5. Философская загадка космофизики, или можете сами побыть космофизиком
Приезжайте ко мне, дорогой соседушко, ей-богу.
Откроем что-нибудь вместе...
Чехов А.П. Письмо к ученому соседу
Космофизика сейчас быстро движется вперед. О современном положении дел можно судить по такому невыдуманному эпизоду.
Идет научный семинар. Докладчик с воодушевлением начинает свое выступление: "Эта область науки так быстро развивается и успехи ее настолько велики, что выводы устаревают буквально через год-два после того, как они были получены". Реплика с места: "А то, что мы сейчас услышим, тоже устареет через полтора года?" Докладчик продолжает, но уже без прежнего подъема...
В космофизике действительно результаты устаревают довольно быстро. Техника наземных наблюдений становится все лучше и дает возможность уже сейчас вести непрерывное слежение за космосом, спутники и ракеты загружаются все большим количеством приборов, позволяющих проводить комплексные исследования. Хотя прямое изучение околоземного пространства продолжается не так давно, многие работы первооткрывателей, которые лишь прощупывали космос, из-за своей отрывочности уже превратились просто в исторические документы. Наверное, так же разом теряли свою научную ценность отчеты географов-первопроходцев, как только по их следам проходила армия топографов.
На этом фоне кажется удивительной судьба одной концепции, которая была выдвинута в 1961 году, в самом начале космической эры, она легко и изящно предсказывала важнейшие явления в околоземном пространстве, впо-следствие действительно открытые, послужила отправной точкой множества исследований. И все 20 с лишним лет носит скромное название гипотезы.
Первые попытки ее опровергнуть были предприняты, по существу, всего лишь несколько лет назад. Эти попытки носят пока еще частный характер, выводы разных критиков не согласуются между собой. Но даже те, кто в чем-то с ней не согласен, широко используют ее как наглядную схему, позволяющую связать воедино, держать в памяти, обсуждать многообразные сведения о магнитосфере. Эту гипотезу выдвинул английский астрофизик Данжи.
При упоминании этого имени космофизики разных школ и направлений ведут себя очень похоже. Скажут: "Да... Данжи..." - и задумаются. У кого на лице восхищение ("Надо же так: одно наглядное соображение, показ, так сказать, на пальцах, и такие далеко идущие выводы, причем опыт подтверждает их!"); у кого удивление ("Почему так получается, как может простенькая исходная посылка развернуться в описание таких разнообразных явлений?"); у кого стыдливость ("До сих пор наука не нашла чем заменить или как отменить этот показ на пальцах!").
Гипотеза Данжи - ключ к пониманию физики магнитосферы, и с ней стоит познакомиться.
Физические законы выражаются уравнениями. Но, по словам английского гидромеханика Моффата, "основные уравнения физики могут содержать все сведения о мире, но эти уравнения скрытны и неохотно отдают заключенные в них сведения". Кажется невозможно ни в чем разобраться, не прибегая к сложным математическим формулам. "Однако в основе любой физической теории лежат не формулы, а идеи", - это свидетельство А. Эйнштейна. Концепция Данжи - именно идея. Ее может воспринять Даже неспециалист. Мне хочется представить ее читателю от начала до конца еще и потому, что это редкий случай дать некосмофизикам точную научную информацию, так сказать, без деформации.
Данжи стал рассматривать вещество, заполняющее околоземное пространство, как сплошную среду с некоторым электрическим сопротивлением.
- Позвольте, - непременно прервет меня здесь читатель, - какая среда в магнитосферу? Когда столько толковали о радиационных поясах, говорили о невзаимодействующих частицах. А теперь оказалось, что магнитосфера заполнена средой. Понятно, что космос - не абсолютная пустота, какие-то частицы там есть, но частицы, летающие каждая сама по себе, и среда, которая движется как единое целое, - это совсем не одно и то же!
Действительно, с этим не все гладко. Даже если учесть, что космос в основном заполнен заряженными частицами (а такие частицы оказывают друг на друга электрическое и магнитное воздействия на огромных по сравнению с их размерами расстояниях), остается вопрос: насколько все же сильны эти воздействия? Увы! Непосредственно измерить их с борта космического корабля практически невозможно, поскольку его приборы не дают нам достаточно подробной информации о частицах, удаленных от корабля.
