§ 131. Магнитное поле Земли, полярные сияния и радиационные пояса. Связь солнечных и земных явлений

Магнитное поле Земли, отклоняющее стрелку компаса, сыграло в свое время большую роль в развитии мореплавания, так как компас позволял морякам ориентироваться в любую погоду. Свободно подвешенная стрелка компаса указывает, однако, не точно на север, а на северный магнитный полюс: она стремится стать параллельно силовым линиям магнитного поля. Угол между направлением стрелки компаса и истинным направлением на север называется магнитным склонением, угол между силовой линией и горизонтальной плоскостью — наклонением. Наибольшее наклонение наблюдается на магнитных полюсах Земли (90°).

Положения магнитных полюсов меняются со временем. Установлено, что северный магнитный полюс дрейфует со скоростью 5-6 км в год. Магнитные силовые линии Земли в среднем близки к силовым линиям некоторого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. Этот воображаемый диполь, поле которого ближе всего соответствует истинному, называется эквивалентным магнитным диполем. Ось эквивалентного диполя называется геомагнитной. Точки пересечения геомагнитной оси с поверхностью Земли — геомагнитные полюсы — не совпадают с магнитными полюсами, так как поле эквивалентного диполя не вполне точно совпадает с полем Земли. Аналогично географическим координатам можно ввести геомагнитную широту и долготу. Система геомагнитных координат часто применяется в исследованиях различных явлений, связанных с магнитным полем Земли: полярных сияний, магнитных бурь и т.д. (см. ниже). Положение геомагнитных полюсов со временем практически не меняется. Географические координаты северного геомагнитного полюса ср = 78°,6 с.ш. и l = 70°,1 з.д. (Северная Гренландия).

Напряженность ноля на геомагнитных полюсах достигает 0,63 э (эрстед), а на геомагнитном экваторе 0,31 э. Искусственные спутники Земли и космические ракеты позволили измерить магнитное поле Земли на больших расстояниях. На рис. 152 показана зависимость напряженности поля от расстояния, найденная по измерениям на советских космических ракетах. Вдали от поверхности неоднородности поля сглаживаются, и оно становится очень близким к полю эквивалентного диполя.

Магнитное поле Земли испытывает вековые изменения. Скорость и характер изменения различны в различных географических точках. Большой интерес представляет в связи с этими изменениями явление палеомагнетизма. Оно состоит в том, что при охлаждении и застывании лавы (а также и в ряде других случаев, например, при отжиге кирпича, осаждении глины на дне озер) материал сохраняет слабую намагниченность, причем направление поля остается таким же, как при формировании материала. Изучая в лаборатории магнитные свойства таких образцов, можно установить картину магнитного поля в древние эпохи. Применение этого метода привело к очень интересным выводам, которые, правда, еще не являются окончательными. Например, было найдено, что магнитное поле Земли в прошлом изменяло знак. Другой вывод указывает на дрейф континентов, которые в прошлом испытывали смещения и повороты.

Происхождение магнитного поля Земли и других планет связано, по-видимому, с так называемым динамо-механизмом. Предполагается, что магнитное поле возникает благодаря гидродинамическим движениям в жидком ядре. Температура вещества в жидком ядре довольно высокая (несколько тысяч градусов), и оно имеет заметную проводимость. Если в ядре имеется какое-либо (пусть вначале очень слабое) начальное магнитное поле, то при пересечении этого поля потоком проводящего вещества возникает электрический ток. Электрический ток создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений может усилить начальное поле, а это усилит ток. Процесс усиления будет продолжаться до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрические частицы, движущиеся в межпланетном пространстве около Земли. Эти частицы можно разбить на две группы: космические лучи, т.е. электроны, протоны и ядра тяжелых элементов приходящие с почти световыми скоростями, главным образом из других частей Галактики, и корпускулярные потоки — электрические частицы, выброшенные Солнцем. В магнитном поле электрические частицы движутся по спирали; траектория частицы как бы навивается на цилиндр, по оси которого проходит силовая линия. Радиус этого воображаемого цилиндра зависит от напряженности поля и энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем при данной напряженности поля радиус (он называется ларморовским) больше. Если ларморовский радиус много меньше, чем радиус Земли, частица не достигает ее поверхности. Она захватывается магнитным полем Земли Если ларморовский радиус много больше, чем радиус Земли, частица движется так, как будто бы магнитного поля нет Расчет показывает, что частицы проникают сквозь магнитное поле Земли в экваториальных районах, если их энергия больше 10⁹ эв. Такие частицы вторгаются в атмосферу и вызывают при столкновении с ее атомами ядерные превращения, которые дают определенные количества вторичных космических лучей Эти вторичные космические лучи уже регистрируются на поверхности Земли. Для исследования космических лучей в их первоначальной форме (первичных космических лучей) аппаратуру поднимают на ракетах и искусственных спутниках Земли. Примерно 99% энергичных частиц, «пробивающих» магнитный экран Земли, являются космическими лучами галактического происхождения и лишь около 1% образуется на Солнце.

