ВВЕДЕНИЕ

Космос бесконечен. Но тот космос, о котором чаще всего мы говорим, — это околосолнечное пространство. Ученые его называют гелиосферой («гелио» — Солнце). Это пространство принадлежит Солнцу потому, что оно его заполняет своей плазмой — потоками заряженных и нейтральных частиц. Собственно, это корона Солнца. Мы — дети Солнца и живем в короне Солнца. Все в нашей жизни зависит от Солнца.

Но Солнце является не только источником жизни, но и источником смерти. Собственно, жизнь в околосолнечном пространстве (гелиосфере) возможна только там, где магнитное поле защищает живые существа от солнечной радиации. Земля имеет магнитное поле, магнитную защиту, поэтому на ней и возникла жизнь. Луна магнитного поля не имеет и там нет жизни.

Магнитное поле защищает от одного вида солнечной радиации — заряженных частиц. Их движение направляется магнитным полем. Но имеется и другая солнечная радиация, губительная для жизни, — ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. От них нас защищает атмосфера, в частности озонный слой. Разрушая его, мы подставляем себя под эту радиацию. А это причина раковых заболеваний, катаракт и многого другого. Таким образом, жизнь на Земле, в нашем земном доме, возможна потому, что он устроен по-особому, и, конечно, потому, что есть Солнце. Рассмотрим это подробнее.

 

СОЛНЦЕ ГЛАЗАМИ НАШИХ ПРЕДКОВ

Биологическая жизнь на Земле возникла примерно 0,5 миллиарда лет назад. Это стало возможным прежде всего благодаря солнечному излучению. За все это время энергия излучения Солнца изменялась незначительно, не более чем в два раза. Если бы эти изменения были более существенными, они отразились бы на земных процессах настолько сильно, что последствия мы обнаружили бы даже в наше время по ископаемым остаткам.

Человек не мог не оценить роль Солнца в его жизни. Он поклонялся Солнцу, понимая, что от него зависит не только его благополучие, но и сама жизнь. И, конечно, он с тревогой ждал нового появления Солнца после его заката. Но древнего человека успокаивала мысль, что Солнце непременно появится снова, что в свое время Солнце поймали в ловушку и заставили исправно исполнять свои обязанности на небе. Так, в многочисленных легендах первобытных народов говорится о том, что до этого Солнце двигалось на небе произвольно, то торопясь, то останавливаясь, то одним, то другим путем.

Особенно тревожило исчезновение Солнца, которое, как мы понимаем, могло происходить во время солнечных затмений, плохой погоды или появления облаков пыли и вулканического пепла. Не понимая истинных причин исчезновения Солнца, наши предки связывали его с разными мотивами. В одних легендах Солнце похищают и заточают в тюрьму, в других — Солнце само исчезает умышленно, чтобы наказать людей за зло, которое они творят на Земле. В египетских легендах ночной путь Солнца представлялся очень драматичным — оно должно каждую ночь проплывать через пещеры внутри Земли, сражаясь с демонами и дикими чудовищами, которые каждый раз пытаются его задержать.

Люди, жившие вблизи полярного круга или за ним (например, эскимосы), наблюдали Солнце или в течение целых суток, или большую их часть. Это было в полярный день. В полярную ночь Солнце надолго скрывалось от них. Они считали, что Солнце в полярный день просто плавает вокруг северного горизонта, и даже тогда, когда его не видно, находится не очень далеко. Об этом говорили северные сияния, которые, по мнению эскимосов, представляли собой отражение солнечных лучей.

Но Солнцу не только поклонялись, за ним наблюдали, пытались понять законы, которым оно подчиняется. Так, древние вавилоняне и халдеи производили многочисленные наблюдения, определяли положение звезд, движение Солнца и планет. Уже с 747 года до н. э. они составляли таблицы лунных и солнечных затмений. Возможно, они даже могли предсказывать время наступления затмений.

Позднее древние греки пошли значительно дальше, около 434 года до н. э. Анаксагор высказал мысль, что Солнце представляло собой массу раскаленного камня. За это он был изгнан из. Афин. Фалес Милетский предсказал солнечное затмение еще в VI веке до н. э. Он знал, что Луна имеет шарообразную форму, а лунный свет не что иное, как отраженный солнечный свет. Продолжатель Фалеса — Пифагор и его ученики разработали модель Солнечной системы, в которой Земля и другие планеты двигались вокруг некоторого центрального тела, которое, правда, отождествлялось не с Солнцем (как это есть на самом деле), а с неким «центральным огнем», который остается невидимым. Но уже в III веке до н. э. Аристарх четко сформулировал, что все планеты, в том числе и Земля, движутся именно вокруг Солнца. Поразительно, что эта истина была повторно возвращена людям Коперником в 1543 году. Аристарх решил также вопрос, почему день сменяется ночью. Он понял, что это происходит вследствие вращения шарообразной Земли вокруг своей оси. Но отцом современной астрономии считают не Аристарха, а Гиппарха, жившего во II веке до н. э. Он измерил (естественно, приближенно) диаметр земного шара, расстояние до Луны и ее объем. Гиппарх объяснил истинную причину солнечных затмений. Он разработал метод определения расстояния до Солнца. Метод сам по себе был правильным, но достижимая точность измерений в то время была недостаточной, чтобы получить правильные величины. Расстояние от Земли до Солнца, определенное Гиппархом, оставалось без изменений вплоть до 1620 года. Последующие изменения этой величины были фактически произвольными. Так, Кеплер в 1620 году увеличил данные Гиппархом величины размеров Солнца и расстояния от Земли до Солнца в три раза. Никаких явных оснований для этого не было. После этого эти величины увеличивались столь же произвольно еще несколько раз. И только в 1672 году астроном Кассини установил минимальное расстояние от Земли до Солнца. Эта величина была правильной. Она отличается от современной всего на 10 %. Это было подтверждено наблюдениями за Венерой, когда она проходила по диску Солнца. Смысл этих наблюдений состоит в следующем.

Речь идет именно о Венере не случайно. Наблюдениями было установлено, что угол между лучом зрения на Солнце и на Венеру не превышает 45о. Из равнобедренного треугольника Земля — Венера — Солнце можно без труда установить, что его боковая сторона (то есть расстояние Земля — Венера или Венера — Солнце) равна 0,7 расстояния от Земли до Солнца. Значит, если измерить расстояние от Земли до Венеры, то можно определить и расстояние от Земли до Солнца. Расстояние от Земли до Венеры можно определить так. Когда Венера находится точно между Землей и Солнцем, то мы ее «видим» на диске Солнца. В этом случае определить расстояние до Венеры можно точно так же, как определяют расстояние до объекта, находящегося на земле за каким-то непреодолимым препятствием (озером, рекой). Для этого из двух пунктов проводят измерения углов между лучом зрения на объект и линией, соединяющей точки наблюдения. Зная три элемента треугольника (основание и два прилегающих к нему угла), можно определить все другие его элементы, а значит, и истинное расстояние до объекта. Значит, чтобы определить расстояние до Венеры, надо вести наблюдения за ней из двух по возможности сильно удаленных пунктов. Чем больше эта удаленность, тем выше точность в измерении расстояния.

Зная точно одно расстояние (например, от Земли до Венеры), можно определить все остальные размеры Солнечной системы. Дело в том, что наблюдение углов позволяет составить точную схему системы. Остается только установить ее масштаб. А для этого достаточно знать точно одно расстояние. Удобное положение Венера занимает не часто. Это имело место в последнее время в 1874 и 1882 годы, и в ближайшем будущем это снова произойдет 8 июня 2004 года и 6 июня 2012 года. Но в принципе, кроме Венеры, можно использовать и положение других планет, например Марса или астероида Эроса.

 

СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

Строение Солнца определяется составом вещества, из которого оно состоит, и теми процессами, которые внутри него протекают. Основным элементом солнечного вещества является водород. В центре Солнца он находится под огромным давлением, которое достигает 250 × 109 атм. При столь высоком давлении плотность вещества огромна, она достигает 160 г/см3. Ядра атомов здесь упакованы в 1000 раз плотнее, чем в металле. Тем не менее вещество в центральной части Солнца находится в газообразном состоянии. Это обусловлено очень высокой температурой. В центре Солнца она достигает 15 миллионов градусов. При такой температуре атомы водорода (и других химических элементов) разрушены полностью, то есть ядра и орбитальные электроны движутся сами по себе, как свободные частицы газа. Поэтому не создается кристаллическая структура, которая свойственна твердому телу.

Высокая температура в центре Солнца поддерживается не только высоким давлением, но и реакциями термоядерного синтеза, которые здесь протекают. Эти процессы идут только при очень высокой температуре.

Ядро водорода представляет собой элементарную частицу — протон. Ядро гелия содержит четыре протона. Его еще называют альфа-частицей. Таким образом, четыре ядра водорода образуют одно ядро гелия. В процессе этой реакции выделяется энергия. Так, из каждого грамма водорода, который превращается в гелий, 0,007 г преобразуется в энергию. Это и есть источник солнечной энергии. Чтобы обеспечить теперешнюю светимость Солнца, необходимо в ядерную печь в центральной части Солнца каждую секунду подбрасывать примерно 5 т водорода. Эти реакции внутри Солнца идут уже в течение примерно 5 миллиардов лет. Поэтому часть водорода в самом центре Солнца успела «выгореть», превратиться в гелий, который в данном случае можно назвать «золой». Благодаря этому в центре Солнца имеется зона, где водорода меньше. Но чем дальше от центра, тем его становится больше. На удалении от центра на одну четверть солнечного радиуса водород составляет 96 % всего солнечного вещества (по массе). Собственно, на этом расстоянии заканчивается центральная часть Солнца, называемая ядром. На внешней части солнечного ядра температура уже составляет только 8 миллионов градусов, плотность вещества примерно в 20 раз меньше, чем в центре. В солнечном ядре, где генерируется 99 % солнечной энергии, заключена половина всей массы Солнца (хотя по объему ядро занимает только 1/64 всего объема Солнца).

