Вопрос 45. Межпланетное мп. Солнечный ветер. Магнитосфера Земли. Радиационные пояса Земли.

МПЗ существует на больших удалениях от поверхности Земли. Там оно встречается с космическим магнитным полем Солнца и полем солнечного ветра. Деформация магнитных силовых линий связана с тем, что потоки солнечной плазмы несут с собой как бы «вмороженное» магнитное поле, которое и взаимодействует с магнитосферой Земли. На границе космического магнитного поля Солнца и геомагнитного поля напряженность составляет около 0,5 А/м. Область действия геомагнитного поля называется магнитосферой, а ее внешняя граница – магнитопаузой, которая располагается на расстоянии 65- 90 тыс. км. от поверхности Земли.

В магнитосфере находятся так называемые внутренний и внешний радиационные пояса Земли, т.е. области, в которых геомагнитное поле удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. Первый из них имеет наибольшую плотность (в основном протонов) над экватором на высоте около (3-4)10³ км; внешний (электронный) находится на высоте около (22-38)10³ км. В области полюсов Земли электронный пояс подходит к планете на высотах около 100 км. С уменьшением широты он удаляется от Земли на 30 и 35 тыс. км. c дневной и ночной стороны соответственно.

В радиационных поясах частицы движутся по сложным спиралевидным траекториям вдоль магнитных силовых линий. Дойдя до полярных областей, мест сгущения магнитных силовых линий, частицы отражаются и начинают двигаться в обратном направлении. В итоге протоны и электроны оказываются запертыми в магнитных ловушках радиационных поясов довольно большой мощности. Орбиты космических кораблей с космонавтами на борту располагаются ниже этих поясов. Т.О. МПЗ захватывает частицы, испускаемые Солнцем и др. звездами, образуя радиационные пояса, т.е. оно играет роль своего рода «броневой» защиты Земли от солнечных и космических частиц.

Солнечный ветер – это постоянный радиальный поток плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. Солнечный ветер уносит с собой петли силовых линий солнечного магнитного поля, которые образуют межпланетное магнитное поле. Сочетание радиального движения частиц солнечного ветра с вращением Солнца придает этим линиям форму спиралей. Магнитное поле выходит из короны Солнца в космическое пространство в виде волокон или струй и образует секторную структуру. Направление магнитных полей в секторах противоположно (в одном секторе оно направлено к Солнцу, а в другом – от Солнца). При вращении светила за один оборот (27 суток) это приводит к изменению полярности магнитного поля пересекающего Землю четыре раза.

Потоки плазмы, или солнечного ветра, направлены вдоль силовых магнитных линий Солнца и они могут быть выброшены в космическое пространство. Наиболее мощные потоки вырываются из района полюсов светила, т.е. в тех его местах, где не замкнуты его магнитные силовые линии. За счет вращения Солнца потоки плазмы также закручены в виде спирали Архимеда.

Рис.12. Секторальная структура магнитного поля Солнца.

Когда солнечный ветер подходит к орбите Земли, он наталкивается на магнитосферу Земли. Известно, что магнитное поле способно задерживать движение плазмы: оно позволяет такое движение только в продольном направлении, т.е. в направлении вдоль силовых линий, поэтому солнечная плазма останавливается магнитосферой Земли. Столкновение потока частиц солнечного ветра с геомагнитным полем порождает стационарную ударную волну перед земной магнитосферой, фронт которой имеет вид параболоида. Солнечный ветер как бы обтекает магнитосферу, ограничивая её протяженность в пространстве. Т.о., благодаря своему магнитному полю Земля оказывается заэкранированной от солнечного ветра.

Рис.13.Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли: 1- силовые линии магнитного поля Солнца; 2 – ударная волна; 3 – магнитосфера Земли; 4 – граница магнитосферы; 5 – орбита Земли; 6 – траектория частицы солнечного ветра.

Солнечный ветер оказывает давление на магнитосферу Земли со стороны Солнца и тем самым поджимает ее с дневной стороны до определенного расстояния. В обычных спокойных условиях это расстояние от центра Земли составляет примерно около 10 земных радиусов. Когда поток солнечного ветра усиливается (за счет увеличения скорости и плотности плазмы), то его давление на магнитосферу Земли также увеличивается. Поэтому магнитосфера с дневной стороны поджимается в большей степени (до 3-4 радиусов Земли). Ясно, что граница магнитосферы устанавливается на таком расстоянии, где кинетическая энергия солнечного ветра уравновешивается энергией магнитного поля.

