Часто наблюдаются полярные сияния в виде спиралей, которые разворачиваются по часовой стрелке, если смотреть с Земли вдоль магнитных силовых линий. Диаметр спиралей меняется от 20 до 1300 км, наиболее типичные размеры 250—500 км. Спирали видны в вечерние и полуночные часы.
Кроме спиралей бывают также завитки. В последних силовые линии остаются параллельными друг другу, тогда как спираль сопровождается изменениями ориентации магнитных силовых линий. Завитки намного меньше спиралей и закручены в противоположную сторону. В одних и тех же формах полярных сияний могут наблюдаться как спирали, так и завитки.
Считается, что спирали обусловлены продольными электрическими токами, которые текут вдоль геомагнитных силовых линий между ионосферой и магнитосферой. Завитки, видимо, обусловлены тем, что в центре каждого из них имеется избыток отрицательных электрических зарядов.
По мере того как полярные сияния становятся более активными, возникает вращение по часовой стрелке, которое с увеличением интенсивности свечения приводит к образованию изгиба или оптического драпри. Дуги полярных сияний испытывают кручения, искривления, расщепления и другие деформации. Они наблюдаются вдоль дуги с определенной периодичностью и с ними связаны разрушение и восстановление форм полярных сияний.
Остановимся подробнее на высотах полярных сияний.
Высота полярного сияния зависит от нескольких причин, и прежде всего от энергии заряженных частиц, которые вызывают сияния (электронов и протонов). Чем больше энергия этих частиц, тем глубже проникнут они в атмосферу Земли и вызовут свечение атмосферы — полярное сияние на меньших высотах. Еще один фактор, влияющий на высоту полярного сияния: какой именно газ (азот, кислород или водород) светится и в каких линиях? Таким образом, исследователям полярных сияний важно знать высотное распределение плотности атмосферы и концентрацию отдельных ее составляющих.
Самый простой и первый способ определения высоты полярного сияния был предложен еще в XVIII в. Речь идет о триангуляционном методе, по которому высота полярного сияния определялась на основании одновременных измерений углов возвышения над горизонтом одних и тех же точек полярного сияния. Измерения проводились из двух точек, разнесенных на 10—20 км. Возможности метода существенно увеличились, после того как стало возможным применение фотографирования с малыми экспозициями. Точность измерения высоты достигала 1—2 км.
За многие годы наблюдении полярных сияний накопился большой материал, позволяющий установить основные закономерности изменения высот полярных сияний. Прежде всего было установлено, что, чем интенсивнее свечение, тем меньше высота нижнего края сияния (рис. 26). Средняя высота нижнего края дуг и полос полярных сияний различной интенсивности (слабой, средней, сильной и очень сильной) составляют 114,8, 108,0, 99,3 и 94,7 км соответственно. Высота нижнего края дуг полярных сияний с интенсивной красной окраской нижнего края (тип В) равна 65—70 км.
Нижний предел высот полярных сияний в их зоне составляет 95—110 км. В дневной части овала полярных сияний свечение наблюдается на больших высотах, чем в ночной его части.
Высота полярных сияний зависит также от широты. На разных широтах также различны полная интенсивность сияния и частота его появления. Лучи полярных сияний, которые обычно наблюдаются высоко в атмосфере, чаще появляются в высоких широтах, чем в более низких. Зато в последних более часты пульсирующие сияния. Можно сказать, что по мере перехода от высоких широт к более низким форма сияний меняется от лучистых дуг к драпри.
С ростом геомагнитной широты средняя высота полярных сияний увеличивается. На широтах 75—76° высоты полярных сияний составляют 145—180 км с максимумом около 175 км. На широте 68° средняя высота максимума свечения в спокойных дугах сияний равна 120 км, а на 72° — 164 км.
Рис. 26. Высотное распределение яркости (интенсивность свечения) полярных сияний четырех типов
1 — лучи; 2 — драпри; 3 — лучистые дуги; 4 — однородные дуги. D, Е, F — области ионосферы
На рис. 27 показана зависимость высоты спокойных дуг полярных сияний от широты, полученная по большому количеству наблюдений в северном полушарии. Видно, что к северу и к югу от широты 63—65° высота дуг увеличивается. Это увеличение больше в направлении к полюсу, чем к экватору.