Космическая погода

Доктор физико-математических наук, профессор, директор Института солнечно-земной физики СО РАН, академик РАН Гелий Александрович Жеребцов расскажет о явлениях, происходящих на Солнце и в космосе, их влияние на жизнедеятельность Земли.

Стенограмма 1-й лекции Гелия Александровича Жеребцова, вышедшей в эфир на телеканале "Культура" в рамках проекта "ACADEMIA":

Добрый день, уважаемые мои коллеги будущие. Тему моего выступления вы уже знаете, она посвящена солнечно-земным связям. И мне надо не только рассказать об этом замечательном научном направлении, но и показать практическую значимость этих исследований. Известно, что Солнце – это основной источник энергии. И не только на Земле – во всей Солнечной системе. Солнце представляет из себя плазменный газовый шар, по размерам в сто девять раз больше радиуса… больше Земли. И массой в триста тридцать раз больше Земли. Причем 99,866 массы всей Солнечной системы приходится на Солнце – то есть всего примерно ноль тринадцать процента приходится на все тела, которые находятся в Солнечной системе, включая восемь планет.
Планеты … являются фактически спутниками Солнца. И в момент создания, вот образования Солнечной системы каждый занял соответствующую орбиту, и теперь вот вся Солнечная система так, как она и существовала в момент организации, образования Солнечной системы, существует и по сегодняшний день. Солнце является среди звезд звездой-карликом – оно не представляет какого-то особого интереса для астрономов, поскольку это действительно небольшая звезда, и астрономов, как правило, интересуют звезды гораздо большей мощности, большей яркости. Но для нас она имеет исключительное значение, как я уже сказал, поскольку это основной источник. И кроме того, Солнце ведь – это ближайшая к нам звезда. И поэтому изучение представляет не только интерес практический – просто надо знать, как устроено. Как долго оно светит, как долго еще будет светить.
Но и постараться понять те фундаментальные основы, те фундаментальные … получить фундаментальные знания о Солнце с тем, чтобы потом можно было перенести эти знания и те экспериментальные данные, которые получают, на другие звезды. И постараться понять – есть ли общая закономерность, есть ли общее что-то в природе, чем все-таки отличается физика больших звезд от таких звезд, как наша. Солнечный… состав Солнца – это в основном водород. И 70 процентов водорода, чуть больше 20 процентов гелия и остальные элементы занимают все оставшиеся вот проценты. И всего их не более двух процентов. Характерной особенностью Солнца является то, что Солнце не вращается как упругое твердое тело.
Оно вращается и … вернее, имеет дифференциальное вращение. То есть экваториальная зона вращается быстрее – примерно около пятнадцати градусов в сутки. А в высоких широтах, то есть к полюсам – там примерно десять… десять градусов в сутки. То есть идет такое скручивание. Ну вот этот рисунок показывает размеры Земли в сравнении с Солнцем – по-моему, очень наглядно свидетельствует, как…каковы масштабы Солнца и как соотносится это с Землей. Вот … показана схема вот этих спутников – то есть наши планеты вокруг Солнца и их орбиты. И вот теперь я хочу остановиться собственно на внутреннем строении Солнца.
Это очень имеет важное значение, поскольку те процессы, которые потом разыгрываются в межпланетном пространстве и в нашем околоземном космическом пространстве, имеют самое непосредственное отношение к тем процессам, особенно процессам, которые наблюдаются на поверхности Солнца. И имеют тесную генетическую связь, и, соответственно, зная эти процессы, и наблюдая их, понимая их, мы можем говорить с достаточной какой-то оправдываемостью о тех явлениях и процессах, которые будут наблюдаться и могут наблюдаться в межпланетной среде и на Земле. Внутри Солнца находится ядро. И именно там происходит выделение огромной энергии в результате ядерных реакций. И температура там достаточно высокая – самая высокая около пятнадцати миллионов градусов Кельвина.
Вот здесь происходит – здесь очень сильная гравитация, и именно благодаря тому, что проходят ядерные реакции, выделяется огромное количество энергии – эти силы, которые выделяются, эта энергия, которая выделяется – она старается, ну, разорвать эту оболочку или тот объем, где находится. Но, поскольку этому противостоит огромная сила гравитации, то происходит некий баланс. И вот в результате этой термоядерной реакции, которая происходит уже по расчетам четыре с половиной миллиарда лет, каждую секунду… шестьсот миллионов тонн вещества солнечного переходит в лучистую, в тепловую энергию, в световую энергию. Это действительно очень потрясающая картина – если бы ее можно было наблюдать, конечно. Мы представляем все это чисто теоретически, по моделям.
Но зарождаемый свет с большим трудом выходит наружу. Потребуются миллионы лет с тем, чтобы достичь поверхности. Вот зарождающиеся… зарождающиеся фотоны много раз переизлучаются, переходят, попадают вот в лучистую зону – здесь температура несколько пониже. Но и это не все. Дальше – примерно одна треть радиуса Солнца нужно пройти и эту зону, так называемую зону конвекции. Здесь – здесь эта физика совершенно иная. Здесь эта зона напоминает ну типа кипящего такого, кипящего раствора. Где горячие слои поднимаются вверх, холодные опускаются. Но поскольку все-таки достаточно большое расстояние, то нижние слои не сразу могут всплыть на поверхность. Они достигают какого-то уровня, возвращаются, охлаждаются и опускаются вновь к центру.
