Мировые и полярные магнитные бури

ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

Л.Л. Лазутин

МИРОВЫЕ И ПОЛЯРНЫЕ

МАГНИТНЫЕ БУРИ

Москва

Матка у поморов — компас, наверное потому так назвали, что указывает дорогу к дому, и стрелка компаса помору как мать родная. А сполохи и пазори — это полярные сияния, и весь разговор — отражение первого открытия в области магнитных возмущений, связи полярных сияний и магнитных возмущений. Скачки стрелки вызывали не только мировые магнитные бури, но и полярные бури, которые сейчас называются суббурями. А вот если бы наши поморы заметили скачки стрелки компаса, плывя в Индийском океане (что не очень вероятно), тогда бы это было действие мировой магнитной бури.

Само слово «буря» взято по аналогии с бурей морской. Море спокойно, матросы греются на палубе или чинят старый парус, как вдруг — ветер, волны, ливень, молнии — буря! Только держись! А пройдет несколько часов или дней — и снова все спокойно. Так и в магнитосфере Земли. Спокойная обстановка сменяется взрывом активности, волны, токи, заряженные частицы сбрасываются в атмосферу, вспышки сияний — и снова, тихо, спокойно, возвращение к нормальной жизни. Так что аналогия хорошая.
Эта книга о магнитных бурях не относится к чисто популярным, надеюсь, она будет полезна и моим коллегам, особенно молодым, у которых нет времени читать длинные статьи, зачастую еще и не на нашем языке. (Хотя читать, конечно, надо!). Но и для простого любознательного народа, не сбитого с толку мистическими и другими антинаучными передачами, не до конца погруженного в заботу о пропитании — надеюсь, найдется много интересного. Прочитав книгу, вы будете знать то, чего не могли знать ни наши поморы, ни самый из них знающий помор Михаил Ломоносов, ни великий Галилео Галилей. О таких понятиях, как магнитосфера, радиационные пояса, солнечный ветер, и сладкая парочка — электрон с протоном, они знать просто на могли. А вы узнаете.

Прямо рассказать, без подхода, что такое магнитная буря - просто невозможно.

Прежде надо рассказать о Солнце, о солнечном ветре, о магнитосфере, о магнитных и электрических полях и о множестве разных процессов. Все это по возможности кратко, мы опишем в первых пяти главах книги. До полярной магнитной бури доберемся только в шестой главе, до мировой - в последующих трех. Но чтобы не пришлось так долго ждать, кратко введем вас в курс дела.
Магнитосфера — это магнитная оболочка Земли, которая по объему в тысячу раз больше объема земной тверди, и в которой магнитные бури и происходят.

Магнитосфера Земли — это магнитный мешок, набитый плазмой и заряженными частицами, висящий в потоке солнечного ветра, как осьминог в океанском потоке. Висит-висит, питается, потом как прыгнет, выбрасывая в воду струю чернил.

Магнитосфера Земли, это магнитоплазменная структура, коих во Вселенной великое множество. Пульсары, остатки сверхновых, само наше Солнце, наконец, — это все магнитоплазменные образования. И происходят в них удивительные вещи.

Сразу ответим на вопрос: разве плазма и заряженные частицы — это не одно и то же? В чем разница между потоками частиц и плазмой?

И там и там заряженные частицы, только в плазме возможны коллективные процессы. Например. Одна овца пасется себе в поле и гуляет куда захочет. А вот стадо овец шарахается из стороны в сторону коллективно. В плазме у отдельной овцы-частицы нет свободы выбора, поведение одной влияет на поведение другой. А когда частиц мало, настолько, что они не влияют друг на друга, ими управляют только поля, электрические и магнитные. Гравитационным полем будем пренебрегать.

Солнечная плазма непрерывно истекает в межпланетное пространство в виде солнечного ветра. Солнечный ветер — это тоже плазма с вмороженным магнитным полем.

