Структура і динаміка верхньої атмосфери істотно визначається нерівноважними в термодинамічному змісті процесами, пов'язаними з іонізацією і дисоціацією сонячного випромінювання, хімічними процесами, порушенням молекул і атомів, їхньою дезактивацією, зіткненням і іншими елементарними процесами. При цьому ступінь нерівноважності зростає з висотою в міру зменшення густини. Аж до висот 500–1000 км, а часто і вище, ступінь нерівноважності для багатьох характеристик верхньої атмосфери досить малий, що дозволяє використовувати для її опису класичну і гідромагнітну гідродинаміку з урахуванням хімічних реакцій.

Екзосфера – зовнішній шар атмосфери Землі, що починається з висот у кілька сотень км, з якого легкі і рухливі атоми водню можуть вислизати в космічний простір.

Полярні сяйва.

У високих широтах під час збурювань магнітного поля спостерігаються полярні сяйва. Вони можуть продовжуватися кілька хвилин, але часто видимі протягом декількох годин. Полярні сяйва сильно розрізняються за формою, кольором й інтенсивністю, причому всі ці характеристики іноді дуже швидко міняються в часі. Спектр полярних сяйв складається з емісійних ліній і смуг. У спектрі сяйв підсилюються деякі з емісій нічного неба, насамперед зелена і червона лінії l 5577 Е и l 6300 Е кисню. Буває, що одна з цих ліній у багато разів інтенсивніша за іншу, і це визначає видимий колір сяйва: зелений або червоний. Збурювання магнітного поля супроводжуються також порушеннями радіозв'язку в полярних районах. Причиною порушення є зміни в іоносфері, що означають, що під час магнітних бур діє могутнє джерело іонізації. Установлено, що сильні магнітні бурі відбуваються при наявності поблизу центра сонячного диска великих груп плям. Спостереження показали, що бурі зв'язані не із самими плямами, а із сонячними спалахами, що з'являються під час розвитку групи плям. Полярні сяйва – це світлова гама інтенсивності, що змінюється, зі швидкими рухами, які спостерігається у високоширотних районах Землі. Візуальне полярне сяйво містить зелену (5577 Е) і червону (6300/6364Е) емісійні лінії атомарного кисню і молекулярні смуги N2, що збуджуються енергійними частками сонячного і магнітосферного походження. Ці емісії звичайно висвічуюються на висоті близько 100 км і вище.

Термін оптичне полярне сяйво використовується для позначення візуальних полярних сяйв і їхнього емісійного спектру від інфрачервоної до ультрафіолетової області. Енергія випромінювання в інфрачервоній частині спектра істотно перевершує енергію видимої області.

Реальні форми полярних сяйв важко класифікувати тому найбільш уживані наступні терміни:

· Спокійні однорідні дуги або смуги. Дуга звичайно простирається на ~1000 км у напрямку геомагнітної паралелі (у напрямку на Сонце в полярних районах) і має ширину від одного до декількох десятків кілометрів. Смуга – це узагальнення поняття дуги, вона звичайно не має правильної дугоподібної форми, а згинається у виді букви S або у виді спіралей. Дуги і смуги розташовуються на висотах 100–150 км.

· Промені полярного сяйва. Цей термін відноситься до авроральної структури, витягнутої уздовж магнітних силових ліній, з довжиною по вертикалі від декількох десятків до декількох сотень кілометрів. Довжина променів по горизонталі невелика, від декількох десятків метрів до декількох кілометрів. Звичайно промені спостерігаються в дугах або як окремі структури.

· Плями або поверхні. Це ізольовані області світіння, що не мають визначеної форми. Окремі плями можуть бути зв'язані між собою.

· Вуаль. Незвичайна форма полярного сяйва, що представляє собою однорідне світіння, яке покриває великі ділянки небосхилу.

За структурою полярні сяйва підрозділяються на однорідні, поверхневі і променисті. Використовуються різні терміни; пульсуюча дуга, пульсуюча поверхня, дифузійна поверхня, промениста смуга, драпрі і т.д. Існує класифікація полярних сяйв по їх кольору. По цій класифікації полярні сяйва типу

· А. Верхні частини або цілком мають червоний колір (6300–6364 Е). Вони звичайно з'являються на висотах 300–400 км при високій геомагнітній активності.

· Полярні сяйва типу В пофарбовані в нижній частині в червоний колір і зв'язані зі світінням смуг першої позитивної системи N2 і першої негативної системи О2. Такі форми сяйва з'являються під час найбільш активних фаз полярних сяйв.

Зони полярних сяйв – це зони максимальної частоти появи сяйв у нічний час, за даними спостерігачів у фіксованій точці на поверхні Землі. Зони розташовуються на 67° північної і південної широти, а їхня ширина складає близько 6°. Максимум появ полярних сяйв, що відповідає даному моментові геомагнітного місцевого часу, відбувається в овалоподібних поясах (овал полярних сяйв), що розташовуються асиметрично навколо північних і південного геомагнітних полюсів. Овал полярних сяйв фіксований у координатах широта – час, а зона полярних сяйв є геометричним місцем точок опівнічної області овалу в координатах широта – довгота. Овальний пояс розташовується приблизно на 23° від геомагнітного полюса в нічному секторі і на 15° у денному секторі.

Овал полярних сяйв і зони полярних сяйв.

Розташування овалу полярних сяйв залежить від геомагнітної активності. Овал стає ширше при високій геомагнітній активності. Зони полярних сяйв або границі овалу полярних сяйв краще представляються значенням L 6,4, чим дипольними координатами. Геомагнітні силові лінії на границі денного сектора овалу полярних сяйв збігаються з магнітопаузою. Спостерігається зміна положення овалу полярних сяйв у залежності від кута між геомагнітною віссю і напрямком Земля – Сонце. Овал полярних сяйв визначається також на основі даних про висипання часток (електронів і протонів) визначених енергій. Його положення може бути незалежно визначене за даними