На дно вот этой конвективной зоны. Но то тепло, которое осталось здесь, оно нагревает следующий ярус, его снова опять в виде ячейки поднимается вверх, и таким образом наконец доходит той, того уровня, того расстояния, что мы называем поверхностью Солнца – или фотосферой. Я буду показывать вам, и у меня есть небольшие анимации, которые демонстрируют эту динамику – сейчас я все-таки хочу пройти дальше. Вот на поверхности Солнца, на фотосфере иногда возникает – это давно было известно, и хорошо было известно и в древнем Китае, когда много тысяч лет люди наблюдали вот темные пятна, которые возникают на Солнце. Когда со временем стали выстраивать и строить графики, то выяснилось, что это не просто некая хаотическая картина, а есть определенная закономерность, люди наблюдали и видели, что эти пятна возникают, исчезают, появляются.
То их много, то мало, и так далее. Вот в этих пятнах … температура намного ниже, чем в окружающей… Вот пятно имеет четыре… примерно четыре тысячи градусов. И ясно, что это в центре, и ясно, что эта температура намного ниже, чем окружающая среда – в чем же дело, почему это так происходит? Оказалось, что в этом месте вместе с поднятием вот, всплытием солнечной массы, солнечного вещества, солнечного газа происходит еще – формируется… как формируется, почему это формируется – это вопрос дискуссионный, много этим занимаются сейчас ученые… Всплывает магнитное поле. И магнитное поле настолько сильное в этом месте – оно практически экранирует, зажимает эту плазму. То есть движение замедляется, и настолько сильно, что тепло в виде света, оно не может излучаться – просто все замедляется, вот эта конвекция, она замедляется.
Поэтому за счет того, что нет отдачи поля, и получается температура в этом месте низкая – из-за сильного магнитного поля. Это пятно некоторое время существует, может появиться еще одно – и рядом. И происходит следующая вещь, что – если рядом будет всплывать такое же пятно, а, как правило, они поднимаются парами – ну, это очень легко представить, поскольку Солнце в целом представляет из себя… я забыл сказать, можно рассматривать как бы в первом приближении как просто магнит. Имеется северный и южный полюс. И, соответственно, - это все наблюдали, в школе – как магнитные силовые линии, это все делали, с помощью опилок в школах видели, как они распределяются. Точно так же можно представить и Солнце, но гораздо сложнее. Здесь не один магнит, здесь еще возникают магнитики.
И вот эти магнитики проявляются тогда, когда возникают вот эти пятна. Может так случиться, что возникшие два пятна провзаимодействуют таким образом, что они просто прорвут – может, это поле уничтожится. Или наоборот, та плазма, которая накопилась внутри этого, этой петли, она может прорваться, и тогда происходит – происходит вспышка. Это грандиозное явление. Известно, что вот рядовая – ну даже, может быть, более-менее такая средняя или хорошая вспышка – по выбросу энергии, по высвобождаемой энергии, равносильна буквально миллиарду ядерных, термоядерных бомб. Вы можете представить себе, какая это освобождается энергия. Вот здесь как раз на рисунке показано … пятно. Вот эта темная область – это там, где… низкая температура.
И для сравнения показаны здесь вот Земля – и видно, что это явления, конечно, совершенно грандиозные. Вот фотосфера без… без каких-либо пятен, то есть вся поверхность Солнца, когда Солнце спокойно, когда нет этих вспышек и этих пятен – вся-вся поверхность Солнца выглядит вот таким образом. Это… это флоккулы, которые всплывают и сверху… вот эта каждая площадочка – это вот то, та конвективная ячейка, о которой я говорил – так вот отражается здесь на поверхности. Температура здесь достаточно высокая. И вот эти темные пятна – это как раз свидетельствуют о том, что этот газ уже охладился, уходит вниз. Как я уже сказал, по мере развития, по мере… передачи энергии на поверхность, происходит несколько ярусов. Вот эти ячейки конвективные, которые находятся к центру, они гораздо больше.
Они составляют там тысячи километров, размеры. А вот эта ячейка в среднем, вот эта – флоккула – имеет размер средний где-то около семисот километров. Вот так выглядело бы Солнце – и оно вот достаточно долго было, в течение последних двух лет было таким, когда наш… Мы сейчас, наше светило переживало период спокойного Солнца. Вот так оно выглядит при наблюдении вне таких динамических мощных процессов, таких как вспышки и другие явления. А вот здесь показаны – вот то, что мы называем вспышкой, когда видно – две, две вспышки прошли, вот рядом. Здесь происходит замыкание, пересоединение магнитных силовых линий в виде вот этих арок. Вот эти арки сейчас здесь – если наблюдать сверху, то мы видели бы здесь темное пятно.
Темная линия, а внутри этой арки это высокотемпературная уже горячая плазма, которая вот сохраняется, но при определенных условиях происходит разрыв, и эта плазма выбрасывается Солнцем, и уходит. Дальше за фотосферой находится хромосфера – и это довольно тонкий слой, примерно там около тридцати тысяч, и после этого вот эта плазма устремляется в межпланетное пространство. Здесь интересная фундаментальная вещь, которая до сих пор представляет и вызывает большой интерес у физиков. Дело в том, что совершенно понятно – если энергия получила какое-то значение и выбрасывается дальше, она по мере удаления… расходуется энергия на определенные расстояния, различные столкновения – энергия частиц должна падать. Но этого не происходит в короне. Наоборот, с удалением от поверхности Солнца температура растет, растет довольно значительно.
