Магнитосферная буря состоит из трех периодов или фаз. Как уже отмечалось, она начинается, когда межпланетная ударная волна достигает магнитосферы и очень быстро сжимает ее. Эффект сжатия магнитосферы Земли отчетливо проявляется в вариациях геомагнитного поля в виде резкого увеличения его напряженности как на поверхности Земли, так и в магнитосфере. После сжатия магнитосферы наступает начальная фаза магнитосферной бури. Это относительно спокойный период, продолжающийся несколько часов. В это время магнитосфера окружена солнечным ветром, параметры которого меняются под действием ударной волны.
Но вот магнитосферы достигает главное облако плазмы, породившее ударную волну. Начинается главная фаза магнитосферной бури, которая характеризуется последовательностью взрывоподобных процессов. Последние называются магнитосферными суббурями.
В случае если Земля окружена потоком плазмы, в котором магнитное поле имеет южную составляющую, происходит пересоединение межпланетных и геомагнитных силовых линий. Это приводит к появлению электрического поля E, направленного поперек хвоста магнитосферы с утренней стороны на вечернюю. Поскольку поток плазмы имеет турбулентный характер, то должна появиться серия суббурь. Под действием возникшего интенсивного электрического поля плазма, находящаяся в хвосте магнитосферы, начинает двигаться в направлении к Земле. Из хвоста магнитосферы вытекает электрический ток. Сначала он течет вдоль магнитных силовых линий в утренний сектор овала полярных сияний, затем — вдоль полуночного сектора овала и вдоль силовых линий магнитного поля вытекает из вечерней части овала и оттуда — обратно в хвост магнитосферы. В описанных движениях плазмы (конвекция к Земле и токи вдоль силовых линий) происходит ускорение частиц плазмы. Энергия частиц увеличивается. При этом возникает плазма с температурой 107 К или даже больше. Часть ее вторгается в верхнюю атмосферу Земли в высоких широтах, а другая — заполняет плазменный слой.
Образованная таким путем горячая плазма частично впрыскивается в области захвата в магнитосфере, где образует протонный пояс или так называемый кольцевой ток, а также внешний радиационный пояс (электронный). Если магнитосферные суббури протекают довольно часто друг за другом, то протонный пояс оказывается весьма интенсивным. Протоны в этом поясе дрейфуют вокруг Земли с востока на запад (это дрейф за счет кривизны магнитных силовых линий Земли). Магнитное поле этого кольцевого электрического тока на поверхности Земли (в районе экватора) направлено против геомагнитного поля.
В такие моменты магнитометры на Земле регистрируют уменьшение горизонтальной составляющей геомагнитного поля в низких и средних широтах. В высоких — происходит инжекция плазмы в верхнюю атмосферу. Последнее вызывает появление полярной суббури. Интенсивный электрический ток, появляющийся вдоль овала полярных сияний (полярная электроструя), есть не что иное, как ионосферная часть тока из хвоста магнитосферы. Он вызывает полярные магнитные суббури и является основным индикатором и количественным показателем, характеризующим магнитосферную суббурю. Обычно применяются индексы АЕ, AU и AL, которые выводятся из вариаций горизонтальной составляющей геомагнитного поля на магнитных обсерваториях, расположенных в зонах полярных сияний.
После внезапного начала магнитной бури (в начальную ее фазу) в полярных областях, особенно около геомагнитной широты 80°, в полуденном секторе освещенного полушария наблюдается существенное увеличение геомагнитной активности. На этой широте в полдень отмечаются интенсивные возмущения магнитного поля даже тогда, когда они отсутствуют в полуночном секторе овала полярных сияний.
Главная фаза магнитосферной бури характеризуется не только уменьшением горизонтальной составляющей в средних широтах, но и частым появлением полярных магнитных возмущений.
Мы уже говорили, что магнитосферная буря «питается» целой серией полярных магнитных суббурь. Если величина авроральной электроструи не очень велика (~500γ), то даже при очень частых проявлениях интенсивность буревой (Dst) вариации не превышает 50—70γ. Наблюдение высоких значений буревой Dst вариации (—100γ) возможно при AE>≈ 1000γ.
Формы полярных сияний
Полярные сияния поражают разнообразием форм, быстрой изменчивостью и подвижностью. Имеется несколько удачных описаний полярных сияний очевидцами, но и они не передают всей грандиозности явления. Они способны только вызвать картины полярных сияний у тех, кто их уже видел. Поэтому здесь мы не беремся описывать все сложное явление — полярное сияние в его динамике, изменчивости и разноцветности. Но каждое самое сложное полярное сияние можно представить состоящим из отдельных «простых» форм, своего рода кирпичиков.
Основные формы полярных сияний (см. рисунки на вклейке):
1. Спокойная однородная дуга или полоса.
2. Лучи полярных сияний.
3. Диффузные и неправильные святящиеся пятна.
