Что зыблет ясный ночью луч?
Ломоносов М.В.
Космос говорит о себе изменениями магнитного поля на поверхности Земли. За ними нетрудно следить, они легко измеряются, и наблюдения можно вести в автоматическом режиме.
При прочих равных условиях на магнитограф, конечно, сильнее всего действует ток, текущий на близком расстоянии. Самая близкая область космоса - ионосфера над нами. Однако ток над местом наблюдений - это только часть всей токовой цепи. Ток этот может замыкаться где угодно в заполненном плазмой космосе. Поэтому без специального исследования нельзя сказать, о каком именно космическом процессе информирует нас магнитометр.
К тому же его показания многое отражают. Например, ветры на ионосферных высотах: при смещениях проводника - ионосферной плазмы - поперек магнитного поля в проводнике возникает электродвижущая сила, а значит, появляются ионосферные и магнитосферные токи, магнитные поля которых воспринимаются земными приборами-магнитографами. По ассоциации с обычной динамо-машиной говорят, что такие магнитные возмущения вызваны действием "ионосферного динамо". Еще замечено, что включение крупных промышленных электрических сетей приводит к появлению ионосферных токов, которые отмечаются магнитометрами на Земле.
И все-таки по показаниям даже одного магнитометра можно сразу сказать, спокойно в космосе или нет. Если тихо, самописец вычерчивает плавную кривую, случилось одиночное возмущение - на кривой появляется либо отдельный выступ, либо характерные колебания, а если наступил период сплошных возмущений, самописец чертит зигзаг за зигзагом (см. рис. 8). Пока мы умеем распознавать в этих записях лишь самые "броские" события.
Рис. 8. Наступление магнитной бури, как оно выглядит на магнитограмме. По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной - величины трех составляющих вектора магнитного поля
В своей чудесной сказке "Цветик-семицветик" В. Катаев написал о девочке, по волшебству и своему капризу попавшей на Северный полюс. Стоит она на льдине, а из воды лезут белые медведи. Семь штук, и все разные. Первый - нервный, второй - злой, третий - в берете, четвертый - потертый, пятый - помятый, шестой - рябой, седьмой - самый большой. Примерно так, не по единой системе, а просто по отдельным характерным признакам различают космофизики магнитные возмущения.
Представим себе, что в космосе совсем тихо. Точка, где находится магнитограф, вращаясь вместе с Землей, "выезжает" на ее освещенную сторону, над магнитной станцией, как говорят космофизики, начинается "местный день". Сильный солнечный свет падает теперь на ионосферу, в ней увеличивается число свободных заряженных частиц, сопротивление ее падает, и токи в ней усиливаются. Типичные ветры в ионосфере, создающие благодаря механизму ионосферного динамо "свои" токи в космосе, в дневное время не такие, как в ночное. Чувствует магнитограф и далекие магнитосферные токи, которые неодинаковы с дневной и с ночной стороны магнитосферы: вспомним, как несимметрично искажают они магнитное поле нашей планеты. Так что наш магнитограф конечно же должен отмечать своими показаниями наступление светлого времени суток. Земля вращается, как известно, весьма равномерно, поэтому изменения магнитного поля, связанные с ее вращением, изображаются плавной кривой. Такие спокойные изменения магнитного поля, более или менее одинаковые ото дня ко дню, называются вариациями*, в отличие от возмущений быстрых, иногда рваных зигзагов кривой магнитографа. Данные сети станций обобщают эти наблюдения: вариации магнитного поля сильнее там, где больше освещенность верхней атмосферы Солнцем - в летнем полушарии сильнее, чем в зимнем, в низких широтах - сильнее, чем в высоких.
*(Заметим для читателей, которым это, возможно, понадобится, что здесь речь идет об Sq-вариациях, их величина на экваторе Достигает 100-200 нТ, а в средних широтах только 20 нТ. Т (тесла) - это единица магнитной индукции, н (нано) - это одна миллиардная Доля исходной единицы, в данном случае тесла.)
