Что такое солнечный ветер

Солнечная (или хромосферная) вспышка – внезапный плазменный взрыв, возникающий в хромосфере или нижней короне Солнца, в области неустойчивой конфигурации магнитного поля. Вспышки наблюдаются во всем электромагнитном спектре от рентгеновской и далекой ультрафиолетовой области до радиоизлучения на метровых волнах. Видимое излучение вспышек в основном состоит из эмиссионных линий водорода (наиболее яркая красная линия водорода Ha 656 нм) и нейтрального и ионизованного гелия, а также атомов и ионов кальция, натрия, железа и других химических элементов. Вспышки сопровождаются увеличением потока солнечного ветра и выбросом высокоэнергичных частиц и сгустков плазмы. Общая энергия взрыва составляет от 10²⁰ Дж для слабых событий (субвспышки) до 10²⁵–10²⁶ Дж для мощных вспышек. Во время вспышек магнитная энергия переходит в тепло и в энергию ускоренных частиц, образующих корпускулярные потоки (см. СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ).

Экологические условия нашей среды обитания существенно зависят от вариаций солнечного излучения, в первую очередь, от потока электромагнитных волн. Основная доля излучаемой Солнцем энергии приходится на видимую часть спектра, эта область спектра вносит основной вклад в энергетику атмосферы Земли и ее поверхности и практически определяет весь поток лучистой энергии Солнца, называемый солнечной постоянной и равный 1368 Вт/м². Это значение стабильно.

Внеатмосферные измерения последних двух десятилетий показали, что вариации солнечной активности за 11-летний цикл изменяют среднее значение «солнечной постоянной» не более чем на 0,2%, причем это изменение происходит в фазе с числом пятен на Солнце. В ясную погоду видимый свет проникает к поверхности Земли практически без поглощения (этот диапазон длин волн называют «оптическим окном» прозрачности атмосферы). При минимуме солнечной активности потоки более энергичного ультрафиолетового и рентгеновского излучений сравнительно невелики и достаточно постоянны, однако при усилении СА потоки коротковолнового излучения Солнца сильно возрастают и быстро изменяются, причем с уменьшением длины волны амплитуды изменений сильно возрастают. Во время быстрого развития сильной хромосферной вспышки коротковолновое излучение усиливается в десятки и сотни раз. В это время Солнце также становится источником заметного гамма-излучения, однако непосредственно на Земле эти мощные кванты излучения не регистрируются, благодаря защите различных оболочек земной атмосферы, защищающей все живое от губительного влияния ионизующей и проникающей солнечной радиации. В телескопы с Земли очень трудно наблюдать динамические процессы в горячей солнечной короне, однако их детали можно регистрировать в рентгеновских лучах. Грандиозные корональные выбросы вещества из солнечной короны в межпланетное пространство были обнаружены только после того, как при помощи космических аппаратов рентгеновские телескопы были вынесены за пределы атмосферы.

Радиоизлучение активного Солнца.

Длинноволновая область электромагнитного спектра переходит в диапазон теплового (инфракрасного) излучения, а затем – в миллиметровые, сантиметровые, метровые и более длинные радиоволны. Интенсивность спектра при этом быстро падает. Наибольшие значения потоков примерно в миллион раз меньше потоков видимого излучения. Для спокойного Солнца интенсивность сантиметрового излучения определяется хромосферой, а метрового – короной (cм. СОЛНЦЕ)

Известны два основных типа возмущений от активного Солнца в радиодиапазоне:

1). Всплески радиоизлучения от хромосферных вспышек, которые могут длиться многие часы, при этом связанные с ними потоки возрастают в тысячи раз.

2). Шумовые бури в метровом и декаметровом диапазонах, источником которых являются протяженные активные области крупных солнечных пятен. Они состоят из плавно меняющегося медленного подъема и спада общего радиоизлучения, на которое накладываются короткоживущие узкополосные всплески. В сантиметровом и метровом диапазонах солнечное радиоизлучение свободно проходит даже через облачную атмосферу Земли (радиоастрономическое «окно прозрачности»). Современная радиоприемная аппаратура позволяет получать радиоизображения Солнца, на которых видно множество деталей. Очень большие изменения солнечного радиоизлучения происходят на сверхдлинных волнах, однако они отражаются и поглощаются в самых верхних слоях атмосферы Земли.

Гелиосфера и земная магнитосфера.