И лишь примерно с полутора миллионов километров эта температура начинает падать. Вот один из фундаментальных вопросов физики Солнца, который действительно вызывает большой интерес – это понять механизм: за счет чего плазма начинает здесь вот, солнечное вещество начинает нагреваться? Здесь много есть гипотез, вот этот я рисуночек останавливаю, здесь еще показываю. Сегодня поддерживается такая одна из теорий, что вот в момент пересоединения магнитных силовых линий плазма находится внутри этой арки. В результате многочисленных таких перезаключений, пересоединений газ увеличивает свою температуру. То есть вот механизм нагрева заключается именно в этом. В этих процессах. Но насколько это будет дальше нам подтверждаться или отвергаться – это покажут эксперименты, но пока по крайней мере одна из теорий эта существует.
Ну вот, теперь, значит – вырвавшись из солнечных объятий, из недр эта плазма устремляется в межпланетное пространство. Понятно, что чем сильнее энергия, тем больше будет ускорение, тем быстрее эти частицы будут двигаться – на самом деле так и происходит. И поскольку Солнце – это все-таки шар, то, естественно, это… этот газ, он распространяется во все стороны. То есть даже если Солнце спокойно, происходит постоянное истечение солнечного вещества. И вот это истечение солнечного вещества во все космическое пространство и называют солнечным ветром. Но солнечный ветер – совершенно понятно, что, поскольку эти процессы очень динамичные, и во время солнечных вспышек, когда масса приобретает… масса плазмы приобретает большое ускорение, с огромным количеством энергии устремляется вот в пространство…
Ясно, что возникают уже, наряду с тем, что где-то медленное, плавное истечение солнечного вещества, рядом здесь может произойти выброс – существует, образно говоря, такой порыв солнечного ветра, когда вещество с гораздо большим… гораздо большей плотностью, большей энергией устремляется вместе с тем же медленным солнечным ветром, устремляется во все это пространство. Теперь понятно, что нам нужно теперь понять – а, собственно, что дальше происходит с тем веществом, солнечным ветром, который устремляется во все стороны, в межпланетное пространство. Вот на этом слайде показаны некоторые экспериментальные данные, полученные на спутниках. Вот мы видим… в этой анимации – конечно, здесь все это ускоренно, все это очень быстро, на самом деле процесс медленнее идет. Но вот выбросы вещества, выбросы вот этих вспышек, или корональные выбросы еще называются, выбросы солнечного вещества очень хорошо видны и прослеживаются.
Это уже не какие-то модели, это вполне … конкретные экспериментальные результаты, полученные где-то за последние там десять –двенадцать лет. Солнечное вещество – да, вот… это Солнце, наше Солнце – оно, как я уже сказал, динамическое явление. То меньше, то больше этих явлений. И это было уже известно давно, что количество солнечных пятен, количество солнечных вспышек меняется от года к году. Бывает время, когда их совсем нет. Насчитывается – или совсем нет, или это единицы солнечных пятен. А к максимуму солнечной активности через один… через пять лет на нем количество солнечных пятен достигает ста пятидесяти, и даже больше. Как последний цикл показал, что их даже было больше.
Вот на этом рисунке показаны изменения Солнца – это снято фильтром в водороде… в рентгене, прошу прощения. Видно, что вот там, где темное, совсем почти ничего нет, Солнце спокойное, и это действительно такое спокойное явление – и что мы видим вот через некоторое количество лет, какое яркое, очень динамичное, очень мощное явление. На этом графике приведены вот за все время наблюдений, начиная с 1745 года, представлен график изменения солнечной деятельности до последнего… до последнего нашего года. Видно очень хорошо, что существуют так называемые одиннадцатилетние циклы – вот самый большой пичок… пичок. И минимум-максимум. Видно, что эти распределения тоже неравномерные, да? Бывает, что вот максимум, он имеет небольшое количество пятен.
Но бывает так, что … есть периоды, когда эти… то есть большое количество пятен, и совершенно ясно, что циклы солнечной активности – вот каждый пичок – они неодинаковые. Видно очень хорошо, что вот период 1795 год, 1825-й – видно, что да, были небольшие, были периоды подъемов, падений, но это были очень незначительные. Зато очень хорошо прослеживается другое – вот это очень важное заключение. Начиная с 1900 года, посмотрите, как все эти одиннадцатилетние циклы нарастают. То есть вот последнее тысячелетие все время происходило нарастание солнечной активности. То есть сохранялась одиннадцатилетняя цикличность, но при этом амплитуда этих… этой активности очень высока. За исключением вот такого периода, как 1995 и 1975 год – вот здесь вот был провал, а дальше все пошло, но фактически картина сохранялась и сохраняется подобная.
