Солнечный ветер и полярные сияния

Уже давно норвежские геофизики Биркеланд и Штермер пришли к выводу, что Солнце испускает потоки корпускул — электрически заряженных частиц. По их мысли, эти частицы, попадая в земную атмосферу, могли вызывать возмущения магнитного поля Земли и полярные сияния. В периоды повышения солнечной активности учащаются и усиливаются полярные сияния и магнитные бури на Земле. Последние выражаются в колебаниях напряженности поля, в колебаниях магнитной стрелки компаса. В пятидесятых годах немецкий астрофизик Бирман показал, что ряд явлений в кометных формах, в частности, большие ускорения в движении газов в кометных хвостах I типа должны быть результатом взаимодействия плазмы кометного хвоста с солнечными корпускулярными потоками, несущими с собой магнитное поле. Эта теория развивается; она объясняет многие явления, остававшиеся непонятными, когда полагали, что на кометы действует главным образом давление солнечного света. Так как кометы движутся по Солнечной системе постоянно и в разных направлениях, то надо заключить, что корпускулярное излучение Солнца испускается непрерывно и по всем направлениям, заполняя Солнечную систему.

Г.М. Никольский, С.К. Всехсвятский и В.И. Чередниченко отождествили корпускулярные потоки с лучами солнечной короны, рассматривая ее как динамическое образование. Из этого следовал вывод, что солнечная корона непрерывно расширяется.

Чепмен пришел к заключению, что солнечная корона с температурой миллион градусов вследствие большого потока тепла, создаваемого ею, должна простираться до орбиты Земли, где ее температура падает до 200000°. Здесь он оценил плотность короны в 100—1000 атомов водорода в 1 см³, что вытекало и из интерпретации поляризации зодиакального света. Чепмен даже заявил так: «Мы живем в солнечной короне!». Расширяясь, солнечная корона уже на расстоянии 10⁷ км от Солнца должна иметь скорость в несколько сотен километров в секунду. Паркер отождествил расширяющуюся солнечную корону с корпускулярным излучением Солнца и назвал последнее «солнечным ветром».

Появились и экспериментальные данные: начиная с 1959 г. автоматические межпланетные станции стали регистрировать солнечные корпускулярные потоки на разных расстояниях от Земли в межпланетном пространстве. Они установили, что солнечный ветер «дует» постоянно со скоростью около 400 км/с на расстоянии Земли от Солнца и что число частиц в 1 см³ несколько колеблется. Через 1 см² за секунду проходит 10⁸—10⁹ частиц и больше после сильных вспышек на Солнце. Они несут с собой магнитное поле и движутся не по радиусам, а по спиралям. Но солнечный ветер не отличается постоянством. В его потоках наблюдаются и турбулентность газа и деформация магнитного поля. В настоящее время солнечный ветер усиленно изучается всеми доступными средствами, так как он ответствен и за процессы в кометах и за многие геофизические явления в земной магнитосфере и атмосфере¹.

Полярные сияния чаще всего, почти ежедневно, наблюдаются в кольцевых зонах радиусом 23° с центром около магнитных полюсов Земли. Самые мощные и высокие полярные сияния наблюдаются не только в высоких и средних широтах, но даже в тропиках, сопровождая собой наступление магнитных бурь, отмечаемых одновременно по всей Земле. Виды и типы полярных сияний, этого электрического свечения в стратосфере, весьма разнообразны. Хотя все они вызваны проникновением в стратосферу частиц высоких энергий, связанных с активностью Солнца, причины существования разных форм сияний неодинаковы. Высота полярных сияний определяется по параллаксу их деталей. Для этого одновременно фотографируют сияние из двух точек и определяют его положение на фоне неба по отношению к звездам. Чаще всего сияния происходят на высотах 95— 120 км, но иногда и немного ниже; изредка же сияния можно увидеть на высотах до 1000 км. Знание этой высоты и плотности воздуха на разных высотах позволяет определить скорость и энергию корпускул, вторгающихся в стратосферу. До высоты 100 км могут проникать протоны с энергией 100 килоэлектронвольт (кэВ) и электроны с энергией даже в 10 раз меньшей.

В спектрах полярных сияний наблюдаются яркие линии атомарных и полосы молекулярных кислорода и азота, как нейтральных, так и ионизованных. Среди них есть и запрещенные линии, о которых мы говорили в очерке «История двух незнакомцев». Они обусловлены разреженностью стратосферы, которая на высоте 100 км в миллион раз менее плотна, чем воздух на уровне моря.

С различием химического состава воздуха на разных высотах и различием энергии вторгающихся корпускул связано появление преимущественно тех или других спектральных линий. Поэтому-то в полярных сияниях и наблюдается чарующая игра разных красок и их отблесков на белоснежных полях арктических и антарктических просторов. Наблюдается в спектре полярных сияний и красная линия атомарного водорода, производимая вторжением солнечных протонов.

Очень много для понимания природы полярных сияний дали обширные систематические исследования их, проведенные во время Международного геофизического года (МГГ), а также исследования при помощи искусственных спутников Земли и геофизических ракет.

Магнитное поле Земли в общем похоже на поле намагниченного железного шара с силовыми линиями, выходящими из одного магнитного полюса и входящими в другой. В связи с этим дуги полярных сияний вытягиваются вдоль геомагнитных параллелей, а их лучи — вдоль геомагнитных силовых линий.

Сияния в области геомагнитных полюсов, аморфного вида, производятся очень энергичными электронами, приходящими непосредственно от Солнца, но отклоняемыми в своем движении магнитным полем Земли. Сияния в области наибольшей их повторяемости — в области полярных кругов — возбуждаются электронами с энергией 10 кэВ и меньше, которые не могут прийти прямо от Солнца, а приобрели большую скорость, странствуя в магнитном поле Земли, хотя они и не принадлежат к радиационным поясам Земли. Здесь же происходят и сияния, вызванные протонами с энергией в 1½—2 кэВ, т. е. с такой же, какой обладают протоны солнечного ветра. Протоны эти попадают в зону обтекания геомагнитного поля, а оттуда врываются в стратосферу. Сияния в виде красных дуг на высотах около 350 км создаются ближе к земному экватору протонами небольших энергий из состава солнечного ветра. Детали проникновения корпускул солнечного ветра в стратосферу и их «приключения» в пути еще подлежат выяснению.

Солнечный ветер, вызывая магнитные бури и полярные сияния, возмущая земную ионосферу, влияет на радиосвязь на коротких волнах, а быть может, как считал А.Л. Чижевский, оказывает заметное влияние и на живые организмы. Поэтому изучение солнечного ветра и связанных с ним явлений не безразлично для человеческой практики, особенно в связи с запуском человека в Космос.

Поскольку солнечный ветер связан с активными областями на Солнце, существующими длительное время, а скорость вращения Солнца и скорость корпускулярных потоков известны, наступление магнитных бурь и сильных полярных сияний в некоторой степени удается предсказывать заранее.

Примечания

1. О солнечном ветре см. в книге «Астрономия невидимого». — М.: Наука, 1967.