Ядро окружено солнечным веществом, в котором термоядерные реакции не идут. Эта сферическая область Солнца была названа промежуточной. Она простирается от внешней границы солнечного ядра до 0,86 радиуса Солнца. Вещество в промежуточной области представляет собой однородную смесь, состоящую из водорода, гелия и тяжелых элементов. На каждые 10 атомов водорода приходится примерно 1 атом гелия. Атомы тяжелых элементов (C, N, O, Ne, Mg, Si, Ar, Ca, Fe, Ni) составляют примерно 1 % по массе. Они содержатся в таких же относительных количествах, что и в земной коре. Это естественно, поскольку и Земля, и Солнце образованы из одного первоначального «теста». Этим тестом был межзвездный газ, в который тяжелые элементы попали после взрывов сверхновых звезд первого поколения.

Энергия, освобождаемая в солнечном ядре, пробирается наружу через промежуточную область путем излучения. В природе известны различные способы передачи энергии через вещество, эффективность которых зависит от физических условий (плотность, температура, давление). В промежуточной области передача энергии осуществляется с помощью излучения.

Электромагнитное излучение, каким является видимый свет, рентгеновские, инфракрасные, ультрафиолетовые и гамма-лучи, а также радиоволны, быстрее всего распространяется в вакууме. Здесь скорость его распространения достигает 300 000 км/с. Но если на пути излучения имеется какое-либо вещество, то происходит задержка излучения. Оно при этом может или поглощаться (полностью или частично), или же отражаться в определенном направлении. При определенных условиях излучение может взаимодействовать с атомами или молекулами, вызывая их изменение.

В промежуточной области Солнца плотность вещества еще очень высока, а энергия электромагнитного излучения, пробивающегося от солнечного ядра наружу, велика. Поэтому энергичные фотоны (гамма-кванты) поглощаются атомами, встречающимися в изобилии на их пути. Атом, поглотивший фотон, через определенное время переизлучает, но переизлученный фотон имеет меньшую энергию, чем поглощенный атомом фотон. Так, если первоначальное излучение представляло собой гамма-лучи, то с уменьшением частоты оно становится рентгеновским излучением, затем ультрафиолетовым. При дальнейшем уменьшении частоты оно становится видимым, а затем инфракрасным.

Перенос энергии в виде излучения является основным только в пределах переходной области. На расстоянии от центра Солнца, равном 0,86 его радиуса, физические условия (температура, плотность) уменьшаются настолько сильно, что механизм лучистого переноса энергии становится неэффективным. Температура здесь составляет «всего» полмиллиона градусов, а плотность в 2000 раз меньше, чем у основания переходной области. Здесь начинается область Солнца, обладающая принципиально отличными физическими свойствами. Главное среди этих свойств — турбулентность. Турбулентное движение вещества, например, воздуха в атмосфере Земли, характеризуется вихревыми движениями. В третьей области Солнца возникают турбулентные движения вещества, или турбулентные конвекции. Поэтому эту область назвали конвективной зоной. Нижняя часть конвективной зоны имеет температуру, равную 0,5 миллиона градусов. Температура в верхней ее части составляет всего примерно 6,6 тысячи градусов. Такой резкий перепад температур по высоте и обусловливает возникновение турбулентного движения вещества.

В конвективной зоне в результате значительного уменьшения температуры (по сравнению с переходной областью) количество атомов увеличивается. Поэтому солнечное вещество сильнее, чем в переходной области, поглощает солнечное излучение. В конвективной зоне энергия распространяется к наружной части Солнца не путем переизлучений, а непосредственно самим веществом при его турбулентной конвекции.

Все описанные три области Солнца — ядро, переходная область и конвективная зона — находятся под поверхностью Солнца, являются недоступными какому-либо экспериментальному исследованию. Выше конвективной зоны располагается область солнечного шара, которая становится видимой, так как из нее исходит видимый свет.

Излучение вырывается наружу на верхней границе конвективной зоны потому, что здесь плотность вещества становится малой. Поэтому путь фотонам оказывается открытым, они больше не поглощаются и не рассеиваются. Точнее, это происходит с очень малой вероятностью. Так, свет, который мы видим, глядя на Солнце, исходит из очень тонкого слоя, который покрывает снаружи конвективную зону. Он, как и все рассмотренные ранее области Солнца, имеет сферическую форму. Называется он просто — сферой света или, точнее, фотосферой. Толщина фотосферы составляет примерно 100 км.

На этом Солнце не кончается. Выше фотосферы находятся другие области, в которых также содержится солнечное вещество (рис. 42). Но традиционно сложилось так, что Солнцем мы называем то, что видим, то есть видимый солнечный шар. Поэтому видимую фотосферу Солнца часто называют поверхностью Солнца. Все, что находится выше видимого слоя Солнца, называют солнечной атмосферой. Когда мы говорим о Земле, то границей между атмосферой и собственно Землей является поверхность Земли. Здесь деление основано на том, что сама Земля является твердым телом, местами покрытым жидкостью — водой, а атмосфера — газ. В случае Солнца это не так, поскольку как само Солнце, так и его атмосфера состоят из газа. Деление на различные области, в том числе на само Солнце и его атмосферу, проводится по физическим условиям в разных областях, по различию тех процессов, которые там протекают.

Рис. 42. Схема строения Солнца.

Радиус Солнца (на уровне фотосферы) составляет 0,696 х 106 км. Он в 109 раз больше радиуса Земли. Если наблюдать Солнце с Земли, то солнечный диск будет виден под углом 31′59″, то есть примерно полградуса. Ускорение силы тяжести на поверхности Солнца в 28 раз больше, чем на поверхности Земли, а давление здесь составляет только 1 % от давления на поверхности Земли. Температура в фотосфере с увеличением высоты резко падает. В верхней части фотосферы она уменьшается до 4300о. В излучающей части фотосферы она равнялась примерно 5780о. Здесь речь идет об эффективной температуре излучающего слоя, который определяется согласно закону Стефана-Больцмана.

Практически вся энергия, которую излучает Солнце в межпланетное пространство, исходит из фотосферы, причем большая часть излучения является видимой. Что это — удачное совпадение, случай, дающий нам возможность невооруженным глазом наблюдать не только Солнце, но и все, что освещено его лучами? Конечно нет! Это закономерно. Наши глаза развились так, чтобы быть чувствительными именно к тому участку спектра солнечного излучения, которого больше поступает в нашу среду обитания — на поверхность Земли. Ведь примерно половина солнечной энергии, которая достигает поверхности Земли, приходится на видимый участок спектра.

 

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

Солнце выбрасывает в межпланетное пространство не только облака заряженных высокоэнергичных частиц, скорости которых могут достигать 1000 км/с, но также и заряженные частицы, которые движутся с меньшими скоростями (200–400 км/с). Собственно, они представляют собой как бы продолжение солнечной короны. Поэтому поток заряженных частиц, движущихся от Солнца, был назван солнечным ветром.

Еще до того, как поток солнечного ветра был измерен приборами, установленными на космических аппаратах, о его существовании ученые догадались по результатам его действия. Так, в 1896 году норвежский физик О. К. Бирке-ланд высказал мысль, что именно потоки заряженных частиц, выбрасываемые из Солнца, действуют на магнитное поле Земли и вызывают возмущение в околоземном пространстве.

В конце 50-х годов нашего века гипотеза о существовании солнечного ветра была высказана американским физиком-теоретиком Е. Паркером. Его доводы основывались на результатах наблюдений движения хвостов комет: под действием давления солнечного ветра хвосты комет всегда располагаются относительно ядра кометы в направлении, противоположном Солнцу. В начале 60-х годов были выполнены прямые измерения заряженных частиц в межпланетном пространстве. Измерения подтвердили существование солнечного ветра.

Солнечный ветер состоит главным образом из электронов и ядер водорода — протонов. Примерно 5 % в нем составляют ионы гелия. Но когда скорость ветра и концентрация его частиц максимальны, количество гелия может составлять до 25 %.

Все характеристики солнечного ветра, то есть корпускулярного излучения Солнца, могут изменяться в 10 — 100 раз, в зависимости от процессов, происходящих в солнечной атмосфере, фотосфере и конвективной зоне.

Так же как солнечная плазма в различных образованиях (солнечных пятнах, факелах, факельных площадках, волокнах и протуберанцах, корональных конденсациях), солнечный ветер находится в магнитном поле, пронизывающем межпланетное пространство и представляющем собой продолжение магнитного поля Солнца.

Кроме локальных магнитных полей активных областей Солнца у него, как и у Земли, имеется общее магнитное поле. Это поле в сотни и тысячи раз меньше локальных полей солнечных пятен и составляет всего около 1 гаусса (Гс), что лишь в 2 раза больше магнитного поля Земли. Тем не менее общим магнитным полем Солнца нельзя пренебрегать: оно играет важную роль в процессах, посредством которых солнечное корпускулярное излучение действует на Землю и околоземное пространство.

Силовые линии солнечного магнитного диполя выходят из северного полушария и входят в южное, как это показано на рис. 43. В экваториальной плоскости силовые линии очень сильно вытянуты в направлении от Солнца. Здесь образуется экваториальный нейтральный (в смысле магнитного поля) токовый слой. Он располагается не строго в экваториальной плоскости, а так, как это показано на рис. 43. Земля при своем движении вокруг Солнца проходит то выше, то ниже нейтрального токового слоя.

Рис. 43. Силовые линии магнитного поля и нейтральный слой.

Когда она находится выше, на ее орбите силовые линии направлены от Солнца к Земле. Когда же она проходит ниже токового слоя, они направлены к Солнцу. Следовательно, орбита Земли проходит участки, в которых межпланетное магнитное поле направлено попеременно то от Солнца, то к нему, иначе говоря, имеет секторную структуру. Те сектора, в пределах которых магнитное поле направлено к Солнцу, называются отрицательными и обозначаются знаком «-». Сектора с магнитным полем, направленным от Солнца, называют положительными и обозначают знаком «+».