Внешние слои горячей солнечной короны находятся в состоянии постоянного расширения – корона как бы «испаряется» в межпланетное пространство. По мере удаления от Солнца скорость этого расширения увеличивается и, в среднем, достигает значения около 400 км/с на расстоянии нескольких десятков солнечных радиусов. Это расширение получило название солнечного ветра. Солнечный ветер «дует» постоянно во все стороны, заполняя все межпланетное пространство движущейся от Солнца плазмой, им «обдуваются» все планеты солнечной системы. В результате в межзвездной среде образуется гигантское плазменное образование, постоянно пополняемое солнечным веществом и простирающееся на десятки астрономических единиц (т.е. на миллиарды километров). Плазма солнечного ветра, в основном, состоит из ионизованных атомов водорода (протонов) и гелия (альфа частиц), а также «оторванных» от них электронов. В этой движущейся намагниченной сплошной среде могут распространяться различного типа волны, звуковые, магнитогазодинамические, ударные. Межпланетное магнитное поле (ММП), «вытягиваемое» солнечным ветром из Солнца, – важная составляющая межпланетной среды. Облако солнечной плазмы, покидающее Солнце, движется по спирали (закрученной солнечным вращением) и примерно за 4 суток преодолевает расстояние от Солнца до Земли. Солнце за это время успевает повернуться на угол 60°. В итоге, если смотреть со стороны северного полюса Солнца на плоскость земной орбиты, структура межпланетного магнитного поля образует спиральный узор, закрученный по часовой стрелке.

Гелиосфера

– продолжение солнечной короны в межпланетное пространство вплоть до сотни а.е., где гелиосферное магнитное поле встречается с межпланетным магнитным полем и космическими лучами высоких энергий, порожденными взрывами далеких «сверхновых» звезд. Вещество гелиосферы постоянно пополняется плазмой солнечного ветра, который выносит в гелиосферу магнитные поля солнечных биполярных активных областей. Структура гелиосферы постоянно меняется и нарушается под воздействием мощных корпускулярных потоков, порождаемых солнечными вспышками.

Во время солнечных вспышек возникают корпускулярные потоки и мощные корональные выбросы массы, образующие облака плазмы с «вмороженными» в них магнитными полями. Они существенно меняют свойства и структуру гелиосферы. Из-за спиральной формы силовых линий ММП, обусловленных вращением Солнца, наиболее геоэффективные вспышечные события происходят не вблизи центра видимого солнечного диска, а у основания силовой линии, соединяющей точку наблюдения с Солнцем, т.е. на 10–30° к западу от центрального меридиана.

В процессе развития вспышки в нижней короне и хромосфере, в области, где тесно сближаются противоположно направленные силовые линии магнитного поля, выделяется энергия. На рисунке изображена схема протекающих во вспышке процессов на этапе, когда основная часть энергии магнитного поля уже выделилась. Плазма в хромосфере нагревается (область, ограниченная силовыми линиями поля пятен противоположной полярности). Именно эта область ярко светится в красной спектральной линии водорода, она же является источником ультрафиолетового и рентгеновского излучений. «Растянутые» силовые линии коронального магнитного поля действуют на этот плазменный сгусток как тетива лука: они выбрасывают его в межпланетное пространство со скоростью, значительно большей скорости «спокойного» солнечного ветра. Далее, двигаясь по невозмущенному ветру, облако постепенно расширяется, перед ним формируется ударная волна, это похоже на движение сверхзвукового самолета в земной атмосфере. Во всей области, занятой движущимся облаком, параметры спокойного ветра (плотность, межпланетное магнитное поле с его секторами, температура плазмы) сильно меняются. Менее двух суток нужно плазменному облаку, чтобы преодолеть расстояние до земной орбиты. Выброс вещества тем больше, чем мощнее взрыв вспышки. Мощность вспышки измеряется площадью, охваченной свечением в красной спектральной линии водорода, а также интенсивностью всплесков рентгеновского и радио излучений. Обычно ее оценивают в баллах 1, 2, 3 и т.д. Очень мощные вспышки в данной активной области сравнительно редки. Слабые вспышки часты, но их развитие обычно не сопровождается заметными возмущениями солнечного ветра. Появление на диске вспышки балла 3 и выше обычно сопровождается генерацией солнечных космических лучей. Как и постоянно существующий фон галактических космических лучей, это излучение представляет собой протоны (ядра атомов водорода) со скоростями, близкими к скорости света. Кинетическая энергия таких частиц на много порядков выше тепловой энергии протонов солнечного ветра. Появление солнечных космических лучей означает, что при развитии вспышек в активной области солнца короткое время работает естественный аналог ускорителя элементарных частиц. Межпланетная среда, заполненная «намагниченным» солнечным ветром, является «мутной» для частиц космических лучей, она их рассеивает, поэтому солнечные космические лучи приходят к орбите Земли через несколько часов, а не через 8 минут как излучение электромагнитных волн. Основная вариация параметров солнечного ветра связана с вращением Солнца, которое происходит с периодом около 27 дней. С этим же периодом изменяются плотность и скорость солнечного ветра. Такие вариации происходят «в такт» с секторной структурой межпланетного магнитного поля (в первые двое-трое суток после пересечения Землею секторной границы скорость ветра увеличивается, далее снижается и т.д.).

