какое действие тока наблюдается при полярном сиянии
Тесты с ответами по электростатике
1. Электризация тел происходит…
— при соприкосновении заряженного и незаряженного тела; +
— в результате химической реакции.
2. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при уменьшении между ними расстояния в 3 раза и увеличении обоих зарядов в 3 раза?
— Увеличится в 9 раз;
— Уменьшится в 9 раз;
— Увеличится в 81 раз; +
— Уменьшится в 81 раз;
3. При изменении расстояния между двумя точечными электрическими зарядами сила взаимодействия уменьшилась в 16 раз. Как изменилось расстояние между зарядами?
— Увеличилось в 2 раза;
— Уменьшилось в 2 раза;
— Увеличилось в 4 раза;
— Уменьшилось в 4 раза; +
4. Какое действие тока наблюдается, если намотать на гвоздь провод и присоединить проводники к аккумулятору, то гвоздь намагничивается?
5. Какое действие тока наблюдается при Полярном сиянии?
6. Какие частицы расположены в узлах кристаллической решетки металлов и какой заряд они имеют?
— Электроны, имеющие отрицательный заряд;
— Ионы, имеющие отрицательный заряд;
— Ионы, имеющие положительный заряд. +
7. В металлах, в пространстве между атомами, движутся…
8. В обычных условиях металлы электрически нейтральны. Это объясняется тем, что в них…
— нет электрических зарядов;
— отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов. +
9. За направление тока условно принято направление…
10. О какой скорости идет речь, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?
— Скорость движения отдельных электронов;
— Скорость распространения электрического поля. +
11. Сила тока — это физическая величина, которая определяется электрическим зарядом, проходящим…
— через поперечное сечение проводника.
— через поперечное сечение проводника за одну секунду. +
— через единичное поперечное сечение проводника за одну секунду.
12. Какой прибор измеряет силу тока?
13. Укажите единицу измерения силы тока.
Тест с ответами: “Электростатика”
1. Когда происходит электризация тел:
а) в результате химической реакции
б) при соприкосновении заряженного и незаряженного тела +
в) оба варианта правильные
2. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при уменьшении между ними расстояния в 3 раза и увеличении обоих зарядов в 3 раза:
а) увеличится в 81 раз +
б) уменьшится в 9 раз
в) увеличится в 9 раз
3. При изменении расстояния между двумя точечными электрическими зарядами сила взаимодействия уменьшилась в 16 раз. Как изменилось расстояние между зарядами:
а) уменьшилось в 2 раза
б) увеличилось в 4 раза
в) уменьшилось в 4 раза +
4. Какое из действий тока наблюдается, если намотать на гвоздь провод и присоединить проводники к аккумулятору, то гвоздь намагничивается:
а) магнитное действие +
б) химическое действие
в) тепловое действие
5. При Полярном сиянии наблюдается такое действие тока:
а) механическое
б) магнитное
в) световое +
6. Какие частицы расположены в узлах кристаллической решетки металлов и какой у них заряд:
а) электроны, имеющие отрицательный заряд
б) ионы, имеющие положительный заряд +
в) ионы, имеющие отрицательный заряд
7. В обычных условиях металлы электрически нейтральны. Это можно объяснить тем, что в них:
а) нет электрических зарядов
б) отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов +
в) нет верного ответа
8. Что условно принято за направление тока:
а) от «+» к «-» источника +
б) от «-» к «+» источника
в) нет верного ответа
9. Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то о какой скорости идет речь:
а) скорость движения отдельных электронов
б) скорость распространения электрического поля +
в) нет верного ответа
10. Силой тока называют физическую величину, которая определяется электрическим зарядом, проходящим через:
а) поперечное сечение проводника
б) единичное поперечное сечение проводника за одну секунду
в) поперечное сечение проводника за одну секунду +
11. Силу тока измеряет:
а) Амперметр +
б) Динамометр
в) Вольтметр
12. Необходимо указать единицу измерения силы тока:
а) Ньютон
б) Ампер +
в) Джоуль
13. В 25 мА столько Ампер:
а) 250 А
б) 2500 А
в) 0,025 А +
14. В 0,25 А столько миллиампер:
а) 250 мА +
б) 0,25 мА
в) 25 мА
15. В 0,25 мА столько микроампер:
а) 2,5 мкА
б) 0,25 мкА
в) 250 мкА +
16. Какие носители зарядов создают электрический ток в металлических проводниках:
а) отрицательные ионы
б) электроны +
в) положительные ионы
17. Ток в металлах можно обнаружить по такому действию:
а) механическому
б) магнитному
в) тепловому +
18. Как движутся в металле электроны:
а) от «-» к «+» +
б) от «+» к «-»
в) нет верного ответа
19. Величина, которая характеризует ток:
а) электрический заряд
б) удельное сопротивление
в) напряжение +
20. Электрический заряд измеряется в:
а) Ом.