Остается обратиться к теории. А там пока тоже нет ответа...
Кто-то сказал, что если физика-теоретика просят дать математическое описание стола, то он очень быстро находит решение для случая стола без ножек и для случая стола с бесконечным числом ножек, а потом долго и безуспешно бьется над задачей о столе с четырьмя ножками.
Эту шутку вполне можно отнести и к теоретикам-космофизикам.
Плазма магнитосферы очень разрежена, но не настолько, чтобы частицы можно было считать невзаимодействующими друг с другом. Математические методы описания такой плазмы еще не разработаны. Поэтому теоретикам приходится подбираться, так сказать, с одного из двух противоположных концов: либо рассматривать ее как состоящую из отдельных, прямо не связанных между собою частиц (вот он, стол без ножек), либо, наоборот, как некую сплошную среду вроде жидкости, в которой "индивидуальность", то есть положение, скорость и прочее, каждой частицы вообще не выделяется (стол с бесконечным числом ножек). Какой из этих двух противоположных подходов лучше для описания данного явления, выясняется часто лишь на конечном этапе теоретического исследования, при сравнении результата расчета и наблюдений. Например, мы уже видели, что с помощью "одночастичного" подхода можно понять природу радиационных поясов Земли. Как мы увидим сейчас, другой способ описания реальной плазмы, который уподобляет ее проводящей жидкости, позволяет составить представление о важнейших глобальных процессах в космосе.
Почему авроральный овал то стягивается к магнитному полюсу, то, наоборот, растягивается, сползая в более низкие широты? Почему сияния в овале то слабые, малозаметные, то мощные и яркие? Довольно часто отдельные формы сияний плывут как целое по небу. Куда плывут они и почему? Ясно, что все зависит от космической обстановки. Что же определяет эту обстановку? Гипотеза Данжи дает на эти вопросы однозначный и неожиданный ответ.
Итак, представим себе, что мы имеем дело с текучим проводником (жидким или газообразным; и то и другое физики для краткости называют "жидким" проводником). Когда по такому проводнику идет ток, то движение его, равно как и распределение магнитного поля в нем, может оказаться очень сложным: ведь это движение проводника в магнитном поле, и наш проводник выступает одновременно и в роли электромотора, и в роли генератора тока. В земных установках (электромоторах и динамо-машинах) все гораздо проще. Мы заранее знаем, будет ли наше устройство работать как мотор или как генератор. Иными словами, всегда можем судить, что первично, что вторично: будет ли ток заставлять двигаться якорь с обмоткой или движение будет создавать ток.
Но плазма, наша "жидкость", - это сплошная аморфная масса, в которой одна часть "неучтенным" образом влияет на другую.
Казалось бы, разобраться в поведении такого проводника очень трудно. Однако дело сильно упрощается, если сопротивление проводника настолько мало, что проводник можно считать идеальным. Внутри такого проводника электродвижущая сила должна, очевидно, отсутствовать, иначе По проводнику шел бы бесконечно большой ток, чего в природе не бывает даже в сверхпроводниках. Из школьного курса физики мы знаем, что электродвижущая сила не возникает, когда нет движения проводника поперек магнитного поля. Это означает, что в идеальном проводнике движение и магнитное поле автоматически так согласуются друг с. другом, что в процессе движения нет перемещения вещества поперек магнитного поля: совершая свое даже сложное движение, проводящее вещество не пересекает его силовые линии. Если бы мы в некоторый момент подкрасили такой жидкий проводник вдоль какой-либо одной силовой линии, то потом, наблюдая, за течением, мы бы увидели, что подкрашенная линия в потоке движется и изгибается. Но стоит поместить маленькую магнитную стрелку в любую точку подкрашенной жидкости, как эта магнитная стрелочка тут же повернется и встанет в направлении подкрашенной линии. Наша подкрашенная линия, как бы ее ни изогнул поток, продолжает оставаться силовой линией! (Конечно, в реальном жидком хорошем проводнике стрелочка, помещенная на подкрашенную линию, уже не будет указывать точно ее направление, отклонение от него будет тем значительнее, чем меньше взятый нами проводник похож на идеальный.) Таким образом, силовые линии остаются как бы вклеенными в идеальный проводник и движутся вместе с ним подобно ниткам, попавшим в густой текучий клейстер. Физики называют эту согласованность с движением "вмороженностью" силовых линий, хотя сказать "вклеенность" было бы точнее. Опираясь на это свойство идеальных проводников (его можно выявить и на основе точных уравнений физики), удается просто и наглядно расшифровать по движению вещества характер магнитного поля в нем и, наоборот, по виду силовых линий магнитного поля в жидком проводнике сказать, каким будет движение этого проводника.