Секторная структура межпланетного магнитного поля.

Основу солнечной активности составляют области биполярных магнитных полей (МП), продолжающиеся в солнечную корону. Солнечный ветер выносит эти поля во внешнюю корону и гелиосферу. Из-за вращения Солнца образуется спиральная структура межпланетного магнитного поля. Важная особенность структуры этого поля – наличие секторной структуры. В пределах смежных секторов силовые линии поля направлены в противоположные стороны, либо от Солнца (северная полярность, знак «+»), либо к Солнцу (южная полярность, знак «–»). Секторная структура поля – отражение соответствующей структуры общего магнитного поля Солнца. Она довольно устойчива и месяцами может оставаться без изменений. Напряженность межпланетного магнитного поля, в среднем, составляет около 7 нанотесла, но может превышать 50 или падать до 0,7 нТс. Скорость ветра также различна – от 100–200 км/с до 1000 и более км/с. Плотность плазмы, в среднем, около 9 частиц в см³, но меняется в пределах от 0,1 до 140 см^–3, а температура плазмы может различаться в 200 раз. Вариации параметров солнечного ветра тесно связаны с конкретными свойствами, особенностями и эволюцией соответствующих активных областей на Солнце. В некоторых случаях эта связь легко устанавливается прямым сравнением результатов наблюдений Солнца с параметрами солнечного ветра при учете соответствующих времен запаздывания. Наиболее заметны эффекты, вызванные хромосферными вспышками.

Защитные оболочки Земли.

Солнце излучает энергию практически во всем известном спектре электромагнитного излучения, охватывающем около 20 октав. Наибольшая часть энергии этого излучения сосредоточена в лучах видимого света (чуть больше октавы) и тепловых инфракрасных лучей. Энергия этих излучений обеспечивает возможность существования многочисленных форм жизни на нашей планете. Однако небольшая по количеству доля опасной для жизни мощной ионизующей и проникающей радиации, губительной для живых организмов, способна быстро убить все живое. Жизнь на Земле оказывается возможной благодаря нескольким естественным защитным оболочкам, входящим в структуру атмосферы и околоземного космического пространства. Самая внешняя из них – магнитосфера, защищающая планету от проникающей радиации галактических космических лучей, солнечного ветра и солнечных космических лучей. Другая важная оболочка – ионосфера, ионизованные верхние слои земной атмосферы, активно поглощающие вредные для жизни рентгеновские и ультрафиолетовые лучи. Наконец, остатки далекого ультрафиолетового излучения, проникшие до высот в несколько десятков километров, задерживаются особым слоем нижней атмосферы с повышенной концентрацией озона, активно поглощающего ультрафиолетовое излучение с длиной волны, меньшей 0,3 мкм. В итоге энергичные изменения в солнечном ветре и в коротковолновом излучении солнечного диска, обусловленные солнечной активностью, не проникают в среду обитания (биосферу). Этими защитными оболочками Земля защищена от капризов космической «погоды». (См. АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ)