При пересечении Землей неоднородных участков магнитных полей и токового слоя (на границе между двумя соседними секторами) происходит их воздействие на Землю (Земля переходит из одного сектора в другой за двое суток). Магнитосфера Земли при этом испытывает некоторую перестройку, которая ощущается в нижней атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере. Именно в такие моменты наблюдаются наиболее значительные изменения метеорологических факторов: турбулентность атмосферы, увеличение числа гроз, изменения давлений в атмосфере и т.д.

Солнечная корпускулярная радиация, выброшенная из Солнца во время солнечных бурь, может проникать внутрь магнитосферы только в тех местах, где силовые линии геомагнитного поля вертикальны. Такие условия реализуются в высоких широтах. Если бы магнитное поле Земли было полем диполя, то это условие идеально реализовывалось бы на геомагнитных полюсах. Но так как реальное магнитное поле Земли отличается от поля диполя (прежде всего в результате действия солнечного ветра) и имеет форму, показанную на рис.14, то в этом случае благоприятные условия для вторжения солнечной корпускулярной радиации имеются в двух точках в высоких широтах на дневной стороне магнитосферы. В этих точках образуются так называемые полярные щели (или каспы), через которые плазма солнечного ветра может непосредственно поступать в верхнюю атмосферу высоких широт.

Рис.14. Меридиональное сечение магнитосферы Земли.

1- солнечный ветер; 2 – фронт ударной волны; 3 – магнитная полость; 4 – магнитопауза (наружная граница магнитосферы); 5- верхняя граница полярной магнитосферной щели; 6 – плазменная мантия; 7 – радиационные пояса; 8 – плазмосфера; 9 – нейтральный слой; 10 – плазменный слой.

Эти дневные полярные каспы находятся на той широте, где днем проходит овал полярных сияний. Потоки заряженных частиц, проходящие через эти каспы, производят ионизацию атмосферного газа и одновременно вызывают там полярные сияния.

С ночной стороны магнитосфера Земли под действием обтекающего солнечного ветра сильно вытягивается, простираясь за орбиту Луны вплоть до расстояний 5,6 млн. км. На ночной стороне путь корпускулярной радиации от Солнца в атмосферу высоких широт более сложный. Они следуют через хвост магнитосферы, причем их энергия существенно увеличивается (происходит циклотронное вращение и ускорение частиц) в результате действия различных физических эффектов в сотни и тысячи раз по сравнению с энергией частиц солнечного ветра (энергия солнечных протонов около 1 кэВ, электронов – несколько эВ). На ночной стороне солнечная корпускулярная радиация вторгается на удалении 20⁰ от геомагнитного полюса (дневная часть овала полярных сияний удалена на 10⁰ от полюса). Здесь также эта радиация производит ионизацию атмосферы, т.е. изменяет свойства ионосферы. Заряженные частицы вторгаются в атмосферу не только в области овала полярных сияний, но и в области полярной шапки (внутри овала), а также на более низких широтах относительно овала. Но свойства этих частиц (их энергия и энергетический спектр) в различных областях различные, и поэтому результаты их взаимодействия с атмосферой также различные: создается ионизация на разных высотах и плотность ее различная.

Часть заряженных частиц способна проникать внутрь магнитосферы и концентрироваться в отдельных ее областях, получивших название радиационных поясов, которые, в свою очередь, подразделяются на внешний электронный и внутренний протонный. Их основная часть располагается над широтами 65⁰. Внешний пояс удален от центра планеты на 25 – 38 тыс. км и заполнен электронами. В области полюсов Земли электронный пояс подходит к планете на высотах около 100 км. С уменьшением широты он отдаляется от Земли. Максимум внутреннего пояса располагается на расстоянии 22 тыс. км от центра Земли. В этом поясе протоны имеют энергию порядка 100 кэВ, но при движении к поверхности Земли энергия их возрастает до десятков МэВ.

Внутри плазмосферы, ближе к поверхности Земли, располагается второй электронный пояс. У полюсов он находится на расстоянии 100 км от поверхности Земли. Однако основная его часть удалена на 11- 17 тыс. км от центра Земли.

Заряженные частицы в радиационных поясах движутся с большими скоростями по спирали вдоль магнитных силовых линий. Дойдя до полярных областей, мест сгущения магнитных силовых линий, частицы отражаются и начинают двигаться в обратном направлении. В итоге протоны и электроны оказываются запертыми в магнитных ловушках радиационных поясов довольно большой мощности. Орбиты космических кораблей с космонавтами на борту располагаются ниже этих поясов.