Таково вкратце современное представление о стабильном Солнце. Сообщения о солнечных пятнах, заметных в виде помутнений на фотосфере, стали, вероятно, первыми историческими свидетельствами солнечной изменчивости. Несмотря на то, что случаи наблюдения отдельных больших пятен известны с античных времен, их "официальное" открытие датируется 1611 годом, когда изобретение телескопа позволило начать постоянные исследования. В середине XIX века немецкий ученый Рудольф Вольф, собрав практически все известные упоминания о пятнах, обнаружил примерно 11-летнюю периодичность их появления (сами пятна могут существовать по несколько месяцев). С тех пор количество пятен, посчитанное по особой формуле, - число Вольфа - служит основной характеристикой солнечной активности. В годы спокойного Солнца - в солнечный минимум - пятен практически нет, а во время максимума солнечной активности число пятен может достигать нескольких десятков.
Чтобы понять причины солнечной активности, нам придется познакомиться поближе с магнитным полем Солнца. В период минимума активности конфигурация солнечного магнитного поля близка к дипольной и похожа на форму магнитного поля Земли. При приближении к максимуму активности структура магнитного поля по не вполне понятным причинам усложняется. Одна из наиболее красивых гипотез гласит, что при вращении Солнца магнитное поле как бы навивается на него, постепенно погружаясь под фотосферу. Со временем, в течение как раз солнечного цикла, магнитный поток, накопленный под поверхностью, становится таким большим, что жгуты силовых линий начинают выталкиваться наружу. Места выхода силовых линий образуют пятна на фотосфере и магнитные петли в короне, видимые как области повышенного свечения плазмы на рентгеновских изображениях Солнца. Величина поля внутри солнечных пятен достигает 0,01 тесла, в сто раз больше, чем поле спокойного Солнца.
-6-
Интуитивно энергию магнитного поля можно связать с длиной и количеством силовых линий: их тем больше, чем выше энергия. При подходе к солнечному максимуму накопленная в поле огромная энергия начинает периодически взрывным образом высвобождаться, расходуясь на ускорение и разогрев частиц солнечной короны. Резкие интенсивные всплески коротковолнового электромагнитного излучения Солнца, сопровождающие этот процесс, носят название солнечных вспышек. На поверхности Земли вспышки регистрируются в видимом диапазоне как небольшие увеличения яркости отдельных участков солнечной поверхности. Однако уже первые измерения, выполненные на борту космических аппаратов, показали, что наиболее заметным эффектом вспышек оказывается значительное (до сотен раз) увеличение потока солнечного рентгеновского излучения и энергичных заряженных частиц - солнечных космических лучей. Во время некоторых вспышек происходят также выбросы значительного количества плазмы и магнитного поля в солнечный ветер - так называемых магнитных облаков, которые начинают быстро расширяться в межпланетное пространство, сохраняя форму магнитной петли с концами, опирающимися на Солнце. Плотность плазмы и величина магнитного поля внутри облака в десятки раз превосходят типичные для спокойного времени значения этих параметров в солнечном ветре.
Несмотря на то, что во время крупной вспышки может выделиться до 1025 джоулей энергии (поистине астрономическая величина), общее увеличение потока энергии в солнечный максимум невелико и составляет всего 0,1-0,2%. Можно сказать, что солнечная активность - это всего лишь гримаса на чистом и спокойном солнечном диске, обогревающем Землю. Но так же как выражение лица человека может иногда ранить больнее, чем какое-либо его действие, так и межпланетное пространство и окрестности Земли очень чувствительны к всплескам солнечной активности и их проявлениям в межпланетном пространстве - солнечным космическим лучам, магнитным облакам, коротковолновому электромагнит ному излучению. Посмотрим, что Земля может противопоставить в свою защиту. [5]
2.2 ЗЕМЛЯ
Если основной поток солнечного излучения в видимом и инфракрасном диапазоне необходим для существования биосферы, то солнечное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение губительно для живой материи. К счастью, практически все оно поглощается еще в атмосфере Земли при ионизации ее верхних слоев. Образующаяся в результате этого на высотах от 80 до нескольких сотен километров оболочка, в которой плазма соседствует с нейтральными атомами и молекулами, называется ионосферой. Ионосфера - ближайший к поверхности Земли слой, проводящий электричество. Она лежит на изоляторе - нейтральной атмосфере. В отличие, например, от солнечного ветра, ионосфера "умеет" проводить ток поперек силовых линий магнитного поля. Эту способность создают частые соударения ионов и электронов с нейтральными атомами, в большом количестве присутствующими на таких высотах. Сталкиваясь, заряженные частицы меняют
-7-
направление движения и переходят от одной силовой линии к другой, разрушая их изоляцию.
