СОЛНЕЧНЫЕ МАГНИТНЫЕ ОБЛАКА АТАКУЮТ ЗЕМЛЮ

Г.Н. Застенкер, доктор физ. – мат. наук
Л.М. Зеленый, доктор физ. – мат. наук
Институт космических исследований РАН, г. Москва

Большие успехи в проблеме изучения солнечно-земных связей достигнуты в последнее десятилетие в рамках международной программы ISTP (International Solar-Terrestrial Program), включающей в себя координированные исследования с помощью целого флота интернациональных космических аппаратов. Существенный вклад в эти исследования был внесен и четырьмя спутниками проекта ИНТЕРБОЛ, изготовленными в России и Чехии и запущенными Россией в 1995-96гг.
О некоторых аспектах этой работы рассказывается в данной статье.

Природа солнечного ветра
Солнце - создатель всего сущего на Земле. Со времен древних египтян, поклонявшихся богу Солнца - Ра, мы привыкли воспринимать Солнце как громадный огненный шар, излучающий свет и тепло. Сейчас мы знаем, что Солнце посылает нам поток энергии, состоящий из нескольких компонент:

• электромагнитного излучения (главным образом, видимого света с небольшой добавкой инфракрасного и радиоизлучения), несущего основную часть энергии (около 1,2 кВт/м2 на орбите Земли) и удивительно мало изменяющегося во времени (не более, чем на 1-2 %), так что величина этой энергии даже получила название солнечной постоянной; с точки зрения астрофизики Солнце является постоянной звездой в отличие от множества переменных звезд;
• спорадического ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также энергичной части солнечного радиоизлучения, изменяющихся в широком диапазоне - в сотни и тысячи раз и появляющихся только на короткое время при возмущениях (например, в солнечных вспышках);
• потока заряженных частиц с энергиями от сотен кэВ до сотен МэВ (солнечные космические лучи), также возникающего только эпизодически во время очень сильных солнечных вспышек;
• существующего постоянно, но сильно изменяющегося (в десятки раз) потока плазмы (состоящего из ионов и электронов в равной концентрации, т.е. квазинейтрального), называемого солнечным ветром.

Таким образом, несмотря на "постоянство" Солнца в видимом свете в его воздействии на Землю есть и сильно переменная составляющая, приводящая к значительной изменчивости геофизических условий как в околоземном космическом пространстве, так и на самой Земле.

Представление о воздействии на Землю медленных (по сравнению со скоростью света) корпускулярных потоков возникло в самом начале двадцатого века (К. Биркеланд, К. Штермер ) после обнаружения довольно большой задержки между сильными вспышками на Солнце и магнитными бурями на Земле. Действительно, электромагнитное излучение Солнца приходит к Земле через 8 мин., имеющие околорелятивистские скорости энергичные частицы - через десятки минут, и только потоки частиц, переносящие основную часть возмущения от Солнца со скоростью около 1000 км/с, способны дать наблюдаемую задержку в 2-3 суток.

В 30-е гг. прошлого века С. Чепменом, М. Ферраро, Дж. Бартельсом было выдвинуто очень важное утверждение, что поток солнечной плазмы из-за своей высокой проводимости не может преодолеть противодавление магнитного поля Земли и обтекает его, образуя своеобразную полость (позднее названную магнитосферой), в которой солнечная плазма отсутствует, а магнитное поле с подсолнечной стороны сильно сжато (Рис. 1). Фактически здесь уже сформировано фундаментальное представление о том, что граница магнитосферы, называемая магнитопаузой, выполняет роль щита, защищающего Землю с ее ионосферой и атмосферой от прямого воздействия солнечной плазмы.

Однако в те времена предполагалось (чаще всего, неявно), что эти потоки солнечной плазмы (т.н. корпускулярное излучение) возникают достаточно редко - лишь тогда, когда происходят сильные возмущения на Солнце. Только в 50-е гг. по наблюдаемому изгибанию хвостов комет (Л. Бирман и Х. Альфвен) и из теоретических соображений о расширении горячей солнечной короны (Паркер, 1958 г.) было сделано предположение о постоянном существовании солнечного ветра. Затем солнечный ветер был обнаружен при проведении кратковременных прямых экспериментов на первых советских лунных зондах "Луна-2,3"
(К. Грингауз, 1959 г.) и при первых систематических измерениях на американском аппарате Маринер-2 при полете к Венере (М. Нейгебауэр, 1962 г.).