За счет того, что Солнце вращается вокруг собственной оси, силовые линии его магнитного поля закручиваются и принимают форму спиралей Архимеда. Поэтому кроме радиальной составляющей межпланетного магнитного поля имеется и азимутальная составляющая. На рис. 44 показана секторная структура межпланетного магнитного поля по данным измерений на ИСЗ. Естественно, имеется и третья компонента вектора напряженности магнитного поля. Она направлена или вверх, или вниз относительно нейтрального токового слоя. Секторная структура межпланетного магнитного поля сохраняется практически неизменной продолжительное время. Она «жестко» связана с Солнцем. Может наблюдаться от 3 до 6 секторов.

Рис. 44. Секторная структура межпланетного магнитного поля по данным измерений на ИСЗ.

В межпланетном пространстве кроме частиц солнечного ветра постоянно присутствуют галактические космические лучи. Эти заряженные частицы имеют энергии на много порядков больше, чем энергия частиц солнечного ветра. Правда, частиц, из которых состоят галактические космические лучи, очень немного, в десятки миллионов раз меньше, чем частиц солнечного ветра. Галактические космические лучи значительно слабее влияют на процессы в околоземном пространстве, чем потоки заряженных частиц от Солнца. Тем не менее в определенных случаях учитывать их влияние необходимо.

Высокоэнергичные протоны, выбрасываемые из Солнца во время вспышек, называемые солнечными космическими лучами, существуют в течение нескольких часов. Но их энергия на орбите Земли в десять тысяч раз больше энергии галактических космических лучей. Хотя солнечные космические лучи не оказывают влияния на свойства межпланетной среды, они вызывают определенные изменения в свойствах околоземного пространства, в частности, под их действием нарушается коротковолновая связь в полярных областях и уменьшается плотность озонного слоя в атмосфере Земли.

 

МЕЖПЛАНЕТНАЯ СРЕДА

Солнечная корона простирается на большое расстояние от Солнца. Ее температура достигает миллионов градусов. Поэтому газ, составляющий ее, непрерывно расширяется и заполняет межпланетное пространство. Иногда этот процесс сравнивают с испарением кипящей воды, хотя аналогия здесь далеко не полная. Разница прежде всего в том, что частицы, движущиеся из солнечной короны в межпланетное пространство, являются электрически заряженными (в большинстве своем). Кроме того, они движутся в магнитном поле, силовые линии прикреплены к определенным областям Солнца и пронизывают практически все межпланетное пространство. Таким образом, покидающие солнечную корону заряженные частицы (электроны, протоны, ядра гелия и ионы других химических элементов) представляют собой плазму, помещенную в магнитное поле.

Мы уже убедились в том, что Солнце очень неспокойно. Поэтому и частицы, которые выбрасываются из него, имеют разные скорости. Солнечный ветер меняется по своей силе не только во времени. Он неоднороден и в пространстве. В определенных направлениях бьют струи заряженных частиц, скорости которых намного больше скоростей частиц солнечного ветра. Эти струи-потоки называют высокоскоростными потоками солнечных заряженных частиц. Частицы этих потоков, имея очень высокие энергии, переносят значительную энергию от Солнца в межпланетное пространство.

Эти потоки-струи высокоскоростных частиц можно по их форме сравнить со струей воды из вращающегося поливального устройства. Аналогия оправдывается тем, что Солнце, из которого бьет струя, вращается наподобие поливального устройства. Естественно, что струя при этом закручивается, как это показано на рис. 45. При этом силовые линии магнитного поля, которые вытягиваются от Солнца потоком заряженных частиц, также вытягиваются и приобретают форму спиралей Архимеда. На орбите Земли угол между их направлением и радиусом, который соединяет Солнце и Землю, равен примерно 45о.

Рис. 45. Схема, показывающая закручивание магнитных силовых линий в виде спиралей Архимеда. Показаны только силовые линии на границах секторов.

Магнитное поле Солнца в экваториальной плоскости и вблизи нее весьма своеобразно. Поскольку оно является продолжением магнитного поля Солнца, то в одних секторах оно направлено от Солнца, а в других — к нему. Это можно видеть на рис. 44, где приведена секторная структура межпланетного магнитного поля, измеренная на ИСЗ еще в 1964 году. Видно, что в это время межпланетное магнитное поле делилось естественным путем на четыре сектора, в двух из которых магнитное поле было направлено от Солнца (сектор с таким направлением межпланетного магнитного поля принято называть положительным и обозначать знаком «+»), а в остальных двух секторах — к Солнцу. Эти сектора называют отрицательными («-»). Количество секторов может меняться от двух до шести. Ясно, что это определяется магнитными полями Солнца.

Как видно из рис. 46, высокоскоростной поток по мере удаления от Солнца расширяется. Уже на орбите Земли его угловой размер может составлять 60о. Скорость частиц в потоке — 800 км/с. Поток не только достигает орбиты Земли, но и уходит по крайней мере в пять раз дальше.

Рис. 46. Схема строения высокоскоростного потока солнечных частиц;

1 — более плотная часть потока;

2 — менее плотная его часть.

Любопытна структура высокоскоростного потока, которая формируется за счет его взаимодействия с солнечным ветром. В результате этого взаимодействия на ведущем крае высокоскоростного потока сильно (быстро) увеличиваются основные характеристики потока (его скорость, плотность и температура плазмы), а также напряженность магнитного поля.

Высокоскоростные потоки солнечных частиц пронизывают межпланетное пространство далеко не всегда. В среднем их наблюдается примерно около 50 в течение года. Но каждый из потоков, один раз возникнув, может просуществовать в течение нескольких оборотов Солнца. Это значит, что Земля может почувствовать наличие такого потока несколько раз, то есть каждый раз, когда он проходит мимо Земли. Что при этом происходит на Земле и в окружающем Землю пространстве, мы рассмотрим позднее. Здесь только укажем, что высокоскоростные потоки чаще всего наблюдаются в периоды спада солнечной активности и в эпохи минимумов. Любопытно, что неодинаково вероятен выброс высокоскоростного потока из разных областей Солнца. В короне имеются области, простирающиеся с севера на юг вдоль всего солнечного меридиана, в которых солнечное излучение меньше, чем в соседних областях. Поэтому их изображение воспринимается как дыры. Эти области так и были названы «корональными» дырами.

Высокоскоростные заряженные частицы успешно вырываются из короны Солнца именно в области корональных дыр потому, что здесь этому не препятствуют магнитные поля. Как известно, силовые линии магнитного поля в области корональных дыр направлены практически радиально, поэтому они не оказывают никакого влияния на радиальное движение заряженных частиц. Заряженные частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля беспрепятственно.

Но межпланетную среду пронизывают и другие потоки заряженных частиц, в частности те, которые выбрасываются из атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Поэтому их называют «вспышечными» выбросами. Скорости этих потоков могут превышать 1000 км/с. Они шире рассмотренных выше потоков, их угловой размер может превышать 120о. Чаще всего такие потоки выбрасываются из атмосферы Солнца при высокой солнечной активности, то есть, когда образуется больше вспышек, порождающих эти потоки. Таким образом, те и другие потоки в определенном смысле дополняют друг друга во времени: вспышечные потоки чаще наблюдаются в эпоху максимума солнечной активности, а потоки из корональных дыр — в эпоху минимума.

Структура вспышечных выбросов также формируется их динамикой и взаимодействием с более медленным солнечным ветром. Поперечное сечение потока определяется также структурой магнитных полей солнечных пятен, в которых произошла вспышка, выбросившая данный поток.

Межпланетная среда содержит и потоки заряженных частиц, которые имеют скорости значительно большие, чем в описанных выше потоках. Правда, этих частиц значительно меньше. Их концентрация составляет всего 10-8 см3 или и того меньше. Они также выбрасываются из солнечной атмосферы во время вспышек. Эти потоки недолговечны. Они существуют в продолжение всего нескольких часов после вспышки.

Частицы с такими огромными скоростями принято называть космическими «лучами». Те, которые приходят от Солнца, называют солнечными космическими лучами. Но имеются и космические лучи, источником которых является не Солнце. Они рождаются в Галактике. Поэтому их называют галактическими космическими лучами. Плотность галактических космических лучей на орбите Земли значительно меньше, чем солнечных космических лучей. Плотность их энергии в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем у вторых. Они также оказывают влияние как на Землю, так и на ее биосферу и атмосферу.

 

СОЛНЕЧНЫЕ ПЯТНА

При наблюдениях солнечной поверхности в телескопы видно ее «кипение». Оно в отдельных местах вдруг приобретает необычные черты: ярко светящиеся «зерна риса» раздвигаются, и между ними образуется небольшая, более темная область. Очень быстро она также исчезает. Такие темные области между гранулами были названы порами. Иногда некоторые из образовавшихся вдруг без каких-либо видимых причин пор не исчезают, а постепенно увеличиваются. При существенном их увеличении они превращаются в солнечные пятна.

Солнечные пятна — образования на Солнце, которые были замечены людьми тысячи лет назад. Описания солнечных пятен содержатся в очень древних источниках разных народов. Так, в Никоновской летописи описывается период засух во второй половине XIV века. За 1364 год там записано: «Солнце бысть аки кров, и по нем места черны…» В 1371–1372 годы: «Бысть знамение на Солнце, места черны на Солнце, аки гвозди…».

С помощью телескопа первым, видимо, начал наблюдать солнечные пятна Галилео Галилей в 1610 году. Имеются сведения, что в то же время наблюдения за Солнцем в телескоп вели Фабрициус и Шейнер. Галилей не сразу опубликовал свое открытие, что на Солнце есть пятна, — уж очень сильно оно шло вразрез с господствовавшим в то время мировоззрением. Но вскоре он это сделал. Итог наблюдений был таким: «Повторные наблюдения наконец убедили меня, что эти пятна — реальные образования на поверхности самого Солнца, где они непрерывно возникают, а затем исчезают, одни за более короткий, иные за более длинный промежуток времени. А вследствие вращения Солнца, которое происходит с периодом около одного лунного месяца, они увлекаются вокруг Солнца; это явление важно само по себе, а еще более в силу своей значительности».

