Солнечно-земные связи

Процессы, идущие в космосе и внутри Солнца, приводят к излучениям энергии в виде электромагнитных волн различной длины. Животные и люди являются преобразователями энергии и неотделимы от мира растений и микроорганизмов. Все мы включены в энергетические циклы Вселенной. Энергия электромагнитных излучений Солнца и космоса воспринимается живым веществом в разных диапазонах, а отдается в основном в инфракрасном - в виде тепла. На тепловую (инфракрасную) составляющую энергии приходится 51% солнечной радиации, достигающей Земли. Около 10% энергии достигает поверхности планеты с ультрафиолетовыми лучами (при современном состоянии озонового слоя атмосферы). Плотность суммарной энергии на поверхности Земли в зонах с умеренным климатом летом около 200 Вт/м, зимой около 10 Вт/м. Океаны, моря, оэера и рекиявляются аккумуляторами энергии, сглаживающими температурные перепады. При замерзании вода отдает 300 Вт/м.
Земля непрерывно бомбардируется потоком частиц, летящих от Солнца, - так называемым солнечным ветром. Столкновение солнечного ветра с магнитным полем Земли приводит к возбуждению электрических полей и токов. Хвост магнитосферы Земли вытягивается в межпланетное пространство по крайней мере на тысячу радиусов Земли. В хвосте содержатся огромная энергия - 10 МДж. Часть этой энергии приходится на область, находящуюся вблизи Земли. С ней связано образование полярных сияний на высотах около 100 км. Когда магнитосферный хвост "переполняется" энергией, происходит ее высвобождение. Гигантский сгусток энергии в виде макрообразований ("плазмоидов") отрывается и со скоростью 500-1000 км/с покидает магнитосферу, уносясь в межпланетное пространство. При этом оставшаяся часть магнитосферы сокращается и частично замыкается через ионосферу Земли, вызывая возмущения ее магнитного поля. Различают явления, связанные с потерей магнитосферой накопленной энергии, и магнитные бури. Первые имеют длительный период накопления энергии и быструю ее отдачу (в течение часа). Магнитные бури, наоборот, имеют длительность более суток и определяются не столько периодическими процессами в магнитосфере, сколько возникновением ударных волн в солнечном ветре в результате вспышек на Солнце. Хотя физика причин различна, для биосферы Земли оказался важным сам факт изменения электромагнитных полей в атмосфере. Вблизи поверхности Земли влияние солнечного ветра ослаблено атмосферой, но тем не менее оно существует с периодом 4-7 суток с наложенными на него за счет вращения Земли вокруг своей оси дневными и ночными колебаниями. Механизмы воздействия электромагнитных полей на живые организмы и человека полностью пока не известны, но факт их воздействия установлен. Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещенности и среднюю температуру ее поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию ультрофиолетового и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. (см. схема.)
Для спасения себя человечество обязано беречь атмосферу и водные пространства планеты от изменения их свойств, экранирующих и сглаживающих энергетические скачки в биосфере.

"Цикличность солнечной активности. Индексы солнечной активности"

