Особо выделяют полярные сияния, которые вызываются протонами. Их свойства во многом отличаются от рассмотренных выше форм электронных полярных сияний.

Когда пучок высокоэнергичных протонов входит в атмосферу, их энергия постепенно уменьшается вследствие неупругих столкновений, при которых происходит ионизация и возбуждение молекул и атомов атмосферных газов. В некоторых ионизационных процессах протон может захватить свободный электрон и таким образом превратиться в нейтральный атом водорода. Этот процесс называется перезарядкой. Атом водорода может возникать или в основном пли в каком-либо возбужденном состоянии.

Когда возбужденный атом водорода переходит в основное или метастабильное состояние 2S, в результате нескольких каскадных переходов, его излучение возможно в линиях серии Бальмера α(3—2) и β(4—2), а также с длинами волн Н_α 6563 Å и Н_β 4861 Å.

Некоторые особенности протонных (водородных) полярных сияний вызваны особым характером движения протонов — атомов водорода. Первоначальный протон в своем движении направляется силовыми линиями геомагнитного поля. Когда протон превращается в атом водорода, его движение больше не ограничивается магнитным полем и он может далеко уйти от направления движения первоначального протона. Затем атом водорода при столкновении с другой частицей вновь теряет свой электрон (т. е. ионизуется) и превращается в протон. Снова его движение направляется магнитным полем.

Протоны и атомы водорода испытывают большое число столкновений, сопровождающихся перезарядкой, прежде чем растратят полностью свою энергию и затормозятся. Меняется и состав пучка протонов — атомов водорода по мере его проникновения в атмосферу.

Поскольку излучающие атомы водорода движутся с достаточно большой скоростью, то длина волны их излучения несколько изменяется вследствие эффекта Доплера. Напомним, что сам эффект состоит в том, что если источник волн приближается к наблюдателю (или удаляется от него), то последний регистрирует уменьшение (или увеличение) длины волны по сравнению с длиной волны того же излучателя, когда он неподвижен.

Таким образом, при движении атомов водорода к Земле спектральные линии, регистрируемые с земной поверхности, будут смещены в сторону более коротких длин волн. Для примера скажем, что линия Н_β 4861 Å обычно смещается примерно на 5 Å. Это смещение измеряется, и информация используется для определения параметров пучка протонов — атомов водорода.

По мере своего продвижения в глубь атмосферы пучок протонов — атомов водорода постепенно расползается за счет выхода из-под контроля магнитным полем атомов водорода. Происходит своего рода диффузия поперек пучка. Но когда частицы попадают в более плотные слои атмосферы, то величина этой диффузии быстро уменьшается.

Процесс перезарядки состоит из ряда процессов, которые можно записать в виде

H⁺ + M →→ H(nl) + M⁺,

где n и l — орбитальное и азимутальное квантовое число соответственно. Реакции имеют различные эффективные сечения σ₁₀(nl) для захвата электрона на разные уровни nl.

Возбуждение может происходить при непосредственном столкновении атомов водорода в основном состоянии с атомами и молекулами атмосферных газов (M):

H(10) + M → H(nl) + M

или

Н(10) + М → Н(nl) + М⁺ + е

с эффективным сечением σ₁₀(nl).

При вторжении пучка протонов — атомов водорода реакции

H + N₂ → H + N⁺₂ + е, H + N₂ → H⁺ + N⁺₂ + 2е

играют столь же важную роль, как и реакции

H⁺ + N₂ → H⁺ + N⁺₂ + e, H⁺ + N₂ → H + N⁺₂.

На один акт ионизации теряется энергия около 36 эВ независимо от первоначальной энергии ионизующей частицы. Вторичные электроны имеют энергию, достаточную для того, чтобы также давать вклад в ионизацию и возбуждение. Этот процесс более эффективен при более низких энергиях.

