Глава 6. Солнце и электричество

…Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их месте выскакивают, так что беспрерывное блистанье быть кажется.

М. Ломоносов

Великий русский ученый Ломоносов одним из первых предположил, что причиной полярных сияний служат электрические разряды в разреженном воздухе.

Чтобы убедиться в справедливости своего предположения, он выкачивал воздух из стеклянного шара и пропускал через шар электричество. Спустя столетие явление проходимости электрического тока через разреженные газы изучали другие ученые. В опытах применяли стеклянные трубки, запаянные с двух концов. Чтобы пропускать через них электричество, в трубки с обоих концов впаивали небольшие металлические пластинки – электроды, к которым присоединяли провода от источника тока.

Пока газ в трубке находился при обычном атмосферном давлении, он электрического тока не проводил, свечения не было. Но стоило создать в трубке разрежение, как в ней появлялось свечение – результат столкновения быстро летящих заряженных частиц с молекулами оставшегося в трубке газа. Какого? Сначала это был азот и водород. Позднее ученые стали экспериментировать с аргоном и неоном – так появились газосветные трубки-светильники, их стали применять для оформления рекламы. Различные газы светятся по-разному: аргон, например, голубым светом, неон – красным.

Так в лабораториях ученые получили маленькие полярные сияния, однако не давшие полного ответа на вопрос, который волновал Ломоносова. Действительно, почему полярные сияния «приписаны» к полюсам нашей планеты – Северному и Южному? И чем объяснить разнообразные, непрестанно изменяющиеся формы этого явления?

Вопрос об аналогии между полярными сияниями и газовым разрядом, с многочисленными проявлениями которого мы встречаемся на каждом шагу (молния, лампы дневного света, неоновые огни рекламы, яркая вспышка света при дуговой сварке), имеет очень большое научное значение. Вообще говоря, современные исследования доказывают, что такая аналогия не ограничивается только элементарными актами ионизации и возбуждения атомов энергичными частицами, которые происходят и в газовом разряде, и в полярных сияниях.

Хорошо известно, что в газовом разряде ионизующие электроны нагреваются во внешнем электрическом поле. В случае с полярными сияниями раньше считалось, что ионизующие заряженные частицы – это высокоэнергичные электроны и протоны солнечного ветра, которые охлаждаются в столкновениях с атомами и молекулами атмосферы. Однако наблюдения с помощью орбитальных космических аппаратов показали, что в последнем случае ситуация более сложная.

Земля остро чувствует изменения солнечной активности, сильнее всего проявляющиеся в одиннадцатилетних циклах, на пиках которых всплески излучения резко учащаются. При этом в короне Солнца рождаются интенсивные потоки гамма-квантов и энергичных заряженных частиц солнечных космических лучей, а также происходят выбросы гигантских масс плазмы с «вмороженным» магнитным полем. Такие магнитные облака стремительно летят в межпланетном пространстве, рассеиваясь земной магнитосферой.

Несмотря на атмосферный щит Земли, воздействие солнечного ветра частиц и излучений сильно влияет на радиоэлектронные приборы авиационно-космической техники, а также линии связи и электропередачи, очень чувствительные к электромагнитному и корпускулярному воздействию околоземного космического пространства.

Солнечный ветер растягивает и уносит с собой солнечное магнитное поле. Это происходит потому, что энергия направленного движения плазмы во внешней короне больше, чем энергия магнитного поля, и принцип вмороженности увлекает поле за плазмой. Комбинация такого радиального истечения с вращением Солнца (а магнитное поле «прикреплено» и к его поверхности) приводит к образованию спиральной структуры межпланетного магнитного поля. Солнечный ветер и магнитное поле заполняют всю Солнечную систему, и таким образом Земля и все другие планеты фактически находятся в короне Солнца, испытывая воздействие не только электромагнитного излучения, но еще и солнечного ветра и солнечного магнитного поля. Интересно, что впервые о существовании солнечного ветра догадались еще до наступления космической эры при изучении комет. Если бы на кометы действовало только световое давление Солнца, то их хвосты были бы направлены точно от него.

Заряженные частицы солнечного ветра (по крайней мере, электроны) могут осуществлять ионизацию различным образом. Дело в том, что ионосферная плазма, в которую вторгается высокоэнергичный пучок заряженных частиц, неустойчива. В такой системе за счет энергии пучка раскачиваются колебания, сопровождаемые переменным электрическим полем. Электроны ионосферы по прямой аналогии с лабораторным газовым разрядом нагреваются в этом электрическом поле до энергий, при которых начинается ионизация в столкновениях с атомами и молекулами. Получающийся таким образом разряд носит название пучково-плазменного и не только известен специалистам, но используется в некоторых технических приложениях. Таким образом, аналогия между полярными сияниями и газовым разрядом оказалась даже более глубокой, чем предполагалось вначале.

