Средние зоны вторжения протонов и электронов значительно перекрываются. С усилением магнитной активности водородная зона распространяется к экватору и намного увеличивается в максимуме интенсивности. Выше геомагнитной широты 70° интенсивность водородных эмиссий слабо зависит от геомагнитной активности. При низком уровне последней интенсивность линии водорода довольно симметрична относительно геомагнитной полуночи. При высоком уровне активности имеется максимум интенсивности, сильнее смещенный к экватору до полуночи.
По наблюдениям в Антарктиде за 1967 г. было установлено, что протонные полярные сияния по сравнению с сильными отдельными электронными сияниями всегда возникают ближе к экватору. Однако в утреннее время этот эффект в отличие от вечернего проявляется менее отчетливо. Протонное сияние ближе к электронному в утренние часы, нежели в полночь.
Видимо протяженность овала протонных сияний несколько меньше, чем электронных, при увеличении магнитной активности.
Изучение протонных сияний позволяет получать информацию о характеристиках вторгающихся протонов. Она хорошо дополняет данные о потоках протонов, полученных с помощью ракет и спутников.
Потоки протонов, которые вызывают протонные полярные сияния, имеют величину около 107 см-2с-1, а иногда доходят до 108 см-2с-1. Один протон излучает несколько фотонов в зависимости от энергии. При этом типичная интенсивность излучения линии Нβ имеет величину 100 рэлей. Энергия протонов составляет 1—100 кэВ. Источником этих протонов является солнечный ветер.
Расчеты показали, что для характерной энергии между 5 и 50 кэВ максимум свечения приходится на диапазон высот примерно от 130 до 100 км и вертикальная полуширина составляет от 60 до 20 км. Высотное распределение водородных эмиссий довольно трудно измерять с Земли. В большинстве случаев водородная эмиссия простирается на несколько сотен километров в направлении север—юг и на тысячи километров в направлении геомагнитной параллели. Следовательно, во всех случаях для определения высотного распределения с достаточно высокой точностью необходимо использовать тщательно разработанный метод параллактических измерений при помощи сканирующих фотометров.
Допплеровское смещение длины волны излучения атомов водорода происходит за счет движения самих излучающих атомов. Поэтому величина этого смещения содержит информацию о характере движения протонов (их скорости, т. е. энергии и распределения их по питч-углам). Правда, в настоящее время такому систематическому изучению мешает отсутствие в достаточном количестве экспериментальных данных. Но регулярные наблюдения профилей линий водорода могут дать информацию о пространственных и временных изменениях этих характеристик движения протонов.
Если линии Нα и Нβ смещены соответственно на 22 и 16 Å, то допплеровская скорость равна 1000 км/с. Профили слабо меняются от одного сияния к другому.
Данные, полученные с помощью ИСЗ, говорят о том, что распределение по питч-углам протонов зависит от широты.
Профили линий водорода в магнитном зените указывают на существование излучения с длинноволновой стороны несмещенной линии. Это излучение обусловлено атомами водорода, которые движутся вверх от наблюдателя. Они имеют компоненту энергии, параллельной магнитному полю, около 1—3 кэВ. Было предположено, что простое смещение обусловлено протонами, отраженными в магнитной зеркальной точке. Но для этого необходимо, чтобы распределение по питч-углам для протонов низких энергий имело максимум вблизи 70—90° и было приблизительно изотропным для меньших углов. В настоящее время это пока еще экспериментально не подтверждено.
Пространственное распределение полярных сияний
Распределение полярных сияний в зависимости от времени суток и широты исследовалось неоднократно. Вопрос оказался весьма сложным, поскольку на это распределение влияют одновременно несколько физических факторов. Основной из них — конфигурация магнитного поля Земли, т. е. магнитосферы, которая зависит от степени возмущенности, сезона, солнечной активности и пр. Зоны высыпания заряженных частиц (электронов и протонов), вызывающие полярные сияния, меняют свое положение в зависимости от конфигурации магнитосферы. Что касается наличия высыпания этих частиц в верхнюю атмосферу Земли, то на него влияет выброс потоков плазмы из Солнца.
Именно зависимость частоты появления полярных сияний от многих факторов и была причиной продолжительных неудачных поисков закономерностей, которым подчиняются полярные сияния.