Магнитное поле Земли

Вначале рассмотрим, что собой представляет магнитное поле Земли. Ведь прежде всего от него зависит степень воздействия космических факторов на земную атмосферу, а также на жизнь и здоровье человека.

Магнитосфера Земли окружена интенсивной радиацией, которая за короткий срок способна разложить на ионы и электроны весь воздух в атмосфере Земли и привести к другим необратимым последствиям в биосфере и литосфере Земли, после чего жизнь на Земле была бы невозможной. Защищает нас от этой радиации магнитное поле Земли. Собственно, другой защиты от высокоэнергичной корпускулярной радиации в природе не существует. Если бы эта защита была безупречной, то здесь мы могли бы более подробно и не описывать, как устроена защитная оболочка Земли.

Но оказывается, что в магнитном поле Земли имеются слабые места, или дефекты, через которые часть солнечной радиации все же попадает в ее атмосферу. Эти дефекты в магнитной оболочке Земли характерны для определенных зон, расположение которых зависит от природы и конфигурации магнитного поля Земли. Зоны характеризуются особым космическим климатом, а космическая погода в этих зонах существенно отличается от таковой в других частях земного шара.

Что собой представляет магнитное поле Земли? Мы знаем, что намагниченный брусок всегда имеет два полюса — северный и южный или, другими словами, является диполем. Конфигурацию магнитного поля принято характеризовать магнитными силовыми линиями, которые имеют определенное направление (обозначаемое стрелкой), а плотность этих линий определяется величиной магнитного поля. Чтобы определить направление силовой линии магнитного поля, надо располагать компас в разных точках пространства вокруг магнита. Направление стрелки каждый раз и будет показывать направление силовой линии магнитного поля.

Кто из нас не помнит школьные опыты с магнитами и металлическими опилками? Тут каждая опилка — магнитная стрелка. В этих опытах магнитное поле диполя выглядит так: силовые линии магнитного поля выходят из одного полюса магнита и входят в другой полюс. По мере удаления от бруска напряженность магнитного поля очень быстро уменьшается.

Теперь представим себе, что такой брусок мы поместили внутрь школьного глобуса южным магнитным полюсом вверх (т. е. к северному географическому полюсу), а северным вниз. Далее этот магнитный брусок наклоним относительно географической оси так, чтобы между ними образовался угол в 11°, другими словами, разведем географические и геомагнитные полюса приблизительно на 1100 км на земном шаре. После такой манипуляции получится магнитный диполь, похожий на земной. Правда, у реального земного магнитного диполя смещены не только полюса. Центр диполя чуть-чуть не совпадает с центром земного шара, но для рассматриваемой здесь проблемы это несущественно. Магнитное поле такого диполя довольно несложно рассчитать.

Но реальное магнитное поле Земли отличается от поля диполя. Это вызвано действием на него солнечной корпускулярной радиации.

В экваториальной плоскости (посередине диполя) магнитные силовые линии идут параллельно поверхности Земли, тогда как ближе к полюсам они выходят из Земли на юге и входят в Землю на севере. Это отличие в направлении силовых линий магнитного поля является принципиальным. От того, как они направлены, зависит, насколько они способны противостоять солнечной корпускулярной радиации.

Чтобы магнитное поле служило защитой от солнечной корпускулярной радиации и вообще от любых частиц, которые имеют отрицательный или положительный электрический заряд, надо, чтобы оно было направлено поперек направления радиации. В низких широтах магнитное поле Земли направлено поперек потока радиации, и оно служит хорошей защитой от нее. К сожалению, чем ближе к полюсам, тем эта защита менее надежная. Там, где силовые линии магнитного поля вертикальны (на полюсах), они не способны оказывать противодействия радиации, и она без помех может “скатываться” вдоль силовых линий в атмосферу Земли.

Все было бы точно так, как здесь описано, если бы магнитное поле Земли было в точности полем диполя. На самом деле земной магнитный диполь располагается не в пустоте и вокруг него текут электрические токи, которые изменяют его магнитное поле. Извне на магнитное поле Земли действует сила давления солнечного ветра, т. е. солнечной плазмы.

