2.6. Магнітосфера і радіаційний пояс Землі та пов’язані із ними геофізичні явища

Багато важливих процесів та явищ у верхній атмосфері нашої планети, зокрема полярні сяйва, відбуваються унаслідок взаємодії потоку заряджених частинок із сонячної корони ¹¹ з магнітним полем Землі. Безперервне радіальне витікання плазми від Сонця утворює так званий сонячний вітер. В районі земної орбіти середня швидкість частинок сонячного вітру (протонів та електронів) становить близько 400 км/с, а їх концентрація – декілька десятків в 1 см³.

Магнітосфера Землі. Область навколоземного космічного простору, де магнітне поле Землі перевищує міжпланетне магнітне поле і здатне захоплювати заряджені частинки сонячного вітру, називається магнітосферою Землі. Середній діаметр магнітосфери Землі у перпендикулярній до сонячних променів площині перевищує 90 тис. км. У процесі взаємодії з магнітним полем Землі, сонячний вітер обтікає його та спотворює, зсовуючи зовнішні силові лінії цього поля з денної сторони на нічну. Саме тому магнітосфера Землі має дуже несиметричну будову. Передня, орієнтована у напрямку Сонця, частина магнітосфери помітно сплющена, а задня її частина представлена дуже витягнутим хвостом, або шлейфом, який простягається далеко за межі орбіти Місяця.

Швидкі заряджені частинки з космосу і від Сонця, наближаючись до Землі, уже на відстані декількох радіусів Землі захоплюються її магнітним полем, відхиляються від напрямку свого польоту і починають рухатися по спіралевидним траєкторіям уздовж магнітних силових ліній від одного магнітного полюса до іншого. Заряджені частинки, які потрапили у своєрідну пастку магнітного поля Землі, володіють великою кінетичною енергією та проникністю, а тому представляють значну небезпеку для екіпажів космічних кораблів.

Радіаційний пояс Землі (РПЗ). У внутрішній частині магнітосфери знаходиться зона стійкого захоплення заряджених частинок, яка називається внутрішнім радіаційним поясом. Її утворюють потоки протонів високих енергій (від 20 до 800 МеВ) та електрони з енергією від 20 кеВ до 1 МеВ. Внутрішня зона РПЗ починається на висоті 2 400 км, закінчується на висоті 5 600 км й розташована між широтами ±(35÷45)°. Над нею розташований зовнішній радіаційний пояс, представлений потоками протонів з енергіями до 30 МеВ та електронів з енергіями 40–100 кеВ. Він опускається до Землі у вигляді відрогів до висот 200–300 км над геомагнітними широтами ±(50÷60)°.

Поділ радіаційного поясу на внутрішній і зовнішній є умовним, оскільки особливості просторового розташування різних частинок визначаються передусім їх енергією, а не особливостями складу.

РПЗ нагадує гігантський бублик, який оперізує Землю навколо її геомагнітного екватора. Межі РПЗ, концентрація й енергія частинок у ньому не є сталими. Вони залежать від сонячної активності, від магнітного поля Землі й особливо від хромосферних спалахів на Сонці. При цьому виникають магнітні бурі ¹², порушується стаціонарний рух частинок у магнітному полі і відбувається своєрідне "висипання" частинок з РПЗ на Землю уздовж магнітних силових ліній. Особливо це помітно у полярних широтах (>60°).

У полярних областях РПЗ звичайно відсутній, але після великих хромосферних спалахів на Сонці і в цих районах з'являються потоки сонячних корпускул, "висипання" яких на Землю уздовж магнітних силових ліній супроводжується виникненням полярних сяйв.

Полярні сяйва – надзвичайно видовищне геофізичне явище, яке проявляється у спорадичному світінні розрідженого повітря на висотах від 60–80 до 1 000 і більше кілометрів під впливом заряджених частинок позаземного походження (головним чином корпускулярної радіації Сонця), які проникають туди з верхніх шарів атмосфери при швидких коливаннях магнітного поля Землі. Встановлено, що чим інтенсивніше сяйво, тим нижче розташована його основа.

