Магнитосфера Земли

Рис. 1.4. Спектр солнечного излучения

Земли концентрация протонов «р составляет от нескольких частиц до нескольких десятков частиц в одном см³ при потоке 510⁷ — 510⁸см~²с~¹. Энергия, уносимая солнечным ветром в межпланетное пространство, составляет 1О²⁰ — 10²² Вт. Изменение интенсивности солнечного ветра в значительной степени влияет на нагрев верхней атмосферы Земли, полярные сияния, маг­нитные бури и различные биофизические процессы [9 — 11]. Увели­чение интенсивности солнечного ветра происходит в результате солнечных вспышек, которые возникают в активных областях ат­мосферы и длятся от нескольких минут до нескольких часов. Они возникают в районе быстро образуемых групп солнечных пятен. Площадь вспышек достигает 10 м². Энергия, выделяющаяся при вспышке, достигает 10²⁵ Дж. При этом наблюдается значительное увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца, сопровождающееся всплесками рентгеновского и радиоизлучения, значительным выбросом частиц высоких энергий, вплоть до 10 МэВ. Некоторые вспышки порождают особенно интенсивные про­тонные потоки, которые представляют большую опасность для обитаемых космических аппаратов. Эти частицы высоких энергий при столкновении с корпусом летательного аппарата порождают тормозное рентгеновское и у-излучение значительной интенсивно­сти, что представляет радиационную опасность для космонавтов. Солнечная активность повторяется с периодом 11 лет. Этот цикл коррелирует со многими процессами в биосфере Земли. Например, изменение скорости роста деревьев, установленное на протяжении многолетних наблюдений по чередованию ширины годовых колец, повторяется с этим периодом. Такая же корреляция наблюдается между землятрясениями, сельскохозяйственным урожаем, эпидеми­ями болезней (гриппа, холеры, тифа и т. д.), сердечно-сосудистыми заболеваниями, размножением и миграцией насекомых, колебаниями уровня озер и периодом солнечной активности. В период активного Солнца увеличивается интенсивность рентгеновского излучения в два раза в диапазоне длин волн 300 — 100 А; в диапазоне 100 —10 А интенсивность возрастает в 3 — 5 раз, а в диапазоне 10А— в 100 раз. Ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 1800 — 3500 А в период 11-летнего цикла меняется незначительно (1 — 10%). Мощность излучения в диапазоне длин волн 0,29 —2,4 мкм в период солнечной активности практически не меняется и составляет 3,6 10²⁶ Вт.

Получаемая Землей энергия Солнца остается постоянной, что является фактором стационарности теплового естественного баланса земной планеты. Солнечные вспышки не оказывают кардинального значения на энергетический баланс Земли. Однако солнечные вспыш­ки оказывают существенное влияние на многие биохимические, био­физические процессы. Солнце, в конечном счете, является одним из основных источников энергии Земли не только в виде постоянной подачи электромагнитной энергии, но и других источников энергии, таких, как органическое топливо (уголь, нефть, торф, газ и т. п.), механическая энергия ветра, морского прибоя и т. д., происхождение которых во многом обусловлено солнечным излучением. Солнечно-земные связи настолько переплетены, что невозможно разграничить условия существования и развития биосферы от воздействия солнеч­ного излучения.

В настоящее время интенсивно изучаются все стороны взаимодей­ствия солнечного излучения с биосферой Земли, так как это имен большое значение для понимания всех процессов, происходящих в та­кой сложной, упорядоченной, диссипативной, неравновесной системе, как «человек — окружающая среда». Солнечно-земные связи изуча­ются не только гелиобиологией, гелиогеофизикой, гелиометеорологи-ей, но и экологией.

Магнитосфера Земли обладает собственным магнитным полем [9, 12]. Напряженность магнитного поля Земли на полюсах больше напряженности магнитного поля на экваторе. Причем магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами и со временем изменяют свое положение. Энергия магнитного поля Земли весьма значительна из-за ее размеров. Наша планета имеет примерно такое же магнитное поле, каким обладает высококачест­венный стальной шарообразный магнит диаметром 600 км. Для создания такого потока магнитной индукции, каким обладает Зем­ля, необходимо охватить земной шар по экватору проводником и пропускать по нему электрический ток величиной в 600 миллионов ампер.

Взаимодействие магнитного поля Земли с солнечным ветром создает магнитосферу Земли, которая представляет собой сложную структуру.

На заряженную частицу, движущуюся в электрическом E и маг­нитном В полях, действует сила F, которую запишем в СИ [13 — 141:

где т, v, q — масса, скорость и заряд частицы. В системе СГС это уравнение имеет вид (см. Приложение 1):

В уравнениях (1.4) — (1.5) гравитационной силой, действующей на массу частицы, можно пренебречь, так как эта сила на много порядков меньше силы электромагнитного взаимодействия. Уравнение (1.4) запишем в виде:

где t —• время.

