частицам, которые достигали ат мосферы, а не к тем, которые отразились на больших высо

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ 35

тах. Однако схождение магнитных силовых линий влияет на соотношение между светящейся площадью полярного сияния и поперечным сечением соответствующего корпус кулярного потока в космическом пространстве. Поэтому независимо от распределения по питч-углам интегральная интенсивность свечения полярного сияния в некоторых случаях может быть чувствительной к локальным значе ниям напряженности магнитного поля В и особенностям зеркального отражения.

В случае сильной анизотропии для частиц, которые не отражаются, пока не достигнут атмосферы, локальные маг нитные аномалии могут влиять на соотношение между ло кальной интенсивностью полярного сияния и соответствую щей концентрацией частиц в космическом пространстве.

Отражение частиц в пределах атмосферы обычно не очень существенно, за исключением частиц с большими питч-углами. Основное , свечение полярных сияний огра ничено интервалом высот в 1 0 0 км или меньше, в котором В меняется менее чем на 5%. Это накладывает верхний предел на долю частиц, отражающихся в атмосфере. Та ким образом, отражение частиц является эффектом второго порядка и, вероятно, имеет важное значение только в осо бых случаях, например при детальном и точном исследо вании верхней части длинных лучей полярных сияний, а также несколько смещенных в красную сторону про филей Допплера бальмеровских линий в магнитном зените.

1.3.2. Поглощение и рассеяние частиц в атмосфере. При проникновении в атмосферу быстрые электроны и протоны испытывают упругие и неупругие столкновения. Неупругие столкновения и последующие вторичные процессы обуслов ливают возбуждение и ионизацию атмосферных атомов и молекул. Эти процессы будут детально описаны в сле дующих главах.

Первичные частицы обычно движутся вниз до тех пор, пока они не остановятся вследствие столкновения с ато мами и молекулами. Столкновения могут быть причиной изменений распределения частиц по питч-углам. Деталь ное изучение соответствующих процессов необходимо, что бы связать начальные свойства потока первичных частиц, таких, как энергия и распределение по питч-углам до вхо-

36 ГЛАВА 1

ждения потока в атмосферу со свечением полярных сияний и увеличением ионизации в ионосфере. Для электронов необходимо рассматривать как рассеяние, так и потери энергии вследствие неупругих столкновений, чтобы полу чить правильный результат. Значительно более тяжелые протоны испытывают только небольшое рассеяние по питчуглам при соударениях, поэтому результирующее изме нение питч-угла будет невелико. Поскольку частицы будут продолжать двигаться по винтовой траектории вокруг той же магнитной силовой линии, независимо от изменений питч-угла, геометрия полярного сияния будет отражать геометрию поперечного сечения потоков. На сечение на кладывается ограничение, связанное с гирорадиусом, ко торый для первичных частиц полярных сияний равен по порядку величины от 1 до 1 0 м для электронов и от 1 0 0 до 1 0 0 0 м для протонов.

При достаточно детальном знании основных физических процессов, приводящих к появлению свечения, атмосферу можно использовать как анализатор потока первичных частиц. Однако возникают неопределенности, обусловлен ные тем, что как питч-угол, так и энергия определяют вы соту в атмосфере, на которой расходуется энергия частицы. Несмотря на это, можно получить полезную информацию, изучая свечение полярных сияний, их высотное распре

деление и		геометрию.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Gustafsson	G.,	Фельдштейн Я- И., Шевнина Н. Ф., Planet Spa
2.	ce Sei.,	17,	1657 (1969).	В., Planet. Space Sei.,	18, 501
	Фельд'штейн Я- Я., Старков Г.
3.	(1970).		Я ■ И., Хорошева	О. В., Лебединский А.	И. J.
	Фельдштейн
	Phys. Soc. Japan., 17, Suppl. А,			249 (1962).

4.Akasofu S.-I., J. Geophys. Res., 68, 1667 (1963).

5.Akasofu S.-I., Planet. Space Sei., 12, 273 (1964).

6.Akasofu S.-I., Space Sei. Rev., 4, 498 (1965).

7.Akasofu S.-I., Polar and magnetic substorms, Reidel Publ. Co., Dordrecht, 1968. (Русский перевод: С. Акасофу, Полярные и

8.	магнитосферные суббури, изд-во «Мир», М., 1971.)
8.	Akasofu S.-I., Trans. Amer. Geophys. Union, 51, 370 (1970).
9.	Alfvén H., Cosmical Electrodynamics, Oxford, Clarendon Press,
	1950. (Русский перевод 2-го изд.: Г. Альвен, К.-Г. Фелыпхам-
	мар, Космическая электродинамика, изд-во «Мир», М., 1967.)

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИИ 37

10. Barbier D., Ann. Geophys., 14, 334 (1958).

11.Bond F. R., Austral. J. Phys., 22, 421 (1968).

12.Chamberlain J. IP., Physics of the Aurora and Airglow, Acad. Press, New York, 1961. (Русский перевод: Дж. Чемберлен,

Физика полярных сияний и излучения атмосферы, ИЛ, М., 1963.)

13.Chapman S., in Aurora and Airglow, ed. В. M. McCormac, Rein hold Publ. Co., 1967.

14.Chapman S., in Atmospheric Emissions, eds. В. M. McCormac, A. Omholt, Van Nostrand Reinhold Co., 1969.

15.Davis T. N., J. Geophys. Res., 67, 59 (1962).

16.Davis,T. N., in Aurora and Airglow, ed. В. M. McCormac, Rein hold Publ. Co., 1967.

17.Davis T. N., Nielson H. C. S., Olson H. C., Langloiz R. J., in

Annual Report, Geophysical Institute, Alaska 1968—69, 1969.

18.Eather R. H., J. Geophys. Res., 74, 153 (1969).

19.Eather R. H., Akasofu S.-I., J. Geophys. Res., 74, 4794 (1969).

20.Elvey С. T., in Auroral Phenomena, ed. M. Walt, Stanford, 1965.

21.Glass N. IP., Wolcott J. H., Wakefield R. L., Peterson R. IP., Airborne observations of the night airglow, Preprint

LA-DC-10557, Los Alamos Scientific Lab., 1970.

22. Hartz T. R., Brice N. M., Planet. Space Sei., 15, 301 (1967).

23.Hess IP. H., The Radiation Belt and Magnetosphere, Blaisdell Publ. Co., 1968 (Русский перевод: В. H. Хесс, Радиационный пояс и магнитосфера, Атомиздат, М., 1972.)

24.Hoch R. J., Clark К. С., J. Geophys. Res., 75, 2511 (1970).

25.Hoch R. J., Marovich E., Clark K. C., J. Geophys. Res., 73, 4213 (1968).

26.Hultqvist B., Rev. Geophys., 7, 129 (1969). (Русский перевод:

Физика магнитосферы, изд-во «Мир», М., 1972, стр. 162.)

27.Ichikawa Т., Kim J. S., J. Atmosph. Terrest. Phys., 31, 547 (1969).


28.	Ichikawa T.,	Old T., K im J .S .,			J. Geophys.		Res., 74, 5819 (1969).
29.	International	Auroral	Atlas,		Edinburgh		Univ.	Press, 1963.
30.	Kilfoyle В. P., Jacka F., Nature , 220, 773 (1968).							160 (1958).
31.	Kim J. S., Currie B.		IP.,	Canadian		J. Phys., 36,
32.	Lassen K-, in Atmospheric Emissions,					eds.	В. M.	McCormac,
	A. Omholt,	Van Nostrand		Reinhold		Co.,	1969.