Зазвичай виділяють чотири основні форми полярних сяйв:

• однорідна дуга – має велику протяжність у напрямку схід – захід, її довжина сягає тисяч кілометрів. Нижній край дуги знаходиться, як правило, на висоті 100–150 км. Однорідні дуги мають білувато-зелений, а також червонуватий або ліловий колір;

• промені – представляють собою щільні вертикальні лінії, які випромінюють світло. Усі разом вони утворюють променисту смугу, яка має зеленуватий колір. Знизу смуга має рожево-оранжевий обідок;

• драпрі або стрічкоподібна – нагадує складки театральної завіси, які можуть закручуватись у своєрідні спіралі. Цю форму полярних сяйв Рокуелл Кент називав ще "покривалом Ізольди". Висота драпрі пересічно становить від 100 до 400 км, а переважаючими кольорами його є зеленувато-синій з переходом у рожевий і червоний тон у нижній частині;

• дифузійні плями – за своїм зовнішнім виглядом схожі на величезні хмари, які випромінюють м'яке червонувате світло.

Полярні сяйва належать до надзвичайно мінливих явищ природи. Їхня форма, інтенсивність світіння, розташування на небі, забарвлення можуть безперервно змінюватися. Тривалість явища також змінюється у широких межах – від декількох секунд до багатьох годин.

Розвиток полярних сяйв розпочинається зі спокійних форм (звичайно з однорідних дуг), які спочатку переходять у рухливі форми (променисті), а потім у дифузійні плями. Однак багато форм полярних сяйв зникають, не встигнувши розвинутися до плями. У процесі розвитку одних форм сяйв можуть утворюватися інші:

а) пульсуючі сяйва – швидкі варіації інтенсивності (яскравості), які іноді збігаються з пульсаціями геомагнітного поля. Виникають після активної фази розвитку дифузійних сяйв;

б) полум'яні сяйва – світлові хвилі, які піднімаються одна за іншою й охоплюють одночасно великі площі. Це явище спостерігається після розпаду сяйв;

в) корона – паралельні промені, які поширюються уздовж силових ліній геомагнітного поля і в перспективі сходяться у геомагнітному зеніті;

г) мантійні форми – дифузійні сяйва з максимальною інтенсивністю у ранкові і денні години, які поширюються по усьому небу. Часто служать тлом для інших форм сяйв. У періоди максимальної сонячної активності і магнітних бур інтенсивність їх підвищується;

д) сяйва типу полярної шапки – відносно слабкі і нестійкі променисті дуги та окремі пучки променів, витягнуті у напрямку до Сонця. Утворюються у навколополярній області, звідси їхня назва.

Полярні сяйва у Північній півкулі здебільшого рухаються на захід зі швидкістю близько 1 км/с. Верхні шари атмосфери в області сяйв помітно нагріваються, що призводить до появи висхідних потоків газу. Унаслідок цього на великих висотах зростає густина повітря. Сяйва також супроводжуються великомасштабними вихровими потоками, унаслідок чого індукуються сильні магнітні поля і розвиваються магнітні бурі. Яскраві спалахи сяйва можуть супроводжуватися звуками, схожими на тріщання. Сильні зміни в іоносфері позначаються на якості радіозв’язку. Він здебільшого погіршується.

Ще наприкінці XIX ст. за багаторічними спостереженнями було встановлено, що максимальна частота появи полярних сяйв спостерігається у двох кільцевих зонах (у Північній і Південній півкулях), які віддалені від геомагнітних полюсів на 20–25°. У центрі цих зон (на широті приблизно 67°) полярні сяйва видно у зеніті, на північ від центра (у Північній півкулі) їх видно у південній частині неба, на південь від центра – у північній частині неба. За межами зон полярних сяйв із наближенням до екватора частота появи сяйв швидко зменшується. У середніх широтах полярні сяйва пов'язані із сильними магнітними бурями.

В середині XX ст. було встановлено і потім підтверджено спостереженнями з космосу, що полярні сяйва найчастіше з'являються в овальній зоні, розташованій асиметрично відносно геомагнітного полюса: на відстані від полюса 23° на нічній стороні і 15° – на денній стороні Землі. Якщо дивитися на Землю з космосу, то овал полярних сяйв представляє собою світне кільце, яке нерухомо висить у просторі. Зараз доведено, що полярні сяйва постійно існують на нічній і на денній ділянках аврорального овалу навіть у періоди низької сонячної активності.

Із середини XX ст. проводяться й масштабні космічні експерименти з вивчення зон захоплення заряджених частинок і створення штучних полярних сяйв. Комплексні дослідження полярних сяйв не тільки дозволяють краще зрозуміти причини і механізми їх виникнення, але й дають унікальну можливість вивчати структуру магнітного поля Землі, процеси в іоносфері та їх вплив на погоду.