Для изучения любого явления природы нужны характеристики, которые помогли бы нам разглядеть его сущность. Характеристики различных активных образований на Солнце называют индексами или показателями солнечной активности. К настоящему времени существует более десятка различных индексов солнечной активности, характеризующих "погоду" на Солнце.
Числа Вольфа (по фамилии придумавшего их швейцарского астронома Р. Вольфа) равны сумме удесятеренного числа групп пятен и общего числа пятен во всех группах. Поскольку обычно видна только одна полусфера, эти числа определяются не для всего Солнца, а для видимого его полушария.
Числа Вольфа определены за последние 240 лет (но для Солнца это очень небольшой период.) Скрупулезная работа цюрихских наблюдателей Солнца позволила сохранить столь длинный и сравнительно однородный ряд чисел Вольфа, к которому ныне "привязываются" ряды всех других обсерваторий. Причем усреднение чисел за год дает надежные результаты для всех задач изучения солнечной цикличности. Для групп солнечных пятен широко применяются индексы суммарной площади пятен и максимальной напряженности их магнитных полей. Напряженность магнитного поля остается пока единственным индексом солнечной активности, который имеет ясный физический смысл.
Индексы солнечных вспышек, определяемые как суммарные площади пятен, около ста лет регулярно фиксировались в Гринвичской астрономической обсерватории. Умножая число вспышек определенного балла на соответствующий коэффициент, вычисляют вспышечный индекс солнечной активности. Считают, что этот индекс характеризует интенсивность ультрафиолетового, а возможно, даже рентгеновского излучения.
Особый интерес к протонным вспышкам привел к созданию обобщенного индекса вспышек, который определяет каждую вспышку суммой баллов, характеризующих ультрафиолетовое ее излучение (по внезапным ионосферным возмущениям), излучение в красной линии водорода Н и радиоизлучение в сантиметровом и метровом диапазонах. Этот индекс изменяется в пределах от 0 до 17; когда его значение превышает 10, вспышка оказывается сильной практически во всем диапазоне электромагнитных волн.
Индекс суммарной площади протуберанцев охватывает только часть протуберанцев - это преимущественно спокойные протуберанцы.
В течение последних 25-30 лет среди индексов солнечной активности довольно прочное место занял индекс потока радиоизлучения Солнца. Этот индекс определяется для разных длин волн, от метров до сантиметров. Особенно популярен индекс потока радиоизлучения Солнца на волне 10,7 см (частота 2800 Мгц).

"Главные свойства солнечной цикличности.11-летний цикл солнечной активности"


В середине прошлого столетия астроном-любитель Г. Швабе и Р. Вольфа впервые установили факт изменения числа солнечных пятен со временем, причем средний период этого изменения составляет 11 лет.
Вольфа определил годы максимальных и минимальных чисел пятен еще со времени наблюдений Г. Галилея, т. е. с 1610 г., и впервые определил продолжительность среднего периода изменения числа солнечных пятен. Так появился знаменитый закон Швабе-Вольфа, согласно которому изменения солнечной активности происходят периодически, причем длина среднего периода составляет 11,1 года (рис.). Этот вывод был подтвержден для всех известных индексов солнечной активности.

Хотя изменения солнечной активности происходят периодически, эта периодичность особая. Дело в том, что интервалы времени между годами максимальных (или минимальных) чисел Вольфа довольно сильно различаются. С 1749 г. до наших дней известна продолжительность от 7 до 17 лет между годами максимумов и от 9 до 14 лет между годами минимумов относительного числа солнечных пятен. Одиннадцатилетний цикл имеет важное значение как для проникновения в сущность солнечной активности, так и для изучения солнечно-земных связей.

"22-летний цикл солнечной активности (внутривековой)"


Регулярные наблюдения магнитных полей солнечных пятен, открытых в начале нынешнего столетия американским астрономом Дж. Хейлом, привели к окончательному признанию реальности 22-летнего цикла солнечной активности, существование которого заподозрил еще Р. Вольфа. В 1913 г. в конце 14-го цикла по цюрихской нумерации Хейл впервые показал, что полярность магнитных полей ведущих (хвостовых) пятен северного (южного) полушария Солнца изменяется на противоположную при переходе от одного 11-летнего цикла к другому. А поскольку знак их противоположен у ведущего и хвостового пятен группы и у соответствующих пятен северной и южной полусферы, то получается, что они как бы меняются местами в отношении магнитных свойств. Таким образом было установлено, что магнитные поля групп солнечных пятен получают первоначальную полярность не через 11 лет, а через 22 года.

"Длинные циклы солнечной активности. Несолнечная природа ритмов на Земле"


Когда речь идет о внутривековом 22-летним и вековом 80-90-летним ритмах, следует иметь в виду одну их интересную особенность. Эти ритмы как бы одновременно имеют и солнечную и несолнечную природу. Если подразумевается воздействие на то или иное явление пульсаций Земли, то воздействие Солнца тут, собственно говоря, не при чем. Так, при расширении Земли снеговая граница как бы опускается и горные ледники активизируются. Поэтому внутривековая изменчивость ледников, обусловленная пульсациями Земли, выступает в качестве явления, в большей мере земного (хотя климатические интервалы, определяемые правилом Иверсена-Гричук, известную роль все же играют). То же самое можно сказать и об уровнях Мирового океана, прежде всего связанных с объемом планеты. Древесная растительность на верхнем пределе распространения в первую очередь реагирует на колебания высоты снеговой границы и поэтому в своей изменчивости согласуется с изменчивостью ледников: наступление ледников сопровождается угнетением древесной растительности, сокращение ледников - ее оживлением. Катастрофические явления: землетрясения, извержения вулканов, ураганы и т. п. - также прежде всего связаны со скачкообразными изменениями направленности или темпа пульсаций Земли. Все перечисленные явления подчиняются режиму полных пульсационных ритмов, т. е. внутривекового и векового.

