Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой

 

Рис. 2. Деформация магнитосферы Земли под действием солнечного ветра

 

Земной шар находится относительно близко от Солнца - всего на расстоянии ста его диаметров. С одной стороны, это надо рассматривать как счастливое обстоятельство - ведь Солнце является важным источником энергии, питающим все процессы, происходящие на Земле. С другой стороны, близость к Солнцу создает фактор опасности, поскольку мы оказываемся под достаточно сильным действием всего того, что испускает наше светило. А испускает оно, во-первых, электромагнитное излучение и, во-вторых, потоки заряженных частиц - электронов, протонов и в небольшой мере альфа-частиц. Потоки этих частиц представляют собой истечение плазмы солнечной короны. Их называют солнечным ветром.

Что же защищает нашу планету от солнечного ветра? Ее защищает магнитосфера Земли. Что представляет собой земная магнитосфера?

Исследования с космических аппаратов показали, что на больших расстояниях от Земли магнитосфера имеет весьма сложную структуру, определяемую взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром. Плазма солнечного ветра, накатываясь на магнитное поле, как на препятствие, деформирует его в сторону Земли. Поток "давит" на поле, а упругие магнитные силовые линии оказывают сопротивление этому потоку. Чем больше давление солнечного ветра, тем ближе к Земле он поджимает магнитную оболочку.

При встрече солнечного ветра с "препятствием" в виде геомагнитного поля образуется головная волна, сечение ее фронта в виде кривой с дневной стороны, где граница магнитного поля Земли находится в плоскости экватора. На ночной же стороне линии геомагнитного поля оказываются отброшенными далеко от Земли, образуя очень длинный магнитосферный хвост.

С помощью космических аппаратов удалось выяснить, что вокруг Земли существуют радиационные пояса - области магнитосферы с относительно высокой концентрацией электронов и ионов с большой энергией. С заряженными частицами, попадающими в радиационные пояса Земли, связано такое явление как полярное сияние.

Отметим, что геомагнитное поле вращается вместе с планетой. Поэтому конфигурация каждой из высокоширотных силовых линий непрерывно изменяется в течение суток - она трансформируется от замкнутых квазидипольных линий в утренние часы к разомкнутым и вытянувшимся в магнитосферный хвост линиям в вечерние и ночные часы.

Геомагнитные вариации

 

Об временной изменении магнитного поля Земли судят по современным наблюдениям геомагнитного поля, а также по данным об естественной остаточной намагниченности разновозрастных горных пород. Изменения бывают регулярные - повторяющиеся ежесуточно, и нерегулярные - быстрые, неупорядоченные.

Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно за счет токов в ионосфере Земли, определенных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные вариации магнитного поля возникают в результате влияния потока солнечной плазмы на магнитосферу Земли, а так же перемени взаимодействия с ионосферой. Выделяют:

· 27-дневные вариации проявляются как тенденция к повторению

умножения геомагнитной активности через каждые 27 дней, относящихся периоду вращения Солнца пропорционально земному наблюдателю. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, высматриваемых в течение определенного числа оборотов Солнца. Оно проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

· Сезонные вариации магнитной активности уверенно определяются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда зависит от магнитной активности. Сезонные изменения магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Стартовой точной этих изменений является формирование активных областей на Солнце, которые объединяются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому во времена равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля в наибольшей степени подвержена влиянию активных областей на Солнце.

·   Очень ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется кратных 11 летним периодам солнечной активности. Мерой солнечной активности является количество солнечных пятен. Определено, что в годы максимального числа солнечных пятен магнитная активность достигает наибольшее значение, все же увеличение магнитной активности немного запаздывает по отношению к росту солнечной, в среднем это запаздывание составляет один год.

·   Вековые вариации - медленные изменения элементов земного магнетизма. В отличие от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек - центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.

Инверсии геомагнитного поля

 

Считается, что геомагнитное поле существует уже более 3 млрд лет. Исторические исследования геомагнитного поля показывают, что на протяжении всего времени своего существования поле было непостоянным и хаотически меняло полярность - северный магнитный полюс становился южным и наоборот. Такой процесс называют инверсией магнитных полюсов Земли.

Палеомагнитные данные показывают, что последняя инверсия магнитного поля произошла приблизительно 70 тыс. лет назад. Особенностью таких изменений полюсов является их высокая, по меркам геологической истории нашей планеты, скорость - смена полюсов происходит приблизительно за 10 тыс. лет. Источником палеомагнитных данных служат горные породы, которые содержат в себе ферромагнитные компоненты. Дело в том, что в момент своего образования осадочная или магматическая порода приобретает намагниченность, направление и величина которой соответствует величине магнитного поля данной геологической эпохи. Иными словами, минерал как бы "замораживает" в себе геомагнитное поле в момент существования данной породы.

А как же происходит сам процесс инверсии? Во время инверсии геомагнитное поле не переворачивается постепенно, а как бы распадается на отдельные территории с нормальной и обратной поляризациями. В начале инверсии на территориях с нормальной поляризацией возникают участки с обратной поляризацией, которые со временем увеличиваются, что в конечном счете завершается обратной ориентацией магнитных полюсов. Сказанное поясняется в рис.3, где приведены составленные на основе компьютерных вычислений контурные карты магнитного поля Земли на ее поверхности (верхний ряд) и на границе между внешним ядром и мантией (нижний ряд). Можно видеть, как постепенно происходит смена магнитных полюсов от нормальной полярности к обратной. На более светлых участках магнитные силовые линии направлены от центра земного шара, а на более темных участках - к центру.

 

Рис. 3. Модель смены полюсов, составленная на основе компьютерных вычислений.

 

Сейчас о возможных последствиях смены геомагнитных полюсов идет широкая дискуссия. Есть разнообразные точки зрения - от вполне оптимистичных до крайне тревожных. Оптимисты ссылаются на тот факт, что биосфера обладает значительными способностями к адаптации, а следовательно процесс инверсии может длиться долго, так что будет время подготовиться к переменам.

Противоположная точка зрения не исключает того, что инверсия окажется катастрофой для человеческой цивилизации. Надо сказать, что эта точка зрения наиболее точно описывает явление. Потому что во время инверсии техника может выйти из строя, которая является нашим спасителем.