То, что солнечные пятна темнее, чем окружающая их поверхность, говорит о том, что вещество в них холодное. Здесь движение вещества чем-то сдерживается. Поскольку это вещество является ионизованным газом (плазмой), то сдерживать его движение весьма эффективно может магнитное поле. Естественно, на заре наблюдений солнечных пятен было неизвестно ни о температуре вещества в солнечном пятне, ни о структуре и величине магнитного поля в области пятна и в его окрестностях. Поэтому ученые шли очень нелегким путем к пониманию причин образования пятен.

Конечно, сейчас кажутся наивными, чтобы не сказать смешными, представления о причинах темных пятен на Солнце. Предполагалось все — и то, что пятна являются тенью, отбрасываемой солнечными горами на светящиеся облака, и то, что они являются результатом вулканической деятельности на Солнце, и то, что они могут быть облаками в атмосфере Солнца. Наблюдая за вихреобразной структурой внешней, более светлой части пятна (это полутени), некоторые наблюдатели пришли к заключению, что пятна — это области, где разыгрываются солнечные бури. На самом деле все оказалось как раз наоборот. Пятна оказались островами спокойствия, где движения ионизованного газа сдерживаются сильным магнитным полем.

Пятна на Солнце не «штампуются» по единому стандарту, их размеры, форма и время существования самые различные. Так, пятно может существовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Самые маленькие пятна, называемые порами, имеют диаметр, равный всего нескольким сотням километров. А самая большая группа солнечных пятен, зарегистрированная на Солнце в апреле 1977 года, занимала площадь, равную 1500 миллиардов км2! В такую область можно было бы поместить не менее 100 земных шаров. Те пятна, которые наблюдали наши предки невооруженным глазом, должны были занимать в поперечнике не менее 40 тысяч км.

Что собой представляет типичное солнечное пятно? Это углубление в фотосфере, которое иногда сравнивают с воронкой от снаряда. Глубина воронки составляет 700 — 1000 км. Температура вещества в области пятна на 1500–2000о меньше, чем вокруг него. Пятно, как правило состоит из более темного (более глубокого и более холодного) ядра и отражающей его полутени. Если пятно не имеет полутени, то оно просуществует не более суток, то есть оно не сформировалось, не стало устойчивым. Но такое бывает только с очень маленькими пятнами. Современные исследования показали, что как тень (ядро), так и полутень пятна не являются однородными, они обладают тонкой структурой, свидетельствующей о сложности протекающих там процессов. Магнитное поле в солнечном пятне больше 1500 Гс. Оно может достигать 2000–3000 Гс, а в отдельных случаях и 5000 Гс. Магнитное поле ядра пятна неоднородно. Об этом свидетельствуют наблюдаемые там очень маленькие яркие точки диаметром всего 100–150 км. Они намного горячее остального вещества пятна. Их число в одном пятне может достигать 20.

Полутень (склоны воронки) солнечного пятна также неоднородна. Почти половину ее площади занимают яркие зерна длиной 350 — 1500 км и шириной 100–350 км. Они с большой скоростью стекаются по направлению к ядру. Несомненно, это означает, что значительно более горячие порции солнечного газа стекаются в холодное ядро пятна.

Магнитное поле в области полутени пятна меньше, чем в его ядре. Магнитные силовые линии в самом ядре практически направлены вертикально, то есть перпендикулярно поверхности фотосферы. В верхней части они расходятся, напоминая веер. Поэтому на внешней границе полутени силовые линии уже идут практически горизонтально. Направление силовых линий магнитного поля различно: или сверху вниз, или наоборот.

Чаще всего пятна появляются группами или по крайней мере парами. Бывают большие группы пятен, которые содержат, кроме больших, и много мелких пятен. Но основными в группе являются два пятна, которые имеют общее магнитное поле: силовые линии выходят из одного пятна и входят в парное ему пятно. В зависимости от направления силовых линий в ядре пятна (вниз или вверх) пятну можно присвоить соответствующий магнитный полюс (южный или северный). Известно, что северным магнитным полюсом считается тот, из которого силовые линии магнитного поля выходят. В южный магнитный полюс они входят. Таким образом, каждое солнечное пятно имеет определенную полярность. Далее мы должны рассмотреть движение пятен солнечной поверхности. Это связано также с вращением Солнца. Поэтому кратко охарактеризуем это вращение.

Если бы Солнце представляло собой идеальный светящийся шар, то невозможно было бы установить сам факт его вращения вокруг своей оси. Но наблюдения за отдельными солнечными пятнами позволили установить, что такое вращение имеется. Оказалось, что характер вращения Солнца весьма своеобразен: на разных удалениях от экватора (к северу и югу) скорость вращения различная. Чем ближе к полюсу, тем она меньше. Так может вращаться только газообразное тело.

Было установлено, что на экваторе период одного оборота Солнца равен 26 суткам, а на полюсах он достигает почти 37 суток. Если мы этот период измеряем с Земли, то он удлиняется, поскольку Солнце вращается в ту же сторону, в которую движется Земля по своей орбите вокруг Солнца. Поэтому, наблюдая с Земли, мы фиксируем период обращения Солнца более длинным, чем он есть на самом деле: пока Солнце совершает свой оборот, мы вместе с Землей несколько уйдем вперед, и Солнцу приходится повернуться на дополнительный угол для того, чтобы мы помеченное нами солнечное пятно вновь увидели на том же месте. Истинный период вращения Солнца вокруг своей оси называют сидерическим, а кажущийся, описанный выше, — синодическим. Последний на экваторе равен 27 суткам, а на полюсах — 41 суткам. Надо сказать, что эти периоды определены не по положению пятен (они тоже не остаются строго на одном месте), а другим, более точным способом.

Говоря о паре солнечных пятен, различают головное и хвостовое пятна. Головное находится в «голове» движения, то есть является ведущим. Более устойчивым, как правило, является головное пятно. Если наблюдается одно пятно, то это значит, что парное ему пятно (хвостовое) уже успело разрушиться. Оно всегда более короткоживущее.

Солнечные пятна образуются не по всему солнечному диску. В редких случаях они появлялись на широтах +-52о, и то эти пятна были очень мелкими и неустойчивыми. Вблизи солнечного экватора в пределах 10-градусной полосы пятна также практически не появляются. Зоны, в которых появляется пятно на Солнце, были названы «королевскими». Отдельные пятна и группы пятен ориентируются определенным образом на поверхности Солнца. Так, группы пятен обычно вытянуты вдоль направления восток — запад (то есть вдоль параллели). Причем головное пятно располагается несколько ближе к экватору, чем хвостовое. Чем дальше от экватора, тем этот разворот пары пятен становится больше.

Пятна возникают и исчезают. Это происходит так. Рождению солнечного пятна предшествует усиление в данном месте магнитного поля. Затем постепенно появляется пятно, увеличивается, появляется парное пятно, а также другие пятна группы. Напряженность магнитного поля продолжает расти. С течением времени основные пятна группы постепенно удаляются друг от друга. В какой-то момент стадия роста заканчивается — группа пятен достигает максимальных размеров. После этого начинается распад всей группы и отдельных пятен. Эта стадия всегда более продолжительна, чем стадия роста. Дольше всего противостоит распаду головное пятно. Оно сохраняет правильную форму даже после исчезновения хвостового и других пятен группы. Магнитное поле постепенно уменьшается, но полностью оно исчезает только через некоторое время после полного распада пятен.

Наблюдателям за солнечными пятнами было ясно, что количество пятен на диске Солнца и их площадь изменяются во времени. Но долго оставалось неясным, как именно, по какому закону и, главное, почему. Один из астрономов-любителей, цюрихский аптекарь Генрих Швабе, в 1843 году опубликовал результат своих наблюдений солнечных пятен, которые он проводил ежедневно в течение 17 лет. Оказалось, что количество пятен на Солнце изменяется периодически. Впоследствии данные Швабе проанализировал астроном Рудольф Вольф. Он приобщил к ним и все другие данные наблюдений, которые проводились нерегулярно, с перерывами. Так Вольфу удалось в той или иной мере проследить по различным источникам изменение солнечных пятен вплоть до 1610 года, когда их наблюдал Галилео Галилей. Но наиболее полные данные наблюдений имелись начиная с 1749 года.

Анализировалось не просто количество солнечных пятен, а определялось число, которое учитывало также количество групп пятен.

Рис. 47. Изменение чисел Вольфа начиная с 1749 года.

Когда рассчитанные числа Вольфа w были представлены графически, то оказалось, что они меняют свою величину с периодом, который в среднем равен 11,1 года. То есть было показано, что время между двумя ближайшими максимумами чисел Вольфа в среднем равно 11,1 года. Но это только «в среднем». Отдельные периоды имели продолжительность 7, а некоторые даже 17 лет. Числа Вольфа в одних максимумах были больше, чем в других. На рис. 47 показано изменение чисел Вольфа начиная с 1749 года и до наших дней. Здесь хорошо видны как периодичность в изменении числа солнечных пятен, так и изменение величины самих максимумов. Так, в максимумы 1870 и 1974 годы солнечных пятен было в три раза больше, чем в 1816 году, когда имел место самый низкий максимум. В 1957–1958 годы максимум числа солнечных пятен был еще больше, чем в 1870 и 1974 годы.

Рассмотрим более конкретно, в каких местах на солнечном диске чаще всего появляются пятна. Мы наблюдаем за ними с Земли. За счет вращения Солнца пятна все время меняют свое положение. Тот факт, что Солнце вращается на разных широтах с разной скоростью, приводит и к своеобразному характеру в продвижении пятен. За счет более медленного вращения Солнца в высоких широтах находящиеся там гипотетические пятна отстают от экваториальных.