В высоких широтах такие вариации практически неразличимы на фоне того, что обычно наблюдается под авроральным овалом. Здесь изменения магнитного поля имеют характер возмущений: "на позорях матка дурит", как мы помним, говорили в старину поморы, а законное место "пазорей" - авроральный овал. Простым глазом мы можем наблюдать здесь обычный круговорот космического вещества - магнитосферную конвекцию, когда разные светящиеся неоднородности движутся вечером примерно в западном направлении вдоль аврорального овала, а утром - в восточном. Мы знаем уже, что это часть общей картины движения авроральных форм по овалу с его ночной стороны на дневную и дальше через полярную шапку опять на ночную. Всему этому отвечает определенная система магнитных возмущений*, которая затрагивает и более низкие широты. Это неудивительно, когда на экране - полярном небе - нам "показывают полярные сияния", работают все "блоки" космического телевизора.
*(Это система DP2)
Но вот все светящееся содержимое аврорального овала двинулось в сторону экватора (для нас, жителей Северного полушария, к югу). В особенности это хорошо видно по четким длинным дугам, они все как целое плывут на юг. Это значит, налетающий на магнитосферу поток солнечного ветра принес с собой магнитное поле с южной компонентой. И авроральный овал начал расширяться. Потом все может двинуться назад и вернуться на место или уйти к полюсу. Но если этого не произойдет, межпланетное магнитное поле останется таким же или его южная составляющая усилится, надо ждать красивейшего явления - тех самых цветных переливающихся сияний, которые в общем-то и запоминались путешественникам. Начнется "бесконечная фантасмагория искрящихся красок, превосходящая всякое воображение" (Нансен). Такие сияния случаются наиболее часто и бывают самыми сильными именно при расширенном овале.
Специалисты называют такую передачу из космоса суббурей. По словам известного советского космофизика Ю. И. Гальперина, вспышки сияний при суббуре "очень индивидуальны и больше напоминают поведение капризного живого существа, чем четкий и воспроизводимый физический процесс". Имея дело с капризным человеком, бывает полезно отвлечься от зигзагов его настроения и обращать внимание лишь на их размах или вообще стараться быть от него на расстоянии. Специалисты по суббурям пользуются похожими приемами.
Магнитографы при суббуре обычно вычерчивают характерную кривую, на магнитограмме появляются как бы очертания бухты на морском побережье (отсюда другое название суббури - бухта). Но бухты, записанные одновременно на разных станциях, сильно отличаются друг от друга, даже если станции эти близки. Чтобы не погрязнуть в этих различиях, оценивают силу магнитного возмущения в данный момент времени, принимая во внимание отклонения магнитного поля от нормы лишь на двух станциях: той, где магнитное поле сильнее всего увеличилось, и той, где в этот же момент оно сильнее всего уменьшилось. Этот подход - прямая противоположность способу оценки выступлений фигуристов на соревнованиях: там при подсчете баллов исключается самая высокая и самая низкая оцейка, у геофизиков только они и используются*.
*(Так строится АЕ-индекс.)
Другие исследователи предпочитают судить о суббуре по записям магнитных станций средних широт, здесь магнитографы тоже "слышат" ее (ведь работают все "блоки" включенного телевизора), но магнитное поле не меняется так "по-сумасшедшему", как в районе аврорального овала.
Можно отвлечься от капризов суббури, взглянув на нее с космической высоты. Для этого используют снимки аврорального овала, переданные со спутников. Однако спутники, изучающие полярные сияния таким образом, тратят на оборот вокруг Земли часа полтора, сама же суббуря продолжается всего час-два. Ясно, что следить за развитием одной суббури такой спутник не может. Но, во-первых, из подсмотренных эпизодов передачи на один и тот же сюжет можно составить о нем представление, а, во-вторых, можно подключить еще совокупный опыт наземных наблюдений.