"Солнечная природа земных ритмов"


Многочисленная группа земных явлений непосредственно связанная с деятельностью Солнца. Вспомним, что "Космос (и прежде всего Солнце) обрушивает на Землю непрерывный поток атомных ядер, летящих с огромными скоростями космических лучей. Интенсивность космической "бомбардировки" то усиливается, то ослабевает, что отражается на состоянии земной атмосферы: давлении, температуре, ионизации, проводимости". Особенно велико воздействие солнечной активности на магнитное поле Земли. Солнечные пятна - это гигантские магниты, меняющие свой знак от цикла к циклу. Но число солнечных пятен прежде всего меняется по ходу 11-летнего цикла, т. е. по ходу половины 22-летнего пульсационного цикла. Поэтому земные процессы и явления, обусловленные активностью Солнца или флуктуациями магнитного поля, подчинены в большей мере 11-летнему режиму.
А. Л. Чижевский в книге "Земное эхо солнечных бурь" приводит перечень явлений органического мира, для которых установлена связь с солнцедеятельностью. Назовем самые важные из них: величина урожаев кормовых злаков, рост древесины, эпифитии, эпизотии и эпидемии, размножаемость и миграции насекомых, рыб, животных, психопатические эпидемии, частота внезапных смертей, преступлений и несчастных случаев, колебаний общей смертности, рождаемости и брачности.
Вероятно, все сказанное касается и векового ритма. Процессы земной пульсационной природы должны в первую очередь реагировать на полную длину ритма, а процессы, обусловленные солнцедеятельностью, - на длину полуритма.

"Вариации магнитного поля"


Если внимательно смотреть на магнитную чувствительную стрелку в течение, например, суток, можно обнаружить, что она не неподвижна, а движется то в одну, то в другую сторону. И эти колебания имеют четко выраженную ритмичность. В утренние часы северный конец стрелки направляется к востоку и, достигнув наибольшего отклонения около 8 часов утра, возвращается обратно. В дневные часы стрелка достигает наибольшего отклонения к западу. Затем она возвращается в начальное положение. Такие колебания стрелки (амплитуда 10-20 градусов и более) совершаются изо дня в день и имеют период, равный суткам. Если вековые изменения магнитного поля Земли связанны с процессами, протекающими в ее недрах, то суточные вариации обусловлены действием ультрафиолетового излучения Солнца, проникающего в верхние слои атмосферы. Ультрафиолетовые лучи ионизируют ее, т. е. создают электрически заряженные частицы - ионы и электроны. В результате этого вокруг Земли на высоте 80 км и выше образуется электропроводящий слой - ионосфера, в котором могут существовать токи.
Проводимость ионосферы определяется количеством ионов и электронов. Плотность их возрастает с высотой неравномерно. В ионосфере отмечают четыре слоя с различной проводимостью. Это слой D на высоте 80 км, E на высоте 110-120 км, F и слой F на высоте 240-600 км.
Под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца в слоях D, E, F, F периодически изменяется соответственно и электропроводность ионосферы. Вследствие приливных и тепловых действий ионосферные слои находятся в непрерывном движении, поэтому в магнитном поле Земли, как в обмотке ротора динамо-машины, возникают электрические токи. Магнитное поле электрических токов в ионосфере и заставляет магнитную стрелку испытывать непрерывные колебания. Таков механизм возникновения суточных вариаций геомагнитного поля. Поскольку эти вариации обусловлены влиянием Солнца и имеют период, равный суткам, они называются солнечно-суточными вариациями.
Солнечно-суточные вариации зависят от географической широты и времени года, поскольку они определяются интенсивностью ультрафиолетовых лучей, т. е. положением Солнца. Поэтому, в частности, величина суточных вариаций, сама по себе хоть и не значительная, зимой в среднем в четыре раза меньше, чем летом. Для средних широт величина вариаций склонения составляет 10-15 гамм, а горизонтальной составляющей 20-30 гамм, причем и склонение, и горизонтальная составляющая в течение суток сильнее меняются на севере и слабее на юге.
Вследствие суточных вариаций и магнитных возмущений магнитные полюса не остаются на одном месте. Они смещаются в течение суток относительно среднего положения примерно на 100 км. Колебания геомагнитного поля зависят от солнечной активности. Изучая их, можно получить ценные сведения о процессах, происходящих на Солнце, его ультрафиолетовом и корпускулярном излучении, а также о состоянии ионосферы.
Кроме солнечно-суточных вариаций обнаружены вариации, период которых равен лунным суткам, их величина составляет примерно 10-15 % величины солнечно-суточных вариаций. Лунно-суточные вариации обусловлены воздействием силы тяжести Луны на атмосферу и ионосферу, в которых при этом возникают приливообразующие силы.

