Вы здесь

4. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой. Геомагнитные возмущения

 

Итак, на Солнце произошла мощная хромосферная вспышка, резко увеличившая интенсивность коротковолнового электромагнитного излучения и поток заряженных частиц. Электромагнитное излучение за 8 мин достигает Земли, причем наиболее изменчивая его часть с длинами волн λ < 102,6 Å поглощается в верхней атмосфере (высоты r > 90 км), вызывая здесь ионизацию газа. Ударная волна и облако выброшенной плазмы (сгусток в солнечном ветре) достигают Земли спустя 1 — 2 дня после начала вспышки, вступая во взаимодействие с магнитным полем планеты. Что же представляет собой это поле?

Планета Земля — это огромный магнит. Напряженность магнитного поля на ее поверхности 0,5 эрстеда. (В геофизике обычно пользуются единицей γ, причем 1 эрстед = 105 γ.) Область пространства, где напряженность геомагнитного поля существенно превышает напряженность межпланетного (равную 5 — 10γ), называют магнитосферой. Длительное время форма поля силовых линий для Земли представлялась весьма простой — это поле диполя примерно такое же, как у любого лабораторного магнита. В действительности оказалось не так. Исследования с космических аппаратов показали, что на больших расстояниях от Земли магнитосфера имеет весьма сложную структуру, определяемую взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром. Плазма солнечного ветра, наталкиваясь на геомагнитное поле, как на препятствие, деформирует его. С дневной стороны магнитосфера оказывается сжатой до 8—14R (R — радиус Земли). При этом силовые линии, выходящие из полюсов Земли, «сносятся» на ночную сторону и образуют вытянутый хвост диаметром ~40R, а длиной более 900R (рис. 2). Начиная с расстояния ~8R этот хвост разделен на две части плоским нейтральным слоем, в котором напряженность магнитного поля близка к нулю. Силовые линии по обе стороны нейтрального слоя имеют противоположные направления.

Магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Геомагнитное поле захватывает и удерживает огромное количество протонов и электронов (общая масса захваченных частиц составляет величину порядка 1 — 10 кг). Эти частицы были обнаружены при измерениях на спутниках, причем было открыто существование в магнитосфере двух радиационных поясов с захваченными заряженными частицами — внутреннего и внешнего — на высотах 3.000 и 15.000 км. В этих поясах частицы движутся по спирали вдоль магнитных силовых линий. В районе полюса они, отразившись от места сгущения силовых линий, поворачивают и движутся по спирали к другому магнитному полюсу. Одно прохождение между точками отражения занимает время 0,1 — 10 с, а в общей сложности движение может продолжаться годами. Вместе с тем существуют и частицы, захватывающиеся магнитным полем Земли на сравнительно небольшое время. В магнитосфере происходит и существенно более сложное движение заряженных частиц. Важно подчеркнуть, что при этом значительная доля частиц ускоряется до энергий, в тысячи раз превышающих энергию частиц, идущих непосредственно от Солнца. В настоящее время пока еще нет полной теории захвата частиц солнечного ветра в геомагнитную ловушку и их ускорения в магнитном поле Земли.

В зависимости от величины потока энергии и плотности солнечного ветра размеры магнитосферы могут резко меняться во времени. При мощных солнечных вспышках происходят возмущения магнитосферы, ее «нормальная жизнь» нарушается. Под действием резко увеличивающегося потока плазмы в солнечном ветре магнитосфера начинает деформироваться. Она «изгибается» и колеблется, все магнитное поле Земли «сотрясается», возникает магнитная буря. При этом изменяется и движение частиц, уже находящихся в радиационных поясах. Зеркальные области, от которых отражаются частицы, могут спускаться в верхние слои атмосферы. В этом случае захваченные частицы сталкиваются с частицами газа верхней атмосферы и отдают им свою энергию. Происходит, как говорят, «высыпание частиц» преимущественно в районе вокруг полюсов. Возникают полярные сияния1.

Если в спокойных условиях поток энергии высыпающихся частиц составляет величину ~0,1 эрг/см2 · с, то в случае наиболее яркого сияния он возрастает до >103 эрг/см2 · с. Последняя цифра в 10 раз больше величины потока энергии в наиболее интенсивном солнечном ветре в период мощных хромосферных вспышек, не превышающем 102 эрг/см2 · с. Таким образом, здесь действует как бы своеобразный механизм усиления потока корпускулярного излучения. Это объясняется тем, что корпускулярные потоки от Солнца собираются со всего сечения магнитосферы, диаметр которой в несколько раз превышает диаметр Земли. Далее частицы могут накапливаться и ускоряться в магнитосфере. Это и создает возможность своеобразного усиления, так что в итоге поток энергии высыпающихся в атмосферу частиц может существенно превосходить поток энергии переменной коротковолновой части электромагнитного излучения, поглощающегося в верхней атмосфере Земли.