Что собой представляет солнечная корпускулярная радиация, мы рассмотрим немного дальше. Здесь скажем только, что с поверхности Солнца непрерывно радиально во все стороны распространяется плазма, состоящая из ядер легких химических элементов, потоки которой назвали солнечным ветром. Этот солнечный ветер, подходя к магнитному полю Земли, деформирует его, как обычный ветер мог бы деформировать надутый воздухом шар. В результате магнитное поле Земли со стороны Солнца не простирается до бесконечности, как это было бы в случае идеального диполя, а поджато солнечным ветром до расстояния 10 земных радиусов (земной радиус равен 6.370 км).

Таким образом, с дневной стороны наш земной дом простирается в космос приблизительно на 63.700 км. Дальше магнитное поле Земли кончается и начинается настоящий космос, свойства которого совсем другие, чем в пределах магнитной оболочки Земли — магнитосферы. Этот космос внутри магнитосферы принято называть ближним космосом или околоземным космическим пространством. Это деление отнюдь не условное, так как дальний космос имеет совсем другие магнитные поля, другие характеристики заряженных частиц и т. д.

Солнечный ветер, который поджал с дневной стороны магнитосферу Земли, изменяет силовые линии магнитного поля на ночной стороне и вытягивает их в направлении своего движения от Солнца, как резинку рогатки. Так образуется шлейф, или хвост, магнитосферы, простирающийся на ночной стороне Земли на сотни земных радиусов. Таким образом, если идеальный магнитный диполь симметричен относительно магнитной оси, соединяющей полюса, то магнитное поле Земли очень сильно деформировано — ближе к Земле (на удалении 3 — 4 радиусов Земли) диполь остался почти нетронутым и магнитные силовые линии вращаются вместе с Землей, так же как и земная атмосфера, в то время как внешние силовые линии, вытянутые в хвост магнитосферы, не могут вращаться с Землей, они всегда вытянуты в ночном направлении. При этом приполюсные силовые линии на дневной стороне солнечный ветер выворачивает так, что они уходят на ночную сторону через полюс в хвост магнитосферы.

Если бы отсутствовал солнечный ветер, то самыми уязвимыми местами на Земле были бы области около полюсов, где магнитные силовые линии вертикальны. Но солнечный ветер как бы прикрывает эти области дневными силовыми линиями, которые он направляет через полюса в хвост магнитосферы. При этом на дневной стороне остается наиболее уязвимой полоса между силовыми линиями, замыкающимися через дневную и ночную стороны Земли. Из которого ясно, что с дневной стороны имеются две области, куда солнечная корпускулярная радиация может прорваться в верхнюю атмосферу, несмотря на магнитную защиту Земли. Видно также, что полярные шапки (области вокруг полюсов) защищены дневными магнитными силовыми линиями. Насколько солнечный ветер искажает магнитное поле Земли, видно из сопоставления рис. 1 и 2.

На ночной стороне Земли самые внешние силовые линии, за которые непосредственно “цепляется” солнечный ветер и которые вытянуты в хвост магнитосферы на сотни радиусов Земли, рвутся. После разрыва половинки силовой линии (южная и северная) снова срастаются (или схлопываются) и быстро устремляются обратно в направлении к Земле, захватывая с собой заряженные частицы. На место этих силовых линий в хвост магнитосферы поступают новые, которые только что были разорваны. Этот процесс продолжается непрерывно.

На рис.2 можно видеть, что на ночной стороне на широтах 70° севера и юга также есть силовые линии, которые упираются почти вертикально в поверхность Земли и, следовательно, не препятствуют вторжению радиации в верхнюю атмосферу. Таким образом, можно сделать вывод о том, что в определенных областях магнитное поле недостаточно хорошо защищает Землю и ее атмосферу от солнечной корпускулярной радиации. Эти уязвимые области представляют собой два овала, расположенных вокруг северного и южного геомагнитных полюсов, дневные части которых удалены от магнитного полюса на 10°, а ночные – на 20°. Ширина этого овала составляет всего несколько градусов, т. е. несколько сотен километров. Эти два овала являются теми местами, где располагается кухня космической погоды, где чаще всего видны северные и южные сияния, где на высоте 100 км текут электрические токи величиной в сотни тысяч ампер, где условия для здоровья человека в смысле влияния на него космической погоды неблагоприятные.

Мы установили, где расположены зоны плохой космической погоды на Земле и с чем связано их такое расположение. Далее необходимо проанализировать, что собой представляет солнечная корпускулярная радиация. Поэтому перейдем к рассмотрению выброса солнечной плазмы во время солнечных бурь.

(Мизун Ю. Г., Мизун П. Г. Космос и здоровье)