Многочисленные детальные исследования на космических аппаратах, уходящих за границу магнитосферы Земли, показали, что сверхзвуковой поток плазмы - солнечный ветер - существует всегда, но его параметры меняются в широких пределах в зависимости от условий истекания плазмы и последующего разгона в солнечной короне.

Эти параметры на орбите Земли таковы: - скорость ветра от 300 до 1000 км/с (при среднем значении около 450 км/с), - концентрация частиц от 1 до 100 см-3 (в среднем около 10 см-3), - температура ионов от 30 до 300 тыс. К (среднее значение около 70 тыс. К), температура электронов, обычно, в 2-3 раза выше температуры ионов.
Солнечный ветер несет с собой довольно слабое (по сравнению с энергией направленного движения плазмы) "вмороженное" магнитное поле Солнца, имеющее напряженность 1-30 нТ (в среднем 5 нТ).

Главной ионной компонентой солнечного ветра являются протоны (ионы водорода); имеются также ионы гелия (около 4%) и очень немного (десятые и сотые доли процента) более тяжелых ионов (кислород, кремний, сера, железо).
В течение нескольких десятилетий господствовало представление, что солнечные вспышки являются основным источником геоэффективных возмущений солнечного ветра, дающих заметное воздействие на земные процессы - магнитные бури, нарушения радиосвязи, интенсивные полярные сияния. Однако в 90-е гг. стало ясно, что основным источником таких возмущений являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца, так называемые корональные выбросы массы (КВМ). Таким образом, мы снова возвращаемся к модели С. Чепмена - выбросу сгустков плазмы при возмущениях на Солнце - но уже на фоне постоянно присутствующего солнечного ветра.

При своем движении от Солнца КВМ часто принимают форму замкнутых образований со своеобразным поведением плазмы и магнитного поля - магнитных облаков (МО), приводящих к сильным (иногда экстремальным) возмущениям на Земле. Таким образом, выстраивается причинно-следственная цепочка - корональные выбросы массы образуют магнитные облака, которые приводят к возмущениям магнитосферы Земли.

PS:
Рис.1. Картина взаимодействия магнитного поля Земли с потоком плазмы, истекающим из Солнца, в соответствии с ранней работой С.Чепмена, Дж.Бартельса (1940 г.):
а) - сжатие дипольного поля Земли набегающим сверхпроводящим плоским слоем солнечной плазмы;
б) - обтекание магнитного поля Земли потоком плазмы с образованием свободной от плазмы полости - магнитосферы.

Корональные выбросы массы
Схематично корональный выброс массы выглядит как оторвавшаяся от Солнца замкнутая петля магнитного поля, несущая в себе сгусток коронального вещества (Рис. 2). Это представление получено на основе фотографий лимба Солнца с помощью коронографов на космических аппаратах. Примером таких экспериментов могут служить серии наблюдений, проводимых на международной космической солнечной обсерватории SOHO (ESA). Последовательность этих снимков (Рис. 3) показывает постепенный (за 2-3 часа) уход от Солнца огромной замкнутой светящейся петли размером порядка радиуса Солнца, т.е. около миллиона км, уносящей значительную энергию и массу.

Полученные с помощью подобных наблюдений в последние десятилетия данные о свойствах КВМ дают следующие усредненные их характеристики:

• масса выброшенной в межпланетную среду плазмы около 10 миллиардов тонн, что сравнимо с массой астероида (например, Эроса);
• энергия выброса составляет около 1031 эрг, что сравнимо с суммарной энергией сотни тайфунов, случающихся на Земле;
• скорость движения выброса вблизи Солнца равна, в среднем, около 400 км/с (иногда до 1000 км/с); при этом перед выбросом, летящим со сверхзвуковой скоростью, образуется ударная волна, отделенная от самого выброса слоем сжатой и нагретой плазмы;
• корональный выброс часто отличается от обычного солнечного ветра повышенным до 10-15% содержанием ионов гелия.