б) Кл. +
в) А.
21. Каким прибором измеряется сопротивление в электрической цепи:
а) омметр +
б) вольтметр
в) электрический счетчик
22. В металлах в пространстве между атомами движутся:
а) положительные ионы
б) отрицательные ионы
в) свободные электроны +
23. Необходимо измерить силу тока в лампе и напряжение к ней. Как должен быть включен по отношению к лампе вольтметр:
а) параллельно +
б) последовательно
в) без разницы
24. Как поменяется яркость свечения электрической лампы при замене всех медных соединительных проводников на нихромовые:
а) увеличится
б) уменьшится +
в) не поменяется
25. Электрическая лампа рассчитана на напряжение 220 В и силу тока 0,45 А. Мощность тока в лампе равна:
а) 100 Вт
б) 4100 Вт
в) 99 Вт +
26. В паспорте электрической плитки имеется надпись:«0,55 кВт, 220 В». Сила тока при указанном напряжении равна:
а) 58,4 А
б) 2,5 А +
в) 5 А
27. Электрический паяльник рассчитан на напряжение 127 В и силу тока 0,5 А. Чему равна работа тока в паяльнике за 10 минут:
а) 38,1 кДж +
б) 2 кДж
в) 10,58 кДж
28. В каком из приведённых ниже случаев на практике используется параллельное соединение:
а) подключение амперметра
б) подключение вольтметра +
в) предохранители
29. Работа электрического тока измеряется в таких единицах:
а) Вт.
б) Дж.
в) кВт*час +
30. Прибор, которым в электрической цепи измеряется работа тока:
а) электрический счетчик +
б) вольтметр
в) ваттметр
База знаний
Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли создает огромный генератор, дающий энергию для возбуждения полярных сияний. Аналогичный механизм может лежать в основе и других астрофизических явлений
Содержание
Некоторые ранние наблюдения северных сияний строились на предположении, что эти светящиеся картины на арктическом небосводе вызваны преломлением солнечного света в атмосфере, подобно возникновению радуги. Мерцание светящихся форм наблюдатели приписывали движению воздуха. В настоящее время специалисты, изучающие физику полярных сияний, знают, что эти свечения, возникают в результате соударений атомов и молекул в ионосфере Земли с электронами солнечного ветра. Видимое движение полярных сияний обусловлено не атмосферной турбулентностью, а изменениями электромагнитных условий, под действием которых движутся заряженные частицы (так же как движение на экране телевизора — это иллюзия, создаваемая изменениями магнитного поля, направляющего электроны из катодной трубки на экран).
При визуальных наблюдениях различают несколько форм полярных сияний, смена которых обычно происходит в определенной последовательности и отражает физику этого явления: однородные дуги, лучистые дуги, отдельные лучи и группы лучей (которые при появлении в зените образуют красивую корону), диффузные полосы, пульсирующие пятна. В настоящей статье автор не делает различия форм сияния. Прим. перев.
Что играет роль катодной трубки в случае полярного сияния? Где расположен источник энергии? Почему эта энергия флуктуирует, заставляя сияния мерцать и струиться? Более 20 лет назад было установлено, что эмиссии полярных сияний (авроральные эмиссии) возбуждаются в результате бомбардировки ионосферы пучками электронов, генерируемых благодаря сложному взаимодействию солнечного ветра с магнитной оболочкой Земли. Геомагнитная природа сияний хорошо подтверждается наблюдениями из космоса. Вокруг обоих геомагнитных полюсов расположены ярко светящиеся овалы, существующие постоянно. Вокруг Северного полюса наблюдаются северные сияния, с противоположной стороны — южные.
Мои коллеги и я нашли численное соотношение между солнечным ветром и генерацией энергии, которая питает полярные сияния и другие возмущения геомагнитного поля. Мы также более подробно изучили влияние активности Солнца на солнечный ветер. В результате появилась возможность создать численный метод предсказания уровня авроральной активности. Поскольку сияния могут вносить заметные помехи в радиосвязь, связь со спутниками, в работу линий электропередач, а также некоторых систем противовоздушной обороны, предсказание интенсивности становится все более необходимым теперь, когда деятельность человека распространилась на полярные районы Земли и космос.