Подавляющее большинство пятен появляется в полосе широт между 5 и 30о. На широтах больше 35о они появляются очень редко. Было показано, что в продолжение 11-летнего солнечного цикла положение солнечных пятен меняется закономерно: в начале нового солнечного цикла, который отсчитывается от минимума солнечных пятен, солнечные пятна появляются на самых больших широтах. Затем с течением времени широты их появления постепенно уменьшаются, приближаясь к широтам 5–8о. Таким образом, с началом нового солнечного цикла появляются пятна этого цикла на широтах около 30о и продолжают быть видны пятна старого цикла на широтах около 5–8о. Такое изменение положения солнечных пятен в продолжение 11-летнего солнечного цикла было замечено впервые известным английским исследователем Солнца Р. Кэррингтоном еще в 1859 году. Позднее немецкий ученый Г. Шперер обосновал эту закономерность более полно. Эта закономерность получила название закона Шперера.

Чем больше на Солнце пятен, тем более активным считается Солнце. Поэтому количество солнечных пятен является мерой солнечной активности. Закон Шперера вместе с законом Швабе-Вольфа о периодическом изменении числа солнечных пятен являются основными законами, описывающими изменение солнечной активности.

У читателя мог возникнуть вопрос, как можно отличить солнечные пятна одного 11-летнего цикла от другого. Оказывается, это делается с большой долей уверенности. Дело в том, что направление магнитного поля в пятнах от данного солнечного цикла к последующему меняется на противоположное. Поэтому, измеряя направление магнитного поля пятна, можно определить принадлежность его к определенному циклу. Точнее, эта закономерность выглядит так. В течение одного 11-летнего солнечного цикла в северном полушарии Солнца головное пятно имеет южную полярность, а хвостовое — северную. Это относится ко всем пятнам в данном полушарии. Когда через 11 лет начнется новый цикл солнечной активности, то направление магнитных полей пятен изменится на противоположное. То есть в северном полушарии головные пятна будут иметь магнитное поле северной полярности, а хвостовые — южной. Мы говорили все время только о северном полушарии. В южном полушарии Солнца все направления магнитных полей солнечных пятен являются противоположными тем, которые имеют место в северном полушарии. Это показано на рис. 48. Полярности магнитного поля обозначены S (южная полярность) и N (северная). Таким образом, направление магнитных полей солнечных пятен повторяется не через 11 лет, как повторяется их положение на солнечном диске, а через два 11-летних цикла, то есть примерно через 22 года. Так что имеются основания говорить о двух циклах продолжительностью 11 и 22 года.

Рис. 48. Изменение широты солнечных пятен в продолжение одиннадцатилетнего солнечного цикла. Показана полярность парных пятен (N — северный магнитный полюс, S — южный).

Все приведенные закономерности изменения солнечных пятен и их магнитных полей не могут не удивлять. Создается впечатление, что внутри Солнца содержится некоторый «часовой механизм», обеспечивающий перемену направления всех магнитных полей через определенный срок. Нельзя сказать, что устройство этого механизма уже разгадано полностью, сейчас нет даже уверенности в том, что он находится целиком внутри Солнца. Очень известный немецкий астроном В. Глайсберг писал: «Сколько раз исследователям солнечной активности казалось, что наконец-то им удалось установить все основные закономерности 11-летнего цикла. Но вот наступал новый цикл, и уже первые его шаги начисто отбрасывали всю их уверенность и заставляли заново пересматривать то, что они считали окончательно установленным».

 

ЦИКЛЫ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Процессы солнечной активности охватывают всю атмосферу Солнца, а также конвективную зону, которая не видна. Энергия в конвективную зону поступает из солнечного ядра через переходную зону. Поэтому можно уверенно сказать, что понять эти процессы — значит понять само Солнце. С изменением солнечной активности меняется и количество энергии, которую оно излучает в межпланетное пространство, а значит, и той ее доли, которую получает Земля. В сущности, меняется не только количество, но и качество этой энергии, поскольку Солнце в зависимости от его активности излучает разную энергию в разных диапазонах электромагнитных волн. При усилении активности излучение в некоторых участках солнечного спектра усиливается в десятки и даже сотни раз. Но этого мало. При усилении солнечной активности усиливаются и потоки заряженных частиц, выбрасываемых из солнечной атмосферы. Этими частицами являются электроны, протоны, ядра легких химических элементов.

В разных процессах, которые составляют сложный комплекс солнечной активности, выбрасывается разный состав частиц, энергии которых также существенно различаются. Это особенно хорошо прослеживается в процессах, которые протекают в солнечной атмосфере в периоды солнечных вспышек. Большинство из вспышек приводит к выбросу в межпланетное пространство потоков высокоэнергичных электронов. Такие вспышки, поскольку они составляют большинство, называют обычными или электронными. Во время другого типа вспышек выбрасываются в межпланетное пространство потоки высокоэнергичных протонов, которые были названы солнечными космическими лучами. Сами вспышки были названы протонными. Время от времени в период протонных вспышек протоны ускоряются до чрезвычайно высоких энергий, при этом их скорости становятся сравнимыми со скоростью света.

Таким образом, важно не только изменение суммарной, общей энергии, которую излучает Солнце при разной активности, но и то, в каком виде эта энергия излучается.

Большинство процессов, которые являются разными звеньями солнечной активности, сосредоточено, локализовано в определенной области как в солнечной атмосфере, так и под ней, в солнечных недрах. Но очертание этой области еще не дает всей информации об активности. Важно знать, как возникли эти процессы, где они зародились и затем как они развивались во времени на разных этажах активной области. Среди этих процессов имеются как медленные, так и развивающиеся в виде взрывов, то есть импульсивно. Чтобы как-то все это подчеркнуть, специалисты наряду с понятием активной области используют и понятие «импульс активности». Мы наблюдаем за активными областями только из одной точки — с Земли. Поэтому видим (с помощью глаза или инструментов) только проекцию всей объемной конструкции на плоскость, перпендикулярную лучу зрения. Когда активная область, которую мы наблюдаем, находится на центральном меридиане (и близко к экватору), то мы наблюдаем ее строго сверху. Поскольку светящиеся образования проектируются на солнечную поверхность, то вместо протуберанцев мы видим яркие волокна, вместо объемных, весьма протяженных по высоте образований — факельные площадки и т. д. Если же активная область находится ближе к краю видимого диск, то ее можно наблюдать с Земли только наискосок. При этом по наблюдаемой проекции ее на плоскость, перпендикулярную лучу зрения, мы должны сделать правильные заключения о ее объемной конструкции. В том случае, когда активная область находится на самом ребре видимого диска (на лимбе), мы можем непродолжительное время наблюдать ее сбоку. Тогда-то мы и видим протуберанцы, а не волокна и т. д.

Несомненно, большие сложности возникают и из-за того, что мы можем наблюдать процессы в атмосфере Солнца только на видимой его полусфере. Поскольку процессы во всей атмосфере Солнца (как видимой, так и невидимой полусфере) составляют единый комплекс, то понять их по его одной только половине дело не простое.

Мы сделали только некоторые замечания о проблемах, связанных с исследованием солнечной активности, для того, чтобы у читателя сформировалось правильное представление как о сложности проблемы, так и о возможных путях ее решения. Один из таких путей — установление измерительных приборов на летательных аппаратах, которые облетели бы Солнце со всех сторон. Кроме того, надо развивать методы наблюдений, которые позволяли бы нам четко и уверенно определять те высоты в атмосфере Солнца, откуда мы получаем информацию. Имеются и другие возможности, которые впоследствии будут, конечно, реализованы.

Но если мы хотим установить, как изменяется солнечная активность во времени, то нам придется проявить чрезвычайное терпение. Дело в том, что эти изменения происходят с разными временными интервалами, среди которых есть не только 11-летний цикл солнечной активности, но и циклы продолжительностью в десятки, сотни и даже тысячи лет. Конечно, мы не можем ждать сотни и тысячи лет, чтобы установить изменение солнечной активности с помощью совершенных современных измерений. Для таких исследований приходится использовать те данные (прямые и косвенные), которые уже накоплены людьми за их историю. Естественно, мы не можем надеяться найти среди этих данных результаты измерения излучений Солнца в отдельных спектральных линиях или результаты измерения магнитных полей, температуры, скорости движения солнечного газа в разных слоях солнечной атмосферы и т. д. На что же мы можем рассчитывать? На то, что было видно на солнечной поверхности как невооруженным глазом, так и с помощью простых, бесхитростных телескопов.

 

ОДИННАДЦАТИЛЕТНИЙ ЦИКЛ

Тот факт, что солнечная активность изменяется во времени, был впервые установлен в 70-е годы XVIII века датским астрономом Р. Горребовом, который проводил наблюдения за поверхностью Солнца в Копенгагене в 1761–1769 годах. Но его современники-ученые не признали это, а в 1805 году при артиллерийском обстреле Копенгагена эскадрой адмирала Нельсона данные наблюдений погибли. Потребовались десятилетия, чтобы вновь открыть уже открытое. Это произошло в 1843 году, когда аптекарь и одновременно астроном-любитель Генрих Швабе опубликовал данные своих ежедневных наблюдений Солнца в течение 17 лет. Он и считается признанным первооткрывателем периодичности (цикличности) изменения солнечной активности. Впоследствии Рудольф Вольф организовал наблюдения Солнца на профессиональном уровне. Он же ввел индекс относительных чисел солнечных пятен, о котором уже говорилось выше.

