Магнитосферная буря | Книги о космосе


High Star

Магнитосферная буря

Магнитосферная буря

Во время солнечной бури из Солнца выбрасываются потоки солнечной корпускулярной радиации. Эти потоки достигают орбиты Земли за полтора-двое суток и, наталкиваясь на магнитосферу Земли, поджимают ее с дневной стороны. Дальше поток солнечной плазмы обтекает магнитосферу Земли, создавая на ее границе электрические токи. Радиация солнечного потока проникает внутрь магнитосферы через воронки в магнитном поле — дневные полярные каспы, на удалении около 10° от Северного и Южного геомагнитных полюсов. Кроме того, солнечная плазма проникает в хвост магнитосферы. Заряженные частицы внутри магнитосферы изменяют характер своего движения, энергию, распределение по питч-углам. Это нарушает условия их захвата в геомагнитное поле, и часть из них высыпается в высоких широтах в верхнюю атмосферу.

Нас интересует вопрос, как весь этот комплекс процессов будет влиять на животные организмы и прежде всего на здоровье человека. Из дальнейшего мы увидим, что отнюдь не достаточно одного только факта наличия магнитной бури и полярных сияний. Магнитная буря на различных стадиях своего развития имеет различный характер возмущенного магнитного поля. Это относится и к короткопериодическим колебаниям геомагнитного поля, которые особенно тесно связаны с состоянием организма человека. Поэтому нам необходимо достаточно детально рассмотреть, как протекает магнитосферная буря, ее характерные черты на разных фазах ее развития.

То, что время от времени на Земле бывают магнитные бури, было установлено очень давно по поведению стрелки компаса. В отсутствие солнечных и магнитных бурь стрелка компаса направлена на север. Но в отдельные периоды, длящиеся полтора-двое суток, она сильно колеблется. Затем снова успокаивается и показывает по-прежнему на север.

Более детально это видно по записям магнитного поля Земли с помощью приборов — магнитометров. Эти записи называются магнитограммами. Если магнитной бури нет, то записи всех трех составляющих магнитного поля представляют собой плавные кривые. Когда же наступает магнитная буря, форма кривых резко меняется. Наибольшие изменения происходят в высоких широтах.

магнитограмма магнитной бури
Рис. 11. Магнитная буря 25-26 января 1938 года на Диксоне, когда наблюдалось полярное сияние

На рис. 11 показана магнитограмма, полученная 25 — 26 января 1938 г. на Диксоне. Видны составляющие магнитного поля Н, Z и D. Отсчет их величин ведется от осей Н0, Z0 и D0 соответственно. Цифрами наверху обозначены часы, гринвичское (мировое) время.

Из магнитограммы видно, насколько сильно меняется характер всех трех составляющих магнитного поля после начала магнитной бури в 11 ч. Кроме этих, достаточно медленных изменений магнитного поля, происходят и более быстрые его колебания. Эти короткопериодические колебания магнитного поля (КПК), или геомагнитные микропульсации, тесно связаны с состоянием живых организмов. Поэтому мы приведем их характеристики.

Все микропульсации поделены в зависимости от их периода на типы следующим образом:

Устойчивые микропульсацииПериод, с
Рс10,2 — 5
Рс25 — 10
Рс310 — 45
Рс445 — 150
Рс5150 — 600
Нерегулярные пульсацииПериод, с
Рi12 — 40
Рi240 — 150

Микропульсации Pi2 наблюдаются в средних широтах тогда, когда в высоких широтах имеют место возмущения магнитного поля. Наиболее сложный характер имеют микропульсации, которые наблюдаются вдоль зоны полярных сияний. Внешний вид записи микропульсаций различных периодов показан на рис. 12.

Примеры различных видов пульсаций сияний и одновременных геомагнитных пульсаций
Рис. 12. Примеры различных видов пульсаций сияний и одновременных геомагнитных пульсаций

Укажем, что отдельные типы микропульсаций, приведенные выше, имеют и другие, широко распространенные названия. Так, пульсации типа Рс1 принято называть «жемчужинами» из-за сходства внешнего вида записи последовательности групп этих микропульсаций с жемчужинами, нанизанными на нитку. Сочетание пульсаций Pi1 и Pс1 называют КУП — колебаниями убывающего периода; типы Рс4 и Рс5 называются гигантскими пульсациями, а тип Pi1 еще называют SIP — короткими нерегулярными пульсациями. Мы приводим эти сведения, чтобы облегчить сопоставление этих данных с состоянием биологических объектов.

