ПРОТОННЫЕ СИЯНИЯ

Вторжение энергичных протонов в верхнюю атмосферу было установлено по наземным данным задолго до первых ракетных экспериментов. Так, в 1939 г. Вегардом была получена спектрограмма сильного полярного сияния, содержавшая линии 656,3 и 486,1 нм. Эти линии были отождествлены Вегардом с линиями Нαи Нβ серии Бальмера. Судя по интенсивности водородной эмиссии, она не могла быть обусловлена свечением атмосферного водорода, концентрация которого чрезвычайно мала.
Убедительным доказательством вторжения протонов в области сияний является обнаруженный в 1950 г. Мейнелом факт допплеровского смещения линий водородной эмиссии в коротковолновую область, указывающий на движение атомов водорода к наблюдателю, т. е. вниз.

Движение и торможение протонов в атмосфере. Перезарядка.

По мере прохождения пучка протонов через газ быстрые частицы испытывают ряд упругих и неупругих столкновений. Последние приводят к потере энергии, первые - в основном к рассеянию пучка. Однако для протонов с энергией больше 1 кэв рассеяние пучка оказывается незначительным, вследствие чего им можно пренебречь.
Протон при столкновении с нейтральной молекулой газа может либо остаться протоном, участвуя в акте ионизации, либо превратиться в атом водорода в результате реакции перезарядки. Если атом водорода образуется в возбужденном состоянии, он после излучения соответствующего кванта либо вновь переходит в возбужденное состояние, либо, потеряв электрон, превращается в протон. Вероятности процессов перезарядки, возбуждения и обдирки достаточно близки друг к другу, в связи с чем весь цикл рассмотренных реакций может повториться сотни раз, прежде чем протон полностью потеряет свою энергию.
То обстоятельство, что вторгающийся в верхние слои атмосферы протон остается таковым и движется как заряженная частица лишь на некоторых участках своего пути, тогда как на других участках он движется в состоянии атома водорода, т. е. нейтральной частицы, чрезвычайно усложняет его траекторию. Движение протона в атмосфере Земли схематически представлено на рис. 1. В самых верхних слоях атмосферы, где плотность газа и соответственно вероятность процесса перезарядки малы, протон движется по спирали вдоль силовых линий геомагнитного поля. Однако на некоторой высоте он захватывает электрон и, будучи уже нейтральной частицей, движется далее по прямой, пока в результате столкновений с молекулами воздуха вновь не превратится в протон. В еще более низких слоях атмосферы процессы перезарядки и обдирки становятся настолько частыми, что прямолинейные участки движения атома водорода делаются соизмеримыми с величиной ларморовского радиуса протона с той же энергией. В этом случае частица продолжает в целом двигаться вдоль силовой линии геомагнитного поля по кривой, близкой к спирали, т. е. как заряженная частица, эффективный (т. е. осредненный по времени) заряд которой, однако, меньше заряда протона.
Полезной величиной, определяющей глубину проникновения протона в атмосферу, является длина его остаточного пробега g(Е), выраженная в г/см2 и представляющая собой массу газа в столбе с сечением 1 см2 и длиной, равной глубине проникновения в этот газ (плотность которого предполагается постоянной) протона с заданной начальной энергией. Величина остаточного пробега протона зависит не только от его начальной энергии, но, вообще говоря, и от химического состава газа-мишени. Однако последняя зависимость является довольно слабой, в связи с чем оказывается возможным, несмотря на некоторое изменение химического состава воздуха с высотой, выразить длину остаточного пробега энергичной частицы в верхней атмосфере в атмо-сантиметрах, т. е. в эквивалентной толще воздуха, находящегося в нормальных условиях (при давлении в 1 атм. и температуре Г=15° С).
Величина остаточного пробега в воздухе для протонов с различной начальной энергией приведена в Таблице 1.

ТАБЛИЦА 1 Величина остаточного пробега в воздухе для протонов

Уменьшение потока частиц происходит не монотонно, и в распределении энерговыделения и свечения по высоте имеется четкий максимум (рис 2). Принимая во внимание высоту свечения водорода, еще в первых работах Мейнел оценил энергию вторгающихся протонов в несколько десятков килоэлектронвольт.