Регулярные данные наблюдений, проводимых в Цюрихе, имеются с 1749 года. 11-летние циклы солнечной активности принято отсчитывать от минимума солнечной активности. Наблюдаемый минимум имел место в 1755 году. От него и начали отсчет первого 11-летнего цикла. За ним последовали второй, третий и т. д. Сейчас идет 22-й цикл солнечной активности. Он начался в 1986 году. До 1755 года наблюдался еще один цикл, но не полностью (всего 6 лет). Он был назван нулевым. Еще более ранние наблюдения не были регулярными. Тем не менее по ним (с меньшей достоверностью) были установлены еще 22 11-летних цикла. Их нумерация идет в обратную сторону, и прибавляется знак минус. Таким образом, 22-й цикл начался в 1501 году. Несмотря на отсутствие данных регулярных наблюдений, восстановить изменение солнечной активности с 1501 года удалось на основании тех последствий, которые они вызывают в земной атмосфере и биосфере. Об этих последствиях будет рассказано позднее. Здесь только укажем, что при усилении солнечной активности в атмосфере Земли (в высоких широтах) возникают полярные сияния. Они вызываются заряженными частицами, которые выбрасываются из Солнца при усилении солнечной активности. Эти данные о полярных сияниях и были использованы для того, чтобы установить, какова была в это время солнечная активность.

В 11-летнем цикле солнечная активность нарастает от минимума к максимуму (ветвь роста) быстрее, чем спадает от максимума к минимуму (ветвь спада). Специалисты говорят не о периодических, а о циклических изменениях солнечной активности потому, что продолжительность периода этих изменений меняется в определенных пределах, то есть период не является постоянным. Такие изменения называют циклическими.

Мы уже упоминали, что можно говорить об изменении во времени многих величин, характеризующих солнечную активность. Общепринятой величиной является число Вольфа, то есть относительное число солнечных пятен. Вторым, эквивалентным индексом солнечной активности является суммарная площадь солнечных пятен. Она измеряется в миллионных долях солнечного диска.

Было показано, что циклические изменения солнечной активности с продолжительностью цикла примерно в 11,1 года происходили неизменно в продолжение по крайней мере сотен миллионов лет. Этот факт был установлен конечно же не по данным наблюдений самого Солнца. Таких данных просто нет. Мы уже говорили, что с изменением солнечной активности меняются и условия роста растений, а также меняется количество полярных сияний. Но не только эти явления зависят от уровня солнечной активности. От него зависят практически все явления в окружающем Землю пространстве и в ее биосфере. Атмосферные осадки также выявляют зависимость от уровня солнечной активности. Поэтому при исследовании осадочных отложений очень отдаленных геологических эпох (сотни миллионов лет) и было показано, что они также отражают 11-летнюю цикличность. 11-летний солнечный цикл характеризуется не только продолжительностью цикла, которая в среднем равна 11–13 годам. Каждый такой цикл характеризуется и той максимальной солнечной активностью (то есть максимальным относительным числом солнечных пятен), которая достигается в данном цикле. А эти значения отличаются от цикла к циклу очень существенно. Так, за период с 1700 по 1980 год максимальные среднегодичные числа Вольфа менялись в пределах от 45,8 до 236 (в конце 1957 года).

Было установлено по данным за этот период, что чем выше максимум солнечной активности в данном 11-летнем цикле, тем он быстрее достигается, то есть тем ветвь роста данного 11-летнего цикла короче. Но с другой стороны, спадает солнечная активность «правильно», то есть чем она выше в максимуме, тем она дольше затухает и, таким образом, тем продолжительнее ветвь спада данного 11-летнего цикла.

Представляют интерес не только и не столько эти и подобные закономерности, сколько их физический смысл. Ведь важно прежде всего понять, что происходит в недрах и атмосфере Солнца. Было высказано мнение, что каждый 11-летний цикл изменения солнечной активности представляет собой отдельный независимый взрыв.

 

ДВАДЦАТИДВУХЛЕТНИЙ ЦИКЛ

Этот цикл солнечной активности часто называют качественным, поскольку он связан прежде всего с качественным изменением магнитного поля солнечных пятен — меняется на противоположную их полярность. Как уже было сказано, каждый солнечный 11-летний цикл имеет свой номер. Если он нечетный, то в северном полушарии магнитное поле головных пятен имеет северную полярность, а в южном полушарии — южную. В четных циклах направления магнитных полей меняются на противоположные. Меняются направления не только магнитных полей пятен, но и фонового магнитного поля Солнца. При максимальной солнечной активности (в эпоху максимума) магнитное поле в северной полярной шапке Солнца имеет такую же полярность, как и магнитное поле головных солнечных пятен этого же полушария. Распределение полярностей меняется через два 11-летних цикла, то есть через 22 года.

Имеется и более продолжительный цикл солнечной активности, который называют по-разному: длинный, долгий, вековой, 80 — 90-летний. Наиболее часто его называют вековым. Он был обнаружен еще в середине прошлого столетия. Сейчас его существование подтверждается как по данным за последние 2000 лет, так и косвенными данными о земных процессах. Проявление векового цикла за период с 1720 по 1950 год показано на рис. 49.

Рис. 49. Вековой цикл солнечной активности.

Вековой цикл солнечной активности меняется в очень больших пределах, от 30 до 120 лет. Наиболее вероятная его продолжительность составляет 79 лет. Был выявлен также солнечный цикл продолжительностью 44 года. Проявляется этот цикл весьма своеобразно. Так, чем больше сумма относительных чисел солнечных пятен в данном 22-летнем цикле, тем больше и продолжительность следующего 22-летнего цикла.

Были обнаружены также циклы продолжительностью от 168 до 190 лет, а также более продолжительные циклы (280, 400 и 600 лет).

Обнаружен был также цикл продолжительностью около 900 лет. По геологическим, геофизическим и физико-географическим данным был обнаружен цикл продолжительностью 1700–1800 лет.

В истории были такие периоды, когда солнечная активность длительное время находилась на очень низком уровне. Один из таких периодов охватывает годы с 1645-го по 1716-й. Сейчас он известен как минимум Маундера, ученого, который в начале нашего века очень много сделал, чтобы доказать существование этого минимума солнечной активности.

Что касается явлений в атмосфере, то можно использовать сведения о полярных сияниях, которые связаны с активностью Солнца и содержатся в разных хрониках и других материалах.

Английский исследователь Дж. Шове собрал такие сведения о солнечных пятнах и полярных сияниях за период от 200 года до н. э. до наших дней. За это время прошло 198 одиннадцатилетних циклов. Этот самый продолжительный ряд наблюдений называют рядом Шове. Он показан на рис. 50. Ряд Шове также выявляет наличие векового цикла солнечной активности. Было показано, что с периодом в 80–90 лет изменяется средняя продолжительность существования групп солнечных пятен. Другими словами, с периодом 80–90 лет изменяется мощность солнечной активности, о которой свидетельствует эта продолжительность.

Было установлено также существование 600-летнего цикла солнечной активности. Это подтверждают и данные ряда Шове. Интересно, что именно примерно 600 лет назад на Земле произошло сильное похолодание. С того времени зеленая (об этом говорит и ее название) страна Гренландия стала страной, покрытой льдами.

Следует указать, что для исследования солнечной активности используют также данные об изменении толщины годовых колец на срезе деревьев. Известно, что имеются деревья, которые живут многие сотни лет.

Рис. 50. Изменение солнечной активности от начала нашей эры до наших дней.

Эти данные очень информативны, они обрабатываются с помощью самых современных математических методов и ЭВМ и позволяют установить изменения уровня солнечной активности не только от года к году, но и за более короткие интервалы времени, например сезонный ход. Если данная древесина датирована, то уровень солнечной активности можно определить уверенно по анализу концентрации в ней радиоуглерода.

 

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ПОЛОЖЕНИЕ ПЛАНЕТ

Все тела Солнечной системы очень тесно взаимосвязаны (недаром они составляют «систему»). Их движения взаимообусловлены, так как каждое из них оказывает влияние на все остальные. Это люди начали понимать очень давно.

Так, еще в IV веке до н. э. вавилонский историк и жрец Берос попытался определить те периоды, когда диски всех планет выстраиваются вдоль одной прямой. Такую ситуацию называют «великим» годом. Она повторяется только через 179 лет, и не каждое поколение людей может быть свидетелем великого года. Скажем сразу, что ни разу в истории великий год, если на него было обращено внимание населения, не вызывал оптимизма. Совсем наоборот, часто предсказывали, что в такой год наступит «конец света».

Проблема связи положения планет с Солнцем, а точнее — с солнечной активностью, — была поставлена на научную основу только в прошлом веке. Многие астрономы, в том числе и сам Р. Вольф, обратили внимание на то, что Юпитер обращается вокруг Солнца практически с таким же периодом (11,86 года), с каким изменяется солнечная активность (11,13 года). Тут было над чем подумать. Тем более оказалось, что имеется также определенная связь между числом солнечных пятен и изменением расстояния от Солнца до Юпитера. Ученые приступили к детальной проработке этого вопроса. Надо было определить, к каким изменениям на Солнце приведет различное расположение планет.

Надо сказать, что не все ученые связывали изменения солнечной активности с расположением планет. Многие отдавали предпочтение другой возможной причине изменения солнечной активности — процессам внутри самого Солнца. Скажем сразу, что в настоящее время нельзя отвергнуть как неверный ни один из этих двух взглядов. Видимо, на солнечную активность оказывают влияние и процессы внутри Солнца, и действие разного расположения планет.

Еще в начале нашего века Э. Браун обосновывал циклические изменения солнечной активности приливами, вызванными планетами. Приливы в свою очередь вызывают вихревые движения в атмосфере Солнца.

Что же происходит с Солнцем под действием планет? Несмотря на то, что в Солнце сосредоточена почти вся масса Солнечной системы (99,87 %), момент количества движения его небольшой, поскольку оно находится в центре системы. На долю Солнца приходится только 2 % момента количества движения всей Солнечной системы. Остальные 98 % приходятся на долю планет. Но это соотношение не остается неизменным. Когда все или несколько планет выстраиваются в одну линию, проходящую через Солнце, центр тяжести Солнечной системы смещается относительно центра Солнца. Это удаление изменяется существенно: от 0,01 до 2,19 радиуса Солнца. Когда это смещение максимально, центр тяжести Солнечной системы оказывается за пределами Солнца. По законам физики Солнце обязано вращаться вокруг этого центра (это кроме того, что оно вращается вокруг своей оси). Уже один этот факт говорит о том, что положение планет должно сказываться на процессах, протекающих на Солнце и в его недрах.