Концепция Данжи и есть такая расшифровка явлений в околоземном пространстве.
Рецепт расшифровки несложен. Но это простота использования. Просто включить домашний холодильник, но так ли уж многие из включающих знают принцип его устройства? Вертит человек в руках кубик Рубика. Сделать его грани одноцветными - это одна задача, задача использования; сообразить, как он устроен, - другая; придумать такое - третья. Степень сложности разная. Мы скажем здесь об идейных корнях концепции Данжи. Они касаются одной из самых серьезных философских проблем современной физики - проблемы дуализма полей и частиц. Здесь ясности я обещать не могу. Но, остановившись на этом, мы вернемся потом к нашей "ясной" проблеме использования - расшифровке.
В 1873 году вышел в свет знаменитый труд Дж. Максвелла "Трактат по электричеству и магнетизму". Он обобщал все известные факты электродинамики. Наблюдения заряженных тел, токов, соображения о реальности электрических и магнитных полей, их изменения в пространстве и во времени - все это огромное и разнообразное Нечто свелось в Ничто - несколько простых по форме математических уравнений. Исследование этих уравнений открывало незамеченные еще свойства реальных явлений.
Из уравнений Максвелла следует, что в магнитном поле есть внутренние натяжения: его силовые линии ведут себя подобно натянутым резиновым нитям, они стремятся уменьшить свою длину, а пучок их - стать толще, расправиться. Правда, у пучка резинок есть какая-то естественная для него длина и толщина, у пучка магнитных силовых линий этого нет: он всегда стремится уменьшить свою длину и увеличить толщину. Если же магнитное поле не меняется со временем, то это потому только, что его силовые линии не дают друг другу вести себя, "как им хочется".
Наличие такой проблемы - дуализма полей и частиц - видно уже вот откуда. В школе всем показывали опыт: на два проводника с токами, текущими в одну сторону, действует сила, сближающая их. Если мы обратим внимание на магнитные поля, окружающие эту пару токов, то заметим, что при сближении проводников поле между ними становится слабее, а поле снаружи от них - сильнее. Так отчего сближаются проводники? Токи - движущиеся частицы - притягиваются или наружное магнитное поле, стремясь расправить пучки своих силовых линий (мы помним, что силовые линии надо проводить тем гуще, чем сильнее поле), сближает проводники? Желающие могут специально поломать голову над этим или обратиться к литературе по философии физики. Для нас же сейчас важно, что результат - сближение проводников, как его ни понимай, - оказывается всегда одним и тем же и совпадает с показанным нам в школе опытом.
Итак, силовые линии расталкиваются, когда их "слишком много", и стараются сократиться.
Мы уже говорили, что в идеально проводящей плазме магнитные силовые линии "вморожены" в вещество. Очевидно, об этом же самом свойстве можно сказать и так: вещество приклеено к силовым линиям магнитного поля. Еще мы говорили, что силовая линия всегда, когда есть возможность, стремится сократить свою длину. Вместе эти два утверждения означают, что в ситуациях, когда "вмороженная" силовая линия магнитного поля может сокращаться, она заставит вещество двигаться подобно стреле, которую толкает только что спущенная тетива лука.
