Взаимодействие солнечной плазмы с магнитным полем Земли

Что произойдет, когда поток солнечной плазмы достигнет орбиты Земли?

Всякое движущееся тело обладает кинетической энергией, которая тем больше, чем больше масса тела. Эта энергия увеличивается с увеличением скорости тела (как квадрат скорости тела). Если мы имеем дело с газом, то следует рассматривать число частиц в единице объема (скажем, в 1 см3) и скорость движения этого объема. Тогда мы будем иметь дело с плотностью кинетической энергии данного газа. В нашем случае таким газом является солнечная плазма, которая обладает определенной плотностью кинетической энергии и способна оказывать давление на любые встречающиеся на ее пути препятствия. Таким препятствием является магнитное поле Земли. Когда солнечная плазма подходит к магнитному полю Земли, она оказывает на него давление, которое зависит от скорости потока плазмы и от ее плотности (числа заряженных частиц в 1 см3 потока).

Как же реагирует магнитное поле на налетающий на него поток заряженных частиц (плазмы)?

Оно оказывает противодействие этому давлению. Наступает момент в этом противодействии, когда оба давления уравновешиваются. Тогда граница магнитосферы с дневной стороны, поджатая потоком солнечной плазмы, останавливается на данном удалении от Земли. Поток солнечной плазмы, остановленный магнитным полем Земли, не имеет возможности продолжить движение прямо. Остановиться он также не может, так как испытывает давление поступающей от Солнца плазмы. Он обтекает магнитную оболочку Земли и продолжает двигаться дальше. Земля же со своей магнитосферой оказывается внутри этого потока радиации, и единственной ее защитой от солнечного ветра является магнитосфера.

К сказанному следует добавить, что при подходе потока солнечной плазмы к магнитосфере образуется так называемая ударная волна (волна, образующаяся при ударе). Не будем более подробно анализировать физику этого явления, поскольку для рассматриваемой нами проблемы это не очень существенно. Скажем только, что это напоминает подход к берегу морской волны. Волна начинает «ломаться», терять свою форму. При постоянном подходе морских волн у берега всегда имеется полоса разбитых волн, если можно так сказать, переходная полоса.

Так же и у границы магнитосферы имеется переходный слой, в котором частицы плазмы имеют не те свойства, что в солнечном ветре, но и не те, что внутри магнитосферы.

На рис. 6 показано положение фронта (переднего края) ударной волны, устойчивая граница магнитосферы, а также область нерегулярного магнитного поля в переходном слое. Рис. 6 показывает сечение в экваториальной плоскости. Пространственно картина выглядит так, как это показано на рис. 7. Кружочком в центре рисунка обозначена Земля.

Из приведенных рисунков 6 и 7 может создаться впечатление, что вся солнечная плазма обтекает магнитосферу Земли и сама Земля надежно защищена от этой радиации своим магнитным полем. На самом деле это далеко не так. Во-первых, при обтекании магнитосферы потоком солнечной плазмы по ее поверхности текут электрические токи, наличие которых не может быть не замеченным на Земле. Напомним, что любой электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, которое, естественно, тем меньше, чем дальше от тока мы его измеряем.

Во-вторых, конфигурация силовых линий магнитного поля такова, что в Северном и Южном полушариях имеются своего рода воронки, которые принято называть английским словом «каспы» (что по-русски означает «мешки»). Через них часть солнечной радиации способна проникать в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу Земли. На рис. 8 показано положение этих воронок (каспов). Существование их было предсказано теоретически на основании анализа магнитного поля Земли, а затем подтверждено измерением со спутника (на рис. 8 показана и траектория спутника, который впервые зарегистрировал дневные каспы в магнитосфере Земли).

Мы говорили неоднократно, что заряженные частицы обязательно взаимодействуют с магнитным полем. Поэтому при обтекании магнитосферы частицы солнечной плазмы испытывают вязкое взаимодействие с магнитными силовыми линиями и вытягивают их далеко в антисолнечном направлении (т. е. на ночную сторону). Так образуется с ночной стороны шлейф, или хвост, магнитосферы. Это место также уязвимо для проникновения солнечной радиации. Попадающие в хвост магнитосферы заряженные частицы образуют там плазменный слой, который является своего рода резервуаром, откуда во время магнитосферных бурь (которые, в свою очередь, связаны с солнечными бурями) эти частицы поступают в верхнюю атмосферу высоких широт Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают в высоких широтах полярные сияния, ионосферные токи и другие явления. Поэтому рассмотрим подробнее ту радиацию, которой «начинена» магнитосфера.

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