Что такое микропульсации? Это обыкновенные электромагнитные волны (как и видимый свет, радиоволны), только имеющие сверхнизкие частоты. Частота этих волн меньше частоты вращения положительных ионов вокруг магнитных силовых линий, т. е. гирочастоты. В таком случае эти волны, распространяющиеся в ионизованном газе, называют магнитогидродинамическими.

Изменение горизонтальной составляющей геомагнитного поля во время сильной магнитной бури.
Рис. 13. Изменение горизонтальной составляющей геомагнитного поля во время сильной магнитной бури. Время бури отсчитывается от момента внезапного начала

Рассмотрим, как же проявляется магнитосферная буря в различных местах на земной поверхности. Изменение горизонтальной составляющей (составляющей полного вектора геомагнитного поля в горизонтальной плоскости) во время типичной геомагнитной бури показано на рис. 13. Имеются бури с внезапным началом Sc. Такая буря показана на рис. 11. Другой тип бурь имеет постепенное начало. На рис. 13 показано изменение горизонтальной составляющей геомагнитного поля во время сильной магнитной бури. Интенсивность возмущения показана в гаммах (γ). Напомним, что одна γ равна одной стотысячной гаусса.

Время бури отсчитывается от момента внезапного ее начала. Видно, что первые 2 ч горизонтальная составляющая увеличилась относительно спокойного уровня. Этот период принято называть начальной фазой геомагнитной бури. Затем наблюдается резкий спад величины Н. Резкий спад поля и затем резкое его восстановление продолжаются около 12 ч. После этого наступает медленное восстановление магнитного поля, которое продолжается в течение нескольких суток.

Такова форма изменения (вариации) геомагнитного поля во время мировой магнитной бури, регистрируемая в средних и низких широтах. Чем вызваны эти изменения? Считается, что начальная фаза бури, когда магнитное поле относительно спокойного уровня увеличивается, вызвана обжатием магнитосферы потоком солнечной плазмы, выброшенной из Солнца во время солнечной бури. Главная фаза бури, когда магнитное поле резко уменьшается, вызвана кольцевым электрическим током вокруг Земли на удалении нескольких радиусов Земли от ее центра. Этот ток создается дрейфом электронов на восток, а протонов — на запад. Сам ток поэтому направлен с востока на запад. Магнитное поле, создаваемое этим током, согласно правилу буравчика на поверхности Земли направлено с севера на юг, т. е. противоположно магнитному полю Земли. Поэтому его наложение приводит к уменьшению геомагнитного поля (ведь оно должно вычитаться из геомагнитного поля). Так выглядит магнитная буря по записи магнитометров в средних широтах.

В высоких широтах, где заряженные частицы солнечной и магнитосферной плазмы имеют возможность вторгаться непосредственно в атмосферу Земли, картина намного сложнее. Чтобы ее нарисовать и понять, нам надо начать все сначала, т. е. с магнитосферы, и проследить за движением этих частиц и за тем, к каким последствиям их высыпание приведет.

Когда составляющая межпланетного магнитного поля (ММП), перпендикулярная плоскости эклиптики, направлена противоположно геомагнитному полю (которое направлено с юга на север), то наиболее часто имеют место магнитные бури. Такое направление ММП создает благоприятные условия для возникновения геомагнитной бури на Земле. Мы говорили, что изменение магнитного поля в высоких широтах во время мировой магнитной бури отличается от такого в средних широтах. За время одной мировой бури в высоких широтах наблюдается целая серия маленьких бурь, или суббурь (подбурь). Продолжительность этих суббурь составляет от получаса до 2 ч.

Таким образом, процессы в магнитосфере носят импульсный характер. Это не удивительно, поскольку межпланетное поле непостоянно, а свойства самой плазмы солнечного ветра крайне неоднородны и нерегулярны. Мы видели раньше, что Земля проходит через секторы, магнитное поле в которых направлено противоположно друг другу. Начнем с того, что Земля вошла в такой сектор околосолнечного пространства, в котором составляющая межпланетного магнитного поля, перпендикулярная плоскости эклиптики, направлена с севера на юг.