Но мы уже отмечали, что абсолютная "вмороженность" силовых линий - это свойство идеальных проводников, реальные проводники если и похожи на идеальные, то лишь приближенно: силовые линии в них не наглухо скреплены с веществом. Такой реальный хороший проводник в общем движется вместе с силовыми линиями, но силовые линии постепенно смещаются относительно вещества.
Можно представить себе случай, когда, как в жизни, идеальность и слабая неидеальность работают друг на друга.
Тогда можно ожидать чудес.
Итак, раз!
Благодаря идеальности силовые линии движутся вместе с веществом, и может случиться так, что в некоторой области соприкоснутся семейства противоположно направленных силовых линий (рис. 4, а) Образовать, например, что-то вроде рукописной буквы X из магнитных силовых линий (в физике эта область соприкосновения так и называется: "точка икс"). Допустим, левая часть этой буквы - силовая линия, направленная вверх, правая - вниз, а сама буква - высокая и узкая.
Рис. 4. Пересоединение противоположно направленных магнитных силовых линий: а - пересоединение не началось, б - пересоединение происходит
Два!
Поскольку силовые линии неидеальны, они могут пересоединиться: объединятся между собой "куски" силовых линий, составляющих верхнюю часть буквы X, и отдельно "куски", составляющие ее нижнюю часть (рис. 4, б). Согласитесь, что для этого немного нужно: изменения могут даже не затрагивать весь поток, достаточно лишь, если в "талии" буквы X линии слегка сдвинутся относительно вещества. Теперь верхняя и нижняя половины буквы X будут как две оттянутые тетивы луков.
Три!
Линии-тетивы стремятся сократиться и (снова благодаря идеальности) выбросить плазму вверх и вниз. Когда это произойдет, мы получим дополнительный, обусловленный энергией магнитного поля, поток вещества из Х=точки.
Вот и все чудо.
То, что оно состоялось, видно из контрольной ситуации: возникло положение "раз", но левая и правая поло-вины X теперь образованы одинаково направленными силовыми линиями. Допустим, обе линии направлены вверх (рис. 5). Верхняя и нижняя половины X теперь состоят из противоположно направленных кусков силовых линий, и никакая неидеальность не поможет противоположно направленным кускам стать одной силовой линией: вдоль силовой линии магнитное поле всегда направлено в одну сторону. Обязано! Так что к пункту "два" в этом случае перейти нельзя.
Рис. 5. Соприкосновение семейств одинаково направленных магнитных силовых линий. Пересоединение невозможно
Мы получаем четкое "правило отбора" ситуаций: если сблизились в потоке или как-нибудь еще семейства противоположно направленных линий, допустимо возникновение "тетивы" и появление дополнительного выброса вещества из Х-точки, если линии одинакового направления - ничего особенного не произойдет, пересоединение "запрещено".
Чтобы сработал пункт "два", необходимо нарушение "вмороженности" силовых линий: как в примере с клейстером - нельзя считать нити вклеенными, когда их разрезают и перевязывают по-другому. Как обеспечить выполнение пункта "два"? Исследователи видят разные пути. Одни представляют себе дело таким образом, что вблизи точки X подключается некоторый процесс (например, возникает неустойчивость), благодаря которому плазма вблизи самой Х-точки теряет свою идеальность. Другие исходят из изначальной неидеальности потока и стараются выявить такие сближающие потоки, чтобы эта изначальная неидеальность нужным образом проявила себя в области сближения. Конкретные представления о пересоединении разнообразны, как поэтические вариации на тему "соловей и роза". Но тема одна: это "раз - два - три".
Астрофизики, интересуясь движением космической плазмы, обсуждали возможности и последствия пересоединения магнитных силовых линий еще до появления гипотезы Данжи. И вот что замечательно. Все сказанное здесь об Х-точках - не упрощенный показ результатов строгого анализа и убедительных расчетов. Несколько приведенных здесь наглядных соображений об Х-точках - это практически все, чем располагал Данжи. И располагают сейчас его последователи. И можете располагать вы, читатель, если захотите расшифровать многообразие космических явлений. Проведем же такую расшифровку вместе.