Магнитосфера Земли

– самая внешняя из защитных оболочек Земли. Она представляет собою деформированное солнечным ветром геомагнитное поле и является препятствием для плазмы солнечного ветра, увлекающей за собою солнечное магнитное поле. Поэтому плазма солнечного ветра обтекает Землю, создавая вокруг нее особую полость, в которой и заключено геомагнитное поле. На обращенной к Солнцу стороне граница этой полости (магнитопаузы) располагается на расстоянии около 10 радиусов Земли (некоторое среднее значение). Когда динамический напор солнечного ветра возрастает, граница приближается к Земле, в противоположной ситуации – отдаляется. Сама граница обнаруживает некоторую структуру, а непосредственно перед ней в солнечном ветре всегда присутствует газодинамический разрыв – ударная волна, подобная той, которая возникает при движении сверхзвукового самолета в атмосфере. С ночной стороны под действием потока солнечного ветра, обтекающего магнитосферу, она вытянута подобно хвосту кометы. Он простирается далеко за орбиту Луны – почти на миллион километров. У магнитосферы сложное строение, все ее области являются ареной многообразных плазменных процессов, среди которых большую роль играют различные механизмы ускорения частиц. Есть обширные области-ловушки, заполненные частицами высоких энергий («местными» космическими лучами), их называют «поясами радиации». Кроме того, магнитосфера является системой, склонной к возбуждению множества различных колебаний, в том числе радиоволн. При наблюдении магнитосферы «снаружи», из космоса, она оказывается сильно переменным источником радиоизлучения на низких и очень низких частотах. Определенная доля этого радиоизлучения «просачивается» к поверхности Земли. Режимы генерации этих естественных магнитосферных «радиостанций» зависят от солнечной активности.

Форма магнитосферы определяется балансом динамического давления солнечного ветра и ударов корональных плазменных потоков, с одной стороны, и давлением магнитного поля Земли, с другой стороны. Величина магнитного поля на границе магнитосферы (магнитопаузе) около » 10³ Гс (для сравнения: магнитное поле у поверхности Земли на экваторе » 0,3 Гс, а у полюсов » 0,6 ё 0,7 Гс). С дневной стороны магнитопауза проходит на расстоянии от 10 до 13 радиусов Земли (R_Е» 6400 км), с ночной стороны силовые линии геомагнитного поля вытянуты в сторону от Солнца и образуют геомагнитный хвост протяженностью ~ 10³ R\dn5Е и диаметром ~ 20 ё 40 R_Е. Между ударной волной и магнитопаузой – переходная область, магнитный слой, заполненный турбулентной горячей плазмой. Через воронкообразные зазоры между магнитными силовыми линиями в лобовой части магнитопаузы и силовыми линиями, вытянутыми в магнитосферный хвост, полярные каспы (от англ. cusp – выступ), эта плазма может проникать в магнитосферу и далее в ионосферу в пограничных областях полярной шапки. Иногда эта область вытягивается по долготе, образуя своеобразную «щель». Ближе к Земле, на расстояниях до 4–5 ее радиусов, расположена плазмосфера – область ионосферной плазмы с концентрацией заряженных частиц 10²ё 10⁴ см^–3 и температурой несколько тысяч кельвинов. Эта относительно «холодная» плазма «вморожена» в геомагнитное поле и вращается как целое вместе с Землей. На внешней границе плазмосферы (плазмопаузе) плотность плазмы резко понижается до ~0,1 ё 1,0 частиц/см^–3.