Генератор в магнитосфере
Выяснение механизма возникновения полярных сияний было связано с коренными изменениями существующих представлений о магнитном поле Земли. Долгое время ученые считали, что магнитное поле Земли является дипольным, как у намагниченного стержня, силовые линии которого выходят из Южного полюса и входят в Северный, образуя петли симметрично относительно магнитной оси. Однако Земля расположена не в вакууме. Она постоянно обдувается солнечным ветром — истекающей из солнечной короны разреженной плазмой, состоящей из электронов и ионов водорода (протонов).
Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли принимает кометовидную форму — это так называемая магнитосфера. С обращенной к Солнцу стороны солнечный ветер «поджимает» магнитосферу к Земле до расстояния около 10 земных радиусов. С противоположной стороны поток солнечной плазмы ограничивает объем магнитосферы областью внутри носового конуса ударной волны, внутри которого образуется так называемый магнитосферный хвост — структура, простирающаяся более чем на 1000 земных радиусов. Магнитосфера заполнена разреженной плазмой с разной плотностью и температурой, источником которой являются солнечный ветер и ионосфера.
В начале 60-х годов специалисты по физике Солнца установили, что солнечный ветер может вытягивать корональное магнитное поле, которое затем заполняет всю Солнечную систему, образуя межпланетное магнитное поле. Дж. Данджи из Имперского колледжа науки и техники в Лондоне предположил, что это поле может соединяться с силовыми линиями магнитного поля Земли, происходящими из полярных областей. Этот процесс, называемый магнитным пересоединением, протекает наиболее эффективно, когда магнитное поле солнечного ветра ориентировано на юг, т.е. в направлении, антипараллельном магнитному полю Земли.
Ранее было широко распространено мнение, что пересоединение должно быть стабильным процессом, но 10 лет назад К. Рассел из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружил, что это не так. При пересоединении образуются «связки» или скрученные «канаты» силовых линий, которые «отрываются» от магнитосферы и уносятся в магнитосферный хвост. Такие неустойчивости могут возникать даже при постоянной южной ориентации межпланетного магнитного поля. В действительности же его сила и направление постоянно меняются. Эти сложные процессы изучались с помощью компьютерного моделирования Л.-Ч. Ли из Университета шт. Аляска в Фэрбенксе.
Когда плазма солнечного ветра пересекает силовые линии на магнитопаузе, протоны отклоняются к утренней стороне магнитосферного хвоста, а электроны — к вечерней. Между этими двумя областями течет ток, причем большая его часть течет поперек магнитосферного хвоста, а другая — вдоль силовых линий к авроральному овалу в ионосфере и от него. Этот продольный ток переносится электронами, которые возбуждают авроральные эмиссии. Параллельно этим первичным токам текут вторичные (см. вставку внизу слева).
Когда частицы солнечного ветра движутся вдоль границы магнитосферы (называемой магнитопаузой), они пересекают пересоединенные силовые линии. Поскольку ионы и электроны имеют противоположные заряды, они отклоняются в разные стороны (согласно известному правилу правой руки) и при этом генерируют электрический ток (см. рисунок выше). Это такой же процесс, как и в магнитогидродинамическом (МГД) генераторе. Вся магнитосфера представляет собой гигантский генератор, который превращает кинетическую энергию частиц солнечного ветра в электрическую, давая при этом мощность, превышающую 1млн. мегаватт (МВт). Этот механизм называют магнитосферным, или авроральным генератором.
Продольные токи
Генераторный механизм переносит положительные ионы к «утренней» стороне экваториальной плоскости магнитопаузы, создавая нечто подобное положительно заряженной пластине; электроны «вечерней» переносятся к стороне, или к отрицательной пластине. В разреженной плазме, пронизанной силовыми линиями, аналогичными магнитосферным, электроны движутся по спиральным траекториям, навивающимся на силовые линии. Процесс генерации этих так называемых продольных токов был детально разработан А. Хасегавой из АТ&Т ВеНLaboratories и другими учеными. Т. Потемра из Университета Джонса Гопкинса, Т. Иидзима из Токийского университета и другие подтвердили существование продольных токов с помощью установленных на спутниках магнитометров.
Продольные токи связывают магнитопаузу с ионосферой. Утренняя сторона магнитопаузы при этом проектируется на утреннюю половину аврорального овала (овала полярных сияний), а вечерняя сторона магнитопаузы — на вечернюю сторону овала. В результате утренняя сторона овала приобретает положительный заряд, а вечерняя — отрицательный, и поперек овала возникает разность потенциалов около 100 кВ.
