Солнечно-земная
Физика

Полярные сияния отличаются исключительным многообразием форм и структур, что свидетельствует о многообразии и сложности физических процессов, происходящих в атмосфере Земли и околоземном пространстве. На рисунках слева приведены фотографии, иллюстрирующие некоторые формы сияний.
.

Согласно принятой классификации формы полярных сияний делятся на три группы: лентообразные, диффузные и лучи.
_ К лентообразным относятся дуги (А) и полосы (В). Они характеризуются непрерывной нижней границей.
Дуги имеют вид арки, протянутой с запада на восток с правильным, обычно резко очерченным нижним краем. Часто встречаются мультиплетные дуги с интервалом 30-40 км. Если нижний край сияний неправильный и содержит изгиб или складку, форма сиянии называется полосой. Полоса обычно более подвижна, чем дуга.
Лентообразные сияния простираются в направлении восток- запад на несколько тысяч километров, а по вертикали - на несколько сотен километров. Дуги, например, могут простираться на расстояние до 5-6 тыс. км и более, а поперечные размеры их - до 6њ. В редких случаях ширина дуги вдоль меридиана достигает 13-14њ. Сама лента имеет толщину всего несколько сотен метров, из чего можно сделать вывод, что сияния такого типа вызываются узким электронным пучком. Ленточные формы часто имеют вид многоярусных занавесей, висящих одна на другой и простирающихся через весь небосвод.
Когда лента становится несколько более активной и подвижной, она образует тончайшие складки толщиной в несколько километров. Такая форма свечения кажется состоящей из отдельных вытянутых струй или лучей света; тогда она называется "лучистой дугой". При повышении активности складки расширяются до нескольких десятков километров.
Когда на большие складки налагается тонкая структура "лучей", то такую форму свечения называют "лучистой полосой". Если активность продолжает возрастать, лучистая полоса образует красивую розовато-оранжевую кайму в нижней части складки (обычно эту форму называют сиянием типа В)..Наконец, если интенсивность возрастает еще больше, складки и петли расширяются до огромных размеров (сотни километров).

Диффузные формы сияния могут иметь вид пятен (Р) с нечеткими границами, напоминающих облака, освещенные луной, и вид вуали (V). Вуаль представляет собой протяженное однородное свечение, которое часто покрывает большую часть неба. Пятна возникают обычно в зоне полярных сияний на последней стадии развития явления.

Лучи (R), узкие пучки света, расположенные в пространстве вдоль силовых линий магнитного поля Земли, подразделяются на три группы (в зависимости от их длины): короткие (яркие у нижнего края и бледнеющие с высотой), средние (одинаковая яркость по всей высоте) и длинные (обычно однородные по яркости, но довольно слабые). Могут наблюдаться пучки лучей, расположенных тесно Друг около друга либо разбросанных. Часто лучи наблюдаются одновременно с другими формами.

Пламенное сияние рассматривалось раньше как самостоятельная форма. Теперь признано, что эта форма является редким видом пульсации, одновременно происходящей на большой площади. Это явление, как известно, протекает в виде волн света, вздымающихся вверх одна за другой. Такое сияние возникает при определенных условиях синхронизации пульсации и движения.

Наиболее эффектная форма - "корона" также является несамостоятельной формой, так как она возникает лишь в случае появления лучей в магнитном зените. Однако для нее сохранен свой символ (С).

Дальнейшее описание сияний требует рассмотрения структурных элементов. По международной классификации существует три типа структур: однородная (Н), волокнистая (бороздчатая) (S) и лучистая (R). Однородным сияние считается в случае, когда в нем отсутствует внутренняя структура свечения, без видимых лучей. Волокнистая структура состоит ив довольно беспорядочных полосок или волокон, расположенных приблизительно параллельно нижнему краю. Лучистая структура свечения как бы соткана из массы отдельных, часто мерцающих лучей.
Очень важным элементом новой классификации является описание активности сияния (а). Спокойные формы (q) почти не меняются или меняются очень медленно.
Активная форма подвержена быстрым изменениям во времени и пространстве. Активные сияния обычно яркие. Введено четыре группы активности (а1-а4), учитывающие характер движения как внутри самой формы сияния (образование складок вдоль границы, движение лучей, появление новых форм), так и при ее движении в целом.
Активность полярных сияний развивается от спокойных форм, обычно с однородных дуг, затем спокойные формы образуют лучи, и завершается процесс развития облакообразными пятнами. Однако многие формы сияний исчезают, даже не успев разбиться на пятна.
Когда активность сияний спадает, складки исчезают, лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура свечения представляет собой фундаментальное свойство полярных сияний, а складки и спирали связаны с процессом роста активности явления. Основной формой свечения на вечернем небе высоких широт считается однородная спокойная дуга со средней интенсивностью. Распределение интенсивности свечения в дуге наиболее равномерное: более яркое внизу и постепенно исчезающее кверху на фоне свечения неба.

Следующим параметром, характеризующим сияния, является яркость. Яркость визуальных наблюдаемых сияний оценивается международным коэффициентом яркости. При определении яркости учитывается максимальная интенсивность в данной форме. Для самой интенсивной линии полярного сияния (5577 А), принадлежащей атомному кислороду, индекс яркости определяется по международной шкале (табл. 1); за единицу измерения принят релей (R). Новая световая единица введена специально для измерения спектральной интенсивности свечения ночного неба и полярных сияний.

Таблица 1    Международная шкала яркости полярных сияний

Интенсивность свечения в один релей соответствует эмиссии 10⁶ квантов, испускаемых в одну секунду в столбе атмосферы сечением 1 см2:
1R=10⁶ фотонов/ (колонна) см² сек.

< Слово "колонна" означает, что речь идет о суммировании по всему вертикальному столбу атмосферы данного сечения. Килорелей (кR) соответствует излучению 10⁹ фотон/см2 o сек. Интенсивность в релеях соответствует увеличенной в 4-п раз поверхностной яркости однородно светящейся атмосферы.

Как можно видеть из табл. 1, интенсивность эмиссии полярных сияний (вместе с тем и интегральная их яркость) может изменяться примерно в 10 000 раз. Соотношение интенсивности отдельных эмиссий в каждом сиянии также непостоянно.

 

Пульсации полярных сияний

Другой важной характеристикой активности сияний служит пульсация (Р), которая подразделяется на четыре группы (Р1,2,3,4). Пульсация описывает быстрые ритмические флюктуации яркости с периодом обычно от долей секунды до минуты. К определенному типу пульсирующих принадлежит, как уже указывалось, пламенное сияние. Быстрое нерегулярное изменение яркости называется "мерцанием".
Пульсации сияний преимущественно с периодом 3-25 сек., сопровождающиеся аналогичными пульсациями геомагнитного поля (типа Рi1).

Быстрые пульсации интенсивности отдельных эмиссий в полярных сияниях в диапазоне 1-20 гц в интегральном свете и в линии 4278 А N₂+ схожи между собой; в линии 5577 А быстрые вариации отсутствуют, что, повидимому, связано с большим временем жизни возбужденного атома в состоянии 'S. Пульсации большей частью сопровождают медленные вариации интенсивности свечения, но иногда появляются независимо.
Спектры мощности пульсации характеризуются быстрым уменьшением мощности на 1 гц с увеличением частоты. По-видимому, существует большое различие между пульсациями с низкими частотами и частотами более 1 гц. Высокочастотные пульсации довольно иррегулярны и появляются только при сияниях в виде слабых диффузных пятен исключительно после магнитной полуночи.