Существенен вопрос о частоте появления корональных выбросов массы. Сравнение усредненной за год частоты КВМ, определенной по данным как наземных, так и космических коронографов, со среднегодовым числом солнечных пятен в двух предыдущих циклах солнечной активности (Рис. 4) показывает, что частота наблюдения КВМ изменяется в пределах от 0,5 до 2,5 раз в день в зависимости от близости к максимуму цикла солнечной активности.

PS:
Рис.2. Схема вылета из Солнца коронального выброса массы, окруженного петлей замкнутых силовых линий магнитного поля Солнца. Толстой линией показана ударная волна перед фронтом выброса
Рис.3. Серия последовательных фотографий короны Солнца с помощью коронографа на космическом аппарате SOHO. Хорошо прослеживается образование и движение от Солнца огромного петлеобразного светящегося выброса. Свечение поверхности самого Солнца перекрыто в приборе специальным "затменным" диском.
Рис.4. Сопоставление усредненной частоты появления корональных выбросов массы (а) со среднегодовым числом солнечных пятен (б) за 18 лет прямых наблюдений (1,5 цикла солнечной активности).

Движение КВМ к Земле
Наиболее действенным методом слежения за движением коронального выброса массы от Солнца к Земле и определения его скорости является наблюдение радиоизлучения, возникающего в межпланетной среде и имеющего частоту от нескольких десятков до нескольких сот кГц. Эта частота значительно ниже частоты пропускания сигналов ионосферной плазмой (несколько МГц), поэтому такие наблюдения можно проводить только на космических аппаратах, находящихся достаточно далеко от Земли (например, на американском спутнике RAE и советских спутниках Прогноз-1,2,5,8,10, запущенных в 70-80-е гг., и на американском аппарате WIND, запущенном в 1994 г.).

Энергичные электроны, возникающие вблизи ударной волны, движущейся перед КВМ, возбуждают электрические колебания межпланетной плазмы на ее собственной частоте (Рис.5). Эти колебания называются плазменными ленгмюровскими колебаниями, частота которых пропорциональна корню из плотности частиц плазмы.

За счет нелинейного взаимодействия плазменные колебания, в свою очередь, генерируют электромагнитные волны на плазменной частоте или на ее второй гармонике. Данные волны свободно распространяются во все стороны и улавливаются широкополосным приемником, установленным на борту космического аппарата, на частоте, определяемой плотностью частиц плазмы в том месте, где они возникли. Имея модель распределения плотности плазмы в межпланетной среде можно для каждой зарегистрированной частоты радиоизлучения указать предположительное место ее рождения.
Когда фронт КВМ находится не очень далеко от Солнца, где плотность порядка 10 тыс. частиц/см3, регистрируется излучение на частоте около 1 МГц, когда фронт пройдет примерно половину пути от Солнца к Земле - на частоте около 100 кГц. При приближении фронта КВМ к Земле, где плотность межпланетной плазмы около 10 частиц/см3, фиксируется радиоизлучение на частоте около 40 кГц.

PS:
Рис.5. Схема изменения частоты радиоизлучения при движении магнитного облака к Земле в соответствии с уменьшением плотности плазмы в межпланетной среде: а - вблизи Солнца на расстоянии около 0,1 а.е.; б - на расстоянии 0,5 а.е. от Солнца; в - вблизи орбиты Земли.

Магнитные облака
При рождении КВМ вблизи поверхности Солнца плазма оказывается заключенной внутри петлевой структуры скрученного солнечного магнитного поля. Затем эта петля вытягивается в межпланетное пространство и, если условия способствуют сохранению упорядоченности, образуется жгут магнитных силовых линий, обвивающих сгусток плазмы, - магнитное облако. Если космический аппарат пересекает эту структуру (точнее, структура проносится мимо космического аппарата), то регистрируется своеобразная последовательность изменений параметров плазмы и направления магнитного поля. Такие структуры наблюдались неоднократно на дальних космических аппаратах (например, на ISEE-3 в 70-х годах или на аппарате WIND в недавнее время).

Рассмотрим структуру МО на примере измерений на американском космическом аппарате WIND во время бурных космических и земных событий 10-11 января 1997 г. Вечером 6 января произошел сильный выброс корональной массы из атмосферы Солнца, что было зафиксировано коронографом на аппарате SOHO. Этот выброс двигался сравнительно медленно и созданное им магнитное облако пришло к Земле только утром 10 января.