Следует отметить, что в ряде случаев увеличение корпускулярного потока при хромосферных вспышках играет в определенном смысле слова роль запускающего механизма. Действительно, величина геомагнитного возмущения зависит не только от солнечного фактора, но и от состояния магнитосферы. Поэтому благодаря неустойчивостям в магнитосфере отсутствует однозначная связь между величиной потока корпускулярного излучения Солнца и величиной геомагнитного возмущения. Непосредственное же влияние на процессы на Земле оказывает геомагнитное возмущение, и именно его нужно учитывать в конкретных исследованиях.

Наряду с высыпанием заряженных частиц в верхнюю атмосферу в результате геомагнитного возмущения в магнитосфере возникают магнитогидродинамические волны и быстрые пульсации магнитного поля у поверхности Земли.

Исследование магнитного поля Земли имеет длительную историю.

Изучение собственно геомагнитных пульсаций началось около ста лет назад. Было установлено непостоянство магнитного поля, выявлены движение магнитных полюсов и вековые вариации магнитного момента Земли. Фактически геомагнитные пульсации были первыми электромагнитными волнами, зарегистрированными человеком. В настоящее время в различных точках Земли ведется непрерывная запись величины напряженности магнитного поля. В пределах диапазона частот геомагнитных пульсаций 5 · 10–3 — 10 Гц наблюдается большое разнообразие различных колебательных режимов, различных типов пульсаций. Они носят специальные названия: жемчужины, шипения, всплески, завывания. Природа их определяется различными нестационарными процессами в магнитосфере, в частности движением протонов и электронов в магнитной ловушке. Сейчас делает первые шаги диагностика состояния магнитосферы на основе исследования пульсаций.

Как результат некоторых мощных хромосферных вспышек за счет резкого усиления солнечного ветра возникают магнитные бури, при которых вариации напряженности магнитного поля наиболее значительны. Они начинаются внезапно и одновременно на всем земном шаре. При средних магнитных бурях интенсивность вариаций ~100γ, во время сильных ~ 1.000γ, а в исключительных случаях (например, во время известной магнитной бури 4 августа 1972 г.) может достигать ~3.000γ. Магнитные бури сопровождаются изменениями в ионосфере Земли, ухудшением радиосвязи, появлением интенсивных полярных сияний. Измерение вариаций магнитного поля на Земле позволяет определить интенсивность магнитной бури, величину геомагнитного возмущения. В качестве конкретной численной характеристики бури используют индекс Ар — среднюю меру линейного планетарного возмущения напряженности магнитного поля в единицах 2γ.

 

 

Ход кривой изменения Ар, усредненного по годам, близок к соответствующей кривой для чисел Вольфа. На рис. 3 дано сопоставление индексов геомагнитной активности с ходом относительного числа солнечных пятен. Часто употребляется также квазилогарифмический индекс КР — планетарный индекс геомагнитной активности. Индексы КР публикуются начиная с 1940 г. Изменению КР от 1 до 9 соответствует изменение АР от 4 до 400.

Итак, в результате возрастания солнечной активности возникают геомагнитные возмущения, величина которых статистически связана с интенсивностью корпускулярных потоков от Солнца. В результате этих возмущений до Земли доходят электромагнитные волны низких частот, но это только малая часть энергии возмущения. Подавляющая часть энергии, обусловленной активностью Солнца, содержится в потоке высыпающихся частиц, интенсивность которого имеет градиент север — юг и варьируется в пределах 0,1—103 эрг/см2·с, а также в коротковолновом электромагнитном излучении, интенсивность которого равномерно распределена и варьируется в пределах 2—10 эрг/см2·с. Эта энергия поступает в верхнюю атмосферу, вызывая там целую совокупность различных процессов.

 

  • 1. Следует заметить, что любые аномалии магнитного поля Земли, приводящие к «провисанию» магнитного поля, например Бразильская аномалия, могут явиться местами повышенной концентрации высыпающихся частиц.

Добавить комментарий

Plain text

  • HTML-теги не обрабатываются и показываются как обычный текст
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.