Движущийся к западу изгиб на активной фазе сияния, который наблюдался на вечернем небосводе над Фэрбенксом (шт. Аляска). Беловатое свечение обусловлено атомами кислорода. Розовая кайма внизу сияния вызывается излучением возбужденных молекул азота. Внизу слева показана планетарная картина овала полярных сияний над Северным полюсом в условных цветах. Изображение получено со спутника «Dуnаmiсs Explorer» с расстояния, равного трем земным радиусам. Спутник регистрировал излучение атомов кислорода с длиной волны 1З0 нм. Яркий серп слева — это освещенная сторона Земли. Снимок предоставлен Л. Франком из Университета шт. Айова
Авроральные свечения (эмиссии) возникают, когда падающие пучки электронов передают энергию ионосфере, возбуждая или ионизуя атомы и разбивая молекулы с образованием возбужденных атомов. Когда возбужденные атомы переходят в состояние с меньшей энергией или когда ионы соединяются со свободными электронами, они испускают излучение в широком диапазоне длин волн (от дальней ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра).
Самая распространенная авроральная эмиссия — это беловато-зеленое излучение с длиной волны 557,7 нм, обусловленное атомами кислорода. Красивое розовое свечение на нижней кромке сияния обусловлено возбужденными молекулами азота. Различные атомы и молекулы в ионосфере излучают авроральные эмиссии в дальней ультрафиолетовой и инфракрасной областях, но они не могут наблюдаться с Земли, так как поглощаются атмосферой. Планетарные картины сияний, полученные в дальней ультрафиолетовой области спектра со шведского спутника «Викинг», показывают, что на стороне, освещенной Солнцем, полярные сияния удивительно активны, часто более активны, чем на темной стороне.
Почему сияния имеют форму занавеса?
С поверхности Земли сияние выглядит как светящийся занавес, прочерченный яркими лучами. Этот занавес начинается с высоты нескольких сот километров и кончается на высоте около 100 км, где атмосфера становится столь плотной, что она останавливает большинство вторгающихся сверху электронов. Поперечная толщина этого слоя не превышает 1 км, а вдоль овала полярных сияний он часто простирается на тысячи километров. Почему так происходит?
Удивительно уже то, что пучки электронов вдоль магнитного поля вообще достигают нижней ионосферы. В спиральном движении электронов вдоль магнитных силовых линий, как и в случае других заряженных частиц радиационных поясов, питч-угол частицы возрастает при приближении к Земле (где поле сильнее). Действительно, траектория из спирали превращается в круговую орбиту гораздо выше ионосферы. В этой области электроны отражаются обратно в направлении вверх. Однако появление сияний свидетельствует о том, что электроны способны проникать глубоко в ионосферу.
Солнечный ветер — разреженная плазма, состоящая из электронов и протонов, истекающих из Солнца, — заключает магнитное поле Земли в полость, имеющую форму кометы, которая называется магнитосферой. С освещенной стороны этот поток «поджимает» магнитосферу к Земле до расстояния 10 земных радиусов. На ночной стороне солнечный ветер «вытягивает» земное магнитное поле в длинный магнитосферный хвост, который простирается на расстояние по крайней мере 1000 земных радиусов. Граница магнитосферы называется магнитопаузой. Солнечный ветер содержит магнитное поле (красные линии). Когда это поле направлено к югу, как показано здесь, оно может эффективно ««пересоединяться» с магнитным полем Земли (синие линии). Магнитные силовые линии в северной доле магнитосферного хвоста направлены к Земле, а в южной — от Земли. При пересоединении силовых линий в магнитосферном хвосте могут обарзовываться сгустки горячей плазмы, называемые плазмоидами, которые выбрасываются из хвоста назад
По-видимому, процесс начинается с того, что электроны в продольных токах образуют тонкослойные пучки. Каким-то способом, который пока непонятен, когда в магнитосферу «закачана» достаточная мощность и когда тонкослойные пучки достигают достаточно высокой интенсивности, на высотах между 10 000 и 20 000 км вокруг них развивается специфическая картина электрического поля, называемая авроральной структурой потенциала. Область внутри этой структуры, по-видимому, разделяется на положительно и отрицательно заряженные слои и между ними возникает сильное электрическое поле (см. рисунок ниже). Х. Альфвен из Королевского технологического института в Стокгольме первым высказал предположение о существовании «двойного слоя» над сияниями.