Вот что это значит? Это значит то, что наряду с 11-летней цикличностью Солнце имеет и другие периоды – столетние, двухсотлетние, и так далее. Потом, ведь можно легко понять, что может наступить суперпозиция этих … этих циклов и может в результате… рождается как бы новый цикл, который ранее неизвестен… Я думаю, что вот мы сейчас, когда располагают исследователи хорошей инструментальной базой и уже достаточно длинные ряды наблюдений, вот все свидетельствует о том, что это даст новый материал для того, чтобы понять все-таки саму суть физики Солнца – почему это так происходит, в результате чего происходит, возникает тот или иной цикл? Почему имеется одиннадцатилетний, почему столетний период? Хотя, конечно, различные теории существуют, одни объясняют, что это одиннадцатилетний цикл, но который модулируется вот тем вращением дифференциальным, вращением в результате магнитного поля и солнечного вещества – происходит, организуется тот или иной цикл. Но это все, как говорится, теория, и все это требует дальнейших изучений.
Наряду с солнечным веществом, которое испускает Солнце в пространство, выносится и магнитное поле. Магнитное поле есть, бывает, вот как я сказал, вот маленький как магнитик, и он имеет небольшое значение, но оно существует. Но кроме того, в целом говорят о Солнце – крупномасштабное поле, в целом магнитное поле. И оно тоже определяется. И вот в минимум солнечной активности, когда нет вспышечных явлений, когда нет выбросов корональной массы, выброса вещества – действительно, магнитное поле Солнца представляет собой, будем говорить упрощенно, дипольное… дипольное распределение. Вот на рисунке слева и показано. Вот если бы не было вспышек, если бы не было тех динамических мощных процессов, о которых я говорил, поле бы вот так бы всегда и выглядело.
Но с развитием, с подъемом солнечной активности активность… происходят выбросы. А выбросы – это связано, как я сказал, что связано это с выносом вещества и магнитных полей – то вот поле это сильно меняется, и представляет из себя уже довольно сложную картину. Вот на правом рисунке и представлена – вот такая схема. На самом деле, все это, конечно, реально гораздо сложнее и, несмотря на многочисленные… Огромное количество спутников было организовано – эксперименты, на которых показывают распределение магнитного поля. Вот все-таки вывод получен основной – что да, действительно, поле сложное. Но в каждом конкретном случае – надо сказать, что каждая вспышка, каждое явление на Солнце, оно всегда свое, оно неповторимо. Но хотя общие черты, общий характер, общие закономерности, конечно, уже достаточно исследованы.
Теперь вот взглянем на магнитное поле, как бы вот сейчас если будем смотреть на всю Солнечную систему сверху, как бы вот с полюса, вот в центре Солнца… В результате того, что Солнце вращается, вот это магнитное поле будет закручиваться в спираль Архимеда. Ну, вот здесь стрелками показано, потому что ясно, что поле будет иметь южную и северную направленность. То есть в одном случае это будет поле направлено от Солнца, в другом случае, когда оно замыкаться будет, оно будет иметь направление к Солнцу. Вот здесь показана еще структура этого магнитного поля. Направления. Но сейчас я не об этом хочу – и не об этом прошу обратить внимание. Главное – понять, что вот поле, оно не… то есть, если наблюдаешь ты с Солнца, то это не значит, что вот магнитное поле распространяется по прямой – нет. Оно вот так вот идет, по такой вот кривой. По спирали.
К чему это приводит? В результате того, что магнитные силовые линии замкнуты, и вот это замыкание ее не совпадает в плоскости эклиптики, в результате возникает очень сложная конфигурация магнитного поля. Оно не просто спираль. Оно еще собирается вот в виде юбки балерины вот такой. Очень красивое. Но, конечно, это совершенно не видно, и никогда мы не сможем наблюдать, это все показа… это все расчеты. И те выполнены на основе экспериментальных данных, полученных на спутниках. Но это совершенно ясно, что… Конечно, картинка идеализирована, на самом деле оно может быть очень сложным. Но тем не менее, для того, чтобы понять и судить о тех процессах, которые происходят в межпланетной среде, нам нужно иметь некую модель. Вот эту модель мы имеем, вот здесь показаны внутри орбиты Меркурия, Венеры, Земли, Марса, и так далее.
И видно, что если бы наблюдатель был, скажем, на Земле, смотрит, то он бы видел магнитное поле, то у него направление было бы, скажем, с севера на юг. И наоборот – через некоторое время он видел бы, поскольку Земля пересекает вот эту структуру, он видел бы обратное направление. Такая структура – вот структура достаточно устойчивая. Она может быть неточно выполнена, может быть, она не совсем точной конфигурации. Но тем не менее, вот… вот такая секторная структура… Секторная структура межпланетного поля достаточно устойчива, и может сохраняться в течение нескольких оборотов Солнца. Это, опять, же зависит, насколько она устойчивая, от тех процессов, которые проходят на Солнце.
Если эти процессы носят такой спокойный характер, наблюдаются, происходят вспышки, но нет какой-то мощной, которая все это бы сразу возмутила, то вот такая структура достаточно долго может наблюдаться. А если так, то тогда наблюдателем… Ну, в общем-то, если нет других явлений, то тогда можно прогнозировать, что через 27 дней, когда совершается полный оборот Солнца вокруг своей оси, мы снова встретимся с теми потоками, с тем магнитным полем, которое существовало и раньше.
Так вот. Теперь мы рассмотрим, что же творится с той плазмой, или с тем облаком солнечного вещества, которое было выброшено от Солнца, и оно ушло в межпланетное пространство. Ясно, что это не будет прямолинейное распространение. Ясно, что эти заряженные частицы будут двигаться вдоль магнитных силовых линий. И в зависимости от того, где произошла вспышка на Солнце, на каком участке, на каком солнечном меридиане, мы можем говорить, встретится этот магнит… вот плазменное облако, солнечное вещество с Землей, или пройдет раньше, или позднее будет пересекать орбиту Земли. Вот на этой схеме показано… показан компьютерный рисунок – вот выброс солнечной плазмы, идет очень мощный поток. Вот там маленькая синенькая точка – это Земля.