"Магнитные бури"


В период, когда на Солнце возникают пятна, происходят исключительной силы взрывы и выбрасываются мощные потоки заряженных частиц - корпускул и ультрафиолетовых лучей. Примерно через два дня частицы достигают земного шара, где они захватываются его магнитным полем и "сортируются" по зарядам и массам. Вокруг Земли образуется гигантский круговой электрический контур радиусом в 20-25 тысяч километров. Магнитное поле этого тока в основном и создает бурю, охватывающую весь земной шар. Ионизация атмосферы усиливается, проводимость возрастает, возникают сильные, сравнительно кратковременные электрические токи, которые обнаруживаются на Земле в виде магнитных возмущений.
Число сильных мировых магнитных бурь в течение года невелико: единицы в годы "спокойного" Солнца или несколько десятков в годы сильной солнечной активности. Что касается умеренных магнитных бурь или магнитных возмущений, то они бывают часто, особенно в полярных районах, где спокойные магнитные дни чрезвычайно редки. В течение сильной магнитной бури склонение изменяется на несколько градусов, а вертикальная и горизонтальная составляющие - на тысячи гамм и больше. Амплитуды магнитных бурь изменяются с изменением географической широты: на севере они больше, на юге меньше. Продолжаются магнитные бури в течение нескольких дней (в среднем 4-5 суток), однако очень сильные, как правило, 1-2 суток.
Магнитные бури охватывают земной шар чаще в дни весеннего и осеннего равноденствия (март-апрель, август-сентябрь), а также в годы интенсивной солнечной активности, имеющей четко выраженную периодичность около 11 лет. Наблюдается в частоте появления магнитных бурь и 27-дневная повторяемость, связанная с периодом вращения Солнца вокруг своей оси. Таким образом, магнитное поле Земли очень чутко улавливает степень активности нашего светила, его "настроение"
Солнечный ветер, или плазма, состоящая из ионизированного, очень разряженного газа, охватив земной шар, вызывает в его магнитном поле различные возмущения и колебания. В дни, когда земной шар находится во власти невидимой магнитной бури, в Арктике и Антарктиде полыхают сильные полярные сияния, а исследователи космических лучей - частиц, летящих из космоса и от Солнца, обладающих колоссальной энергией, наблюдают изменения интенсивности потоков этих частиц.

"Магнитосфера"