Электроны продольного тока движутся по спиральным траекториям вокруг магнитных силовых линий. Когда они спускаются к ионосфере, их питч-угол возрастает до тех пор, пока они снова не начинают отражаться вверх (слева). В определенных ситуациях (справа) вокруг силовых линий развивается специфическая картина электрического поля, называемая авроральной структурой потенциала. Электроны, ускоряемые вниз в этой структуре, могут проникать в более глубокие области ионосферы. В направлении с севера на юг эта структура очень тонка, а с запада на восток она тянется на тысячи километров, что придает сияниям характерный вид занавеса
Известно, что структура, напоминающая двойной слой, образуется у поверхности электрода в неоновой лампе, но природа такого слоя в верхней атмосфере пока не выяснена окончательно. По-видимому, электроны ускоряются в направлении вниз электрическим полем, связанным с двойным слоем. Дойдя до нижней границы авроральной структуры электрического потенциала, электроны ускоряются до нескольких тысяч электронвольт — такая энергия позволяет им проникнуть до слоев верхней атмосферы, имеющих достаточную плотность, чтобы авроральное свечение можно было наблюдать невооруженным глазом. Тонкослойная форма авроральной структуры потенциала придает сиянию вид занавеса.
Лучи, пронизывающие занавес, в действительности являются серией вихрей, образующихся, когда антипараллельные электрические поля (связанные с авроральной структурой потенциала) по обеим сторонам занавеса заставляют электроны двигаться в противоположных направлениях. Можно вспомнить, как на границе между двумя потоками воды, текущими в противоположных направлениях, образуются водовороты. Изображения таких вихрей в сияниях были получены с Земли с помощью высокоскоростных телевизионных камер, находящихся непосредственно под занавесом при наблюдении вверх. Кроме того, точно такие же структуры были получены при математическом моделировании этих вихрей.
Атомы и молекулы в нижней ионосфере излучают свет, когда испытывают соударения с электронами, ускоренными в авроральной структуре потенциала. Электроны, замедляющиеся при этих столкновениях, испускают «тормозное» рентгеновское излучение. При столкновении электронов с молекулами они распадаются на возбужденные атомы, которые при переходе на более низкое энергетическое состояние испускают излучение. Электроны, выбитые при столкновениях, сталкиваются с атомами и возбуждают их; такие возбужденные атомы также излучают. Кроме того, эти электроны ионизуют атомы, которые испускают излучение при рекомбинации со свободными электронами
Многие ученые (Л. франк из Университета шт. Айова, Дж. Барч из Юго-Западного исследовательского института, П. Райф из Университета Райса и Б. Хултквист С коллегами по шведской программе «Викинг») изучали зависимость энергии авроральных электронов от формы и расположения авроральной структуры потенциала в экспериментах с помощью ракет и спутников. Исследователи из Lockheed Missiles and Space Company подтвердили, что авроральная структура потенциала, кроме того, ускоряет положительные ионы в направлении вверх; действительно, такие ионы становятся иногда существенной частью магнитосферной плазмы.
В авроральной структуре потенциала происходит также взаимодействие частиц и электромагнитных волн, что приводит к интенсивному радиоизлучению. По словам Д. Гарнета из Айовы это излучение так интенсивно, что представители внеземной цивилизации обнаружили бы вначале именно его, а не оптическое излучение Земли. Оно не вносит помех в радиопередачи, потому что отражается ионосферой в направлении вверх, так же точно, как излучение земных радиопередатчиков отражается ионосферой в направлении вниз.
Существование авроральной структуры потенциала представляет большой интерес для астрофизиков, специалистов по физике Солнца и физике полярных сияний, потому что до сих пор широко распространено мнение, что вдоль магнитных силовых линий в разреженной плазме не может образоваться сколько-нибудь значительного электрического поля и, следовательно, заряженные частицы не могут ускоряться подобным образом. Данные наблюдений такого поля в сияниях могут найти широкое применение для анализа различных астрофизических явлений, например, в Крабовидной туманности, плотность и энергия плазмы в которой такие же, как в магнитосфере.
Электроджеты и суббури
Авроральный генератор вносит энергию в ионосферу главным образом через два тока, называемых западным и восточным электроджетами. Эти токи текут в нижней ионосфере вдоль аврорального овала и вызывают интенсивный разогрев, который вносит свой вклад в генерацию крупномасштабных ветров в верхней атмосфере высоких широт.