Итак, вот сценарий суббури. Представим себе, что мы смотрим с высоты на нашу Землю и видим целиком ее полярный район. Сначала экран космического телевизора занимает испытательная таблица - авроральный овал в виде светящегося кольца. С высоты различаются самые яркие длинные дуги. Особенно отчетливы они в вечерне-предполуночном секторе. В этом секторе обычно и начинается суббуря. Переход от спокойного состояния овала к суббуре - как взрыв: он происходит в считанные минуты. С экваториальной стороны овала внезапно вспыхивает новая дуга или становится ярче какая-то часть уже существовавшей дуги. Вспыхнувшая область начинает расширяться в сторону полюса, вершина выпуклости движется со скоростью 500-600 метров в секунду. В это время на Земле магнитографы рывками выписывают свои бухты. Заметим, что с западной стороны образовавшейся выпуклости излом дуг особенно резок. Спустя 5-10 минут после вспышки этот излом начинает смещаться на запад со скоростью 0,5-5 километров в секунду. Через 10-30 минут от внезапного начала суббури светящаяся выпуклость останавливается. Все постепенно возвращается на свои места: клочья сияний в области выпуклости ослабевают, сияния вновь оказываются на более низких широтах, где они наблюдались до взрыва, затихают магнитные возмущения - бухты. Одиночная суббуря закончилась.
Чтобы наблюдать все это с Земли, должно повезти. Надо оказаться под самым овалом, в его вечерне-пред-полуночной части. Да к тому же вершин развития и охвата большой территории достигают лишь сильные суббури, а они нечасты. Суббуря в общем-то явление локальное, и слабую суббурю порой не видят даже с сосед-лей наблюдательной станции.
Случай наблюдать суббурю выпал Фритьофу Нансену на рождество 1895 года во время вынужденной зимовки вдвоем со своим спутником Иогансоном, когда они не знали даже, на какую именно попали землю, покинув "Фрам" и двигаясь по льду Ледовитого океана. Нансен тогда записал в дневнике: "Погода почти тихая, и такой приятный лунный свет; невольно настраиваешься на торжественный лад. Это покой тысячелетий. После полудня было редкостное северное сияние. Когда я вышел в 6 часов, яркая, светло-желтая дуга перекинута была над южным краем неба. Долгое время она оставалась спокойной, почти не изменяясь. Затем началось сильное свечение у ее верхнего края за черным гребнем горы; с минуту продолжалось пылание; затем вдруг свечение распространилось вдоль дуги на запад, к зениту ото всей ленты метнулись лучи и, не успел я опомниться, как вся южная часть неба, от дуги до зенита, была объята светлым пламенем. Оно сверкало и горело, кружилось, словно в вихре ветра (движение происходило по солнцу), лучи летали взад и вперед, то красные и красно-фиолетовые, то желтые, зеленые и ослепительно белые; то у основания лучи были красные, а наверху желтые и зеленые, то наоборот. Выше и выше поднималось пламя; вот оно достигло и северной стороны зенита - на мгновенье в нем образовалась великолепная корона; потом все обратилось в одну крутящуюся огненную массу; это был точно водоворот огня, красного, желтого и зеленого - глаз ослепляло это зрелище. Оно походило на сильный электрический разряд. Затем сияние перешло на северную часть неба, где оставалось долго, хотя уже не было такое блестящее. Дуга, из которой оно произошло на юге, была еще видна, но скоро исчезла. Движение лучей происходило главным образом с запада на восток, но отчасти и в обратном направлении. Позже несколько раз вспыхивало сияние в северной части неба, я насчитал до шести параллельных лент зараз; но яркостью они не достигали прежних".
Удивительно, с какой точностью ведет наблюдения знаменитый ученый-путешественник, будто пользуется категориями современной нам науки! А категории эти установились лишь к 70-м годам нашего река.