В прошлом веке норвежский физик Биркеланд поставил интересный опыт. Он изготовил маленькую модель нашей Земли – шар, который можно было намагничивать. Кроме того, шар был покрыт краской, которая от ударов заряженных частиц начинала светиться.

Ученый поместил шар в сосуд с разреженным воздухом и «обстрелял» его из ионной пушки потоком заряженных частиц. Пока шар не был намагничен, летящие частицы бомбардировали всю поверхность полушария, обращенного к ионной пушке, и оно равномерно светилось. Но, когда шар намагнитили, свечение появилось только у его магнитных полюсов.

Опыт подтверждал связь полярных сияний с потоком электрических частиц. Показал он и то, что в этом явлении как-то участвуют силы земного магнетизма. Но какие же электрически заряженные частицы могут вызывать в высоких слоях атмосферы полярные сияния, откуда они берутся?

Верхние слои атмосферы в области сияний заметно нагреваются, что приводит к появлению восходящих потоков газа. В результате на больших высотах увеличивается плотность газовой среды. Последнее вызывает дополнительное торможение искусственных спутников Земли в этой области. Сияния также сопровождаются сильными вихревыми токами (замкнутые электрические токи, которые возникают при изменении пронизывающего проводник магнитного потока) в огромных областях пространства. В результате появляются сильные магнитные поля и развиваются так называемые магнитные бури. Яркие вспышки сияния могут сопровождаться звуками, похожими на треск. Сильные изменения в ионосфере сказываются на качестве радиосвязи, в большинстве случаев она ухудшается.

Давно было известно, что сияния особенно часты и сильны в те годы, когда на Солнце наблюдается наибольшее число пятен. Количество их и размеры в разные годы различны. В середине XIX века немецкий ученый Рудольф Вольф, собрав практически все известные упоминания о солнечных пятнах, обнаружил примерно одиннадцатилетнюю периодичность их появления (сами пятна могут существовать по нескольку месяцев).

Итак, через каждые одиннадцать лет число пятен бывает наибольшим. Затем они постепенно пропадают, в годы минимума на Солнце их почти не наблюдают месяцами. Когда большое пятно проходит центральный меридиан Солнца, на Земле через сутки-двое почти всегда начинают играть сполохи и разражается магнитная буря. Она резко ухудшает радиосвязь на коротких волнах, вносит сумятицу в работу телеграфа и телефона, показания компаса становятся неточными.

В солнечных недрах, где царит температура, достигающая многих миллионов градусов, происходят сложные реакции на ядерном уровне. Тепло, которое обогревает нашу планету, – следствие этих реакций. Но не только тепло излучает наше светило в мировое пространство: из области солнечных пятен выбрасываются еще потоки частиц, включая положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны.

Когда протоны и электроны достигают верхних, разреженных слоев атмосферы Земли, они, как и в газоразрядной трубке, сталкиваются с атомами и молекулами воздуха, главным образом азота и кислорода, и заставляют их светиться. Так возникают полярные сияния в естественных условиях, возникают на высоте примерно от восьмидесяти до тысячи и более километров над поверхностью Земли.

Это происходит потому что наша планета – огромный природный магнит со своим полем, настолько мощным, что оно способно отклонять потоки частиц, летящих от Солнца, к магнитным полюсам, которые ныне находятся вблизи географических полюсов планеты.

На поверхности Солнца видны магнитные петли, перекинувшиеся через активную область. Ярко сверкающая в жестком ультрафиолете горячая плазма, поднятая над Солнцем вдоль арок силовых линий магнитного поля, остывает и проливается обратно на поверхность светила. Подобные вспышки порождают интенсивные потоки протонов высокой энергии и, как правило, связаны с мощными корональными выбросами – большими облаками солнечного вещества, которые активно взаимодействуют с магнитным полем нашей планеты, порождая сильные геомагнитные бури.

Кроме лучистой энергии Солнце выбрасывает в пространство огромное количество материальных частиц, так называемых корпускул. Это смесь электронов, протонов и ионизированных атомов различных элементов, входящих в состав раскаленной солнечной атмосферы. Пролетая огромное расстояние, они достигают Земли и довольно глубоко проникают в ее ионосферу. Этот «обстрел» Земли мельчайшими частицами, летящими с Солнца, – дополнительный источник ионизации.

Частицы летят с очень большой скоростью, обладая в силу своей сравнительно большой массы значительной энергией. Встречая на своем пути атомы, молекулы и ионы верхней стратосферы, корпускулы эффективно изменяют их зарядное состояние, активно участвуя в актах ионизации и рекомбинации.

Силовые линии магнитного поля Земли меняются не только в радиальном направлении, они к тому же изогнуты. Это также влияет на движение заряженных частиц. В результате электроны и протоны начинают дрейфовать в противоположных направлениях (на восток или запад).

Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, стекают в область полюсов, где достигают плотных слоев атмосферы, производя ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Возбужденные атомы испускают энергию в виде света. Нечто подобное наблюдается в газовом разряде при пропускании через газ электрического тока.

Но солнечная радиация – не единственный источник ионизации верхних слоев земной атмосферы. Каждая звезда в Метагалактике – это тоже солнце, и часто во много раз большее по размерам, чем наше. Некоторые из звездных источников значительно горячее нашей звезды, и состав излучаемого ими спектра гораздо богаче высокоэнергичными лучами, способными вызвать ионизацию.

Однако эти гигантские светила, рассеянные в просторах Вселенной, настолько удалены от Земли, что ионизирующее действие излучения всех видимых звезд на земную атмосферу в тысячу раз слабее солнечного.

Правда, и здесь есть тревожное исключение – взрывы новых и сверхновых звезд. В этих чудовищных космических катастрофах выделяется такое количество энергии и самой разнообразной радиации, что даже отдаленное соседство может быть очень опасно для биосферы Земли.

Чтобы понять, почему сияния наблюдаются чаще всего именно в полярных областях Земли, нужно вспомнить, как движутся заряженные частицы в магнитном поле. Ведь если путь заряженной частицы пролегает вдоль магнитного поля, то поле никак не влияет на ее движение. В высоких широтах Земли силовые линии магнитного поля почти вертикальны, что создает благоприятные условия для проникновения частиц в атмосферу Земли.

В противном случае, когда заряженная частица движется поперек магнитного поля, на нее действует сила, которая закручивает частицу вокруг силовой линии магнитного поля. В результате при отсутствии столкновений с другими частицами рассматриваемые будут просто вращаться вокруг силовых линий. Столкновения могут приводить к перескоку частиц с одних круговых орбит на другие. Но скорость такого движения существенно меньше, чем у направленного движения потока частиц при отсутствии магнитного поля. В низких широтах силовые линии почти параллельны поверхности Земли. Поэтому, чтобы частицы, вызывающие полярное сияние, могли здесь проникнуть в атмосферу они должны прорваться поперек силовых линий Земли, а это для них практически невозможно.

Количество пятен на Солнце, посчитанное по особой формуле, число Вольфа, служит основной характеристикой солнечной активности. В годы спокойного Солнца – в солнечный минимум – пятен практически нет, а во время максимума число пятен может достигать нескольких десятков.

Если же частица движется под определенным углом к направлению магнитного поля, то такое движение можно разложить на две составляющие: поперек магнитного поля и одновременно вдоль него. Оба эти случая рассмотрены выше. Из сказанного следует, что траектория частицы в этом случае будет спиралью, накручивающейся на силовую линию магнитного поля. Шаг спирали зависит от величины продольной скорости, а радиус – от поперечной скорости. Таким образом, заряженная частица, попадая в магнитное поле Земли, может достигнуть ее атмосферы только в полярных областях независимо от того, где она оказалась вначале.

Иногда частицы движутся в неоднородном магнитном поле, изменяющемся в пространстве. Причем, если частица движется по спирали вокруг силовой линии магнитного поля, которое увеличивается по мере продвижения частицы вперед (то есть силовые линии сгущаются), то с ростом напряженности поля частица замедляет свое движение вдоль силовой линии и, в конце концов, отразится и будет двигаться в обратном направлении. Силовые линии магнитного поля Земли сходятся около ее поверхности в высоких широтах. Поэтому заряженные частицы, вращаясь вокруг этих линий и подходя к местам их сгущений, отражаются и движутся в другое полушарие. Там происходит аналогичное отражение, и частицы оказываются в первом полушарии. Это повторяется до тех пор, пока частица не потеряет энергию при соударении с нейтральными частицами в плотной атмосфере вблизи поверхности Земли.

Ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы, когда ее энергия уже невелика. Нейтральные частицы распределены в атмосфере по барометрическому закону (естественно, частиц больше на низких высотах), что также увеличивает скорость ионизации вблизи поверхности Земли. С этим и связаны резкая нижняя и размытая верхняя границы полярных сияний.

Согласно этой модели, когда направление межпланетного магнитного поля становится противоположным направлению геомагнитного поля на дневной стороне, начинается процесс так называемого пересоединения. При сближении противоположно направленных силовых линий магнитное поле обращается в нуль, образуя из замкнутой геомагнитной линии и свободной линии межпланетного поля две открытые силовые линии, которые одним концом начинаются на Земле в полярной шапке, а другим уходят в межпланетное пространство.

Этот циклический процесс называется магнитосферной суббурей и сопровождается значительным возмущением всей внешней магнитосферы Земли. Фактически происходит обрыв части магнитного хвоста, а его остаток «поджимается» к Земле. В этот момент часть плазмы внешней магнитосферы сбрасывается по силовым линиям в авроральную зону ионосферы. Здесь энергичные ионы и электроны сталкиваются с нейтральными атомами и заставляют их испускать фотоны.