Вот такая плазма надвигается на Землю. А схема – вот справа показана схема. Вот солнечное вещество, которое приближается к Земле. Что дальше будет происходить? Плазма имеет свое магнитное поле, она замагничена. И это достаточно плотное вещество. Земля имеет свое магнитное поле. И если бы не было никакого внешнего воздействия, магнитное поле выглядело бы так, как это было в наших учебниках, когда я еще учился в школе – то это просто диполь. Вот выходит одна силовая линия, замыкается на другом полюсе – дальше… дальше непонятно, уходят дальше, всегда было показано, что эти линии где-то замыкаются, где – мы не знаем. Такого явления не происходит, и с той стороны, с солнечной стороны магнитное поле сильно поджимается – в результате вот этого давления солнечного ветра. Поэтому говорить о том, что как далеко простирается магнитное поле солнечной стороны… на солнечную сторону – очень можно говорить условно.
Ну, примерно десять радиусов Земли. Вообще когда говорят о размерах в околоземном космическом пространстве, там, в магнитосфере… в околоземном космическом пространстве, межпланетном космическом пространстве – всегда надо говорить примерно, поскольку все-таки это динамическая картина, быстро все меняется, и непонятно, в какой момент это будет произведено. Но тем не менее, совершенно ясно, что вот эта картина наблюдается, происходит сжатие. Если усиливается порыв – он еще сильнее будет. Ослабевает – магнитное поле будет дальше простираться к Солнцу. А вот в ночную сторону магнитного поля Земли солнечный солнечный ветер обтекает, и если он сильный, если он достаточно обладает мощной энергией и большие потоки, они начинают это поле сжимать. И это магнитное поле вытягивается, за… на ночной стороне Земли, и уходит на миллионы километров.
Это очень важное было открытие сделано, сразу же в первые запуски спутников Земли. Был открыт солнечный ветер, было открыто вот … деформация магнитного поля, или реальная конфигурация его. Были открыты вот эти зоны, где магнитная силовая линия одна замыкается, как бы получается вот эта воронка, так называемые каспы, полярные каспы. Из которой, конечно, вещество проникает прямо сюда, непосредственно. Но что было сделано дальше, какой был сделан важный вывод? Вот на этой схеме показано формирование. Вот солнечный ветер. Набегает на магнитное поле Земли. Возникает так называемая ударная волна. Возникает магнитопауза – то есть там, где вот есть… есть вещество, и дальше наступает… есть магнитное поле, а есть такая узкая полоска, которая называется магнитопауза, где нет ни вещества солнечного, где нет магнитного поля.
Ну а дальше происходят самые интересные явления. Что это не просто магнитное поле, которое вот вытянуто на ночной стороне, но там происходят интереснейшие формирования. Это не простые физические явления, достаточно сложные, но которые являются чрезвычайно важным… Вот эта структура является чрезвычайно важным механизмом формирования или организации многих процессов внутри магнитного поля Земли. Вот эта капсула магнитного поля, которой внутри находится атмосфера, Земля – вот это все получило название "магнитосфера Земли". И фактически получается, что магнитосфера Земли вместе с Землей и со всем содержимым является неотъемлемой частью планеты Земля. То есть не надо думать, что планета Земля – это твердая часть, атмосфера – где мы живем, океаны, горы – нет. Планета простирается далеко.
Я сказал, что в солнечном направлении это примерно десять земных радиусов – радиус Земли примерно 6400 километров, вы это знаете. Ну а на…. А хвост вытягивается на миллионы километров. Таким образом, если бы мы с вами могли наблюдать нашу Землю – если бы было видно это магнитное поле, если бы мы ее увидели и наблюдали бы где-то со стороны, мы увидели бы, что фактически это вот некая капсула. Капсула, которая вот существует в этом магнитном поле Земли… магнитном поле Солнца. И тоже это было известно давно, что вот что-то есть, что-то воздействует, что между Солнцем и Землей существует нечто такое, которое вот… что-то, есть агент, который влияет. Наблюдая кометы, люди обратили внимание, что за кометой есть – хвост тянется. И ясно было, что он может образоваться – это испаряемое вещество с поверхностей каких-то тел, которые образуют вот этот хвост. Если бы это было просто – это был бы просто шар.
А раз какой-то агент, и понятно было, что он направлен от Солнца в другую сторону, - понятно стало, что вот существует некий агент. Вот этот агент является солнечный ветер. Вот сейчас мы посмотрим, как это все… здесь есть у меня небольшая анимация, которая показывает… Вот произошел выброс на Солнце, распространяется плазма солнечного вещества. И приближается к Земле. Вот – вот наша Земля. Вот так бы было поле – если бы не было вот этого солнечного ветра. Вот теперь набегает солнечный ветер. В этот касп устремляются частицы. И они вызовут в высоких широтах полярное сияние. Дальше начинается формирование хвоста – вот он обтекает и вытягивает магнитные силовые линии. Ну вот, фактически, и происходит… происходит, так формируется магнитосфера Земли.