Вместе с плазмой солнечного ветра в межпланетное пространство выносятся магнитные поля, определяющие структуру солнечного ветра. Взаимодействуя с геомагнитным полем, в результате сложного многоступенчатого процесса эти поля влияют на экологию Земли, важную роль при этом играют вариации скорости и плотности солнечного ветра. Каждый «порыв» солнечного ветра можно зафиксировать на Земле, регистрируя изменения составляющих вектора магнитного поля. Установлено, что изменения межпланетного магнитного поля вызывают соответствующие изменения «космической погоды» в магнитосфере. Особенно велика роль вертикальной составляющей этого поля (по отношению к плоскости земной орбиты – эклиптике). Когда эта составляющая направлена к югу, неизбежно развиваются магнитосферные возмущения. Это связано с тем, что силовые линии геомагнитного поля на дневной стороне магнитосферы в это время направлены к северу и противоположны направлению межпланетного магнитного поля. В плазме сближение противоположно направленных силовых линий магнитного поля приводит к магнитогидродинамической неустойчивости. По той же причине с Земли хорошо заметны ее прохождения вблизи секторов межпланетного магнитного поля: магнитосфера испытывает некоторую «перестройку» при переходе из сектора одной полярности в сектор с силовыми линиями магнитного поля противоположной направленности. Наиболее сильные магнитосферные возмущения связаны с приходом к Земле плазменного облака, выброшенного в межпланетное пространство при развитии достаточно сильной хромосферной вспышки. Комплекс явлений, которые при этом развиваются, называют «магнитной бурей», поскольку в наземных измерениях оно было впервые обнаружено по хаотическим вариациям напряженности геомагнитного поля. В это время пользоваться компасом было невозможно. В магнитосфере и ионосфере постоянно текут электрические токи. В плоскости экватора на расстоянии примерно в 4 земных радиуса течет кольцевой ток в западном направлении. В полярных областях располагаются петли полярных электроструй. Когда Земля оказывается во вспышечном облаке, режим обтекания меняется. Ток во всех токовых системах растет, магнитное поле этих токов также усиливается. В итоге регистрируемое на магнитных станциях суммарное магнитное поле (статическое геомагнитное поле плюс переменное магнитное поле токов) заметно меняется. Во время главной фазы бури напряженность горизонтального компонента геомагнитного поля на средних и низких широтах Земли может уменьшаться на десятки и сотни нанотесла. На фоне этих геомагнитных вариаций происходят грандиозные явления. Например, на географических широтах выше 67° развивается полярное сияние – одно из самых красивых явлений природы. Свечение атмосферы на высотах порядка 100 км вызывается ускоренными частицами, которые «сбрасываются» из магнитосферы вниз, к земной поверхности. Полярное сияние сопровождается сильным «грохотом», который мы не слышим, но который может оказывать заметное воздействие на организм. Каждая магнитная буря достаточной мощности – это еще и буря в неслышимом диапазоне акустического спектра – инфразвуке, который распространяется в среде обитания в масштабах полушария, воздействуя на все живое в течение многих часов. Еще больших масштабов достигает в это время буря в электромагнитных полях, заполняющих обычно среду обитания. На некоторых низких и сверхнизких частотах амплитуда колебаний магнитной составляющей может возрасти в несколько сотен раз. Большие бури сопровождаются изменениями и других экологических параметров: в некоторых местностях увеличивается выход из грунта радиоактивного газа радона, при этом несколько возрастает радиоактивность атмосферы, но интенсивность высокоэнергичных галактических космических лучей уменьшается из-за того, что они сильно отклонятся от Земли усиленным геомагнитным полем. Во время магнитных бурь увеличиваются колебания атмосферного давления с периодами в десятки минут и в часы, изменяется напряженность электрического поля атмосферы. Магнитные бури по многим своим показателям отличаются друг от друга. Различают два типа бурь:

1) вспышечные магнитные бури (следуют спустя примерно двое суток после вспышки), они характеризуются «внезапным началом» – скачкообразным изменением напряженности горизонтальной составляющей магнитного поля. 2) в отличие от них магнитные бури с «постепенным началом» возникают, когда Земля попадает в высокоскоростную струю солнечного ветра, такие струи могут существовать относительно долго, несколько солнечных оборотов. Поэтому бури с постепенным началом нередко образуют последовательности с характерным периодом повторяемости в 27 суток. Положение начала струи на солнечном диске может быть найдено из оптических наблюдений короны: на этом месте обычно располагается область пониженной температуры и плотности – «коронарная дыра» (см. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ)

Магнитная буря – сильное понижение H-компонента геомагнитного поля (от 100 до нескольких сотен нТл), происходящее иногда в средних и низких широтах Земли. Магнитные бури имеют главную фазу и фазу восстановления. Уменьшение поля иногда может наблюдаться и без внезапного начала бури, а также протекать в различных иррегулярных формах. Геомагнитные бури связаны и с ионосферными возмущениями, вызывающими нарушения радиосвязи и телевидения.

Магнитосферная буря – совокупность процессов, происходящих в магнитосфере Земли во время магнитной бури. В это время граница магнитосферы с дневной стороны поджимается, структура магнитосферы деформируется, формируется кольцевой ток энергичных частиц во внутренней магнитосфере. Магнитосферные бури связаны с корональными выбросами масс и солнечными вспышками. Геомагнитные бури имеют 27-дневную повторяемость из-за возвращения активных солнечных областей после оборота Солнца. Магнитные бури имеют ярко выраженный 11-летний период. Исследование магнитных бурь составляет значительный раздел солнечно-земной физики.

Геометрия магнитосферы.