Аппарат WIND в это время находился примерно на линии Земля-Солнце впереди Земли на расстоянии около 640 тыс. км от нее. Временной ход параметров магнитного поля и межпланетной плазмы можно проследить по данным этого спутника (Рис. 6). Передний фронт возмущения - ударная волна - зарегистрирован 10 января в 00.30 UT (здесь и далее используется универсальное время, соответствующее Гринвическому меридиану). Он представляет собой очень быстрое (за время менее, чем 1 мин.) возрастание напряженности магнитного поля, скорости, концентрации и температуры ионов потока плазмы. Такие повышенные значения параметров сохранялись в течение первых четырех часов и свидетельствуют об образовании за ударным фронтом слоя плазмы, сжатой набегающим магнитным облаком.

Само магнитное облако наблюдалось в течение примерно 20 часов после прихода к Земле его переднего края. Оно идентифицируется, прежде всего, по возрастанию напряженности магнитного поля (в 3-5 раз по сравнению с фоновым уровнем), низкому уровню его флуктуаций, резкому повороту магнитного поля в меридиональной плоскости к югу и затем постепенному (в течение почти суток) повороту направления поля с юга на север. Параметры плазмы в облаке характеризовались сравнительно низкими концентрацией и температурой ионов. Таким образом, магнитная энергия в данной структуре была значительно больше тепловой энергии плазмы, поэтому такая структура и называется магнитным облаком.

Оценка размеров этого облака на орбите Земли получена из времени прохождения его мимо космического аппарата (около 20 часов) при скорости плазмы в 450 км/с и составляет около 30 млн. км, т.е. облако расширилось в десятки раз при движении от Солнца к Земле. Как видно, магнитное облако является весьма крупной космической структурой.
Обращает на себя внимание экстремально большой всплеск концентрации плазмы в хвосте облака. Природа его не совсем ясна. Измерения массового состава показали, что этот всплеск, по-видимому, содержит в себе более холодное и плотное вещество солнечного протуберанца, предшествовавшего корональному выбросу массы и захваченного им.
Представленная здесь картина проходящего магнитного облака (за исключением всплеска в конце) является вполне типичной. Другие облака могут отличаться длительностью, величиной параметров и т.д., но качественно они подобны. В частности, за годы почти непрерывных наблюдений на спутнике ИНТЕРБОЛ-1 четко выраженные (и геоэффективные) МО регистрировались вблизи Земли 18 - 19 октября 1995 г., 8 - 11 февраля, 10 - 11 апреля и 3 - 4 августа 1997 г., 1 - 4 мая и 25 - 26 сентября 1998 г.

PS:
Рис.6. Наблюдения магнитного облака в период 9-12 января 1997 г. на космическом аппарате WIND на расстоянии около 600 тыс. км от Земли и на спутнике ИНТЕРБОЛ-1, находившемся в магнитосфере Земли вблизи магнитопаузы.
На отдельных панелях Рис. 6а представлены по данным аппарата WIND (сверху вниз):
- напряженность магнитного поля (B) ;
- угол наклона вектора магнитного поля к плоскости эклиптики (θ);
- плотность частиц плазмы (N); обращает на себя внимание экстремально большой всплеск
плотности утром 11 января, по-видимому, содержащий вещество солнечного протуберанца;
На Рис.6б и Рис.6в показаны потоки плазмы в магнитослое по данным спутника
ИНТЕРБОЛ-1 утром 10 января и утром 11 января 1997 г., соответственно.