Данжи предположил, что силовые линии собственного дипольного магнитного поля Земли, того поля, что создано глубинными токами внутри нашей планеты, пересоединяются в космосе с теми силовыми линиями, которые приносит с собой к Земле хороший проводник - плазма солнечного ветра. С этих пор название "Х-точка", отражающее всего лишь вид магнитного поля вблизи нее, вполне можно считать символическим: это то неизвестное, о котором космофизики ведут самые напряженные споры.
Во времена, когда вышла работа Данжи, знания о ближнем космосе были скудны. Знали, что есть радиационные пояса. Советские космические зонды, запущенные в 1959-1961 годах, обнаружили потоки плазмы от Солнца.
Но не было ясно, эпизодическое это явление или постоянно существующий солнечный ветер.
Гипотеза Данжи уверенно предсказывала еще не открытые черты околоземного пространства.
Хвост магнитосферы. Согласно Данжи, у магнитосферы должен существовать очень длинный хвост. Действительно, если на Землю набегает поток солнечной плазмы - солнечный ветер, то магнитное поле, которое он несет с собой, приходит в соприкосновение с магнитным полем токов, текущих в глубине ее, - с дипольным магнитным полем. Временами должны образовываться Х-точки, в которых допустимо пересоединение силовых линий соприкасающихся полей. Получившиеся при пересоединении силовые линии одним "концом" уходят в Землю, другим - в солнечный ветер. Поток солнечного ветра относит проходящую по нему часть силовой линии далеко в противосолнечную, ночную сторону Земли (рис. 6). Пересоединению должны подвергнуться в первую очередь периферийные магнитные силовые линии дипольного поля, пересекающие поверхность планеты вблизи магнитного полюса, высокоширотные. Две пряди таких линий из Южного и Северного полушарий тянутся далеко в межпланетное пространство. Это и есть хвост магнитосферы.
Рис. 6. Круговорот вещества в магнитосфере Земли (широкие стрелки указывают направление движения) и пересоединение силовых линий в дневной и ночной Лоточках по гипотезе Данжи
Как мы видели раньше, вытянутость магнитосферы в ночную сторону можно понять и без привлечения гипотезы Данжи, просто как след в потоке за обтекаемым препятствием. Однако объяснить "невероятную" длину этой вытянутости - хвоста - без обращения к гипотезе Данжи современная наука не может.
Хвост магнитосферы - явление уникальное: это самый длинный след за препятствием в потоке из числа известных науке (необыкновенно велико отношение его длины к размерам головной части). Причем речь идет о длине хвоста, известной на сегодняшний день; какая она на самом деле, мы пока не знаем, так далеко еще не залетали космические корабли.
(Иногда необычную вытянутость хвоста магнитосферы объясняют существованием поперек него электрического тока: известно, что между противоположно направленными семействами магнитных силовых линий всегда течет ток, в данном случае два таких семейства представляют собой "пряди" Северного и Южного полушарий. Но это все равно, что объяснять существование курицы существованием яйца. Мы имеем здесь дело с отражением все того же дуализма полей и частиц - магнитного поля и частиц, носителей тока. И вопрос о длине хвоста - двух прядей силовых линий магнитного поля - заменяется вопросом о необыкновенной длине слоя с током между ними.)
Круговорот вещества в околоземном пространстве. Из гипотезы Данжи следует также, что в магнитосфере должен идти постоянный круговорот вещества, при котором с ночной стороны плазма движется на дневную и обратно. В самом деле, если бы только шло пересоединение на дневной стороне магнитосферы, то число хвостовых силовых линий все время увеличивалось бы, а дипольных - уменьшалось. Такого постоянного увеличения - уменьшения не наблюдается. Данжи объяснил это тем, что в хвосте магнитосферы, вблизи плоскости экватора (то есть там, где соприкасаются противоположно направленные хвостовые линии из Южного и Северного полушарий), могут также образовываться Х-точки, в которых идет пересоединение (см. рис. 6). При этом со стороны Земли появляются "замкнутые", уходящие обоими "концами" внутрь планеты силовые линии, они похожи на дипольные, только более вытянуты. Однако этот вид сохраняется недолго: силовые линии сокращаются, как резинки, и вытянутость исчезает.