А вот теперь реально – вот это очень интересное. Это уже не модельные расчеты, это конкретные измерения магнитного поля Земли, выполнены на спутниках, а потом применены в эту картинку, и вот видно. Вот эти все флуктуации – вот видите, как дышит наша магнитосфера Земли во время солнечного ветра – происходит какая-то вспышка, вот. Это все, вот эти изменения здесь приведены за три часа. Вот в таких условиях находится наша Земля, в таких условиях мы с вами живем. И, конечно, невольно всегда возникает образ – да вот, стало еще видно, что в это время в полярных широтах… Видите, вот здесь вот справа – возникает полярное сияние. Частицы, которые попали в магнитосферу Земли, они в момент сжатия магнитного хвоста устремляются к Земле вдоль магнитных силовых линий. Встречаются – причем это не по всему хвосту, а только в определенной доле хвоста, так называемый плазменный слой – они устремляются к Земле, достигают высот примерно девяносто – сто километров. Ионизуют эту атмосферу и мы наблюдаем такое просто исключительно интересное явление, как полярное сияние. Которое, конечно же, бывает иногда неподвижное, а иногда оно просто дышит, это, конечно, завораживающее явление. Но это не только красиво. Это, с точки зрения физиков, уникальное явление. Ну а, кроме того, оно ведь и вызывает массу неприятностей, о которых мы будем говорить еще с вами.
Одновременно вот с формированием… с формированием магнитного хвоста – вот на этой анимации покажем. Тоже не реальные измерения, это модель. Вот поток. Вот начинает формироваться магнитосфера, вытягиваются хвосты. Но фактически это я вам уже рассказал. И вот сияние, которое мы наблюдаем. По-моему, все это достаточно убедительно и наглядно.
Одновременно происходят интересные явления, как формирование радиационных поясов. Вот частицы, которые попадают в хвост, они не просто как-то хаотично распределяются – они занимают определенные области. Возникают так называемые внутренний и внешний радиационный пояс. Это разного сорта частицы. Высокоэнергичные частицы – десятки… мега… это большие энергии, там мегавольты, они заселяют нижнюю, внутреннюю часть… радиационный пояс. И… чуть… мягче частицы, меньших энергий занимают во внешней оболочке так называемый внешний радиационный пояс. Это открытие является исключительно важным событием вообще в исследовании околоземного пространства. Дело в том, что эти частицы – заряженные частицы, находящиеся в радиационных поясах, и представляют опасность… Как для … живых организмов, в том числе, значит, и экипажей – когда пилоты… совершаются пилотируемые космические полеты. Но эти частицы оказывают губительное влияние и на все рукотворные изделия, которые человек делает, запускает на спутники. И, к сожалению, случается так, что эти… аппаратура на этих спутниках гибнет. Но об этом я буду говорить, о практических, о практической значимости всех этих явлений во второй части своей лекции. А сейчас я просто хочу подчеркнуть, что вот начиная где-то от семисот километров до тысячи семисот километров – это находится радиационный пояс. А начиная где-то там от двадцати тысяч до сорока тысяч, от пятнадцати тысяч до сорока тысяч – это находится внешний радиационный пояс.
Вот эти открытия, они послужили важным таким этапом в освоении космического пространства. Поскольку ясно, что… планировать запуски и выбирать орбиты, высоты, конечно же, необходимо с учетом расположения вот этих радиационных поясов. Вот на этом рисунке как раз и показаны в разрезе здесь вот эти внешний и внутренний радиационный пояс. Таким образом, вот здесь на… если смотреть на нашу планету вместе с магнитосферой Земли в меридиональном разрезе, то есть как бы мы смотрим на Землю и разрезали ее – видна вся тяжелая, я бы сказал, для понимания, для уяснения структура – но которая сегодня все-таки уже достаточно хорошо изучена. Понятно, что все эти элементы не могут жить самостоятельно, они друг от друга зависят – и сложным образом взаимодействуют.
Надо сказать, что, хотя вот природа, образование вот этих частей магнитосферы достаточно хорошо изучены, и в принципе понятны все механизмы взаимодействия – тем не менее, я должен сказать, что сегодня убедительной хорошей модели магнитного возмущения, или как называют еще, магнитосферной бури, или суббуря, то есть возмущение магнитного поля – пока нет. Несмотря на огромные работы, большие работы, которые проводятся различными научными школами в разных странах, сегодня такой хорошей модели пока не существует. Парадокс, но каждая суббуря, каждое магнитное возмущение в магнитосфере Земли проходят всегда по различному сценарию. Да, общие черты есть. И общий сценарий, как бы, он известен. И все эти фазы известны. Но тем не менее, бури совершенно непохожи.
Это связано, наверное, с такими условиями – в каких … что предшествовало тому или иному возмущению, какие были для этого условия. Была ли уже ионосфера и магнитосфера возмущены, или это были спокойные периоды, и так далее. Во всяком случае, вот … убедительной, хорошей, достоверной модели нет. Фактически вот то, что я сейчас вам рассказываю о магнитосфере Земли, и вот то, что я сейчас вам рисую, что представлено на этом рисунке – это есть не что иное, как околоземный космос. Или околоземное космическое пространство. Оно включает в себя всю… все, что находится внутри магнитной полости – это магнитосфера, ее делят еще – внешняя магнитосфера, внутренняя. Потом, есть такое… такая область плазмосферы. То есть это область, которая фактически имеет форму шара, и которая вращается вместе, она как бы привязана и вращается вместе с Землей.
