Полярные сияния

Поперек хвоста магнитосферы возникает электрическое поле Е, которое направлено с утренней стороны на вечернюю. Это поле возникает в результате пересоединения межпланетного магнитного и геомагнитного полей. Пересоединение происходит тогда, когда эти линии имеют противоположные направления. Поскольку магнитное поле Земли направлено с юга на север, то условием пересоединения является движение силовых линий межпланетного магнитного поля с севера на юг. Как правило, эта североюжная компонента межпланетного магнитного поля крайне иррегулярна, поэтому и поток плазмы, возникший в хвосте магнитосферы под действием электрического поля (дрейф в ортогональных полях E и B), является по характеру своего движения турбулентным. При рассмотрении движения заряженных частиц в магнитных, электрических и других силовых полях было показано, что в данной ситуации, когда электрическое поле в хвосте магнитосферы направлено поперек хвоста с утренней стороны на вечернюю, заряженные частицы независимо от знака их электрического заряда (т. е. как электроны, так и протоны) будут дрейфовать в направлениях к Земле, поскольку все три ортогональные друг другу направления (электрического и магнитного полей и направление движения) должны составлять правовинтовую систему координат.

Теперь вернемся к рассмотрению магнитосферной бури. Она состоит из целого ряда следующих друг за другом магнитосферных суббурь. Такая неоднородность магнитосферной бури обусловлена турбулентностью плазменного облака, подходящего к Земле, и крайней иррегулярностью северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля. Ясно, не следует ожидать, что суббури будут похожи друг на друга. Тем не менее все они имеют много общего, по которому можно составить представление о том, как протекает некая типичная магнитосферная суббуря.

Электрическое поле, возникшее в хвосте магнитосферы, вызывает внезапное начало интенсивных направленных движений плазмы по направлению, которое ортогонально одновременно обоим направлениям Е и В, т. е. по направлению Е×В. В хвосте магнитосферы это — движение не только к Земле, но и по направлению плоскости, разделяющей северную часть хвоста от южной. Часть магнитосферы в этой плоскости называют нейтральным слоем. Здесь имеется в виду нейтральность магнитная, поскольку выше этой плоскости геомагнитные силовые линии направлены из хвоста к Земле, а ниже, наоборот, — от Земли в хвост магнитосферы. Между ними (на середине) сходятся два противоположных направления магнитного поля. Они нейтрализуют друг друга и в результате возникает так называемый нейтральный слой.

Поскольку плазма из хвоста магнитосферы под действием электрического поля движется к Земле и одновременно сверху и снизу к нейтральному слою, то последнее движение будет сжимать плазменный слой, находящийся посередине хвоста магнитосферы и имеющий вид цилиндра с осью в направлении этого хвоста. В плазменном слое поперек хвоста магнитосферы с утренней стороны на вечернюю течет электрический ток величиной 10⁷ А. Этот плазменный слой постепенно будет сжиматься, а в хвосте произойдет сложное перераспределение плазмы.

В начальной стадии развития магнитосферной суббури плазменный слой становится очень тонким. Из-за этого часть электрического тока, текущего в хвосте магнитосферы, изменит свое направление. Электрический ток из хвоста магнитосферы вдоль геомагнитных силовых линий втекает в утренний сектор овала полярных сияний, затем течет вдоль полуночного сектора овала в направлении на запад и после чего вновь вдоль геомагнитных силовых линий — обратно в хвост магнитосферы. Следы этого тока, вернее, того его количества, которое содержится в ионосфере в овале полярных сияний (так называемая полярная струя), мы уже встречали. Ее наличие всегда будет фиксироваться магнитометрами в высоких шпротах как отрицательная бухта в горизонтальной составляющей геомагнитного поля.

Теперь понятно, почему интенсивность этой полярной или авроральной электроструи, характеризуемой индексом АЕ (первые буквы ее английского названия), является мерилом, показателем состояния магнитосферы. Двигаясь в электрическом и магнитном полях, частицы плазмы ускоряются и возникает плазма с температурой 10⁷ К и более.

Часть этой плазмы вторгается в верхнюю атмосферу высоких широт и вызывает там различные формы полярных сияний, а также различные процессы в полярной ионосфере (спорадические слои ионизации, поглощение радиоволн, ионосферные неоднородности). Другая часть — пополняет собой плазменный слой в хвосте магнитосферы.