Формула (1.6) в общем виде представляет собой уравнение движения частицы, движущейся в электромагнитных полях с релятивистскими скоростями, когда т=уто, без учета поправки на излучение при ее ускоренном движении.

По уравнению (1.6) можно определить траекторию заряженной частицы в магнитном поле Земли при наличии электрического и магнитного полей. Для нерелятивистского случая (v << c) уравнение (1.6) имеет вид:

При реальных распределениях силовых линий электрического и магнитных полей траектории заряженных частиц в магнитосфере Земли имеют сложный характер (рис. 1.5).

Под действием плазмы солнечного ветра, нагретой до 5 ° 10⁷ К внутримагнитосферными процессами и ионосферными ионами, в магнитосфере Земли возникает плазменный слой.

С дневной стороны размеры магнитосферы Земли составляют 8 — 14R, где R — радиус Земли. Вследствие действия солнечного ветра геометрические силовые линии переносятся с дневной сторо­ны магнитосферы Земли на ночную, образуя при этом геомагнит­ный хвост в несколько сот R. В нем существует крупномасштабное электрическое поле, расположенное поперек хвоста. В результате этого возникает дрейф плазмы, перпендикулярный геомагнитному хвосту. Взаимодействие плазменных потоков с магнитосферой, солнечным ветром, межпланетным магнитным полем при наличии суточного вращения Земли проявляется до больших высот (примерно до 3•10⁴ км). На высоких широтах силовые магнитные линии перпендикулярны ионосфере. Вдоль этих линий в магнитосферу Земли из ионосферы двигаются потоки плазмы, называемые полярным ветром. Эти потоки доставляют нагретую плазму в удаленные области хвоста магнитосферы Земли.

Рис 1.5. Качественная схема магнитосферы Земли

1 - Земля; 2 - плоскость геомагнитного экватора; 3 - радиационные пояса; 4 - магнитопауза; 5 - фронт ударной волны; 6 - переходная область

Сложный характер энергообмена между солнечным ветром, магнитосферой, ионосферой можно в какой-то степени объяснить механизмом, дей­ствующим в магнитогидродинамическом генераторе (МГД-генера-тор). В магнитосфере Земли кинетическая энергия плазмы солнеч­ного ветра преобразуется в магнитосферно-ионосферные токи с по­следующей диссипацией внутри ионосферы. Суммарная величина-этих токов достигает (1 — 3) • 10⁶ А. Продольные токи выполняют важную роль в электродинамической структуре магнитосферы Зем­ли, потому что с их помощью энергия солнечного ветра передается от границ магнитосферы до ионосферы.

Об энергетике процессов, происходящих в магнитосфере Земли под действием солнечного ветра, можно судить по табл. 1.1.

Таблица 1.1. Некоторые энергетические характеристики магнитосферы Земли:

СВ — солнечный ветер; МС — магнитосфера Земли (данные взяты из [9])

Источник	Мощность (Вт) или энергия (Дж)
Мощность СВ, падающая на поперечное сечение МС	2 1013
Мощность СВ, инжектируемая в МС	3 1011
Инжекция плазмы в кольцевой ток МС	(2-100) 1010
Джоулев разогрев в ионосфере	(5 —100) 1010
Авроральная радиация (поток частиц, вторгающихся в верхнюю атмосферу)	(4—10) 1010
Геомагнитные микропульсации	6 109
Энергия магнитного поля, запасенная в хвосте	(3-30) 1015
Энергия частиц в кольцевом токе МС	(2-10)-1015

Магнитосфера и ионосфера Земли чувствительны к любым изменениям, происходящим в потоке солнечного ветра, который, в свою очередь, является чувствительным детектором возмущений, возникающих на Солнце. Существует тесная планетарная связь между жизнью в биосфере и солнечно-земными связями. При появлении возмущений в солнечном ветре, появляются эховые возмущения в магнитосфере Земли. В некоторых случаях эти возмущения длятся один-два часа. Механизм действия возмущений в магнитосфере имеет сложный характер и получил название суббури. При наложении во времени суббури превращаются в маг­нитные бури магнитосферы Земли. При этом возникает диссипация энергии в магнитосфере Земли, достигающая величины примерно 10 Вт. Это сопровождается джоулевым выделением теплоты в ионосферных токах, внедрением в верхнюю атмосферу Земли потоков заряженных и нейтральных частиц, приводящих к воз­никновению интенсивных полярных сияний на высотах 100 — 200 км. Интенсивность энерговыделения в полярных сияниях достигает 10^-2 — 10^-1 Вт/м² вдоль аврорального овала (от англ. auroral— напоминающий полярное сияние, вызванный полярным сиянием). При этом наблюдаются яркие полярные сияния.