В расположении планет возможны такие ситуации. Напомним, что все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца почти по круговым орбитам — эллипсам — в одном направлении — против часовой стрелки. Орбиты всех планет расположены вблизи экваториальной плоскости Солнца. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) имеют значительно большую массу, чем планеты земной группы (Меркурий, Венера, Марс).

Когда две планеты-гиганта примерно одинаковой массы выстраиваются на одной линии с Солнцем по одну сторону (как это показано на рис. 51), то центр тяжести Солнечной системы смещается по направлению этих планет. При этом угловой момент Солнца становится максимальным. Поскольку угловой момент Солнечной системы все время сохраняется неизменным, то при увеличении момента Солнца уменьшается угловой момент планет.

Рис. 51. Схема, иллюстрирующая три (I, II, III) различных взаимных положения планет А и В и Солнца (пустой кружок) и соответствующие им три положения центра тяжести Солнечной системы (ЦТСС)

Через определенное время эти же две планеты окажутся снова на одной линии с Солнцем. Но по разные стороны от него. При таком их расположении центр тяжести всей Солнечной системы не должен смещаться относительно центра Солнца. Поэтому угловой момент планет в это время будет максимальным, а Солнца — минимальным. В обоих этих положениях угловой момент Солнца не меняется во времени. А возмущающая сила на Солнце связана именно с величиной изменения его углового момента во времени. Если принять, что солнечная активность прямо связана с этой возмущающей силой, то в обоих описанных выше положениях планет солнечная активность должна быть минимальной.

При каком же положении планет возмущающая сила на Солнце будет максимальна? Было показано, что максимальное изменение во времени углового момента Солнца имеет место в том случае, когда две планеты смещены друг относительно друга на угол в 60о.

Таким образом, если бы Солнечная система состояла только из Солнца и рассматриваемых двух планет, а солнечная активность определялась бы только возмущающей силой, связанной с изменением во времени углового момента Солнца, то солнечная активность изменялась бы так: в некоторый момент времени, когда обе планеты находятся справа на одной линии с Солнцем, солнечная активность должна быть минимальной. Через некоторый интервал времени, когда между планетами образуется угол в 60о, солнечная активность должна стать максимальной. Затем должен пройти вдвое более длинный период (угол 120о) для того, чтобы планеты оказались на одной линии с Солнцем, но по разные стороны от него. Тогда солнечная активность должна снова быть минимальной.

Мы рассмотрели эту ситуацию для примера. Ясно, что ограничиваться рассмотрением только двух планет нельзя. Надо обязательно учитывать влияние на Солнце всех планет. Тем не менее анализ влияния отдельных пар планет дает возможность выявить, какие периоды в изменении солнечной активности возможны.

Было рассчитано, что время между соединениями планет (когда они выстраиваются в одну линию с Солнцем) Сатурна и Юпитера составляет 19,858 года, Сатурна и Урана — 43,365 года, Нептуна и Урана — 171,428 года, Нептуна и Плутона — 481,233 года.

Влияние расположения планет на солнечную активность может проявляться не только из-за изменения во времени углового момента Солнца. Планеты своим притяжением будут оказывать на вещество Солнца приливное действие. Всем известны приливы в морях и океанах, вызванные действием Солнца и Луны. В принципе можно ожидать, что под действием притяжения планет приливы должны иметь место и на Солнце. Несмотря на то, что вещество, из которого состоит Солнце, находится в газообразном состоянии, оно имеет среднюю плотность в 1,4 раза большую, чем плотность воды.

Оценки показали, что уровень фотосферы под действием приливных сил планет смещается только на 1 мм. В более высоких слоях атмосферы Солнца приливные колебания имеют значительно большую амплитуду.

Конечно, может показаться, что такие мизерные изменения пренебрежимо малы. Но в данном случае это не так. Энергия выбрасываемых из Солнца частиц, связанных с солнечной активностью, конечно же не черпается из энергии приливов. Но периодическое действие приливов выполняет такую же роль, как и нажатие на курок при выстреле. Поэтому такой физический механизм ученые назвали спусковым. Действие спускового механизма проявляется во многих процессах как на Земле, так и во Вселенной. Не вызывает сомнения, что он может «работать» и в этом случае, поскольку в конвективной зоне Солнца, где формируются солнечные пятна, вещество находится в очень неустойчивом состоянии.

Хотя в настоящее время и нет законченной теории влияния расположения планет на солнечную активность, не вызывает сомнения, что как изменение во времени углового момента Солнца, так и приливные силы планет влияют на нее.

В последние годы учеными разрабатывается и более полная теория, позволяющая понять динамический ритм всей Солнечной системы как единого целого. Последнее ни у кого не вызывает сомнения. Но не все знают, что планеты обращаются вокруг Солнца не просто каждая со своим собственным периодом. Эти периоды для разных планет взаимосвязаны. Естественно, такая же связь существует и между частотами обращения планет вокруг Солнца.

Если частоты обращения планет равны w1,w2, w3 и т. д., то всегда можно подобрать такие простые целые числа n1, n2, n3 и т. д., что n1w1 + n2w2 + nkwk = 0.

Это не случайно. Такая взаимосвязь частот возможна только в системе, которая находится в резонансном состоянии. Для достижения такого состояния любой системе, в том числе и Солнечной, требуется достаточно продолжительное время. Ясно, что продолжительность этого периода определяется свойствами системы. Расчеты показали, что Солнечная система действительно к настоящему времени почти полностью пришла в резонансное состояние или, точнее, очень близка к нему, если учесть астрономические масштабы времени. Солнце входит в Солнечную систему «на таких же правах», как и планеты, то есть процессы на Солнце — центральном газообразном теле системы — синхронизацией планетных частот также вовлечены в общий синхронный режим. Другими словами, на солнечную активность оказывают влияние основные характеристики синхронного режима планетной системы.

При определенных положениях планет, то есть при определенных долготах (измеряемых в гелиоцентрической системе координат), создаются благоприятные условия солнечной активности в направлениях этих долгот. Поскольку состояние Солнечной системы не строго резонансное, указанные долготы не постоянны, а периодически меняются в некоторых небольших пределах. Среди этих периодов имеются равные 90, 178 годам и т. д.

Наличие резонансных долгот приводит к тому, что солнечные вспышки наиболее часто происходят в определенных направлениях. Имеются и такие долготы, на которых частота вспышек минимальна.

Максимальное число вспышек наблюдается на гелиоцентрических долготах, которые соответствуют периодам равноденствия (март и сентябрь). Минимумы солнечных вспышек приходятся на январь и апрель. Именно в равноденствие больше всего приходит к Земле потоков протонов, выброшенных из Солнца во время протонных солнечных вспышек.

 

МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

Характер процессов, протекающих в околоземном космическом пространстве и в погодном слое атмосферы, зависит от свойств двух взаимодействующих объектов: солнечного корпускулярного потока и магнитосферы Земли.

Выброс плазмы от Солнца происходит потому, что температура в его короне над областью хромосферной вспышки внезапно возрастает. Это увеличение температуры приводит к образованию взрывной волны, распространяющейся сферически от точечного источника в неподвижном межпланетном газе, плотность которого по мере удаления от источника уменьшается. Структура ударной волны зависит от того, каким образом энергия солнечной бури передается в межпланетную плазму. Облако солнечной плазмы действует на вещество в межпланетном поле как поршень.

Проводились неоднократные исследования солнечного ветра с помощью ИСЗ. Были определены характеристики солнечной плазмы, которая находится за фронтом ударной волны. Установлено, что состав солнечной плазмы через несколько часов после прохождения ударной волны существенно изменяется, отношения Не+++/Н+ увеличиваются.

По мере своего продвижения в межпланетном пространстве солнечная плазма наталкивается на магнитное поле Земли. Давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля планеты. А поскольку давление солнечного ветра в условиях солнечных бурь увеличивается, то и деформация магнитного поля Земли становится больше. Граница земного магнитного поля со стороны Солнца приближается к Земле, магнитное поле уплотняется, его давление возрастает. В результате устанавливается новая граница между солнечным ветром и магнитосферой Земли.

Теперь рассмотрим природу магнитосферы Земли, с тем чтобы проследить, как солнечные корпускулярные потоки, усиливающиеся во время солнечных бурь, при взаимодействии с магнитосферой планеты вызывают бури в околоземном космическом пространстве. Энергия этих бурь затем передается в нижнюю атмосферу, где и формируется погода.

Известно, что Земля имеет собственное магнитное поле, в принципе очень простое по форме. Это поле диполя. Магнитные полюса расположены в районах географических полюсов: северный магнитный у Южного географического, а южный — у Северного географического. Точнее, магнитная ось Земли составляет угол около 11,5о с осью вращения планеты. Геомагнитный полюс в северном полушарии расположен около г. Туле в Исландии. В принципе положение геомагнитных полюсов с течением времени «гуляет». Изменяется также величина и направление магнитного поля Земли. Но все эти изменения происходят за очень длинные отрезки времени (по сравнению с длительностью солнечных и геомагнитных бурь и других процессов, определяющих солнечную активность). Сам факт, что геомагнитные полюса сдвинуты относительно географических, имеет принципиально важное значение для всех процессов, связанных с действием солнечных корпускулярных потоков.

Идеальный магнитный диполь симметричен относительно магнитной оси. Поэтому применение термина «магнитосфера» к магнитному полю Земли в идеальном случае можно было бы считать оправданным. Однако реальное магнитное поле Земли не является только полем магнитных зарядов, находящихся внутри планеты. Оно состоит также из магнитного поля, создаваемого электрическими токами, которые под действием солнечных корпускулярных потоков и солнечного ветра текут по внешней границе магнитосферы, а также внутри магнитосферы. Поэтому реальное суммарное магнитное поле Земли уже не представляет собой сферу. Чем ближе к внутриземным источникам магнитного поля, тем больше его форма напоминает поле диполя. Можно сказать, магнитное поле Земли является дипольным на расстояниях до трех земных радиусов от ее поверхности. По мере удаления от поверхности Земли и приближения к электрическим токам, текущим по внешней границе магнитосферы, магнитное поле планеты все меньше и меньше напоминает поле магнитного диполя (рис. 52).

