Рис. 42. Распределение с высотой основных ионных компонент, которые образуются в результате фотодиссоциации, фотоионизации и последующих химических процессов
а — вычисленное; б — измеренное
В верхнюю атмосферу приходят электроны и протоны с широким диапазоном энергий. Наибольшую энергию имеют галактические космические лучи (с энергией 109 эВ). Затем идут солнечные космические лучи (появляющиеся в периоды протонных вспышек и порождающие ППШ). За ними следуют протоны, которые связаны с солнечными и магнитосферными бурями и имеют энергию в несколько кэВ.
Заряженные частицы отклоняются магнитным полем Земли. Они могут проникать в нижнюю атмосферу лишь через ограниченные области вокруг полюсов.
Рис. 43. Минимальные широты и высоты, на которые могут проникать в земную атмосферу протоны (I) и электроны (II) в зависимости от их энергий и скоростей
Высота проникновения указана на соответствующих кривых. Скорость частиц дана в единицах скорости света
На рис. 43 по правой вертикальной оси указана минимальная широта, которой могут достичь протоны и электроны, двигаясь со скоростями, значения которых отложены по нижней горизонтальной оси. На верхней горизонтальной оси указано время, необходимое для прямолинейного движения частиц от Солнца к Земле. Слева по вертикали нанесены энергии частиц.
Ионизация заряженными частицами происходит особенно эффективно в конце пути заряженной частицы, т. е. когда время пролета частицы около атома становится сравнимым с временем пребывания электрона на борновской орбите. Когда частицы попадают в атмосферу, где газ распределен по барометрическому закону, скорость образования электронов в конце пути увеличивается очень быстро. Протоны, образующиеся при протонных вспышках на Солнце и покрывающие расстояние от Солнца до Земли за 1—3 ч, создают наибольшее количество электронов в интервале высот до 60 км, т. е. в области D ионосферы (рис. 44).
Нам необходимо остановиться на условиях протекания электрических токов в ионосфере. Ранее было сказано, что электрические токи текут в основном около уровня 100 км. Это связано с высотным распределением электропроводности. Максимум электропроводности приходится на высоту около 105 км (рис. 45).
Изменения в полярной ионосфере во время магнитосферной суббури очень тесно связаны с суббурей в полярных сияниях и полярной магнитной суббурей. Это и понятно, поскольку первопричина этих явлений одна и та же — вторгающиеся в верхнюю атмосферу высоких широт заряженные частицы и электрические поля.
Рис. 44. Распределение электронной концентрации в области D ионосферы, измеренной вблизи Осло (Норвегия) методом кросс-модуляции
Числами на графиках указано время дня в часах (время среднеевропейское 15° в. д.)
Рис. 45. Высотное распределение электропроводности ионосферы
На вертикальной оси указаны два значения высоты над уровнем моря
Как уже говорилось, в высоких широтах в отличие от средних в ионизации атмосферы, кроме электромагнитного излучения Солнца, участвуют также заряженные частицы. Если анализировать профиль электронной концентрации снизу вверх, то получится следующая картина. На самом низу ионосферы, выше 50 км, ионизация создается потоками солнечных космических лучей (протонов с энергиями в сотни МэВ). Эта ионизация вызывает поглощение радиоволн коротковолнового диапазона. Область повышенной ионизации в нижней ионосфере занимает всю полярную шапку. Это так называемое поглощение полярной шапки (ППШ), с которым связано появление форм полярных сияний определенных свойств. Особенность состоит в том, что частицы, вызывающие ППШ (протоны и α-частицы), имеют энергию от 10 до 100 МэВ и проникают на высоты 30—80 км, где производят ионизацию и возбуждение. Здесь происходит быстрая дезактивация возбужденных атомов при столкновениях с окружающим газом. Поэтому ниже 70 км почти все излучение в линии 5577 Å гасится. Отсюда наиболее поразительной оптической характеристикой этого типа свечения является то, что полосы первой отрицательной системы N2+ в несколько раз сильнее, чем зеленая линия 5577 Å.
Рис. 46. Распределение частоты появления плоских Es и Es типа а для зимы (I) и лета (II) по данным за 1958 г. по А. С. Беспрозванной
Система координат: исправленная геомагнитная широта — местное время
Кроме ППШ, в высоких широтах наблюдается авроральное поглощение. Оно обусловлено повышенной ионизацией в области D заряженными частицами, которые осаждаются приблизительно в зону полярных сияний. Распределение аврорального поглощения зависит от широты, времени суток, сезона, солнечной активности и магнитной возмущенности.