Многие суббури начинаются менее чем через час после перемены направления ММП. Силовые линии ММП и магнитного поля Земли пересоединяются и уносятся с дневной стороны на ночную, т. е. в хвост магнитосферы. Граница магнитосферы с дневной, подсолнечной стороны (магнитопауза) будет двигаться к Земле. При движении магнитопаузы к Земле происходит смещение областей свечения в Северном и Южном полушариях в направлении экватора (на несколько градусов, т. е. несколько сот километров). Магнитное поле в хвосте магнитосферы в этот период увеличивается за счет обжатия магнитосферы потоком солнечной плазмы.

Затем по истечении менее 1 ч в хвосте магнитосферы начинается движение плазмы по направлению к Земле. Плазма в хвосте магнитосферы образует своеобразный слой, который разделяет хвост на северную и южную части. Этот слой называется плазменным слоем. В этом плазменном слое течет электрический ток поперек хвоста с утренней стороны на вечернюю величиной 10 млн. А.

Магнитосферная плазма связана с верхней атмосферой высоких широт силовыми линиями магнитного поля, вдоль которых заряженные частицы легко перемещаются в атмосферу. Правда, для этого они должны иметь небольшой угол с магнитным полем, чтобы не отразиться обратно, а попасть в конус потерь. Поэтому движениям полярных сияний соответствуют четко определенные движения областей тех частиц, которые вызывают полярные сияния. Процессы, которые проходят при магнитосферной суббуре, чем-то напоминают то, что происходит в электронно-лучевой трубке. Полярные сияния во время магнитосферной суббури соответствуют свечению на экране катодно-лучевой трубки, который светится при бомбардировке его потоком электронов. Верхняя атмосфера высоких широт соответствует этому экрану.

Суббуря начинается с того момента, когда дуга полярного сияния на ночной стороне овала полярных сияний (на его экваториальном краю) резко уярчается и начинает двигаться к северу. Это происходит тогда, когда начинается движение плазменного слоя в хвосте магнитосферы по направлению к Земле.

При этом плазменный слой уменьшается по толщине и движется к Земле вдоль всего хвоста магнитосферы. Затем слой появляется снова, вначале ближе к Земле, а затем и на больших удалениях от Земли.

Когда полярные сияния становятся ярче и быстро двигаются по направлению к полюсу, возникает интенсивный электрический ток в ионосфере на высоте 100 км над поверхностью Земли. Он направлен с востока на запад и имеет силу в десятки тысяч ампер. Магнитное поле западного тока (кольцевой ток также направлен на запад) направлено с севера на юг. Поэтому магнитометры зарегистрируют уменьшение горизонтальной составляющей магнитного поля. По форме оно напоминает ход мировой магнитной бури (см. рис. 13), но по времени это бухтообразное (напоминает очертания морской бухты) возмущение магнитного поля длится всего час или два. Это отрицательная бухта, вызванная западной электроструей. Электроструя также движется по направлению к полюсу. Западная струя в ионосфере на высоте 100 км связана с электрическим током в плазменном слое в хвосте магнитосферы вдоль магнитных силовых линий. Считается, что силовые линии магнитного поля имеют бесконечно большую проводимость для электрического тока.

Токовая система, которая возникает в высоких широтах на высоте 100 км во время магнитосферной суббури, показана на рис. 14.

эквивалентная токовая система полярной магнитной суббури. По Я. И. Фельдштейну
Рис. 14. Эквивалентная токовая система полярной магнитной суббури. По Я. И. Фельдштейну

В полуночном секторе видны направленные на запад электрические токи. В вечерние часы возникает менее интенсивная электроструя обратного направления (с запада на восток). Ее наличие магнитометры будут регистрировать как увеличение горизонтальной составляющей магнитного поля, т. е. положительную бухту.

Мы описали, как развивается одна суббуря в магнитном поле высоких широт. Основным ее элементом является электроструя в высоких широтах (в полуночно-утреннем секторе), направленная с востока на запад. За одну ночь может произойти пять-шесть таких суббурь. Тогда в средних и низких широтах будет наблюдаться мировая магнитная буря. Дело в том, что за время каждой отдельной суббури будет наполняться протонами кольцевой ток. А уменьшение магнитного поля в главную фазу магнитной бури и происходит в результате увеличения интенсивности кольцевого тока.

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