Магнитопауза экранирует полость магнитосферы и затрудняет доступ в нее заряженных частиц. Граница плазмосферы перекрывается с радиационными поясами Земли. Хвост магнитосферы состоит из плазменного слоя (область горячей плазмы, определяющая динамику возмущенной магнитосферы) и тонкого нейтрального слоя, расположенного в его середине.

Геомагнитный хвост образован двумя пучками силовых линий с противоположным направлением магнитного поля. По обе стороны от нейтрального слоя магнитное поле меняет направление на противоположное. Между долями геомагнитного хвоста расположен плазменный слой (ПС,толщина » 0,5 – 4R_Е) – область с повышенной концентрацией горячей плазмы и с очень слабым магнитным полем. Плазменный слой образован плазмой солнечного ветра, которая нагрета до высоких температур за счет диссипации энергии волн, ускоряющих заряженные частицы ионосферной плазмы. Толщина слоя ~ 0,5 ё 3R_Е в зависимости от уровня и фазы геомагнитной активности. Слой заполнен плазмой с температурой ~ 4 ё 15 кэВ. Высыпание частиц ПС в ионосферу (на высотах выше 100 км) может вызывать полярные сияния. В нейтральном токовом слое (внутри плазменного слоя) течет ток, ответственный за резкое изменение направления магнитного поля в долях хвоста. Этот ток направлен с «утренней» стороны на «вечернюю», т.е. поперек хвоста. В результате взаимодействия с солнечным ветром в магнитосфере генерируется крупномасштабное электрическое поле, направленное с «утра» на «вечер». Это поле вызывает конвекцию магнитосферной плазмы по направлению от плазменной мантии к ПС, а в ПС – по направлению к Земле. Под действием этого электрического поля и магнитного поля хвоста (H » 3·10^\up3–4 Гс) плазма дрейфует от плазменной мантии к плазменному слою и из плазменного слоя – к Земле. Такое движение (дрейф) плазмы поперек магнитного поля Земли называется крупномасштабной магнитосферной конвекцией.

Корональный выброс массы, связанный с мощными солнечными вспышками, движется со скоростью до 1000 км/с и примерно через 1–2 суток достигает Земли. На дневной стороне на расстоянии десятка земных радиусов геомагнитное поле тормозит этот поток солнечной плазмы.

Ионосфера – самая верхняя часть атмосферы Земли, ионизованная коротковолновым излучением Солнца и космическими лучами. Она простирается до внешней границы магнитосферы (магнитопаузы). Это важная часть атмосферы нашей планеты, защищающая ее от ионизующей космической радиации. Она состоит из нескольких слоев, различающихся температурой, степенью ионизации и ионным составом. В ионосфере значительная часть молекул воздуха диссоциирована на отдельные атомы, многие из которых ионизованы (лишены одного или нескольких внешних электронов). Большей частью это атомы азота и кислорода, они ионизуются жестким (коротковолновым) солнечным излучением, в основном, ультрафиолетовым и рентгеновским. Ионизованные слои атмосферы располагаются на высотах примерно от 50 до 250 км.

Важнейший показатель ионосферы – концентрация свободных электронов. Для данного места на Земле она зависит от высоты, зенитного расстояния до Солнца и уровня солнечной активности, характеризуемого, например, относительным числом солнечных пятен (числом Вольфа). Наличие свободных электронов означает, что на этих высотах есть высокопроводящий электрически слой. Проводящей поверхностью является и поверхность Земли. Таким образом, биосфера оказывается внутри некоторой сферической полости, наружная которой защищает все живое от электромагнитного излучения очень низкой частоты солнечного и магнитосферного происхождения. Одновременно в полости оказывается «заперто» излучение, генерируемое в атмосфере электрическими разрядами. На планете происходит ежесекундно около сотни разрядов. Импульсное радиоизлучение молний распространяется в полости «ионосфера – поверхность Земли» как в волноводе, с очень малым затуханием. Волновод одновременно является и резонатором. Его основной «тон» соответствует частоте 8 герц, это частота радиоволны, укладывающейся один раз по экватору (40 тыс. км). Стенки полости этого волновода-резонатора электрически заряжены, они образуют сферический конденсатор. Нижняя «пластина» конденсатора (поверхность Земли) заряжена относительно верхней (ионосферы) отрицательно.