Остальные, значит, имеют различную скорость вращения, внешняя часть. Имеются радиационные пояса, которые вот тоже вращаются вместе с Землей. Есть зоны, так называемые каспы, через которые устремляются непосредственно солнечные частицы. Есть плазменный слой, по которому, как по транспортерной ленте, захваченные частицы из хвоста двигаются к Земле, так называемая авроральная зона, или зона полярных сияний. Которая проектируется на Землю в виде такого овала или круга, в центре которого находится полюс. Вот все это известно. И … достаточно хорошо известно. Но вопрос взаимодействия вот этих различных областей между собой – он остается открытым, и еще потребуется достаточно много усилий с тем, чтобы окончательно с этим разобраться. А разобраться – это значит, мы … если разобрался – ты можешь прогнозировать. То есть ты можешь сказать – к сожалению, эти прогнозы не всегда бывают хорошие.
Вот дальше … ближе к Земле находится наиболее интересная часть нашей планеты – это ионосфера. Начиная где-то от шестидесяти километров, и до семисот и выше – это находится ионосфера, которая тоже имеет разные свои области, и разные характеристики. Но она представляется для нас особо большой интерес, поскольку в ней играет особо большое значение для нашей практической деятельности. Фактически наши сейчас исследования, наши космонавты работают в околоземном космическом пространстве, и было бы с точки зрения… ну, наверное, науки, было бы правильно бы говорить, что сегодня запущен космический аппарат в магнитосферу. Или в ионосферу, или в верхнюю атмосферу. Но всегда говорят – сегодня в космос запущен там, и так далее. Вот космос – как вы понимаете, он есть вот межпланетное пространство, это тоже космос. Но это называют дальний космос. А вот когда говорят об околоземном космическом пространстве, то прежде всего имеют в виду, что это вот… наша планета.
Что же, какие факторы являются определяющими, и что, какие агенты отвечают за те явления, которые происходят в магнитосфере, в ионосфере, и даже в атмосфере Земли? Это коротковолновое солнечное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Это излучение возникает в тот момент, когда вообще… околосолнечное пространство наполнено солнечным веществом. Но тогда, когда происходит выброс, когда появляются частицы гораздо больших энергий, они начинают взаимодействовать с частицами – просто обдирают эти частицы. И возникает в этот момент огромное количество различных излучений. Фактически все излучения, которые существуют, все в этот момент они и возникают. Вот это излучение тоже распространяется во все стороны, доходит и до Земли. И вот эти излучения – коротковолновое солнечное, рентгеновское излучение – они приходят на Землю за определенное время там, за…видимые и радиоволны за восемь минут, другие частицы, в зависимости от массы, приходят с запозданием – до трех суток…
Кроме того, возникают так называемые солнечные космические лучи – это космические лучи… больших энергий. И конечно же, большую роль на Землю, как вы сами видели, играет собственно магнитное поле Земли. Магнитное поле… то есть… магнитное поле Солнца, которое взаимодействует с магнитным полем Земли. И в результате происходит, вот происходит такое слияние магнитных полей. Фактически как некий работает клапан, который то открывает, то закрывает возможность пересоединения магнитных силовых линий – в этот момент присоединения солнечное вещество, которое находится, оно уносится в хвост, захватывается там магнитными силовыми линиями, попадает в хвост, и уже оттуда дрейфует, и попадает уже сюда вот, ближе к Земле. И кроме того, конечно же, очень важно иметь в виду, что фактически все околоземное пространство заполнено галактическими и космическими лучами. Это частицы очень высоких энергий.
И … ясно, что в момент, когда Солнце спокойное, когда межпланетное магнитное поле ослаблено, галактические космические лучи меньше встречают препятствий и легко попадают в магнитосферу Земли. И это тоже оказывается не совсем безразлично не только для нашей среды, но и для живых организмов. И в момент высокой солнечной активности магнитное поле Солнца достаточно мощное, достаточно сильное. И оно препятствует проникновению галактических космических лучей, и как бы экранирует и потоки регистрируемых галактических космических лучей на Земле. Вот на этом рисунке показаны – как вот эти все факторы космической солнечной деятельности воздействуют, за какое время, за какое расстояние они преодолевают вот эти… вот это расстояние от Солнца до Земли.
Вот космические лучи – всего десять-тридцать минут запаздывания. Если мы наблюдаем видимый свет, как и радиоволны – за восемь минут. Коротковолновое, рентгеновское излучение – также за восемь минут. А вот частицы, которые вызывают полярные сияния, - понятно, что им же нужно вот какое расстояние пройти – то это за несколько десятков часов.
Таким образом, совершенно ясно, что наша Земля подвержена непрерывным атакам агентов солнечного происхождения, которые обязаны своим появлением солнечной деятельности. И понятно, что и раньше люди замечали, что вот эта солнечная деятельность производит … в различные периоды различные влияния. Связывали это и со здоровьем, с климатом на Земле, с погодой. Это было не без оснований. Но вот, к сожалению, механизмов – и сейчас этим вопросом мы много занимаемся, и большие есть достижения. Но к сожалению вот, главная проблема заключается в исследовании солнечных связей – это все-таки разработка механизмов. Надо не просто сравнить и получить какое-то хорошее или плохое совпадение. Очень важно понять, как это происходит. И если мы понимаем, как это происходит, тогда мы можем с заблаговременностью, с большой заблаговременностью сказать, что нас ожидает, что будет происходить, и так далее.