От потока солнечных космических лучей и солнечного ветра Землю защищает магнитный щит. Хотя эту оболочку невозможно увидеть, люди издавна пользовались земным магнитным полем для определения направления при помощи компаса. После догадки жившего в XVI веке английского физика Уильяма Гильберта, что Земля - огромный магнит, стало понятно, что геомагнитное поле существует и в околоземном пространстве. Если на ее поверхности величина магнитного поля составляет (3-5)ґ10-5 тесла, в зависимости от широты места измерения, то с удалением от Земли магнитное поле ослабевает пропорционально третьей степени расстояния и скоро становится достаточно слабым, чтобы ощущать воздействие межпланетной среды.
Солнечный ветер у орбиты Земли сильно разрежен и непостоянен - средняя концентрация частиц в нем составляет около 1-10 см-3, скорость - 250-1000 км/с, величина межпланетного магнитного поля - (1-10)ґ10-9 тесла. Так как заряженные частицы неохотно меняют силовые линии магнитного поля, поток солнечного ветра не смешивается с геомагнитным полем и околоземным плазменным населением, а обтекает их, образуя геомагнитную полость - магнитосферу Земли. Граница магнитосферы - магнитопауза - проходит там, где давление солнечного ветра уравнивается давлением геомагнитного поля. В подсолнечной точке она находится в среднем на расстоянии девяти радиусов Земли (55-60 тысяч километров) от ее центра. Полное усилие, которое солнечный ветер оказывает на магнитосферу, ничтожно, оно примерно равно весу воды в большом бассейне, но тем не менее внешние области магнитосферы, заполненные слабым геомагнитным полем, сильно искажены относительно начальной - дипольной - формы. Со стороны Солнца (дневной стороны) магнитосфера сплющивается, а с противоположной - ночной - вытягивается, образуя магнитный хвост, тянущийся на сотни радиусов Земли, более миллиона километров. А поскольку поток солнечного ветра сверхзвуковой, то перед магнитосферой, как перед сверхзвуковым самолетом, образуется ударная волна.
Внешняя магнитосфера содержит разреженную (менее 1 см-3) плазму солнечного и ионо-сферного происхождения, нагретую до миллионов и сотен миллионов градусов. Но при таких низких плотностях понятие температуры как меры теплоты объекта, находящегося в термодинамическом равновесии, становится бессмысленным и вместо температуры используют величину средней энергии заряженных частиц, выраженную в электрон-вольтах (эВ). Частица с единичным зарядом приобретает (или теряет, в зависимости от знака заряда) один электрон-вольт энергии, пройдя разность потенциалов 1 В. Температура плазмы в этих единицах составляет от 1 до 100 килоэлектрон -вольт (кэВ).
Несмотря на то, что полная масса горячих частиц внешней магнитосферы составляет всего около тонны, их роль в построении магнитосферы очень важна. Только простейшие конфигурации магнитного поля типа дипольной могут существовать в пространстве сами по себе, в создании же более сложных форм, к которым принадлежит и магнитосфера, согласно уравнениям Максвелла , должны
-8-
участвовать электрические токи. Такую замкнутую систему токов, текущих по большей части в местах резких изменений направления магнитного поля - вокруг Земли вдоль магнитопаузы (ток Чепмена-Ферраро), поперек магнитного хвоста и некоторых других, и формируют частицы плазмы.
В целом влияние солнечного ветра на магнитосферу достаточно сильно, но ее форма искаженного диполя всегда сохраняется. Так как частицы легко передвигаются вдоль силовых линий магнитного поля, особенности различных областей магнитосферы проецируются вдоль линий и на малые высоты, в ионосферу. Силовые линии из более удаленных областей подходят к Земле в более близких к полюсам районах. Приполярные районы - "полярные шапки" - всегда заполнены так называемыми "открытыми" силовыми линиями, другой конец которых уходит в межпланетное пространство. Все более близкие к экватору силовые линии замкнуты, и оба их конца упираются в Землю. Линии, наиболее удаленные точки которых находятся в окрестностях магнитопаузы и в магнитном хвосте - самых динамичных областях магнитосферы, сильно реагирующих на изменения в солнечном ветре, подходят к Земле в зонах так называемого аврорального овала, расположенных на 65-72 градусах магнитной широты. (Здесь надо помнить, что магнитные полюса смещены относительно географических и южный магнитный полюс находится на севере канадского архипелага, в точке с координатами 71° северной широты и 265° долготы). В экваториальной области к Земле подходят линии из более стабильной внутренней магнитосферы, сохраняющей дипольную конфигурацию поля.