Рис. 52. Меридиальное сечение магнитосферы Земли, построенное по результатам измерений с помощью спутников: 1 — плазменный слой; 2 — полярная щель; 3 — радиационный пояс; 4 — плазмосфера; 5 — плазменная мантия.

Если взять меридиальную плоскость, проходящую через линию, соединяющую центры Солнца и Земли (то есть полуденно-полуночную плоскость), то на полуденной ее части в экваториальном направлении земная магнитосфера в спокойных условиях простирается на расстояние (в сторону Солнца), равное около 10 земных радиусов. Если же двигаться от поверхности Земли в противоположном (антисолнечном) направлении, то границу ее магнитосферы можно нащупать где-то на удалении около 100 земных радиусов. Да и то эта граница нечеткая: некоторые ИСЗ находили магнитное поле Земли даже на расстоянии около 1000 земных радиусов (это на полуночной стороне). Ясно, что форма магнитосферы, которая с полуденной стороны простирается на 10 земных радиусов, а с полуночной на все 100, очень мало напоминает сферу. Она больше похожа на грушу с хвостиком, сильно вытянутым в антисолнечном направлении.

От вращения Земли и наклона географической оси относительно плоскости эклиптики зависит освещенность земной атмосферы. Другими словами, с географическими координатами (они привязаны к географическим полюсам) связано поступление энергии волнового, электромагнитного излучения Солнца. Под действием этого излучения происходит нагрев атмосферного газа, его ионизация, диссоциация и т. д. Таким образом, волновое излучение Солнца определяет тепловой режим атмосферы, ее циркуляцию, состав и пр. Поскольку поступающее излучение меняется в течение суток, периодические изменения проявляются и в атмосферных процессах. Ясно, что характер этих атмосферных процессов зависит не только от времени суток (то есть от долготы), но и от широты данного места, поскольку она влияет на количество поступающей энергии волнового излучения.

От геомагнитных координат зависят нагрев атмосферного газа, его циркуляция, диссоциация и ионизация атмосферных составляющих. Но в данном случае это результат действия на атмосферу Земли той энергии, которая приносится от Солнца не волновым его излучением, а солнечными корпускулярными потоками. Количество энергии, вносимой потоками заряженных частиц в атмосферу Земли, определяется геомагнитными, а не географическими координатами, причем зависимость значительно сложнее, чем в случае волнового излучения Солнца. Волновое излучение, в отличие от корпускулярного, весьма стабильно. Правда, наблюдаются экзотические случаи, такие как солнечные затмения и солнечные вспышки, а также изменения солнечного излучения в течение 11-летнего солнечного цикла. Но последние, во-первых, медленные, плавные, а во-вторых, далеко не столь значительные по величине, как изменения энергии потоков заряженных частиц, приносимых от Солнца.

Таким образом, на земную поверхность действуют одновременно два агента, которые вносят в нее определенную энергию и тем самым вызывают нагрев атмосферного газа, циркуляцию и другие процессы. На разных широтах и в разных условиях оба этих фактора действуют не одинаково, отличаются и удельные веса каждого из них. В тех областях, где вторжение заряженных частиц особенно эффективно, корпускулярный агент наиболее важен, причем именно в те периоды, когда действие волнового источника ослаблено. Так, в высоких широтах в периоды полярной ночи или солнечных бурь доминирующим источником энергии, вносимой в атмосферу Земли, являются заряженные частицы. Но их энергия определяется геомагнитными координатами, значит, от этих координат в данном примере зависят и процессы в атмосфере, а особенно в ее электрической составляющей — ионосфере. В общем же случае изменение параметров атмосферы и ионосферы зависит одновременно как от географических, так и от геомагнитных координат.

Важно отметить, что чем больше географическая широта, тем влияние волнового излучения Солнца меньше, а чем больше геомагнитная широта, тем влияние его корпускулярного излучения сильнее (по крайней мере до широты 70о). На разных географических долготах соотношение между волновым и корпускулярным источниками не одинаково, даже если другие географические или геомагнитные координаты заданных областей будут совпадать. В результате атмосферные процессы на одних долготах (скажем, сибирских) будут отличаться от процессов на других долготах (американских), хотя рассматриваемые районы имеют одну и ту же географическую широту.

Итак, реальная магнитосфера Земли весьма сложна, особенно если сравнивать с магнитным диполем. Изменения в ней особенно впечатляющи в периоды солнечных бурь, когда на магнитосферу планеты налетают потоки солнечных заряженных частиц и под их давлением дневная сторона магнитосферы поджимается ближе к Земле (в периоды очень интенсивных бурь граница магнитосферы в подсолнечной точке может приблизиться к Земле от 10 земных радиусов в спокойных условиях до 3 земных радиусов). В это время под давлением солнечного корпускулярного потока радикально изменяется форма на ночной стороне магнитосферы, в ее хвосте.

Солнечная буря сильнее влияет на более внешние части магнитосферы. Это, конечно, сказывается во всем околоземном пространстве вплоть до приземного атмосферного слоя, но не прямо, а опосредованно, в результате целой цепочки преобразования энергии солнечного корпускулярного потока, который сам непосредственно к поверхности Земли не проникает.

Магнитное поле Земли имеет определенное давление, которое направлено наружу. Плазма, заполняющая магнитосферу планеты, также обладает давлением, зависящим от ее плотности, температуры и др. Если бы вокруг Земли в межпланетном поле был вакуум, то ее магнитосфера распространялась бы бесконечно далеко. При этом напряженность магнитного поля, изменяясь обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли, уменьшалась бы и на бесконечном удалении становилась бесконечно малой.

Но магнитосфера Земли окружена не вакуумом, она обдувается солнечным ветром. Давление его на магнитосферы зависит от скорости и от плотности частиц, переносимых им. Достигая магнитосферы Земли, солнечный ветер давит на нее, но проникнуть внутрь высокопроводящей магнитосферы не может. Магнитосфера с дневной стороны поджимается до тех пор, пока сила ее давления не уравновесится силой давления солнечного ветра. Поскольку плотности и скорости частиц, выбрасываемых Солнцем, не одинаковы во времени, то и давление их на магнитосферу Земли в разное время различно. Это значит, что граница магнитосферы не остается на одном и том же месте, а меняет свое положение в соответствии с динамическим равновесием всей системы «солнечный ветер — магнитосфера Земли».

Полуденная часть магнитосферы (в районе подсолнечного меридиана) является, по-видимому, наиболее сложной. Внешние силовые линии магнитного поля Земли, прохождение через этот меридиан пронизывают ионосферу на геомагнитной широте около 80о. Более высокоширотные силовые линии, которые проходили бы также в этом полуденном меридиане при отсутствии солнечного ветра, выворачиваются им на ночную сторону. Значит, если в случае идеального магнитного диполя, находящегося в вакууме, силовые линии образуют две воронки точно на геомагнитных полюсах, то при наличии солнечного ветра эти воронки образуются на дневном меридиане на геомагнитных широтах 80о севера и юга. При этом полярные шапки закрыты дневными силовыми линиями, вывернутыми солнечным ветром на ночную сторону. Форма этих воронок (они были названы каспами, в переводе с английского — мешками) такая, что поперечное их сечение представляет собой сильно вытянутый эллипс. Воронка как будто сплющена в одном направлении и вытянута по геомагнитной долготе (вдоль дневной части овала полярных сияний).

То, что такие каспы должны образовываться в дневной магнитосфере под действием солнечного ветра, было предсказано теоретически. Измерения на спутниках не только подтвердили их существование, но и позволили установить зависимость их положения и формы от характера солнечной активности. При усилении солнечного ветра после хромосферных вспышек, когда магнитосфера прижимается им к Земле, положение каспов меняется. Они смещаются дальше от полюсов, чем в условиях спокойного Солнца. Это происходит потому, что большая часть дневных силовых линий выворачивается солнечным ветром на ночную сторону.

Кардинальным во всей проблеме взаимодействия Солнца и Земли является вопрос передачи энергии. И именно через воронки в магнитосфере Земли энергия Солнца, переносимая солнечными корпускулярными потоками, поступает непосредственно в земную атмосферу. Еще одними воротами из космоса является ночная часть магнитосферы (ее хвост), через которую солнечная плазма входит внутрь магнитосферы, а затем из хвоста направляется вдоль силовых линий магнитного поля в высокоширотные области и вторгается там в атмосферу Земли.

Солнечная буря вызывает в магнитосфере целый комплекс процессов, которые тоже носят взрывной (штормовой) характер. Он называется магнитосферной бурей. Буря проявляется в изменении магнитного поля Земли, в высыпании заряженных частиц в атмосферу высоких широт, в полярных сияниях и в увеличении концентрации электронов в ионосфере. Магнитосферная буря длится 1–1,5 суток и скорее напоминает целый ряд маленьких бурь (подбурь или суббурь), каждая из которых длится около 1 часа. Эти элементарные бури имеют очень много общего. Если они следуют друг за другом почти непрерывно (4–5 в течение одной ночи), то образуется мировая магнитосферная буря.

Процессы в околоземном пространстве рассматриваются нами в книгах: «Ионосфера Земли» (Наука, 1989), «Полярные сияния» (Наука, 1987), «Волны в космосе» (Наука, 1987), «Космос и биосфера» (Знание, 1990), «Процессы в геосфере» (Знание, 1989), «Наше здоровье и магнитные бури» (Знание, 1993), «Космос и здоровье» (Вече, 1997) и др.

Солнечная плазма, выброшенная из поверхности Солнца после хромосферной вспышки, приближается к орбите Земли примерно через 40–50 часов. Магнитное поле солнечного корпускулярного потока, то есть межпланетное магнитное поле, соединяется в магнитным полем Земли.