Продольные токи индуцируют электрические поля поперек аврорального овала, перпендикулярные геомагнитному полю. В такой ситуации электроны и ионы переносятся в одном направлении в процессе так называемого дрейфа в скрещенных полях (Е×В дрейф). Над полярной шапкой и авроральным овалом дрейф протекает в противоположных направлениях, поскольку электрические поля в этих областях направлены по-разному. В верхней ионосфере электроны и ионы движутся с одной скоростью и ток не возникает. В нижней ионосфере ионы претерпевают множество соударений, которые отклоняют их от направления Е×В дрейфа и заставляют двигаться вдоль электрического поля. Таким образом, ток переносится электронами, которые создают электроджеты
Как возникают электроджеты? Нужно вспомнить, что продольные токи текут между внутренней и внешней границами аврорального овала. Эти токи индуцируют электрическое поле, параллельное поверхности Земли и, следовательно, перпендикулярное магнитному полю Земли на полюсах (см. рисунок выше). В присутствии этих двух взаимно перпендикулярных полей — магнитного и электрического — заряженные частицы испытывают так называемый дрейф в скрещенных полях (Е×В дрейф), в котором и положительные, и отрицательные частицы дрейфуют вдоль аврорального овала в одном направлении, с ночной стороны на дневную.
В верхней ионосфере дрейфующие частицы движутся с одинаковой скоростью, так что электрического тока не возникает, однако они передают импульс нейтральным частицам, участвуя тем самым в генерации ветра. В нижней же ионосфере ионы сталкиваются с нейтральными частицами более часто и «выпадают» из Е×В дрейфа. В результате ток вдоль аврорального овала определяется только дрейфом электронов в ионосфере. Таким образом, возникает электрический ток, направленный на восток в вечернем секторе и на запад в утреннем.
Наблюдения с помощью специальных фотокамер всего неба во время Международного геофизического года (1957-1958 гг.) выявили ранее неизвестную закономерность в авроральной активности над полярными областями — авроральную суббурю. Первый признак суббури — внезапное увеличение яркости авроральных форм в предполуночное время. Эта вспышка быстро распространяется вдоль всего занавеса в обоих направлениях, так что всего за несколько минут весь занавес вдоль аврорального овала в ночном полушарии становится ярким.
Яркие формы начинают двигаться к полюсу в полуночном секторе со скоростью несколько сот метров в секунду; при этом в занавесе образуется крупномасштабная выпуклость. Около западного края этой выпуклости появляются различные волновые движения, которые распространяются на запад со скоростью около 1 км/с. На полпути к полюсу в утреннем секторе полосы сияния распадаются на множество «пятен». Движение к полюсу в полуночном секторе продолжается обычно полчаса-час. Затем, когда достигается максимальная для данного случая широта, авроральная активность начинает спадать. Суббуря обычно длится от одного до трех часов.
Ионосферные токи, измеренные 18 марта 1978 г. во время суббури (справа), были гораздо сильнее, чем токи, зарегистрированные за час до этого (слева). Представлено изображение сверху со стороны Северного магнитного полюса, дневная сторона находится наверху, ночная — внизу. Стрелки показывают направление токов, а их длина указывает силу тока. Во время суббури западный электроджет был зарегистрирован в ночном секторе, а восточный — в послеполуденном. Количество выделяющегося при этом тепла показано разной густотой красного цвета
Авроральная суббуря — это проявление так называемой магнитосферной суббури; каждый день происходит четыре-пять таких суббурь. К другим проявлениям магнитосферных суббурь относится усиление электроджетов, вызывающее в свою очередь сильные геомагнитные возмущения, известные как полярные магнитные суббури. Одна из таких бурь, разыгравшаяся 18 марта 1978 г., была очень тщательно исследована в ходе международного эксперимента, в котором использовалось более 70 магнитометров, расположенных в арктической области вдоль шести «спиц», выходящих из Северного магнитного полюса. Обработка полученных данных на мощных компьютерах позволила Ю. Камиде из Университета г. Киото и Я.И. Фельдштейну из Института земного магнетизма и распространения радиоволн АН СССР реконструировать картину электрических токов по наземным магнитным измерениям. Они смогли также оценить скорость роста тепловой энергии верхней атмосферы, обусловленную этими токами.
Деталь аврорального овала,наблюдаемого сверху, со стороны Северного полюса. Диффузные сияния занимают внешнюю часть однородной полосы между вечерним и полуночным секторами. Овал имеет однородную светимость в вечернем секторе и часто так широк, что заполняет все поле зрения наблюдателя на Земле. Дискретные сияния типа полос наблюдаются к полюсу от диффузных сияний. Во время пика суббури яркие формы в полуночном секторе начинают двигаться к полюсу. В утреннем секторе диффузное свечение распадается на множество структур типа полос и пятен на внешней границе овала
Методика восстановления параметров электромагнитного комплекса в полярной ионосфере по данным планетарной сети наземных высокоширотных магнитных обсерваторий была разработана В.М. Мишиным и его сотрудниками из Института земного мегнетизма, ионосферы и распространения радиоволн СО АН СССР (г. Иркутск), Ю. Камидой и его коллегами из Университета г. Киото, а также Я.И. Фельдштейном, А.Е. Левитиным и их сотрудниками из Института земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (г. Москва) и в настояшее время широко используется специалистами
Динамика суббури
Однако становится все яснее, что развитие и затухание магнитосферных суббурь частично определяются ростом и ослаблением мощности самого генератора. В начале 70-х годов мой студент-дипломник П. Перро и я попытались связать мощность генератора с различными характеристиками солнечного ветра. Мы предположили, что полная измеренная энергия, рассеиваемая во внутренней магнитосфере, равна мощности, которую солнечный ветер инжектирует в магнитосферу. Затем мы попытались проверить, существует ли корреляция между флуктуациями этой мощности и изменениями определенных характеристик солнечного ветра, измеренных с помощью спутников.