В ионосфере возникают интенсивные токи. Поскольку движение заряженных частиц зависит от величины и направления силовых линий электрического и магнитного полей, от их временных зависи­мостей, от знака заряда и вектора скорости, то в соответствии с уравнением (1.6) определение траектории каждой отдельной части­цы представляет чрезвычайно трудную задачу. Она уподобляется задаче по определению взаимодействия многих тел. Каждая заря­женная частица помимо действия полей испытывает при своем движении столкновения с другими частицами с непредсказуемым характером обмена импульсами. Для полей Е и В, произвольно меняющихся во времени и пространстве, уравнение (1.6) не интег­рируется в общем виде. В настоящее время разработан механизм, объясняющий основные процессы взаимодействия солнечного вет­ра, магнитосферы и ионосферы Земли [9, 12], в том числе и об­разование полярных сияний.

Из-за разных ускорений продольной и поперечной составляю­щих скоростей заряженных частиц при крупномасштабной конвек­ции плазмы образуется анизотропное распределение частиц по ско­ростям. Это приводит к возникновению волн в плазме с последу­ющим рассеиванием частиц на этих волнах (волны «свистов») и по­паданием частиц в магнитные ловушки. Затем заряженные частицы из этих ловушек попадают в атмосферу, вызывая ее свечение. Крупномасштабная конвекция расслаивается на мелкомасштабные неоднородности. Дуги полярных сияний являются проявлением мелкомасштабного расслоения. Образование дуг полярных сияний происходит от локального усиления продольного тока в результате внутримагнитосферных процессов. В продольном электрическом поле происходит ускорение электронов и по мере их продвижения к Земле и вторжения в атмосферу возникают дискретные формы полярных сияний. Для частиц высоких энергий, превышающих теп­ловую, области замкнутых геомагнитных линий являются геомаг­нитными ловушками. В них существуют потоки электронов и про­тонов с энергиями более 1 МэВ, которые образуют радиационный пояс. Во время магнитных бурь опасность этих радиационных поясов возрастает.

Магнитосфера Земли является источником радиоволн. При взаи­модействии электронов с магнитосферной плазмой на авроральных силовых линиях на больших высотах (около 5000 км) происходит авроральное километровое излучение (АКИ) с частотами 10² — 10³ кГц (гирочастота электронов) и мощностью во время магнитных суббурь 10⁹ Вт. Кроме АКИ магнитосфера Земли излучает постоян но во времени волны в диапазоне от 0,5 кГц — 100 кГц с непрерыва­емым спектром. Природа этих волн объясняется синхронным излу­чением электронов радиационного пояса.

В магнитосфере Земли наблюдаются авроральные радиоотраже­ния на коротких и ультракоротких волнах (KB, УКВ), которые объясняются рассеиванием этих волн на неоднородностях плазмы в области полярных сияний. В табл. 1.2 представлены некоторые характеристики плазменных потоков, окружающих Землю.

Таблица 1.2. Некоторые характеристики плазменных потоков в окрестностях Земли

Область	Концен­трация частиц, см-3	Температура, эВ	Скорость потока, км/с	Магнитное поле, 10-5 Гс
ионная	электронная
Солнечный ветер	5 - 20	10-20	20-40	300-800	5 — 15
Входной слой	1 - 10	200-2000	10-200	100-300	40—60
Плазменная мантия	0,1-5,0	100-200	26-40	100-200	20—30
Плазменный слой	0,1-1,0	500-5·103	(2-20) ·102	0—103	10—20
Кольцевой ток	5 - 20	104- 105	103	—	100—500
Плазмосфера	102 - 103	0,3-1	0,3-1	—	102 - 104

Магнитосфера (МС) Земли обладает собственным магнитным моментом. Различают собственную МС (CMC), наведенную МС (НМС) и комбинированную МС (КМС).

CMC обладает таким магнитным моментом (ММ), который обеспечивает уравновешивание динамического давления солнечного ветра за пределы ионосферы и, таким образом, образуется соб­ственная магнитная область с силовыми линиями магнитного поля и свободная от солнечного ветра.

НМС обладает незначительным магнитным полем и плотной ионосферой. При взаимодействии последней с солнечным ветром под действием Лоренцева электрического поля Ё= — [v*E\ индуцируются электрические токи, которые создают магнитное поле и, таким образом, образуют НМС (такой НМС обладает Венера и кометы). КМС имеет собственное магнитное поле по величине соизмеримое с величиной наведенного магнитного поля (предполагается, что Марс обладает комбинированной МС). В табл. 1.3 представлены. силовые линии МС некоторых планет.

Рис. 1.6. Силовые линии НМС Венеры.

Таблица 1.3. Магнитосферы планет

Планета	ТипМС	Магнитный момент, Гс • см3
Меркурий	CMC	4,9-10"
Венера	нмс	1,0 10"
Земля	CMC	8,1 10"
Марс	кмс	1,0-10"
Юпитер	CMC	1,6-103°
Сатурн	CMC	4,4-1028
Уран	CMC	4,0-1027

Качественная картина силовых линий НМС Венеры представ­лена на рис. 1.6.