Как бы если бы произошла вспышка – будет ли полярное сияние? Произошла вспышка – нарушится ли радиосвязь? И почему она нарушается. Но об этом мы все поговорим, вот о практической значимости этих явлений мы поговорим с вами на следующей встрече. Спасибо вам.
ВОПРОС. Влияют как-нибудь … магнитное поле Солнца, ну, изменение магнитного поля Солнца, изменение полюсов на скорость, на дифференциальное распределение скоростей вращения?
Г.А. ЖЕРЕБЦОВ Да, это хороший вопрос. Я не думаю, что здесь нужно рассматривать просто магнитное поле. Я думаю, что в целом нужно – магнитное поле вместе с солнечным ветром. Тут вот такие есть эффекты. Я совсем недавно узнал – вот последнее крупнейшее землетрясение, в Гаити, да – оно даже вызвало замедление скорости вращения. То есть на замедление или на … скажем, на равномерность вращения Земли оказывают не только те процессы, которые связаны – конечно, когда ударяет такой солнечный ветер, наверное, какие-то как-то процессы связаны, и были такие работы. Но опять же, надо понять – а как это происходит. Вот сказать точно, что это влияет – ну, наверное, сегодня трудно. Хотя вообще отвергать это я бы тоже не стал.
ВОПРОС. Вот такой вопрос: а вот это дифференциальное вращение Солнца – оно со временем уменьшается? То есть экваториальные области - они разгоняют полярные? Или это вот такая стационарная картина, которая не меняется уже долгое время и никак не изменится в будущем?
Г.А. ЖЕРЕБЦОВ Вы знаете, ведь этот вопрос, он… по крайней мере, это модели. А модели… ну, всякие модели – это ведь, что заложишь, то и получишь. Вот по крайней мере сейчас очень важно было установить… связь дифференциального вращения… то есть это дифференциальное вращение вещества и с магнитным полем, понять, что это. Получены очень интересные результаты, которые привели к тому, что, по-видимому, вот столетний цикл солнечной активности связан как раз из этого явления. Вот если бы не было… тогда можно сказать по-другому: если бы не было дифференциального вращения, то вряд ли бы был столетний цикл. Но сказать, как он.. меняется, вот это дифференциальное вращение – сейчас, наверное, очень мало еще наблюдали, и мало… мало просто времени. На самом деле, если уж так говорить откровенно, то для такого явления, как Солнце, эти явления, которые мы наблюдаем, тот период, который связан с инструментальным наблюдением, на спутниках, за атмосферой – конечно, он очень короткий. Процессы-то гораздо более масштабные и медленные, чем мы наблюдаем. Вот достаточно, скажем, одиннадцатилетний цикл сейчас уже хорошо вроде бы мы знаем.
Но, забегая вперед, скажу, что - хотя уже одиннадцатилетний период был достаточно хорошо изучен, тем не менее, вот этот солнечный цикл, текущий, который начался – никто не мог предсказать. Ни одна научная школа, ни наша, ни зарубежная – не могли предсказать. И вот затянувшийся минимум, который продолжался почти два года – его никто не предсказывал. Все считали, что пройдет где-то там небольшой промежуток времени, полгода, и снова начнется активность. А активность сейчас только-только стала возрастать. То есть, оказывается, и этот… эта вариация, эти вариации – мы плохо себе представляем. А уж говорить там о том, как будет развиваться дифференциальное вращение – по крайней мере, пока мне представляется сейчас трудным.
ВОПРОС Вот по поводу сегментного строения межпланетного магнитного поля. Вот когда Солнце спокойное, там у нас в северном полушарии, как я понимаю, линии входят, и из южного выходят.
Г.А. ЖЕРЕБЦОВ Да.
ВОПРОС То есть если смотреть на это сверху, то, в принципе, сегментного строения со спокойным Солнцем быть не должно. А почему-то оно есть. Почему?
Г. А. ЖЕРЕБЦОВ Нельзя говорить, что… Ну, наверное, так его на самом деле и нет, если есть, то ну… Потому что вообще мы же идеализируем, я повторяю, магнитное Солнце… магнитное поле Солнца как диполь. На самом деле – это на самом деле такого нет, все равно там существуют какие-то сектора. Потому что это – эту схему я привожу только, чтобы понять и вот проследить путь от простого к сложному, показать, что, конечно же, во время даже небольшого возмущения все равно же будет магнитное поле. Потом, там само происхождение магнитного поля Солнца – мы ведь не знаем, почему оно существует. И как оно генерируется, как оно возникает. Одни говорят, что это момент взрыва, вот межзвездного облака – вот оно сохранилось, и каким-то образом сохранилось. Другие говорят, что это магнитное поле возникает вот в тот момент, когда возникают конвективные ячейки – но конвективные ячейки ведь существуют всегда, правда? Они же всегда существуют – значит, вынос какой-то будет. Если существует какая-то неоднородность – почему … может и быть северное полушарие, может быть и южное, оно несимметрично. Поэтому там есть… просто эта секторная структура, она более проста, скажем так.
А вот когда возмущенная – ну, тут, конечно, очень сложная картина в межпланетной среде.