3.2. Магнитосфера
Выше атмосферы и ионосферы чрезвычайно существенно влияние Солнца на ту неосязаемую магнитную оболочку - земную магнитосферу, которая как броня защищает нашу Планету от непрерывной бомбардировки ее атомными частицами солнечного ветра. Магнитосфера является результатом взаимодействия собственного магнитного поля Земли с магнитным полем и электрическими токами, порождаемыми солнечным ветром.
Начнем с рассмотрения магнитного поля Земли. В настоящее время поле, регистрируемое на поверхности Земли, может быть легко смоделировано в предположении о том, что где-то более или менее в центре нашей планеты находится магнитный диполь (стержневой магнит в виде железного бруска). На самом деле внутри ее, конечно же, нет никакого постоянного железного магнита: поле, по-видимому, генерируется и поддерживается электрическими токами, текущими внутри жидкого ядра Земли, но на поверхности и вне ее оно подобно полю стержневого магнита. Магнитный диполь Земли наклонен к оси ее вращения примерно на 11° и отстоит от действительного центра Земли приблизительно на 500 километров. В результате северный магнитный полюс находится в Гренландии, а южный - в Антарктиде. В нынешние времена напряженность поля уменьшается довольно медленно с постоянной скоростью. Если так будет продолжаться и дальше, примерно через 2000 лет поле обратится в нуль. Из исследований реликтового магнитного поля, зафиксированного в горных породах, мы знаем, что напряженность и направление геомагнитного поля изменялись на протяжении всего геологического периода жизни Земли. Магнитное поле Солнца меняет свое направление на противоположное каждые 11 лет вследствие той перестройки, которую испытывает динамо. Внутри Земли свойства магнитного поля изменяются значительно медленнее и, по-видимому, не являются регулярными.
Магнитное поле, измеренное в любой точке на поверхности Земли, складывается из собственного поля Земли и магнитного поля, связанного с Солнцем и тем веществом, истекающем из Солнца, которое при своем движении наталкивается на Землю или обтекает ее. Так как неистовое Солнце может меняться в течение минут, напряженность или направление измеряемого магнитного поля не являются строго постоянными.
Очень заметно меняется горизонтальная компонента поля, когда происходит сильное уменьшение его напряженности. Эти внезапные резкие спады напряженности поля, более известные под красочным названием "геомагнитных бурь", могут продолжаться несколько дней. В течение всего этого времени чувствительный магнитный компас ведет себя настолько неустойчиво, что его показания могут казаться ошибочными. Сейчас мы уже знаем, что эти бури не вызваны какими-то внезапными изменениями внутри нашей собственной планеты. Напротив, виновником является Солнце, так как флуктуации поля (и стрелки компаса) обусловлены приходом к Земле высокоскоростных потоков солнечной плазмы, выброшенных во время большой солнечной бури. Активные области могут существовать на Солнце в течение более чем одного солнечного оборота. В этом случае связанная с ними геомагнитная буря также может повториться снова через двадцать семь суток, составляющих полный оборот Солнца вокруг своей оси относительно Земли. Большие геомагнитные бури связаны также и с возмущениями в ионосфере, которые вызывают временное прекращение приема радио- и телевизионных передач, так как и бури, и возмущения в ионосфере определяются по существу одними и теми же солнечными явлениями.
Поскольку солнечный ветер постоянно обтекает нашу планету, он создает полость, заключающую внутри себя геомагнитное поле, которое в противном случае простиралось бы далеко в космическое пространство. По сравнению с самой Землей магнитосфера велика. Со стороны, обращенной к Солнцу, ее граница отстоит от Земли примерно на десять земных радиусов. Существует внешний пограничный слои, называемый магнитопаузой, толщиной примерно 100- 200 км. С ночной стороны нашей планеты магнитосфера очень сильно вытянута - на 1000 земных радиусов - подобно хвосту кометы. Фактически она незаметно сливается с межпланетным магнитным полем. На этой стадии наших рассуждений, возможно, будет полезным представить себе магнитосферу в виде окружающего Землю магнитного скелета. Сразу же за границей магнитосферы существует еще другая, особая область взаимодействия, называемая магнито-слоем-тело поверх скелета. Магнитослой-это область пространства, где частицы солнечного ветра обтекают магнитосферу. В саму магнитосферу частицы почти не проникают. На переднем крае магнитослоя, обращенного к Солнцу, существует стоячая ударная волна. Она напоминает ударную волну, или тот звуковой удар, который сопровождает сверхзвуковой самолет. Обычно, когда обладающая магнитным полем планета находится внутри потока солнечного ветра, ударный фронт возникает из-за того, что ветер обтекает планету со скоростью, большей скорости звука в ветре. Это в точности та же физическая ситуация, что и в случае ударной волны, возникающей, когда самолет движется быстрее скорости звука в воздухе. Одной из особенностей этой магнитной ударной волны вблизи Земли является то, что она того типа, который очень трудно создать в лаборатории: бесстолкновитель-ная гидромагнитная ударная волна.