В ионосфере идут динамические процессы, тесно связанные с солнечной активностью. Благодаря этому, показатели запертого в ионосферном волноводе радиоизлучения оказываются зависящими от проявлений солнечной активности. Выяснилось, что изменения этих радиошумов имеют экологическое значение. Об их характере можно судить по ионосферным эффектам после мощной хромосферной вспышки. Ее развитие сопровождается всплеском ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Концентрация свободных электронов в ионосфере сразу же возрастает на всем освещенном полушарии Земли. Как следствие, увеличивается электрическая проводимость, что особенно заметно для регионов, где наступил полдень. Увеличивается и ток в ионосферных токовых системах. В результате на записях напряженности геомагнитного поля приборы фиксируют легко узнаваемое «бухтообразное» возмущение. С увеличением проводимости внешней стенки ионосферного волновода происходят хорошо известные радиолюбителям изменения режимов распространения радиоволн. Например, резко возрастает интенсивность радиоволн атмосферного происхождения на частотах около 20 килогерц. На высоких и умеренных географических широтах возрастает электрическое поле атмосферы (такие усиления геоэлектрического поля можно заметить только в ясную погоду). Если бы организмы могли фиксировать все эти изменения как некоторый единый образ (систему «электромагнитных примет»), они могли бы предвидеть наступление магнитной бури с внезапным началом: все описанные эффекты сопровождают развитие самой вспышки с запаздыванием 8 минут, а вспышечное возмущение, передаваемое через солнечный ветер, придет на Землю спустя сутки – двое. Конечно, свои системы «электромагнитных примет» имеют и многие другие проявления солнечной активности – изменения космической погоды, включая магнитные бури, секторную структуру межпланетной среды и даже солнечные затмения.

Озоносфера – еще одна защитная оболочка нашей биосферы. Это слой, содержащий заметную концентрацию трехатомного кислорода, озона, он располагается на высотах стратосферы (выше 15–20 км) и предохраняет все живое от биоактивной ультрафиолетовой радиации Солнца. Концентрация озона в данном пункте и в данный момент времени определяется балансом различных процессов. К ним, например, относятся: интенсивность солнечного ультрафиолетового излучения, перенос воздуха, стратосферные ветры, температура, примеси твердых частиц и другие. В тропической зоне, на широтах ±30°, озоносфера более устойчива и сравнительно тонка. Ее толщина, приведенная к нормальным давлению и температуре, всего 2–3 мм. На более высоких широтах она увеличивается и может заметно (на 20–30%) меняться на протяжении нескольких суток. Такие изменения имеют важные экологические последствия. Они связаны с тем, что вблизи границы основной спектральной полосы поглощения ультрафиолетового излучения озоном (длина волны 260 нм) даже небольшие изменения толщины озоносферы в безоблачную погоду приводят к значительным изменениям потока ультрафиолетовой радиации у земной поверхности. Изменения толщины «озонного щита» на средних широтах на 1% приводит примерно к такому же изменению интенсивности ультрафиолетового излучения в полосе 290–320 нм. Однако в этой области располагаются полосы поглощения важных для биологии молекул белков и ДНК, поэтому усиление радиации в указанном диапазоне длин волн может иметь серьезные экологические последствия. К ним, например, относятся возрастание риска заболеваемости раком кожи, изменение интенсивности фотосинтеза и концентрации биологически активных веществ (в том числе витаминов) в растительных организмах, увеличение числа мутаций (необратимых изменений генетических клеток) у бактерий, восстановление активности «спящих» вирусов внутри клеток и т.п. процессы. В динамике озоносферы есть основной 11-летний цикл солнечной активности. По данным некоторых озонометрических станций средних широт, за длительное время амплитуда вариаций толщины озоносферы в этом цикле может достигать нескольких процентов.

Радиационные пояса Земли

– области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю. В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на энергию и движение электрически заряженные частиц. Возникновение этих частиц происходит за счет двух основных источников.

Во-первых, космические лучи, т.е. энергичные электроны, протоны и ядра тяжелых элементов с энергиями от 1 до 12 ГэВ, приходящие, главным образом, из далеких областей Галактики с почти световыми скоростями.

Во-вторых, корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (10⁵–10⁶ эВ), выброшенные Солнцем во время хромосферных вспышек.

