СОЛНЕЧНЫЕ МАГНИТНЫЕ ОБЛАКА АТАКУЮТ ЗЕМЛЮ

Г.Н. Застенкер, доктор физ. – мат. наук
Л.М. Зеленый, доктор физ. – мат. наук
Институт космических исследований РАН, г. Москва

Большие успехи в проблеме изучения солнечно-земных связей достигнуты в последнее десятилетие в рамках международной программы ISTP (International Solar-Terrestrial Program), включающей в себя координированные исследования с помощью целого флота интернациональных космических аппаратов. Существенный вклад в эти исследования был внесен и четырьмя спутниками проекта ИНТЕРБОЛ, изготовленными в России и Чехии и запущенными Россией в 1995-96гг.
О некоторых аспектах этой работы рассказывается в данной статье.

Природа солнечного ветра
Солнце - создатель всего сущего на Земле. Со времен древних египтян, поклонявшихся богу Солнца - Ра, мы привыкли воспринимать Солнце как громадный огненный шар, излучающий свет и тепло. Сейчас мы знаем, что Солнце посылает нам поток энергии, состоящий из нескольких компонент:

• электромагнитного излучения (главным образом, видимого света с небольшой добавкой инфракрасного и радиоизлучения), несущего основную часть энергии (около 1,2 кВт/м2 на орбите Земли) и удивительно мало изменяющегося во времени (не более, чем на 1-2 %), так что величина этой энергии даже получила название солнечной постоянной; с точки зрения астрофизики Солнце является постоянной звездой в отличие от множества переменных звезд;
• спорадического ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также энергичной части солнечного радиоизлучения, изменяющихся в широком диапазоне - в сотни и тысячи раз и появляющихся только на короткое время при возмущениях (например, в солнечных вспышках);
• потока заряженных частиц с энергиями от сотен кэВ до сотен МэВ (солнечные космические лучи), также возникающего только эпизодически во время очень сильных солнечных вспышек;
• существующего постоянно, но сильно изменяющегося (в десятки раз) потока плазмы (состоящего из ионов и электронов в равной концентрации, т.е. квазинейтрального), называемого солнечным ветром.

Таким образом, несмотря на "постоянство" Солнца в видимом свете в его воздействии на Землю есть и сильно переменная составляющая, приводящая к значительной изменчивости геофизических условий как в околоземном космическом пространстве, так и на самой Земле.

Представление о воздействии на Землю медленных (по сравнению со скоростью света) корпускулярных потоков возникло в самом начале двадцатого века (К. Биркеланд, К. Штермер ) после обнаружения довольно большой задержки между сильными вспышками на Солнце и магнитными бурями на Земле. Действительно, электромагнитное излучение Солнца приходит к Земле через 8 мин., имеющие околорелятивистские скорости энергичные частицы - через десятки минут, и только потоки частиц, переносящие основную часть возмущения от Солнца со скоростью около 1000 км/с, способны дать наблюдаемую задержку в 2-3 суток.

В 30-е гг. прошлого века С. Чепменом, М. Ферраро, Дж. Бартельсом было выдвинуто очень важное утверждение, что поток солнечной плазмы из-за своей высокой проводимости не может преодолеть противодавление магнитного поля Земли и обтекает его, образуя своеобразную полость (позднее названную магнитосферой), в которой солнечная плазма отсутствует, а магнитное поле с подсолнечной стороны сильно сжато (Рис. 1). Фактически здесь уже сформировано фундаментальное представление о том, что граница магнитосферы, называемая магнитопаузой, выполняет роль щита, защищающего Землю с ее ионосферой и атмосферой от прямого воздействия солнечной плазмы.

Однако в те времена предполагалось (чаще всего, неявно), что эти потоки солнечной плазмы (т.н. корпускулярное излучение) возникают достаточно редко - лишь тогда, когда происходят сильные возмущения на Солнце. Только в 50-е гг. по наблюдаемому изгибанию хвостов комет (Л. Бирман и Х. Альфвен) и из теоретических соображений о расширении горячей солнечной короны (Паркер, 1958 г.) было сделано предположение о постоянном существовании солнечного ветра. Затем солнечный ветер был обнаружен при проведении кратковременных прямых экспериментов на первых советских лунных зондах "Луна-2,3"
(К. Грингауз, 1959 г.) и при первых систематических измерениях на американском аппарате Маринер-2 при полете к Венере (М. Нейгебауэр, 1962 г.).

Многочисленные детальные исследования на космических аппаратах, уходящих за границу магнитосферы Земли, показали, что сверхзвуковой поток плазмы - солнечный ветер - существует всегда, но его параметры меняются в широких пределах в зависимости от условий истекания плазмы и последующего разгона в солнечной короне.

Эти параметры на орбите Земли таковы: - скорость ветра от 300 до 1000 км/с (при среднем значении около 450 км/с), - концентрация частиц от 1 до 100 см-3 (в среднем около 10 см-3), - температура ионов от 30 до 300 тыс. К (среднее значение около 70 тыс. К), температура электронов, обычно, в 2-3 раза выше температуры ионов.
Солнечный ветер несет с собой довольно слабое (по сравнению с энергией направленного движения плазмы) "вмороженное" магнитное поле Солнца, имеющее напряженность 1-30 нТ (в среднем 5 нТ).

Главной ионной компонентой солнечного ветра являются протоны (ионы водорода); имеются также ионы гелия (около 4%) и очень немного (десятые и сотые доли процента) более тяжелых ионов (кислород, кремний, сера, железо).
В течение нескольких десятилетий господствовало представление, что солнечные вспышки являются основным источником геоэффективных возмущений солнечного ветра, дающих заметное воздействие на земные процессы - магнитные бури, нарушения радиосвязи, интенсивные полярные сияния. Однако в 90-е гг. стало ясно, что основным источником таких возмущений являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца, так называемые корональные выбросы массы (КВМ). Таким образом, мы снова возвращаемся к модели С. Чепмена - выбросу сгустков плазмы при возмущениях на Солнце - но уже на фоне постоянно присутствующего солнечного ветра.

При своем движении от Солнца КВМ часто принимают форму замкнутых образований со своеобразным поведением плазмы и магнитного поля - магнитных облаков (МО), приводящих к сильным (иногда экстремальным) возмущениям на Земле. Таким образом, выстраивается причинно-следственная цепочка - корональные выбросы массы образуют магнитные облака, которые приводят к возмущениям магнитосферы Земли.

PS:
Рис.1. Картина взаимодействия магнитного поля Земли с потоком плазмы, истекающим из Солнца, в соответствии с ранней работой С.Чепмена, Дж.Бартельса (1940 г.):
а) - сжатие дипольного поля Земли набегающим сверхпроводящим плоским слоем солнечной плазмы;
б) - обтекание магнитного поля Земли потоком плазмы с образованием свободной от плазмы полости - магнитосферы.