Обратим внимание на концы силовых линий, которые пересекают поверхность Земли. Если бы не было слоя нейтральной атмосферы, то силовая линия из магнитосферной плазмы прямо переходила бы в Землю. А поверхность Земли - достаточно хороший проводник, и к ней можно отнести все наши рассуждения о "вмороженности" силовых линий. Так что без атмосферы "земной конец" силовой линии был бы "вморожен" в твердую Землю и двигаться бы не мог. Присутствие плохого проводника, атмосферы, разбивает эту связанность, и магнитосферный участок силовой линии может двигаться, так сказать, сам по себе. Другими словами, плазма, находящаяся на нем, не ощущает присутствия проводящей Земли. Если мы проследим за его "подножием", местом, где силовая линия выходит из нейтральной атмосферы в Южном полушарии или входит в нее в Северном, то увидим, что оно движется по небосводу. Сначала, когда силовая линия пересоединилась на дневной стороне с линией межпланетного магнитного поля, это подножие начинает "отплывать" в ночную сторону Земли, поскольку вся силовая линия с находящейся на ней магнитосферной плазмой сносится потоком ветра в противосолнечную, ночную, сторону. Там силовая линия пересоединяется снова, уже в хвостовой Х-точке, и подножие вместе со всем магнитосферным участком силовой линии идет назад, на дневную сторону: ведь из ночной, хвостовой Х-точки будут поступать новые "замкнутые", похожие на дипольные силовые линии, которых там накопилось "слишком много" - столько, что пучки их, стремясь расшириться, вызывают движение силовых линий и "примороженного" к ним вещества туда, где таких линий в "недостатке", то есть на дневную сторону. На дневной стороне магнитосферы наша силовая линия рано или поздно пересоединится с магнитным полем солнечного ветра, и все повторится снова.
Впоследствии этот круговорот вещества в магнитосфере был обнаружен и получил название магнитосферной конвекции плазмы. Это "вечное движение" - примечательная черта околоземного пространства, и мы увидим далее, что с ним связаны многие интересные явления.
Правда, для объяснения этого круговорота можно и не обращаться к гипотезе Данжи. Представим себе, как мы уже делали, магнитосферу просто полостью в потоке солнечного ветра, обтекающего препятствие - Землю с ее собственным магнитным полем. Предположим, что солнечный ветер увлекает соприкасающуюся с ним разреженную плазму наружных областей магнитосферы благодаря действию на границе некоторых гипотетических сил вязкости. Скапливающаяся на ночной стороне магнитосферы плазма будет возвращаться по внутренним областям магнитосферы снова на дневную сторону. Силовые линии магнитного поля во всей магнитосфере остаются при этом похожими на дипольные (в том отношении, что все они уходят под поверхность Земли). Этот механизм конвекции был предложен Аксфордом и Хайнсом немного раньше, чем Данжи предложил свой вариант объяснения конвекции. В космофизике представления о магнитосфере называют моделями. О модели, использованной Аксфордом и Хайнсом, обычно говорят как о закрытой. Этим подчеркивают отсутствие в ней открытых силовых линий, уходящих одним концом в Землю, а другим - в солнечный ветер. Напротив, модель Данжи называют открытой. В современной космофизике в работе находятся обе модели магнитосферы и обе считаются классическими.
Интересно, что лабораторные эксперименты, которые проводит на современной террелле московский физик И. М. Подгорный с сотрудниками, говорят о том, что плазма искусственной магнитосферы взимодействует с лабораторным "солнечным ветром" одновременно и по типу Аксфорда - Хайнса через вязкие гипотетические (потому что их природа не выяснена) силы и через магнитные поля по типу Данжи.
Стягивание аврорального овала к магнитному полюсу. Можно ожидать, что такой важный момент в "жизни" силовой линии, как пересоединение, должен как-то по-особому отразиться на свойствах плазмы, находящейся на ней. Действительно, границе хвостовых и дипольных линий соответствует, как мы уже знаем, авроральный овал.
