В вечернее время наблюдатель вначале зафиксирует свечение в северной части неба — в районе овала полярных сияний. Он увидит на первых порах только верхушки дуг полярных сияний и воспримет их просто как свечение. По мере наступления темноты ночная часть овала полярных сияний будет надвигаться на наблюдателя, т. е. свечение сместится по направлению к экватору, а значит, и к станции, где находится наблюдатель. В это время последний четко просматривает нижний край сияния. До 21 ч местного времени он может видеть спокойные и однородные формы сияния и только в короткие промежутки времени — лучи полярных сияний и складки.
В последующие два часа (до 23 ч по местному времени) один или два раза наблюдаются складки, которые быстро передвигаются к западу вдоль дуги полярного сияния. После таких периодов (продолжительностью не более получаса) сияния снова имеют спокойные формы.
Около полуночи сияния должны находиться над головой наблюдателя, т. е. в зените. При этом примерно за несколько часов (от 23 до 2 ч ночи) он может увидеть не только спокойные формы полярных сияний, но и возмущенные, или, как принято говорить, активные формы. Став в это время внезапно активными, полярные сияния проявляются на большей части неба. Но постепенно они стихают, остаются лишь светящиеся пятна в виде облаков, которые распространяются по всему небу. Свечение пятен имеет не постоянный, а пульсирующий характер. Затем снова возникает спокойная однородная дуга полярного сияния или другие его спокойные формы. Такое изменение картины полярных сияний от спокойной формы к активной и затем к пятнам и, наконец, опять к спокойной форме (т. е. своего рода цикл развития полярного сияния) может повториться. В отдельные ночи можно наблюдать последовательное развитие от одного до четырех таких циклов.
Таким образом, получается, что наблюдатель, находящийся в зоне полярных сияний, чаще всего (т. е. статистически наиболее вероятно) будет видеть спокойные дуги сияний вечером, активные лучистые полосы около полуночи и светящиеся пятна в утренние часы. Может даже создаться впечатление о некотором фиксированном распределении активности полярных сияний, под которым Земля прокручивается в течение суток.
На самом деле эта картина верна только статистически и в каждом отдельном случае распределение различных форм полярных сияний более сложное. С. А. Акасофу показал, что в определенные периоды все сияния вдоль овала полярных сияний (но не вдоль их зоны) имеют спокойные формы. Но время от времени это спокойствие внезапно в период геомагнитных бурь нарушается. Нарушение начинается в полуночном секторе овала полярных сияний — на его экваториальной границе, т. е. на южной кромке овала (в северном полушарии). Затем область активных форм распространяется по всем направлениям: к полюсу, к западу и к востоку вдоль овала, а также к экватору. Постепенно во всем овале полярных сияний все стихает, успокаивается. Один такой активный период, который может длиться от 0,5 до 1,5—2 ч, принято называть суббурей в полярных сияниях. Серия таких суббурь, следующих друг за другом, образует бурю.
Почему же длительное время считалось, что каждому временному сектору характерны свои формы полярных сияний? Дело в том, что быстро движущиеся активные формы сияний в вечернем секторе не всегда привлекали внимание. Они характеризуются весьма специфической особенностью — изгибом, который во время суббури движется к западу вдоль спокойной дуги полярных сияний (в вечернем секторе). Этот период непродолжителен: изгиб движется со скоростью около 1 км/с, т. е. проносится над отдельной станцией наблюдений почти мгновенно. Ясно, что при статистической обработке данных наиболее часто наблюдаемой характеристикой полярного сияния в вечернем секторе овала полярных сияний оказывалась спокойная однородная дуга, а не изгиб. Кроме того, в вечернее время овал проходит севернее станций, попадающих ночью в его зону. Поэтому регистрировать детали форм полярных сияний, которые на этот раз видны не в зените, а па северной части горизонта, сложнее.
Эпицентр суббури расположен в полуночном участке аврорального овала. Затем она распространяется во все стороны, в том числе и на восток — в сторону утреннего сектора, где чаще всего наблюдаются светящиеся пятна, т. е. те формы, в которые по мере затухания превращаются лучистые полосы полярных сияний. Если активные периоды (суббури) проходят достаточно часто (с интервалом меньше нескольких часов), то светящиеся пятна в утреннем секторе не успевают полностью исчезать с небосвода. Отсюда считалось, что для утреннего сектора характерна фиксированная картина полярных сияний.
Как же протекает суббуря в полярных сияниях? Во-первых, само ее начало определяется не местным временем, а мировым: в определенный его момент начинается процесс активизации форм полярных сияний, который постепенно захватывает овал полярных сияний. Но какую именно форму имеют эти активные сияния, зависит от местного времени: вечером это движущийся к западу изгиб, утром — светящиеся пятна.