4. Большие однородные светящиеся поверхности.
Такое деление основано не только на видимых формах свечения, но и на тех физических причинах, которые их вызывают.
В 1963 г. был издан последний Международный атлас полярных сияний, составленный на основе большого экспериментального материала, накопленного, в частности, за период Международного геофизического года (МГГ) 1957—1958 гг. В этом атласе содержится описание различных форм полярных сияний и их классификация. Очень кратко суть этих описаний сводится к следующему.
Спокойная однородная дуга, так же как и полоса, простирается через весь небосвод и имеет форму прямой или несколько изогнутой линии. Направление этой линии обычно примерно совпадает с магнитной параллелью, т. е. с направлением восток—запад. Правда, в полярных шапках поближе к геомагнитным полюсам спокойные однородные дуги направлены вдоль линий полдень—полночь. Однородные дуги полярных сияний по длине могут достигать более тысячи километров при ширине их от одного километра и менее до нескольких десятков километров.
В спокойных условиях однородная дуга — основная форма свечения в зоне полярных сияний. С наступлением возмущений формы полярных сияний существенно усложняются, резко меняется их интенсивность и подвижность. Интенсивность свечения усиливается при высыпании в верхнюю атмосферу высоких широт потоков электронов. Чем больше энергия потока электронов, тем интенсивнее свечение. Более высокоэнергичные электроны способны глубже проникнуть в атмосферу и вызвать там свечение. Поэтому от энергии электронов зависит высота, на которой видны полярные сияния.
Но электроны потока высыпающихся частиц имеют неодинаковую энергию, а характеризуются определенным распределением по энергиям, или, как говорят, определенным энергетическим спектром. Ясно, что от энергетического спектра высыпающихся электронов будет зависеть и распределение свечения по высоте. Потоки высыпающихся частиц (электронов и протонов) во время возмущений очень изменчивы как по интенсивности, так и по энергетическому спектру. Кроме того, места их высыпания быстро изменяются с развитием возмущения. Все это и является физической причиной изменчивости форм полярных сияний, их высоты и динамики.
По мере наступления возмущения спокойные дуги полярных сияний теряют свою правильную геометрическую форму и превращаются в формы, похожие на спирали и вихри.
На небосводе часто наблюдаются кратные дуги — двойные, тройные или вообще мультиплетные. Интересно, что они никогда не пересекаются друг с другом, хотя и могут располагаться друг от друга очень близко.
С дугами полярных сияний тесным образом связаны электрические токи, которые текут вдоль геомагнитных силовых линий из магнитосферы в ионосферу и обратно из ионосферы в магнитосферу. (Продольные токи в самой ионосфере под длинной и яркой однородной дугой полярного сияния могут достигать сотен тысяч ампер.) Имеется замкнутая система этих продольных электрических токов (замыкание происходит в ионосфере на высотах вблизи 100 км), которая во многом определяет связь ионосферы, а значит, и полярных сияний, с магнитосферой и дальше — с межпланетным магнитным полем и солнечными бурями. Как видим, продольные токи играют очень важную роль во всей цепи солнечно-земных связей.
В принципе однородная дуга является частным случаем однородной полосы. Последняя не имеет правильной структуры, хотя, так же как и дуга, сильно вытянута. Обычно однородная полоса полярного сияния изогнута в виде латинской буквы S или же закручена в форме спирали.
Полосы и дуги полярных сияний чаще всего появляются на высотах между 100 и 150 км.
Лучи полярных сияний представляют собой узкие пучки света длиной от нескольких десятков до нескольких сотен километров и шириной от нескольких десятков метров до нескольких километров.
Лучи полярных сияний появляются на тех же высотах, что и полосы и дуги, т. е. на 100—150 км. Они возникают либо изолированно друг от друга, либо целыми «связками». В том и другом случае лучи располагаются вдоль геомагнитных силовых линий, которые, как уже говорилось, направляют движение частиц, вызывающих полярные сияния. Последним и объясняется такое направление лучей. Когда лучи полярных сияний наблюдаются над головой, т. е. в зените, то они смотрятся как своего рода корона.
Дело в том, что из-за перспективы геомагнитные силовые линии кажутся наблюдателю сходящимися в магнитном зените. Магнитный зенит — это та точка небесной сферы, в которую силовые линии геомагнитного поля для данного места наблюдения проектируются.
В возмущенных условиях лучи полярных сияний видны в сочетании с полосами и дугами полярных сияний.
Диффузные пятна полярных сияний занимают на небе площадь около 100 км2. Само название их говорит об их неправильной форме. Как правило, наблюдается одновременно много таких пятен.
Однородные светящиеся поверхности занимают большую часть небосвода (недаром их называют «большими») и имеют вид довольно постоянного свечения, которое чем-то напоминает вуаль. Эту форму свечения называют еще фоновым свечением.