Взаимодействие магнитного облака с магнитосферой Земли
Для прикладных целей - обеспечения безопасности космической и наземной деятельности человечества - вопрос о влиянии МО на геофизическую обстановку является важнейшим и занимает одно из центральных мест в программе международных исследований солнечно-земных связей. "Удар" магнитного облака по магнитосфере Земли приводит к очень сильным возмущениям в околоземном космическом пространстве и, особенно, в полярных районах на Земле.
Рассмотрим взаимодействие МО с магнитосферой Земли на примере того же события 10-11 января 1997 г. сопоставляя одновременные показания приборов на аппарате WIND, находившемся в межпланетной среде, и на более близком к Земле спутнике ИНТЕРБОЛ-1 (см. Рис.6). К началу этого события спутник ИНТЕРБОЛ-1 находился довольно глубоко в магнитосфере Земли на ее вечернем фланге, и поэтому его приборы не регистрировали плазму солнечного ветра. Рано утром 10 января скачкообразное возрастание динамического давления солнечного ветра на ударной волне перед магнитным облаком пришло к Земле и вызвало быстрое сжатие ее магнитосферы. При этом, как видно из измерений, ИНТЕРБОЛ-1 пересек магнитопаузу (точнее магнитопауза "пробежала" мимо спутника) и он оказался в магнитослое - слое сжатой и нагретой плазмы солнечного ветра между околоземной ударной волной и магнитопаузой.

В течение последующих четырех часов в соответствии с вариациями давления солнечного ветра спутник ИНТЕРБОЛ-1 еще несколько раз переходил из магнитосферы в магнитослой и обратно. Затем, с началом самого облака, давление плазмы спадает и ИНТЕРБОЛ-1 остается внутри магнитосферы до 11 января.

Похожая картина "ударного" сжатия магнитосферы повторилась и на заднем краю магнитного облака, пришедшем к Земле утром 11 января 1997 г., только в этом случае магнитное поле облака направлено на север, а скачок давления солнечного ветра на порядок превысил значение, наблюдавшееся 10 января. Поэтому и поток ионов в магнитослое по данным спутника ИНТЕРБОЛ-1 в десять раз больше, чем зарегистрированный днем раньше.

Сильное сжатие магнитосферы Земли 10-го и, особенно, 11 января 1997 г. наблюдалось одновременно несколькими спутниками: российский ИНТЕРБОЛ-1, американский LANL-084 и японо-американский - Geotail (Рис.7) . При этом магнитопауза на несколько часов приближалась к Земле на 2-3 Re (радиуса Земли) в подсолнечной области и даже на 5-10 Re на фланге магнитосферы по сравнению с ее обычным положением, тогда как регулярные вариации этого положения не превышают 0.5-1 Re в подсолнечной области и 1-2 Re на фланге.

Воздействие МО на магнитосферу проявилось не только в ее сжатии, но и в развитии сильной магнитной бури, разогреве и ускорении плазмы внутри магнитосферы. Так, например, на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 было зарегистрировано, что во время прихода облака 11 января

1997 г. область над полярной ионосферой ("полярная шапка"), располагающаяся на высотах 5-10 тыс. км и обычно свободная от частиц плазмы, оказалась заполненной потоками электронов с энергией около 100 эВ, превышающими по интенсивности фоновый уровень в 5-10 раз. Картина электрических токов, текущих в полярной ионосфере, при этом кардинально изменилась. Подобные вариации токов наводят значительные индукционные электрические поля на поверхности Земли.

PS:
Рис.6. см. в предыдущем посте
Рис.7. Стандартные и необычные положения магнитопаузы во время сильных возмущений 10-11 января 1997 г.
Обозначены:
1 - среднее (типичное) положение околоземной ударной волны; 2 - среднее (типичное) положение магнитопаузы; 3 - положение магнитопаузы в момент сильного сжатия 10 января по данным спутников ИНТЕРБОЛ-1 (светлые кружки) и Geotail (светлые ромбики); 4 - положение магнитопаузы в момент сильного сжатия 11 января по данным спутников ИНТЕРБОЛ-1 (темные кружки) и LANL-084 (темные квадратики).
Координата X направлена к Солнцу, координата R - в перпендикулярном направлении, Re - радиус Земли.