Мы установили, что мощность, диссипирующая во внутренней магнитосфере, пропорциональна произведению скорости солнечного ветра на квадрат напряженности его магнитного поля и на синус в четвертой степени половины полярного угла (измеряемого от Северного полюса) между направлением магнитного поля солнечного ветра и направлением магнитного поля Земли. Другими словами, мощность равна нулю, если магнитное поле солнечного ветра направлено на север, поскольку при этом полярный угол равен нулю, так что синус тоже равен нулю. Напротив, мощность максимальна, когда поле солнечного ветра направлено на юг, поскольку полярный угол при этом равен 1800 и синус половины этого угла максимален.
М.И. Пудовкин и его сотрудники из Ленинградского университета, а также другие ученые вывели эту формулу теоретически, предположив, что магнитосфера ведет себя как МГД-генератор. Патриция Райф и ее коллеги показали, что измеренные вариации перепада электрического потенциала через полярную шапку (обусловленного таким авроральным генератором) тесно связаны с величиной мощности, вычисленной с помощью нашего уравнения. Кроме того, каждое большое увеличение мощности (превышающее 10000 МВт) связано не только с увеличением перепада потенциала, но и с интенсификацией авроральных суббурь.
Мы обнаружили, что авроральный овал сужается и расширяется в зависимости от величины мощности, поступающей от аврорального генератора, которая в свою очередь зависит от северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля. Эти данные наблюдений указывают на то, что суббури происходят особенно часто, когда вектор магнитного поля солнечного ветра поворачивается на юг — это решающее свидетельство в пользу того, что суббури «контролируются» солнечным ветром, а не спонтанными явлениями внутри магнитосферы.
Некоторые другие проблемы
До сих пор не вполне ясно, что представляет собой «спусковой механизм» для суббури. В частности, увеличение мощности самого генератора не может привести к внезапному возрастанию яркости полярных сияний. Дж. Кан из Университета шт. Аляска в Фэрбенксе считает, что такие вспышки яркости вызваны тем, что продольные токи усиливаются благодаря эффектам, возникающим в ионосфере, когда дрейф в скрещенных полях Е×В становится более интенсивным из-за всплеска мощности генератора.
Что происходит, когда магнитное поле солнечного ветра в течение длительного времени направлено не на юг, а на север? При уменьшении мощности аврорального генератора сияния тускнеют, а электроджеты слабеют. В таких условиях наблюдается неожиданное поведение авроральных форм. Несколько полос вытягиваются через полярную шапку параллельно полуденному меридиану и слабые светящиеся пятна «дрейфуют» через полярную шапку в том же направлении. Эти сияния полярной шапки нельзя объяснить, если исходить только из уменьшения мощности генератора.
Когда вектор магнитного поля солнечного ветра направлен к северу, авроральный овал невелик и почти весь заполнен слабым свечением (а). Когда поле поворачивается на юг, яркость овала возрастает и он быстро расширяется. Слабое свечение исчезает всюду, кроме узкого кольца внутри овала (b). Примерно через час начинается суббуря и яркие полосы смещаются к полюсу. Суббуря достигает пика через один-два часа после своего начала (с). После того как вектор магнитного поля солнечного ветра снова поворачивается к северу, сияние тускнеет, а в полярной шапке появляются полосы, вытянутые в направлении полдень-полночь (d). Когда поле солнечного ветра в течение многих часов имеет большую величину и направлено на север, овал может исчезнуть, и над всей полярной областью будет наблюдаться слабое свечение (е)
Когда яркость сияний возрастает, плазменный слой в хвосте становится сначала очень тонким, а затем через короткий промежуток времени в хвосте магнитосферы начинают происходить различные активные процессы. Предполагают, что они каким-то образом связаны с авроральной динамикой во время суббурь. В настоящее время близка к завершению разработка Международного проекта по солнечно-земной физике, включающего проведение измерений с помощью большого числа спутников, осущест вление которого позволит найти ответы на эти вопросы.
