5. Магнитосфера земли

Магнитосфера Земли обладает собственным магнитным полем. Напряженность магнитного поля Земли на полюсах больше напряженности магнитного поля на экваторе. Причем магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами и со временем изменяют свое положение. Энергия магнитного поля Земли весьма значительна из-за ее размеров. Наша планета имеет примерно такое же магнитное поле, каким обладает высококачест­венный стальной шарообразный магнит диаметром 600 км. Для создания такого потока магнитной индукции, каким обладает Зем­ля, необходимо охватить земной шар по экватору проводником и пропускать по нему электрический ток величиной в 600 миллионов ампер.

Взаимодействие магнитного поля Земли с солнечным ветром создает магнитосферу Земли, которая представляет собой сложную структуру.

Магнитосфера и ионосфера Земли чувствительны к любым изменениям, происходящим в потоке солнечного ветра, который, в свою очередь, является чувствительным детектором возмущений, возникающих на Солнце. Существует тесная планетарная связь между жизнью в биосфере и солнечно-земными связями. При появлении возмущений в солнечном ветре, появляются эховые возмущения в магнитосфере Земли. В некоторых случаях эти возмущения длятся один-два часа. Механизм действия возмущений в магнитосфере имеет сложный характер и получил название суббури. При наложении во времени суббури превращаются в маг­нитные бури магнитосферы Земли. При этом возникает диссипация энергии в магнитосфере Земли, достигающая величины примерно 10¹¹ Вт. Это сопровождается джоулевым выделением теплоты в ионосферных токах, внедрением в верхнюю атмосферу Земли потоков заряженных и нейтральных частиц, приводящих к воз­никновению интенсивных полярных сияний на высотах 100–200 км. Интенсивность энерговыделения в полярных сияниях достигает 10^–2 – 10^–1 Вт/м² вдоль аврорального овала (от англ. auroral – напоминающий полярное сияние, вызванный полярным сиянием). При этом наблюдаются яркие полярные сияния.

В ионосфере возникают интенсивные токи. Поскольку движение заряженных частиц зависит от величины и направления силовых линий электрического и магнитного полей, от их временных зависи­мостей, от знака заряда и вектора скорости. Определение траектории каждой отдельной части­цы представляет чрезвычайно трудную задачу. Она уподобляется задаче по определению взаимодействия многих тел. Каждая заря­женная частица помимо действия полей испытывает при своем движении столкновения с другими частицами с непредсказуемым характером обмена импульсами. В настоящее время разработан механизм, объясняющий основные процессы взаимодействия солнечного вет­ра, магнитосферы и ионосферы Земли, в том числе и об­разование полярных сияний.

Из-за разных ускорений продольной и поперечной составляю­щих скоростей заряженных частиц при крупномасштабной конвек­ции плазмы образуется анизотропное распределение частиц по ско­ростям. Это приводит к возникновению волн в плазме с последу­ющим рассеиванием частиц на этих волнах (волны «свистов») и по­паданием частиц в магнитные ловушки. Затем заряженные частицы из этих ловушек попадают в атмосферу, вызывая ее свечение. Крупномасштабная конвекция расслаивается на мелкомасштабные неоднородности. Дуги полярных сияний являются проявлением мелкомасштабного расслоения. Образование дуг полярных сияний происходит от локального усиления продольного тока в результате внутримагнитосферных процессов. В продольном электрическом поле происходит ускорение электронов и по мере их продвижения к Земле и вторжения в атмосферу возникают дискретные формы полярных сияний. Для частиц высоких энергий, превышающих теп­ловую, области замкнутых геомагнитных линий являются геомаг­нитными ловушками. В них существуют потоки электронов и про­тонов с энергиями более 1 МэВ, которые образуют радиационный пояс. Во время магнитных бурь опасность этих радиационных поясов возрастает.

Магнитосфера Земли является источником радиоволн. При взаи­модействии электронов с магнитосферной плазмой на авроральных силовых линиях на больших высотах (около 5000 км) происходит авроральное километровое излучение (АКИ) с частотами 10² – 10³ кГц (гирочастота электронов) и мощностью во время магнитных суббурь 10⁹ Вт. Кроме АКИ магнитосфера Земли излучает постоян­но во времени волны в диапазоне от 0,5 кГц – 100 кГц с непрерыва­емым спектром. Природа этих волн объясняется синхронным излу­чением электронов радиационного пояса.

В магнитосфере Земли наблюдаются авроральные радиоотражения на коротких и ультракоротких волнах (КВ, УКВ), которые объясняются рассеиванием этих волн на неоднородностях плазмы в области полярных сияний.