Существование постоянного плазменного потока, исходящего от Солнца и называемого солнечным ветром, доказано экспериментально, и полость, в которой заключено магнитное поле, называется магнитосферой. Она лежит выше области ионосферы. Это наиболее обширная из всех сфер Земли, хотя количество вещества ее не составляет и сотой доли процента от количества нижележащих областей. Ее внешняя граница определяется тем условием, чтобы величина магнитного поля Земли превышала некоторую постоянную величину - постоянное значение межпланетного магнитного поля. Магнитосфера не есть сфера, это сложное пространственное образование, не симметричное относительно Земли. Со стороны Солнца магнитосфера поджата давлением солнечного ветра и отстоит от поверхности Земли на 10-12 ее радиусов, а с ночной стороны она вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли. Последний очень протяжен, и пока точно не установлено, где он кончается. Во всяком случае на расстояниях орбиты Луны он еще зафиксирован космическими аппаратами. Под давлением солнечного ветра магнитные силовые линии, выходящие из областей Северного и Южного полюсов, сносятся с дневной на ночную сторону Земли, образуя упомянутый магнитный хвост, который состоит из двух силовых трубок, соответствующим двум полярным шапкам и разделенных плоским нейтральным слоем с напряженностью магнитного поля около нуля.
Нейтральный слой, "щели" или "каспы", которые разделяют силовые линии дневной стороны и хвоста, представляет особый интерес для нас, так как именно эти щели собирают горячую плазму солнечного ветра, вызывая разнообразный спектр ответной реакции земной атмосферы. Во всех других местах земная магнитная броня надежно защищает Землю, и возможно лишь слабое "просачивание" за счет диффузии частиц солнечной плазмы.

"Радиационные пояса Земли"


Исследования показали, что в окрестностях Земли имеются частицы довольно высоких энергий. Они сконцентрированы в основном в двух зонах, образующих так называемый радиационный пояс Земли. Он представляет серьезную опасность для человека во время полета в космос. Внутренняя зона начинается на высоте 500-600 км и простирается до расстояний порядка радиуса Земли (около 6 тыс. км). Границы зон совпадают с соответствующими силовыми линиями магнитного поля Земли. Внутреннюю зону в основном составляют протоны с высокой энергией, а внешнюю - высокоэнергетические электроны. Частицы движутся по спиралям вокруг силовых линий. Приближаясь к Земле, где магнитное поле сильнее, они отражаются им, как зеркалом, и движутся в сторону другого полушария. Кроме того, из-за неоднородности магнитного поля Земли они совершают медленный по широте дрейф (движение поперек силовых линий). При таком дрейфе положительно заряженные частицы отклоняются к западу, а отрицательно заряженные к востоку. Так образуется кольцевой ток. Следует заметить, что в результате ядерных взрывов на больших высотах были созданы искусственные радиационные пояса, которые исказили естественные зоны, так что теперь трудно изучать свойства радиационных поясов в чистом виде. Радиационные зоны имеют сравнительно симметричный вид только примерно до расстояний 6-7 радиусов Земли. Далее распределение частиц и, следовательно, магнитное поле становится не симметричным. Оно вытягивается от Солнца. Вся картина похожа на конусообразную волну, порождаемую в воздухе летящим снарядом. Земля с ее магнитным полем как бы движется относительно потока солнечного ветра со скоростью 300-500 км/сек. Во время магнитной бури эта скорость увеличивается.

"Геомагнитные пульсации"

Ионизированный газ непрерывно "дует" со стороны Солнца, то слабее, то сильнее, подобно ветру на берегу моря. Достигнув внешней границы магнитного поля Земли, т. е. границы магнитосферы, он взаимодействует с ней и образует электромагнитные волны. Чувствительные волномеры в обсерваториях обнаруживают едва заметные колебания, называемые пульсациями, или короткопериодными колебаниями магнитного поля.
Пульсации были замечены около 100 лет назад в английской обсерватории Кью (близ Лондона), но только в последние 10-15 лет стали объектом самостоятельных исследований. Спектр частот геомагнитных пульсаций заключен в пределах от нескольких миллигерц до одного килогерца, т. е. период их составляет от тысячной доли секунды до нескольких минут. Особенно интересны пульсации, образно названные советским геофизиком В. А. Троцкой жемчужинами. Чаще всего жемчужины появляются в течение первой недели после магнитной бури. Амплитуда пульсаций составляет максимум несколько гамм, но чаще всего около одной гаммы.
Некоторые типы пульсаций отмечаются одновременно на всем земном шаре, как будто силовые линии геомагнитного поля колеблются подобно струнам гитары. Иногда пульсации имеют региональный характер. По мнению Троцкой "в настоящее время полной теории геомагнитных пульсаций не существует. Установлены лишь общие принципы физической интерпретации и дано объяснение отдельным свойствам пульсаций".