Когда потоку плазмы противодействует магнитное поле Земли, он обтекает магнитосферу, конфигурация земного магнитного поля меняется, поджимается спереди, а сзади, на антисолнечной стороне, магнитные силовые линии вытягиваются в виде хвоста, который так и называют, хвост магнитосферы. Хвост все время дышит, движется туда-сюда, по нему пробегают волны.... На Земле в полярной шапке, на которую проектируются магнитные силовые линии хвоста, гуляют полярные сияния, самописцы-магнитометры отмечают почти непрерывно небольшие колебания. Их так и называют, перманентными, т.е. непрерывными. Между хвостом и внутренней магнитосферой, где силовые линии сохраняют почти дипольную конфигурацию, располагается промежуточная область, авроральная магнитосфера (происходит от слова «аврора» так красиво называют англичане полярные сияния).

Проектируется авроральная магнитосфера вниз на Землю вдоль силовых линий магнитного поля на авроральную зону, или овал, или кольцо сияний, а вот на южной границе кольца, там, где проходит граница с внутренней магнитосферой, и разгораются самые яркие полярные сияния. Здесь уже не непрерывно, а через несколько часов или несколько дней, наблюдаются возмущения, которые раньше называли полярными магнитными бурями, а сейчас называют суббурями. Можно сказать так — магнитосфера постепенно поглощает энергию из солнечного ветра, а потом взрывообразно освобождается от нее, растрачивает на ускорение заряженных частиц, на полярные сияния, нагрев атмосферы и прочие пульсации. Еще одна аналогия — мальчишка натягивает медленно резинку рогатки, потом — бац! - и нет стекла в соседском окне. В плазме, да и не только, процесс перехода от натянутой резинки к разбитому окну называется неустойчивостью.

Магнитные бури воздействуют не только на самописцы наблюдателей. Ее последствия видны и в атмосфере и на земной поверхности. Есть воздействие и на здоровье людей, об этом — в отдельной главе.

Описывая наблюдения, мы оперируем физическими единицами. Вот главные из них.

Магнитное поле в магнитосфере измеряем в нанотеслах (нТл), миллиардной части Тесла. В более старых статьях встречается равная нТл единица гамма.

На поверхности Земли средняя напряженность поля составляет около 5·10⁴ нТл, при удалении от Земли она уменьшается как расстояние в кубе. В авроральной магнитосфере это первые сотни и десятки нТл, в хвосте - единицы и десятки, в спокойном солнечном ветре единицы нТл, в возмущенном скоростном потоке, том, что вызывает бурю — до 20 нТл и даже больше. Расстояния в магнитосфере принято измерять в радиусах Земли — 1 Re= 6371 км. Хвост на ночной стороне начинается на расстоянии 10 Re, и подсолнечная граница с дневной стороны находятся примерно на том же расстоянии. Размер магнитосферы поперек, с востока на запад 20-30 Re.

Электрические поля измеряются: напряженность в киловольтах на метр (кВ/м) , потенциал — в киловольтах. Потенциал поперек магнитосферы — от 10 до 40 кВ, а иногда и больше.

Энергию частиц будем измерять в электрон-вольтах (эВ), это энергия, которую приобретает заряженная частица, пройдя потенциал в 1 вольт. В плазме солнечного ветра энергия частиц в несколько эВ, во внутри-магнитосферной плазме — до десятка килоэлектронвольт (кэВ), в радиационных поясах — до десятков миллион электрон-вольт (МэВ). Пожалуй это все пока о единицах измерений.

И последнее. Если у вас есть образование по физике в объеме средней школы — все в книге изначально должно быть понятно. По дороге появляются новые термины и понятия, но и они не слишком заумны. Встретятся формулы — попробуйте понять взаимосвязь компонент, подставить значения и оценить величины. Если вам что-либо непонятно, используйте поисковики в интернете, там все есть. А захочется узнать что-то подробнее — загляните на сайт автора kosmofizika.ru.