Рис. 2. Высотное распределение интенсивности свечения по данным ракетных измерений

Дальнейшие измерения высотного хода протонных сияний давали противоречивые результаты; расчетный энегетический спектр протонов имел максимумы в диапазоне от 20-30 кэВ до 100=200 кэВ (рис 3 и 4).
Прямые измерения авроральных протонов показывают, что интенсивность и спектр протонов значительно меняются во время суббури во многом непредсказуемым образом, что позволяет признать правильными оба приведенных на рис 3 и 4 восстановленных по свечению энергетических спектра протонов.

Рис. 3-4. Рассчитанные энергетические спектры авроральных протонов (1), соответствующий высотному распреде-лению Hα, 2 - дифференциальный поток энергии, несомый частицами различных энергий.

Морфология протонных полярных сияний

Вследствие ряда особенностей протонных сияний, и прежде всего их относительно малой интенсивности, исследованы они значительно хуже, чем электронные сияния. В связи с этим мы вынуждены ограничиться в нашем обзоре перечислением лишь самых общих закономерностей протонных вторжений и водородных сияний.

Авроральный водородный овал. В авроральной зоне водородные сияния наблюдаются чаще всего в форме широких диффузных полос, интенсивность которых достигает балла I. В отличие от электронных сияний, в водородных сияниях трудно обнаружить какие-либо структурные образования и неоднородности; границы водородных полей также выражены весьма нечетко, что в значительной мере затрудняет их обнаружение на аскафильмах и фотографиях.

Рис. 5. Зона протонных осаждений по Итеру и Менде. 1 - авроральный овал, Q = 1; 2 - "авроральное" (1-20 кэв) и "жесткое" осаждение в дневное время; з -мягкая зона (1 кэв) на дневной стороне.

В связи с этим основные данные о протонных вторжениях получены с помощью спектрографов, фотометров и непосредственных наблюдений вторгающихся частиц с помощью ракет и искусственных спутников Земли. Тем не менее, данных оказывается достаточно, чтобы оконтуритиь зону протонных вторжений и сопоставить ее с зоной электронных вторжений.
Согласно многим работам водородный овал располагается экваториальное электронного овала в вечерние часы и с приполюсной его стороны после полуночи.
Следует, однако, отметить, что описанная схема не является общепризнанной. Так, согласно Гальперину, Итеру и Акасофу, водородное свечение во все часы суток наблюдается на более низких широтах, чем электронные сияния. В последней работе Итера и Менде приведена зона протонных осаждений, изображенная на рис. 5.
В работе Уинса [454] по данным абсолютной интенсивности водородной эмиссии Нα и свечения зеленой линии атомарного кислорода 557,7 нм сопоставлялись водородный и электронный овалы. Одна из полученных таким образом диаграмм представлена на рис. 6.

Рис. 6. Географическое распределение интенсивности водородных и электронных сияний. Интенсивность На, релей: 1 - 100-149; 2 - 150-199. Интенсивность эмиссии 5577 А, релей: 3 - 900--1499; 4 - 1500 и выше.

Из приведенных на рисунке данных видно, что в утренние часы водородные сияния наблюдаются в основном к Северу от электронного овала; в полуночные часы области водородных и электронных сияний совпадают. При увеличении гео магнитной активности от низкой до умеренной область максимальной интенсивности свечения На расширяется в основном в восточном направлении. При дальнейшем увеличении возмущенности (Кр > 4) пояс свечения расширяется к югу и к северу. При этом его кольцевая симметрия нарушается: область водородных сияний "выталкивается" к югу около меридиана 21 LT. Этот результат наводит на мысль о существовании двух различных процессов, приводящих к высыпанию протонов. Один из них эффективен в широком диапазоне долгот и создает однородный пояс На эмиссии кольцевой формы, интенсивность которого и расстояние от полюса увеличиваются с ростом Кp. Второй процесс имеет место лишь вр время авроральных суббурь и приводит к высыпанию частиц преимущественно в предполуночном секторе.