Запущенные в дальний космос ракеты "Пионер-10 и -11" и космический корабль "Вояджер" проходили мимо Юпитера. Эта планета обладает значительно более протяженной, чем у Земли, магнитосферой. Полеты позволили получить независимую информацию о природе планетных магнитосфер. У Сатурна также есть магнитное поле, простирающееся далеко в космическое пространство.
Ту часть магнитосферы, которая обращена в направлении от Солнца, называют по-разному: "геомагнитный хвост", "магнитосферный хвост" или более просто "хвост магнитосферы". Хвост этот, скорее, напоминает две прижатые друг к другу трубки. В верхней трубке магнитное поле направлено к Солнцу, в нижней - от Солнца. Там, где две трубки соприкасаются, находится нейтральная область, так как противоположно направленные поля в большей или меньшей степени взаимоуничтожают друг друга.
Конечно, магнитосфера не является совершенно непроницаемым барьером - частицы отклоняются от своего пути вблизи Земли (мы уже упоминали о тех эффектах, которые они вызывают в ионосфере). Движение заряженных электрических частиц в дипольном магнитном поле Земли таково, что частицы с соответствующей энергией могут захватываться этим полем и почти бесконечно двигаться вокруг Земли в радиационных поясах. Внутренний радиационный пояс был открыт и его форма была выведена Дж. А. Ван Алленом в 1958 г. С помощью простых детекторов заряженных частиц на борту первого американского искусственного спутника "Эксплорер-1" не удалось зарегистрировать частицы выше 1000 км. Позднее лабораторные испытания и дальнейшие спутниковые наблюдения показали, что нулевой отсчет в действительности был всего лишь результатом того, что детекторы были полностью зашкалены в радиационных поясах. Внутренний пояс заполнен главным образом протонами, в то время как более протяженный внешний пояс содержит также и электроны.
Захват частиц радиационными поясами происходит вследствие того, что электромагнитные силы вынуждают заряженные частицы двигаться по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. Вблизи полков магнитного поля силовые линии сходятся вместе, образуя воронку, и на движущиеся по спирали частицы начинает действовать сила бокового сжатия. В результате образуется магнитное зеркало: частицы носятся взад и вперед от полюса к полюсу, проходя весь путь от одного полюса до другого самое большее за несколько секунд. Для того чтобы более ясно понять природу этих поясов, в 1958 и 1962 годах были выполнены эксперименты, которые в настоящее время кажутся безответственными. В космическом пространстве были взорваны ядерные бомбы с целью создать искусственные пояса заряженных частиц. В конце концов такая самодеятельность во внешнем космическом пространстве была прекращена международным соглашением. Взрыв, произведенный в рамках проекта "Старфиш" в 1962 г, создал радиационный пояс, который существовал в течение нескольких лет. Безрассудство этих упражнений стало особенно убедительным тогда, когда поняли, что в результате последствий этого взрыва несколько дорогостоящих спутников по существу были выведены из строя из-за повреждения панелей солнечных батарей. Другой аспект физической связи между Солнцем и Землей проявляется в виде мерцающего света полярных сияний. Связь явления полярных сияний с магнитной активностью на Земле в действительности была установлена еще в XVIII веке. Теперь мы уверены в том, что активное Солнце ответственно за оба этих явления и что недостаток солнечных пятен во время минимума Маундера сопровождался отсутствием наблюдаемых проявлений полярных сияний с 1645 по 1715 год.
Большая часть света полярных сияний излучается атомами водорода и молекулами азота, которые возбуждаются за счет столкновений с низкоэнергичными электронами. Возмущения магнитного поля в хвосте магнитосферы вытряхивают электроны из хвоста в направлении Земли, где они и высыпаются на высоких широтах в области магнитных полюсов. На самом деле электроны при своем движении концентрируются в тонких слоях, что придает многим сияниям характерный вид свисающих штор. В действительности же реальные формы полярных сияний классифицировать трудно, хотя ученые и называют их по-разному - дуги, ленты, лучи и вуаль. Размеры могут меняться в очень широких пределах. Обычно они наблюдаются на высотах 100-150 км и по горизонтали могут иметь размеры от десятков метров (лучи полярного сияния) до тысяч километров (дуги или полосы).
Зоны полярных сияний, в которых наблюдателями на Земле отмечена наибольшая активность, находятся на широтах 67° к северу и югу от экватора и имеют ширину около 6°. Действительные размеры овальной области вокруг магнитного полюса, в которой происходят сияния, меняются. Ночью она обычно удалена от полюса на 22° или около того; это противоречит общепринятой, но неправильной точке зрения о том, что полярные сияния происходят над геомагнитным полюсом. Они образуют широкий овал, окружающий полюс.
Вследствие той связи, которая существует между полярными сияниями, свойствами магнитосферы и солнечной активностью, проявления полярных сияний зависят от солнечного цикла, 27-суточного среднего периода вращения Солнца вокруг своей оси, времени года и общего уровня магнитной активности. Обобщая вышесказанное, можно сказать, что наиболее эффективные полярные сияния наблюдаются вблизи максимума солнечной активности. Цвет полярных сияний обычно красный или зеленый. Красный цвет излучается атомами кислорода, зеленый - молекулами азота. Излучение заметно также в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.