Все содержимое овала - в обычном состоянии это разные пятна, обрывки дуг как спокойные, так и играющие лучами и т. п. - движется с ночной стороны аврорального овала на дневную двумя руслами: по утренней и вечерней сторонам овала. Неоднородности исчезают, меняются по дороге - словом, ведут себя, как пена в реке. Поток их изменчив и сложен, но если проследить за ним, можно установить его общее направление (длинные узкие дуги обычно вытянуты вдоль линий потока). Он доходит до обращенной к Солнцу части овала, потом, уменьшив свое свечение, выходит за его полярную границу, в район, очерчиваемый авроральным овалом (в так называемую полярную шапку). По полярной шапке поток доходит до ночной части овала и входит в него, чтобы двигаться по нему снова в сторону Солнца. Это движение отдельных форм сияний отражает круговорот вещества в магнитосфере.
И вся система сияний то стягивается к магнитному полюсу, то отходит от него. Полярная шапка становится то меньше, то больше.
Почему привычные к сияниям северяне не видят их в одни и те же часы на одном и том же месте? Иногда, растягиваясь, овал "заезжает" в средние широты. Чему обязаны жители этих широт редким для них зрелищем? Что управляет такими движениями овала?
Теперь уже установлено, что отвечает за них магнитное поле, "вмороженное" в плазму солнечного ветра, - межпланетное магнитное поле. Точнее, не все поле, а лишь одна его характеристика - составляющая вектора его напряженности, перпендикулярная плоскости магнитного экватора Земли. Тот факт, что от этой тонкой характеристики (к тому же переменчивой и пока непредсказуемой) так сильно зависит состояние земной магнитосферы, казался бы совершенно удивительным, если бы он не был уже теоретически предсказан Данжи. Космофизики считают это предсказание поразительным. Посмотрим, как это получается.
Вспомним, что говорилось об Х-точке: пересоединение в ней может идти, когда силовые линии, ее образующие, имеют противоположные направления, и "запрещено", когда они направлены одинаково. Силовые линии дипольного магнитного поля Земли встречают поток солнечного ветра своей наиболее удаленной от Земли, экваториальной, частью. Они тянутся от Южного полушария к Северному и в месте встречи с солнечным ветром направлены с юга на север (см. рис. 6). Значит, по Данжи, пересоединение возможно лишь в те моменты, когда поток солнечного ветра приносит с собой магнитные силовые линии противоположного направления - с севера на юг. Отсюда важность межпланетного магнитного поля южного направления.
Специалисты часто говорят о важности южной составляющей межпланетного магнитного поля. Действительно, взглянув с более широкой точки зрения, легко представить себе пересоединение соприкасающихся семейств скрещенных силовых линий. Очевидно, оттянутость "тетивы", получившейся при таком пересоединении, зависит от угла между соприкасающимися силовыми линиями: когда в Х-точке силовые линии направлены противоположно, сила натяжения "тетивы" наибольшая; когда направлены в одну сторону, она нулевая; при других углах между линиями она имеет промежуточные значения.
Чем больше напряженность магнитного поля, которую характеризуют густотой силовых линий, тем больше должно образовываться "изломанных", пересоединенных линий. Поэтому чем больше величина южной составляющей магнитного поля в солнечном ветре, тем эффективнее, заметнее пересоединение, тем больше силовых линий становится хвостовыми, тем больше полярная шапка и тем дальше отъезжает авроральный овал от полюса, сползая в низкие широты.
Напрашивается вопрос: не было ли связано зарево, встревожившее Древний Рим, с таким расширением овала? Точный ответ дать нельзя. Авроральный овал был обнаружен лишь в 60-х годах нашего столетия, и за время его наблюдений не случалось, чтобы он уходил в такие низкие широты. Но в средних и низких широтах бывают сияния другой природы, связанные с высыпанием в атмосферу частиц из внутренних, близких к Земле районов магнитосферы (из плазмосферы). Эти сияния крайне редки, поэтому они остаются плохо изученными по сравнению с сияниями аврорального овала, которые горят всегда.