Когда отдельная суббуря заканчивается, авроральный овал начинает жить обычной жизнью: идет круговорот, конвекция светящихся форм, растягивание или сжатие всего овала из-за изменений южной составляющей магнитного поля в налетающем потоке солнечного ветра. Но о сильной суббуре в магнитосфере остается память - увеличенное число энергичных частиц. Они появились с той стороны магнитосферы, где разразилась суббуря - в вечерне-предполуночном секторе. Эти энергичные частицы пополнили собой радиационные пояса Земли. Те из них, которые не потерялись в атмосфере из-за слишком большого размаха качаний вдоль магнитной силовой линии, постепенно обходят вокруг Земли, каждая со своей скоростью. Поэтому начальное их облако начинает раз мываться и приобретает характерные очертания радиационного пояса - это добавка к тому поясу, который был до суббури. А потом все идет, как при нашем описании радиационного пояса со слов "представим себе теперь, что в ловушке находятся не одна, а много частиц...".
Но бывает так, что за одной суббурей следует, накладываясь на нее, другая, потом третья и т. д. - до десятка и более (был случай - до 30) суббурь. Это уже буря, еще говорят: магнитная буря. При ней возмущения маг нитного поля регистрируются по всей Земле, а не только вблизи аврорального овала, как при суббурях. Когда повторяющиеся суббури складываются в бурю, под авроральным овалом магнитные возмущения представляют собой следующие друг за другом бухты. При этом, как говорилось, магнитографы соседних станций дают резко отличающиеся записи. В то же время на средне- и низкоши ротных станциях магнитографы ведут себя по-другому; хотя и дергающимися стрелками, но дружно регистрируют уменьшенную величину магнитного поля в течение нескольких дней*, продолжая это делать и тогда, когда суббури в приполярных областях уже закончились. Это общее, глобальное уменьшение магнитного поля создается электрическим током, текущим в радиационных поясах Земли. В самом деле, пояса сильно пополнились частицами во время серии суббурь. Теперь частиц в них стало так много, что на полярном небе можно увидеть то место, где они высыпаются из переполненных поясов в ионосферу, образуя неяркую полосу бело-желтого свечения, вытянутую примерно в направлении магнитной параллели, - мы уже говорили о ней. Эта полоса приходится на более низкие широты, чем следующие друг за другом подвижные, яркие сияния суббурь. Области, где появляются эти добавленные при суббурях энергичные частицы, находятся внутри магнитосферы, там, где магнитное поле близко к дипольномy. Добавленные частицы совершают свое движение, характерное для частиц радиационных поясов: протоны, оборачиваясь вокруг Земли, смещаются на запад, электроны - на восток. Это означает, что по радиационному поясу течет направленный на запад электрический ток, он и вызывает глобальное уменьшение магнитного поля в низких и средних широтах Земли при буре. В обычное время ток такого типа тоже существует в радиационных поясах, но, во-первых, он мал, а, во-вторых, он входит, как сказать, в фон, а мы сейчас говорим об отклонениях. Поэтому останавливаться на этом фоновом токе мы не будем.
*(Это Dst-магнитная вариация. Она характеризует величии) возмущений при буре и может достигать 1000 нТ.)
Во время таких космических бурь "рваные" возмущения магнитного поля, из-за которых дергаются магнитные стрелки приборов, могут достигать такой силы, что в земной коре, в металлических предметах, в проводных системах связи благодаря магнитной индукции наводятся довольно сильные, тоже беспорядочные электрические токи. Они способны вызвать помехи и даже аварии в телефонно-телеграфной связи. Так, вот время сильной магнитной бури 11 февраля 1958 года в Швеции выходили из строя электрические линии и линии связи, была прервана сигнализация на железных дорогах, на кабелях загорался изоляционный материал, горели предохранители и даже трансформаторы.