Другие явления
Мощность аврорального генератора в конечном счете определяется активностью Солнца, в частности, такими явлениями, как солнечные вспышки и мощные выбросы корональных газов, которые генерируют ударные волны, распространяющиеся в солнечном ветре. Сразу за фронтом ударной волны скорость солнечного ветра достигает 500-1000км/с, магнитное поле сжимается и вследcтвиe этого усиливается. Когда ударная волна сталкивается с магнитосферой, мощность генератора может возрасти до 10 млн Мвт или даже более, при условии, что магнитное поле солнечного ветра направлено на юг.
Эта ситуация может привести к геомагнитной буре. Во время такой бури авроральный овал очень сильно расширяется к экватору. При этом он может исчезнуть с неба Аляски и появиться на широте границы США и Канады или даже еще южнее. В таких сияниях очень возрастает интенсивность красной кислородной линии с длиной волны 630 нм, что, по-видимому, объясняется возбуждением атомов кислорода нагретыми электронами. В это же время усилившиеся в радиационных поясах токи создают сильные магнитные поля даже на довольно низких широтах в магнитосфере и на Земле. В последнее время мои коллеги, занимающиеся физикой Солнца, и я попытались понять, как солнечные ударные волны влияют на магнитосферу. Вспышка в центре диска Солнца может генерировать ударную волну, распространяющуюся к Земле вдоль линии Солнце — Земля. При этом волновой фронт столкнется с магнитосферой почти точно в ее «носовой» части, межпланетное поле подвергнется сильному сжатию и поэтому возрастет по величине. Это в свою очередь резко увеличит мощность аврорального генератора. Если же вспышка произойдет вблизи края солнечного диска, то ударная волна от нее будет распространяться в направлении, перпендикулярном линии Солнце — Земля, и поэтому она лишь скользнет по «носовой» части магнитосферы, вызвав только небольшое сжатие. В такой ситуации даже интенсивная вспышка может и не привести к появлению сильного сияния.
Другое явление, которое воздействует на авроральную активность, это корональные дыры — области, свободные от солнечных пятен. Такие дыры генерируют высокоскоростные потоки в солнечном ветре. Они особенно хорошо развиты на спаде солнечного цикла. Часто две большие дыры появляются одновременно: одна — в Северном полушарии Солнца, а другая — диаметрально противоположно — в Южном полушарии. Каждая корональная дыра испускает широкий поток солнечного ветра.
Поскольку Солнце вращается по отношению к Земле с периодом около 27 дней, наблюдается эффект сегнерова колеса: один поток достигает Земли, а через две недели за ним следует другой. Земля находится внутри каждого потока приблизительно одну неделю. В течение этого времени мощность генератора высока и переменна. Корональные дыры обычно сохраняются в течение многих месяцев и поэтому на спаде солнечного цикла в этот период каждые 27 дней будут наблюдаться по два интервала повышенной авроральной активности длительностью неделю каждый. По-видимому, солнечный ветер испускается с большей скоростью из высокоширотной области корональной дыры; вероятно, этим можно объяснить тот факт, что авроральная активность возрастает вблизи осеннего и весеннего равноденствий, когда Земля находится на самых высоких гелиографических широтах.
Ключ к пониманию некоторых солнечных событий могут действительно дать исследования полярных сияний. Как и сияния, солнечные вспышки обусловлены излучением возбужденных атомов и выглядят как яркие образования типа аврорального занавеса; несомненно, они обусловлены аналогичными физическими процессами. Уже давно было высказано предположение, что солнечные вспышки получают энергию в результате пересоединения силовых линий магнитного поля Солнца. Теория требует существования так называемых бессиловых полей, которые идентичны продольным токам в земной магнитосфере. Поэтому очень важно найти генераторный механизм, способный дать энергию для создания бессиловых полей и солнечных вспышек. Возможно, необходимую энергию генерируют движения газа на видимой поверхности Солнца, которую можно сравнить с земной ионосферой.
Я надеюсь, что изучение полярных сияний внесет вклад в объяснение природы различных астрофизических явлений. В конце концов, разреженная плазма, пронизанная магнитными полями, существует в большинстве астрономических объектов; взаимодействие потоков замагниченной плазмы и атмосферы таких намагниченных небесных тел, как звезды, планеты и кометы, может быть широко распространено. Из всех таких процессов только сияния дают в наше распоряжение готовую «лабораторию»,в которой ученые могут проверять и подтверждать свои теории прямыми наблюдениями.