Обратный вопрос: может ли авроральный овал так близко подойти к магнитному полюсу, что стянется в точку? Такого тоже никто не видел. По наблюдениям, он достигает некоторого предельного размера и меньше уже никогда не бывает. Впрочем, крайне сжатым овал бывает нечасто, и свойства магнитосферы при таком состоянии овала пока еще плохо выявлены.
Нет необходимости перечислять другие важные следствия из гипотезы Данжи, объясняющие реально наблюдаемые черты магнитосферы. Их много. Трудно даже назвать какую-либо космофизическую теорию, которая могла бы сравниться с этой гипотезой по количеству подтвердившихся выводов. Почему же все-таки ее продолжают называть гипотезой, концепцией, но не теорией?
Вернемся к тому месту, где мы впервые заговорили о пересоединении. Все ли там понятно? Пересоединение мы вообразили, но есть ли оно на самом деле? По сей день далеко не ясно, какой физический механизм может обеспечить достаточно быстрое пересоединение достаточно большого количества силовых линий, чтобы благодаря этому получился достаточно быстрый отток вещества из окрестности Х-точки. Судить об этом можно, лишь зная числа, а числа остаются неизвестными.
От физической теории ждут описания явления не только с качественной, но и с количественной стороны. Физики проверяют себя числом. Даже очень грубое его определение полезно, хотя бы как взгляд на неизвестную картину через плохо подобранные очки: можно потерять детали, можно что-то перепутать, но все-таки исключается случай, что мы видим существенное там, где вообще ничего нет. Поэтому теории более частные, отрывочные, но дающие в итоге некоторую численную оценку, нередко рассматриваются как вполне конкурентоспособные по отношению к "широкоохватным", но качественным гипотезам вроде концепции Данжи. Хорошо это или плохо - другой вопрос, философский.
А что говорят наблюдения? Если интересоваться глобальными чертами магнитосферы, то, как мы уже видели. с их описанием концепция Данжи прекрасно справляется. Обратимся теперь к самой Х-точке. Соответствует ли то, что там происходит, идее пересоединения?
Космические аппараты предоставили науке замечательную возможность вести измерения непосредственно в космосе. Приборы подробно информируют исследователя о состоянии той точки космического пространства, где находится корабль, в тот момент, когда он там находится. Это позволило выявить очертания магнитосферы, распределение электрического и магнитного поля в ней, общий характер движения заполняющих магнитосферу частиц. Но изучение изменений, происходящих в магнитосфере, - несравненно более трудная задача.
Представим себе, что человеку часто приходится пересекать в разных направлениях какой-нибудь лесок. Довольно скоро он станет представлять себе его очертания, несмотря на то что из-за деревьев, как известно, леса не видно. Но вот человеку, многократно пересекающему стадион во время репетиции массового выступления спортсменов на празднике, намного труднее понять, какие фигуры будет видеть на поле стадиона зритель, сидящий на трибуне. Даже если потом этот человек во время праздника все увидит своими глазами, ему трудно будет уловить, какие именно моменты перестроения участников он наблюдал, двигаясь среди них.
Недавно были проведены спутниковые наблюдения в области предполагаемой Х-точки на дневной стороне магнитосферы. Оказалось, что состояние частиц плазмы в самой этой области не так уж сильно зависит от межпланетного магнитного поля. Означает ли это, что пересоединение не происходит вовсе и качественные выводы Данжи лишь случайно совпадают с опытом, или мы просто не улавливаем общую картину пересоединения, когда следим за поведением частиц вдоль траектории космического аппарата (этого "микроприбора" по отношению к глобальной картине ближнего космоса), - это покажет будущее. Острая полемика ведется и по поводу спутниковых наблюдений в области, где должна находиться ночная Х-точка.
Итак, Данжи, не углубляясь в проблему воздействия потоков солнечного вещества на магнитосферу, предположил, что она решена, и пошел дальше. Это позволило ему блестяще объяснить строение околоземного пространства и изменения в нем. Он не распутал гордиев узел современной космофизики - явления в Х-точке, он решительно разрубил его. Но проблема, которую Данжи обошел, настолько важна, что разобраться с Х-точкой необходимо. Гордиев узел еще предстоит распутать.