При сильных магнитных бурях сияния могут наблюдаться далеко от аврорального овала как в сторону полюса, так и в сторону низких широт. Во-первых, выпуклости сияний, характерные для суббурь, все время заходят из аврорального овала в полярную шапку и создают неровное свечение с ее ночной стороны. Во-вторых, иногда высыпаются частицы из внутренних районов магнитосферы, магнитные силовые линии из которых приходят на поверхность Земли в низких широтах. Тогда полярные сияния бывают в Крыму и даже в Северной Африке.
Ионосфера Земли во время магнитных бурь, когда идут высыпания частиц из магнитосферы, естественно, не может находиться в нормальном состоянии, и радиосвязь ухудшается. Например, во время уже упоминавшейся бури 11 февраля 1958 года прервалась радиосвязь во многих районах Земли, 15 июля 1959 года из-за магнитной бури не было связи по радио между Европой и Северной Америкой.
Не удивительно, что магнитные бури привлекали к себе внимание и начали изучаться гораздо раньше суббурь. Долгое время вообще считалось, что суббури - всего лишь спутники бури, осложняющие ее течение на высоких широтах, Правда, норвежский ученый К. Биркеланд еще в начале века выделил суббурю как самое значимое магнитное явление (он сумел также предугадать и ряд других идей космофизики 60-70-х годов: например, важность электрических токов, направленных вдоль силовых линий магнитного поля Земли). К сожалению, его прозорливость не могла заметно продвинуть вперед науку о суббурях, поскольку одними наземными средствами наблюдений изучать суббури было невозможно, так переменчиво и капризно их поведение, да и вести наблюдения за суббурями нужно на высоких широтах, тогда еще мало освоенных.
Когда же начались наблюдения непосредственно в космосе, стало ясно, что суббуря - самый важный из быстротекущих процессов в околоземном пространстве. И еще: магнитных бурь, как мы видели, без суббурь не бывает, суббури же могут происходить и сами по себе, вне магнитных бурь. Как отметил американский космофизик С. Акасофу, "подобно циклонам в атмосфере, суббури, эти скоротечные явления в магнитосфере, больше влияют на ее состояние, чем спокойные процессы, на фоне которых они развиваются". Например, есть некоторые свидетельства, что суббуря, совершившись, сама приводит к растяжению аврорального овала.
Так и попало красивейшее явление природы - цветное мятущееся полярное сияние - в самый центр делового внимания космо- и геофизиков. Однако до сих пор, несмотря на интенсивное изучение, непосредственные причины суббури остаются неизвестными. Что же касается вероятности увидеть суббурю, то, как уже отмечалось, она становится значительно выше, когда солнечный ветер некоторое время приносит межпланетное магнитное поле с большой южной составляющей. Магнитные же бури, как правило, сопровождают вход нашей планеты в поток солнечной плазмы более быстрый, чем обычный солнечный ветер. Такие потоки на фоне нормального солнечного ветра появляются при солнечных вспышках или вытекают из особых, длительно существующих областей на Солнце - мы еще будем говорить об этом. И важно еще: насколько сильна южная составляющая магнитного поля в этих скоростных потоках.
Вот и все основные сюжеты, которые можно увидеть, а точнее, увидеть и истолковать на современном уровне науки, глядя на естественный телевизионный экран - полярное небо. Остается отметить, что таких экранов - два, в полярных районах Северного и Южного полушарий. Самые интересные передачи - бури, суббури, показ правильных узких дуг - видны сразу на обоих экранах и выглядят одинаково у ионосферных подножий одной и той же магнитной силовой линии в обоих полушариях. Однако для более редких и размытых сияний полярной шапки эта синхронность может нарушаться. Как мы видели, у этого есть глубокие причины: силовые линии, пересекающие поверхность Земли в ее полярных шапках, тянутся далеко в хвост и, возможно, даже, как указывал Данжи, вообще уходят куда-то в солнечный ветер. Впрочем, все суждения о далеком хвосте пока основаны на косвенных данных, напомним, что космические корабли обстановку в нем еще не выяснили.