Прогноз сильных возмущений от Солнца - космическая погода
В последнее десятилетие стало ясно, что не только магнитные бури и полярные сияния, но и многие другие чрезвычайные происшествия, как природные, так и техногенные, имеют в качестве источников динамические процессы на Солнце, воздействующие на Землю через сильные возмущения солнечного ветра. Среди таких катастрофических процессов космического происхождения, особенно сильно проявляющихся в северных районах Земли (Аляска, север Канады, Скандинавия, север России), могут быть:

• нарушения радиосвязи в полярных районах (например, во время уже упоминавшегося события 10-11 января 1997 г. в северной Канаде пришлось почти на сутки отменить полеты пассажирских самолетов из-за неполадок с радиосвязью);
• возникновение вследствие наводимых индукционных полей больших (до нескольких сотен ампер) перегрузок в длинных (особенно вытянутых вдоль параллелей) линиях электропередачи, что приводит к отключению целых систем (например, известная авария в Нью-Йорке 24 марта 1991 г. и одновременные сбои электроснабжения в Финляндии);
• наведение по тем же причинам сильных токов в трубах газо- и нефтепроводов (например, 4 мая 1998 г.), приводящих к выходу из строя их систем управления.

Особенно опасным является воздействие этих возмущений на бортовую электронику околоземных космических аппаратов. Наиболее сильный эффект оказывает медленно накапливающееся, но весьма значительное повышение интенсивности потоков электронов с энергией 1-10 МэВ на высотах 30-40 тыс. км, т.е. именно там, где проходят орбиты геостационарных связных и ретрансляционных спутников. Самой известной катастрофой такого рода стал внезапный выход из строя американского телевизионного ретранслятора TELSTAR-401А через 10 часов после прихода к Земле переднего края магнитного облака 10 января 1997 г.. Целой серией нарушений в работе бортовых систем (в частности, на научном спутнике Polar) или даже выходов из строя (научный спутник Equator-S и коммуникационный спутник Galaxy 4) "ознаменовался" приход к Земле магнитного облака 1 - 4 мая 1998 г.

Весьма важным является вопрос о возможном влиянии динамических воздействий Солнца на биологические объекты, в том числе и на человека. После пионерских работ А.Л. Чижевского, впервые обратившего в 30-е годы внимание на возможное существование статистических связей показателей здоровья человека с деятельностью Солнца, эта тема стала, к сожалению, поводом для многочисленных малообоснованных и даже шарлатанских утверждений как в популярной, так и в специальной печати.

Однако, такая зависимость, скорее опосредованная, чем прямая, заведомо существует, но ее тонкие механизмы не столь очевидны и, вплоть до настоящего времени остаются неразгаданными до конца. Тем не менее определенные успехи в этой области, связывающие более или менее надежно некоторые биологические и медицинские характеристики с активностью Солнца, в последние годы начинают появляться.

Таким образом, можно сделать вывод, что хотя верхняя граница магнитосферы и является естественным щитом, защищающим Землю от динамических воздействий Солнца, но этот щит иногда оказывается в определенной степени проницаемым ("дырявым"). Вряд ли в обозримом будущем человечество сумеет блокировать эти опасные воздействия. Значит нужно научиться их заблаговременно предвидеть.

По аналогии с метеослужбой, которая, как бы мы не шутили по ее поводу, с достаточно хорошей вероятностью предсказывает метеопогоду на Земле, необходимо создать службу космической погоды. При этом механизм предупреждения сильных возмущений, связанных с корональными выбросами массы и магнитными облаками, должен, очевидно, состоять из двух основных элементов:

• непрерывное внеатмосферное многокомпонентное наблюдение за Солнцем с помощью спутниковых систем, что позволит увидеть динамические явления на Солнце и, в первую очередь, крупные корональные выбросы массы, и выделить те из них, которые могут с определенной вероятностью подойти к Земле через 2-3 суток;
• непрерывный мониторинг параметров межпланетной среды (потока плазмы, магнитного поля и энергичных частиц) на достаточно большом удалении от Земли, например, в точке либрации L1 на расстоянии 1.5 млн. км в сторону Солнца (или еще дальше), который позволит надежно обнаружить сильное возмущение и подать сигнал тревоги за 30-40 мин. (или еще более заблаговременно) до его прихода к границе магнитосферы.

Конечно, помимо практических проблем создания такой космической системы обеспечения как заблаговременного, так и оперативного прогнозов необходимо, прежде всего, подкрепить ее научные основы основательным изучением связи солнечных процессов с геоэффективными возмущениями солнечного ветра и выявить ее основные признаки. Этим в настоящее время и заняты ученые, анализирующие данные наземных наблюдений и многочисленных спутниковых экспериментов, проводимых в последнее десятилетие.

Г.Н. Застенкер и Л.М. Зеленый

©Copyright