В 1958 г., когда аппаратура для исследования космических лучей (счетчики Гейгера и сцинтилляционные счетчики) была впервые запущена на искусственных спутниках Земли, советские и американские исследователи столкнулись с неожиданным явлением: приборы указывали на огромную плотность энергичных частиц в ближайших окрестностях Земли. Это явление было понято не сразу и в последующие годы интенсивно исследовалось. Было установлено, что магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.

Обнаружены два основных радиационных пояса. Внутренний пояс состоит из протонов с энергией около 10⁸эв и электронов с энергией 20-500 кэв. Он начинается на высоте 2400 и кончается на высоте 5600 км и расположен между широтами ±30. Внешний пояс радиации расположен па высотах от 12 000 до 20 000 км и состоит из протонов и электронов меньшей энергии. Понятие поясов в достаточной мере условно, их границы и размеры зависят от того, какие именно частицы и с какими энергиями принимаются в расчет при анализе измерений. На высоте 50 000-60 000 км расположен третий пояс радиации или кольцевой ток, силой до 10⁷ а, состоящий из электронов с энергией 200 эв.

Всю область околоземного пространства, заполненную заряженными частицами, движущимися в магнитное поле Земли, называют магнитосферой (рис. 153). Она отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков («солнечного ветра») обтекают магнитосферу.

О существовании корпускулярных потоков было известно задолго до эпохи искусственных спутников. Еще в XVIII веке было замечено, что магнитное поле Земли может испытывать кратковременные изменения. Склонение и наклонение изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно во всем мире.

В высоких широтах во время возмущений магнитного поля наблюдаются полярные сияния (рис. 154). Они могут продолжаться несколько минут, но часто видимы в течение нескольких часов. Полярные сияния сильно различаются по форме, цвету и интенсивности, причем все эти характеристики иногда очень быстро меняются во времени. Спектр полярных сияний состоит из эмиссионных линий и полос. В спектре сияний усиливаются некоторые из эмиссий ночного неба, прежде всего зеленая и красная линии l 5577 Å и l 6300 Å кислорода. Бывает, что одна из этих линий во много раз интенсивнее другой, и это определяет видимый цвет сияния: зеленый или красный.

Возмущения магнитного поля сопровождаются также нарушениями радиосвязи в полярных районах. Причиной нарушения являются изменения в ионосфере, которые означают, что во время магнитных бурь действует мощный источник ионизации. Было установлено, что сильные магнитные бури происходят при наличии вблизи центра солнечного диска больших групп пятен. Последующие наблюдения показали, что бури связаны не с самими пятнами, а с солнечными вспышками, которые появляются во время развития группы пятен.

Жесткое излучение вспышки вызывает в ионосфере резкое добавочное увеличение ионизации, сопровождающееся возникновением потоков и возмущением общего магнитного поля Земли. Во время вспышки особенно усиливается наиболее жесткий компонент рентгеновских лучей, который увеличивает ионизацию главным образом в ионосферном слое D (в 5-10 раз). Слой начинает сильно поглощать короткие радиоволны, примерно до 100 м, и отражать длинные километровые волны. Первое — приводит к замиранию радиослышимости на коротких волнах, а второе — к усилению слышимости далеких станций на длинных волнах.

Корпускулярное излучение Солнца, также связанное со вспышками, вызывает магнитные бури и полярные сияния.

Корпускулярный поток, обычно движущийся со скоростями в среднем около 1000 км/сек, достигает Земли, как правило, через сутки после того, как наблюдалась хромосферная вспышка. Он представляет собой быстродвижущуюся плазму, которая тормозится магнитным полем Земли, препятствующим движению ионизованного газа поперек магнитных силовых линий. В результате корпускулярный поток останавливается, деформируя при этом магнитные силовые линии, т.е. вызывая возмущения магнитного поля Земли — магнитные бури.

Частицы корпускулярных потоков захватываются магнитным полем Земли и наполняют внешний радиационный пояс. В полярных районах условия для захвата частиц менее благоприятны. Здесь электроны и протоны, двигаясь по спирали вдоль силовой линии, могут проникнуть в атмосферу даже при относительно малых энергиях, соответствующих корпускулярным потокам. В верхних слоях атмосферы частицы корпускулярных потоков создают дополнительную ионизацию, которая изменяет условия распространения радиоволн, и возбуждают свечение, наблюдаемое в виде полярных сияний.

Многие вопросы геофизики, о которых рассказывалось выше, требуют дальнейших исследований и уточнений. Существующие представления, вероятно, изменятся, может быть, даже в самом недалеком будущем. Однако наши знания о других планетах находятся на более низком уровне, и наличие такого относительно хорошо изученного «образца», как Земля, очень важно для понимания природы планет.