Понятно поэтому, насколько важно для выявления фундаментальных свойств магнитосферы и самих полярных сияний вести одновременные наблюдения у южного и северного ионосферных подножий одной и той же магнитной силовой линии. Такие наблюдения были и с поверхности Земли, и с самолетов, летящих в одно и то же время вдоль южного и северного авроральных овалов. К сожалению, на нашей планете очень мало таких мест, где можно было бы в условиях наблюдательной станции, находясь на суше, в сопряженных точках, у обоих таких подножий, следить за полярными сияниями. Вспомним, как выглядит расположение материков на глобусе. Северный Ледовитый океан похож на озеро, окруженное сушей, а Антарктида, наоборот, на остров в океане. Можно пересчитать все немногие пары точек, где оба подножия магнитной силовой линии попадают на сушу.
Одна из таких уникальных пар - поселок Согра в Архангельской области и остров Кергелен, затерявшийся в Индийском океане. В этих пунктах был проведен советско-французский эксперимент "Араке". На геофизической ракете, выпущенной с Кергелена, подняли в космос небольшой исследовательский ускоритель частиц. Частицы, которыми он выстрелил, пришли, навиваясь на магнитные силовые линии (см. рис. 2) в Северное полушарие и высыпались в атмосферу над Согрой.
Наблюдения за таким контролируемым потоком частиц помогают нам точнее представить себе условия в околоземном пространстве. Довольно часто высыпания введенных в магнитосферу заряженных частиц называют искусственным полярным сиянием. Это верно и неверно.
Конечно, свечение неба под воздействием энергичных частиц, выпущенных в космическое пространство, возникает, и даже порой очень сильное. Был, например, такой случай. В августе 1958 года в обстановке самой строгой секретности, какую только могут обеспечить военные, американцы проводили очередное испытание атомной бомбы. Взрыв произошел на высоте 70 километров над островом Джонстон - маленьким коралловым атоллом в Тихом океане. Но засветилось небо в районе архипелага Самоа - в трех с половиной тысячах километров от острова Джонстон, уже в Южном полушарии. Энергичные частицы, выброшенные в околоземное пространство, стали вести себя как "местные жители" - частицы радиационных поясов, пошли качания вдоль магнитных силовых линий, частицы начали теряться в атмосфере, вызывая ее свечение, уцелевшие пустились в обход вокруг Земли: протоны, как всегда, на запад, электроны - на восток, и т. д. Создалось искусственное переполнение радиационных поясов, которое может существовать очень долго. Атомные взрывы в космосе приводят к переполнению радиационных поясов энергичными частицами на годы. Это подтвердили спутниковые измерения после операций "Аргус" (три взрыва в Южной Атлантике на высоте 480 километров) и "Старфиш" (в Тихом океане). В настоящее время проведение таких атомных взрывов запрещено Московским договором.
Но называть полярным сиянием свечение от высыпания частиц из переполненных поясов я лично не могу. Так светиться может обычный телевизионный экран в комнате, если облучать его потоком посторонних энергичных частиц, например из того же исследовательского ускорителя. Но как это отличается от телепередачи, в которой интересно не свечение экрана, а то, о чем рассказывает это свечение. Полярные сияния, как мы видели, - это телепередачи из космоса на определенные сюжеты. Они обеспечиваются всеми блоками естественного телевизора (магнитосферы нашей планеты), "принимающего" солнечный ветер. Интересно также, как устроен этот телевизор; например, как и почему высыпается обычная магнитосферная плазма в ионосферу, как при сильных возмущениях возникают частицы с повышенной энергией, пополняющие собой радиационные пояса, и многое другое?
А что заряженные частицы, захваченные магнитным полем, качаются вдоль его силовых линий - это известно.