Тот факт, что энергичные протоны, вторгающиеся в верхнюю атмосферу и являющиеся причиной протонных (водородных) полярных сияний, часть своего пути двигаются как нейтральные атомы водорода, влияет на расположение тех областей, где видны протонные сияния. Свободные от влияния магнитного поля Земли ядра водорода, имея относительно большие скорости протонов, способны проникнуть в те области, куда протоны, нанизанные на силовые линии, не могли бы проникнуть. Это значит, что мы не вправе соединять области свечения вдоль геомагнитных силовых линий с областями магнитосферы, откуда должны поступать заряженные частицы, вызывающие сияния. Это можно делать в случае электронных сияний, так как электроны движутся все время вдоль силовых линий. Протоны же благодаря своему периодическому превращению в атомы водорода на время освобождаются от влияния магнитного поля Земли. Вследствие этого области, где наблюдаются протонные полярные сияния, очень протяженны.

В дополуночное время обычно интенсивные водородные эмиссии наблюдаются в более низких широтах, чем электронные полярные сияния. Области водородной эмиссии не отображают мест первоначального вторжения протонов: они создаются разлетающимися во все стороны нейтральными атомами водорода после первой же перезарядки вторгающихся протонов.

Эмиссия водорода более интенсивна в низкоширотной области, чем в высокоширотной. Этот факт можно объяснить тем, что большинство протонов движутся под большими углами к геомагнитным силовым линиям, т. е. под большими питч-углами. В этом случае из-за наклона геомагнитной силовой линии относительно вертикали наибольшее число атомов водорода поглотятся в низкоширотной области. Атомы же водорода, разлетающиеся в сторону высоких широт, будут убегать из атмосферы в околоземное пространство.

Водородная эмиссия не появляется в областях наиболее интенсивных электронных полярных сияний с подвижными лучистыми образованиями. Как правило, интенсивная водородная эмиссия отмечается в зоне полярных сияний во время спокойных геомагнитных условий. Нет оснований считать, что она является предшественницей геомагнитных бурь и суббурь. Однако в области более низких широт водородная эмиссия наблюдается только во время магнитных бурь, хотя ее интенсивность и не бывает там столь большой, как в зоне полярных сияний.

Самая обычная форма протонных полярных сияний — довольно широкая дуга, вытянутая в направлении с востока на запад. Протонная дуга очень широка в направлении с севера на юг (от 3 до 10° или от 300 до 1000 км). Интенсивные линии водорода часто видны в диффузных пятнах, но отсутствуют в более или менее дискретных формах.

Взаимосвязь между протонными и электронными сияниями весьма сложна. В некоторых случаях сияния представляют собой чисто протонную дугу. В других случаях они, по-видимому, являются результатом совместных протонных и электронных вторжений. Происходит уменьшение интенсивности линии водорода, когда полярное сияние становится активным. По наблюдениям в Антарктиде (70° S геомагнитной широты) излучение линии Н_α всегда предшествует излучению полос первой положительной системы в фазе распада.

Мы описывали овал полярных сияний, который был построен по данным об электронных сияниях. Делались попытки получить такой же овал по данным о протонных полярных сияниях. При этом выяснилось, что появление и интенсивность линий водорода связаны с ориентированной на Солнце геомагнитной системой координат. Однако построить такой овал оказалось трудно из-за недостаточности однородного наблюдательного материала. Была получена овальная водородная зона с центром приблизительно в 25° от геомагнитного полюса на дневной стороне, сильно смещенная к полюсу на ночной стороне. Данные измерений на спутниках потоков протонов находятся в приемлемом согласии с этим построением. Вместе с тем они свидетельствуют о двойном пике на дневной стороне, указывающем на то, что две части овала, расположенные на вечерней и утренней сторонах, не пересекаются или что овал расщепляется. Результаты наземных измерений в Антарктиде на ночной стороне также согласуются с этой картиной.

Изучение спектрограммы линий Н_α за период 1964—1965 гг. показало, что центр овала протонного сияния находится на несколько градусов ближе к экватору по сравнению с электронным овалом (отдельные сияния) до полуночи, и они пересекаются несколько ближе к полюсу после 1 ч местного геомагнитного времени.

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 Н_β 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 Н_α и Н_β 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.