Рис. 32. Схема, иллюстрирующая развитие суббури в полярных сияниях
Для удобства анализа данных весь период суббури был поделен на отдельные подпериоды или фазы. Каждый из этих подпериодов характеризуется определенным характером сияний, их динамики и форм. Началом суббури в полярных сияниях принято считать внезапное уярчение одной из спокойных дуг, расположенных в полуночном секторе овала полярных сияний. Кроме того, началом может служить образование новой дуги (рис. 32, схема Б). Это происходит за 5 мин от начала процесса. Затем уярченная или новая дуга начинает быстро двигаться к полюсу. В околополуночном секторе в полярных сияниях появляется «выпуклость» (рис. 32, схема В). Продолжительность этого подпериода 5—10 мин. После чего в образовавшейся выпуклости начинается распад полярных сияний. При этом выпуклость постепенно расширяется во всех направлениях (схема Г). Этот подпериод длится 10—30 мин. В вечернем секторе возникает крупномасштабная складка или, как уже говорилось, движущийся к западу вдоль дуги сияний изгиб (схема Д). Светящиеся пятна в утреннем секторе, образовавшиеся в результате распада активных форм сияний, дрейфуют к востоку со скоростью 30 м/с. На дневной стороне наблюдаются только лучистые формы полярных сияний. Начало суббури в полярных сияниях на дневной стороне проявляется только в предполуденные и послеполуденные периоды. В это время появляются тонкие лучистые дуги, которые ориентируются вдоль овала полярных сияний, их интенсивность увеличивается. Процесс активизации полярных сияний в этих формах на дневной стороне не наблюдается.
Через 5—10 мин после начала суббури па полуденной стороне все еще видны отдельные лучи; дуги полярных сияний в предполуденные и послеполуденные часы уярчаются. Почти одновременно на ночной и дневной сторонах усиливается интенсивность сияний. Но когда на ночной стороне сияния достигают наибольшей активности, на дневной — они ослабевают и распадаются.
Так выглядит фаза развития суббури от ее начала в полуночном секторе овала полярных сияний до момента, когда расширяющаяся выпуклость достигает наибольшей геомагнитной широты. Продолжительность этой фазы постоянно меняется, но в среднем составляет от 30 мин до 1 ч.
Вслед за ней идет фаза восстановления спокойных форм полярных сияний. Ее начало связано с увеличением активности полярных сияний на дневной стороне, где они появляются в зените в большом интервале широт. На приполюсной границе овала дневной стороны возникают формы сияний, характерные для этой стороны при спокойном геомагнитном поле. В этот подпериод изгиб продолжает движение на запад, уходя на большие расстояния (схема Д) и постепенно вырождаясь в нерегулярные полосы свечения. Утром в восстановительную фазу движущиеся к востоку светящиеся пятна наблюдаются до конца суббури, т. е. до момента, когда распределение форм полярных сияний во всех участках овала будет таким же, как и до начала суббури.
Фотоснимки всей полярной области, сделанные камерой, установленной на ИСЗ, подтвердили правильность описанной выше картины суббури в полярных сияниях. Ценную информацию дали также исследования с помощью аппаратуры, смонтированной на высотных скоростных самолетах-лабораториях. Последние, двигаясь в сторону вращения Земли, позволяют наблюдателю (и измерительной аппаратуре) находиться постоянно в точке с одним и тем же местным временем. Благодаря этому наблюдатель имеет возможность видеть изменения форм полярных сияний, зависящие только от мирового времени.
Рис. 33. Распределение протонного полярного сияния в координатах широта — время эксцентричного диполя
Теперь рассмотрим, как протекает суббуря в протонных полярных сияниях. Установлено, что они заметно изменяются во время суббури в полярных сияниях. Изучение этих изменений дает информацию о поведении протонов с энергиями 1—50 кэВ в моменты полярных сияний. Эти протоны играют важную роль в основных процессах, связанных с магнитосферной суббурей.
Обратимся к рис. 33. Как видим, протонное сияние занимает область овальной формы с эксцентриситетом относительно геомагнитного полюса. Область-овал протонного сияния располагается к экватору от овала электронных полярных сияний в вечерние часы. В утреннем секторе это положение выражено менее четко. Во время суббури картина существенно усложняется. Поэтому трудно точно определить положение протонного полярного сияния относительно электронного.
Рис. 34. Развитие суббури в протонном полярном сиянии
Как показали измерения, в полуночном секторе в период суббури водородные эмиссии медленно ослабевали в момент появления над станцией наблюдений выпуклости электронных полярных сияний.
В ранние вечерние часы зона водородных эмиссий располагалась значительно южнее яркого свечения полярных сияний и визуально была связана с более слабой однородной дугой, совпадающей с максимумом водородной эмиссии. Последняя медленно ослабевала при наличии очень яркого электронного полярного сияния, охватившего весь небосвод. В момент наблюдения электронных полярных сияний, а также после их распада интенсивность излучения линии Н