Другое важное следствие суббури – изменения в системе магнитосферных токов. При отрыве магнитного хвоста электрический ток, в нормальных условиях текущий поперек хвоста, вынужден обойти этот разрыв через ионосферу используя своеобразную «резервную цепь»: вдоль силовых линий к Земле, затем вдоль авроральной зоны ионосферы и обратно в хвост. Сила возникающего при этом ионосферного тока – электроджета – составляет более миллиона ампер, а магнитное поле, наводимое им на поверхности Земли в авроральной зоне, вносит существенные вариации в геомагнитное поле. Наряду с полярными сияниями появление вариаций служит основным признаком начала суббури, а их величина – главной характеристикой ее силы.

Направление межпланетного магнитного поля постоянно меняется более или менее случайным образом, поэтому обычные суббури, связанные с Южным полюсом, случаются несколько раз за сутки, независимо от текущей солнечной активности.

Более известные читателям магнитные бури регистрируются реже. Они непосредственно связаны со вспышками солнечной активности, а точнее, с попаданием Земли в зоны аномально интенсивного солнечного ветра и в межпланетные магнитные облака. При этом величина поля в магнитном облаке у орбиты Земли возрастает в десятки раз, а скорость солнечного ветра – до 1000 км/с. Эффект такого увеличения подобен смене легкого ветерка на ураган. Во время сильной ионосферной бури мощнейшие магнитные суббури следуют одна за другой, а зона полярных сияний сильно расширяется.

Конвекция, прежде незаметная на фоне взрывных процессов в хвосте земной магнитосферы, начинает доминировать, возмущая внутреннюю магнитосферу и создавая кольцевой ток, опоясывающий Землю на высоте 20–30 тысяч км. У ее поверхности ток создает магнитное поле, направленное противоположно основному геомагнитному.

Когда Солнце выбрасывает с большой скоростью особенно мощные потоки частиц, полярное сияние может оказаться совсем не полярным, спускаясь далеко к югу. Так, во время одной из крупнейших ионосферных бурь в пике очередного солнечного максимума, длившейся несколько суток, полярные сияния наблюдались не только в умеренных широтах, а даже в Прикаспии. При этом энергия, выделявшаяся в магнитосфере Земли, составляла эквивалент взрыва ста миллионов тонн тротила. Метеорологи зафиксировали, что в ночное время ионосферный свет странной северной зари освещал все как в сумерках, позволяя читать книгу.

Первым человеком, обнаружившим, что на Солнце время от времени появляются пятна, был Галилей. Благодаря этим загадочным образованиям ученый смог сделать одно из главных открытий своей жизни – установить, что Солнце тоже вращается.

Американский ученый Бирман обнаружил, что хвосты комет заметно отклонены от этого направления. Такое отклонение можно объяснить только наличием потока ионов и электронов – «ветра», дующего от Солнца со скоростью около 400 км/с.

Появление солнечных пятен напрямую связано с изменением солнечной активности и возникновением магнитных бурь. В действительности пятна светлые, они выглядят черными по сравнению с остальными областями Солнца. Диаметр среднего пятна составляет приблизительно размер Земли. Часто пятна появляются группами, образуя сложные системы в соответствии с концентрацией линии магнитного поля на поверхности Солнца. Магнитное поле препятствует переносу энергии из глубин светила, поэтому пятна выглядят более холодными и темными и как будто более глубокими по сравнению с окружающей поверхностью. Солнечные пятна живут несколько дней, а потом распадаются.

За 400-летнюю историю наблюдений четыре самых мощных пика пришлись на последние полвека, причем каждый следующий солнечный максимум грозит побить все предыдущие рекорды. Исследователи сопоставили данные о геомагнитной обстановке и активности Солнца за последние 150 лет и пришли к весьма интересному выводу: на данном этапе солнечного цикла количество магнитных бурь связано с тем, насколько активным будет наше Солнце через 6–8 лет. Корреляция между этими показателями достигает 94 %, что позволяет прогнозировать поведение Солнца с высокой степенью точности.

Солнечные пятна непрерывно плывут по поверхности вращающегося Солнца. Известно, что на экваторе вращение быстрее, чем на полюсах, и в различных поясах участки поверхности движутся в разных направлениях. Компьютерная диаграмма показывает, как горячий, электрически заряженный газ течет под поверхностью Солнца. Скорость этих потоков представлена в условных цветах: красный обозначает более быстрое движение водорода, чем голубой. За один год поверхностная плазма перемещается от экватора к полюсам, тогда как внутренние вихри поднимают газ из более глубоких слоев. Удивительно, но такие движения похожи на движения воздуха в земной атмосфере.