В магнитном поле электрически заряженные частицы движутся по спирали; траектория частицы как бы навивается на цилиндр, по оси которого проходит силовая линия магнитного поля. Радиус соответствующего цилиндра (он называется радиусом гирации, или ларморовским) зависит от напряженности поля и энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем больше ларморовский радиус (при данной напряженности поля). Если ларморовский радиус много меньше радиуса Земли, частица не достигает ее поверхности, захватывается магнитным полем Земли. Eсли ларморовский радиус много больше радиуса Земли, частица движется так, как если бы магнитного поля не было, при этом частицы с энергией больше 10⁹ эВ в экваториальных районах Земли проникают сквозь магнитное поле. Такие частицы вторгаются в атмосферу и вызывают при столкновении с ее атомами ядерные превращения, порождающие менее энергичные вторичные космические лучи. Эти вторичные космические лучи можно зарегистрировать у поверхности Земли. Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.

Частицы в магнитной ловушке.

Согласно закону сохранения энергии, сумма энергий поступательного и вращательного движений частицы должна оставаться постоянной. Скорость заряженных частиц, вращающихся вокруг сближающихся к полюсам магнитных силовых линий, увеличивается, вследствие этого уменьшается энергия поступательного движения, что приводит к отражению частицы назад.

Сейсмомагнитосферные связи.

Изучение изменений потоков высокоэнергичных частиц, захваченных в магнитных ловушках, проведенное на орбитальных станциях «Салют-6», «Мир» и ИСЗ «Метеор», позволило обнаружить воздействие сейсмической активности Земли на положение внутренних границ радиационных поясов. Отсюда следует существование сейсмомагнитосферных связей.

Эти связи основаны на том, что из эпицентра предстоящего землетрясения испускается электромагнитное излучение, возникающее из-за механических перемещений подземных пород. Частотный спектр излучения довольно широк, однако достигнуть радиационного пояса Земли, пройдя практически без потерь сквозь земную кору и атмосферу, может только излучение в диапазоне частот ~0,1–10 Гц. Достигнув нижней границы радиационного пояса Земли, электромагнитное излучение взаимодействует с захваченными в нем электронами и протонами. Во взаимодействии активно участвуют частицы, привязанные к магнитным силовым линиям, проходящим через эпицентр предстоящего землетрясения. Если частота осцилляций частиц между зеркальными точками совпадет с частотой сейсмического электромагнитного излучения, взаимодействие приобретает квазирезонансный характер, проявляющийся в изменении углов отражения захваченных частиц. Если в зеркальной точке эти углы становятся отличными от 90°, это вызывает снижение зеркальной точки, сопровождаемое высыпанием частиц из радиационного пояса. Из-за долготного дрейфа захваченных частиц волна высыпания (уход частиц вниз) огибает Землю и вдоль магнитной широты, на которой расположен эпицентр предстоящего землетрясения, образуется кольцо высыпания. Кольцо может просуществовать 15–20 мин, пока все частицы не погибнут в атмосфере. Космический аппарат на орбите, проходящей под радиационным поясом, при пересечении широты эпицентра предстоящего землетрясения зарегистрирует всплеск высыпающихся частиц. Анализ их энергетического и временного распределений в зарегистрированных всплесках позволяет определить место и время прогнозируемого землетрясения. Обнаружение связи между сейсмическими процессами и поведением захваченных частиц в магнитосфере Земли легло в основу разрабатываемого нового метода оперативного прогноза землетрясений. Примерно 99% энергичных частиц, «пробивающих» магнитный экран Земли, являются космическими лучами галактического происхождения и лишь около 1% образуется на Солнце. Новейшие исследования с использованием межпланетных кораблей, орбитальных станций и научной аппаратуры позволили получить важные новые данные о радиационных поясах Земли. Последующие измерения проводились на искусственных спутниках Земли серии «Метеор-3» (высота круговых орбит 800 и 1200 км). С помощью магнитных спектрометров, установленных на станциях «Салют-7» и «Мир», было доказано, что стабильный пояс состоит только из электронов (без позитронов) высоких энергий (до 200 МэВ). Это означает, что в магнитосфере Земли реализуется весьма эффективный механизм ускорения частиц.

С помощью аппаратуры, установленной на орбитальной станции «Салют-6» (высота 350–400 км, наклонение 52°), в начале 1980-х были обнаружены стационарные потоки высокоэнергичных электронов. До этого эксперимента в радиационном поясе Земли были зарегистрированы лишь электроны с энергией не более 5 МэВ (в соответствии с альбедным механизмом возникновения).

Эдвард Кононович