Солнечно-земные связи

Рис. 1. Картина корпускулярного излучения в окрестности Земли (интегральный энергетический спектр протонов): 1 - спокойный солнечный ветер; 2 - возмущенный солнечный ветер; 3 и 4 - частицы полярных сияний; 5-7 - солнечные космические лучи; 8 - галактические космические лучи; 9 - геомагнитная широта, на которую могут проникать извне протоны с энергией выше заданной; 10 - шкала высот, на которые могут проникать сверху протоны с энергией выше заданной; 11 - условная граница между плазмой и протонами, движущимися в геомагнитном поле по штермеровским орбитам. Левая шкала - поток протонов I [см-1с-1]; нижняя шкала - кинетическая энергия протонов в эВ.

Представления о С.-з.с. складывались постепенно, на основе отдельных догадок и открытий. Так, в конце 19 в. В.О. Биркелан (Биркеланд; Норвегия) вперые высказал предположение, что Солнце кроме волнового излучения испускает также и частицы. В 1915 г. А.Л. Чижевский обратил внимание на циклич. связь между развитием нек-рых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Синхронность многих гелио- и геофизич. явлений (а также форма кометных хвостов) наводила на мысль, что в межпланетном пространстве имеется агент, передающий солнечные возмущения Земле. Этим агентом оказался солнечный ветер, существование к-рого экспериментально было доказано в начале 1960-х гг. путем прямых измерений с помощью АМС. Открытие солнечного ветра вместе с накопленными о др. проявлениях солнечной активности послужило основой для исследования физики С.-з.с.

Последовательность событий в системе Солнце-Земля можно проследить, наблюдая цепочку явлений, сопровождающих мощную вспышку на Солнце - высшее проявление солнечной активности. Последствия вспышки (рис. 2) начинают сказываться в околоземном пространстве почти одновременно с событиями на Солнце (время распространения эл.-магн. волн от Солнца до Земли чуть больше 8 мин). В частности, УФ- и рентг. излучение вызывают дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приводит к ухудшению (или даже полному прекращению) радиосвязи (эффект Деллинджера) на освещенной стороне Земли.

Рис. 2. Схематическое изображение эффектов, наблюдаемых на Земле после мощной вспышки: 1 - видимое излучение вспышки; 2 - радиоизлучение высокой частоты; 3 - радиоизлучение низкой частоты; 4 - солнечные космические лучи; 5 - вариации галактических космических лучей (эффект Форбуша); 6 - поглощение космических радиошумов в полярных областях Земли; 7 - вариации геомегнитного поля (магнитная буря). По вертикальной оси отложена условная амплитуда эффектов, по горизонтальной - время в часах после начала солнечной вспышки.

Обычно мощная вспышка сопровождается испусканием большого количества ускоренных частиц - солнечных космических лучей (СКЛ). Самые энергичные из них (с энергией E_K > 10⁸-10⁹ эВ) начинают приходить к Земле спустя > 10 мин после максимума вспышки в линии . Повышенный поток СКЛ с E_K < 10⁸ эВ у Земли может наблюдаться неск. десятков часов. Вторжение СКЛ в ионосферу полярных широт вызывают дополнит. ионизацию и соответственно ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Имеются данные о том, что СКЛ в значит. мере способствуют опустошению озонового слоя Земли (озоносферы). Усиленные потоки СКЛ представляют собой также один из главных источников радиац. опасности для экипажей и оборудования космич. кораблей.

Вспышка генерирует мощную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Двигаясь со скоростью свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5-2 сут достигают Земли и вызывают магн. бурю, понижение интенсивности галактич. космич. лучей (см. Вариации космических лучей), усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и т.д. (см. Верхняя атмосфера, Магнитосферы планет). Имеются статистич. данные о том, что через 2-4 сут после магн. бури происходит заметная перестройка барич. поля тропосферы. Это приводит к увеличению нестабильности атмосферы, нарушению характера циркуляции воздуха (развитию циклонов и др. метеоявлений). Мировые магн. бури представляют собой крайнюю степень возмущенности магнитосферы в целом. Более слабые (но более частые) возмущения, называемые суббурями, развиваются в магнитосфере полярных областей. Еще более слабые возмущения возникают вблизи границы магнитосферы с солнечным ветром. Причиной возмущений последних двух типов явл. флуклуации мощности солнечного ветра. При этом в магнитосфере генерируется широкий спектр эл.-магн. волн с частотами 0,001-10,0 Гц, к-рые свободно доходят до аоверхности Земли. Во время магн. бурь интенсивность этого низкочастотного излучения возрастает в 10-100 раз. Большую роль в геомагнитных возмущениях играет межпланетное магн. поле (ММП), особенно его южный компонент, перпендикулярный плоскости эклиптики. Со сменой знака радиального компонента ММП связаны асимметрии потоков СКЛ, вторгающихся в полярные области, изменения направления конвекции магнитосферной плазмы и ряд др. явлений.

Статистически установлена связь между уровнем солнечной и геомагнитной возмущенности и ходом ряда процессов в биосфере Земли (динамикой популяций животных, эпидемий, эпизоотий, количеством сердечно-сосудистых кризов и др.). Наиболее вероятной причиной такой связи являются низкочастотные колебания эл.-магн. поля Земли. Это подтверждается лабораторными экспериментами по изучению действия эл.-магн. полей естественой напряженности и частоты на млекопитающих.

Рис. 3. Схема солнечно-земных связей.

Хотя не все звенья цепочки С.-з.с. (рис. 3) одинаково изучены, в общих чертах картина С.-з.с. представляется качественно ясной. Количеств. исследование этой сложной проблемы с плохо известными (или вообще неизвестными) начальными и граничными условиями затруднено из-за незнания конкретных физ. механизмов, обеспечивающих передачу энергии между отдельными звеньями.

Наряду с поисками физ. механизмов ведутся исследования информац. аспекта С.-з.с. Связи проявляются двояко, в зависимости от того, плавно или скачкообразно происходит перераспределение энергии солнечных возмущений внутри магнитосферы. В первом случае С.-з.с. проявляются в форме ритмич. колебаний геофизич. параметров (11-летних, 27-дневных и др.). Скачкообразные изменения связывают с т.н. триггерным механизмом, к-рыйприменим к процессам или системам, находящимся в неустойчивом состоянии, близком к критическому. В этом случае небольшое изменение критич. параметра (давления, силы тока, концентрации частиц и т.п.) приводит к качественному изменению хода данного явления или вызывает новое явление. Для примера можно указать на явление образования внетропических циклонов при геомагнитных возмущениях. Энергия геомегнитного возмущения преобразуется в энергию ИК-излучения. Последнее создает небольшой дополнительный разогрев тропосферы, в результате которого и развивается ее вертикальная неустойчивость. При этом энергия развитой неустойчивости может не два порядка превышать энергию первоначального возмущения.

Новым методом исследования С.-з.с. явл. активные эксперименты в магнитосфере и ионосфере по моделированию эффектов, вызываемых солнечной активностью. Для лиагностики состояния магнитосферы и ионосферы используются пучки электронов, облака натрия или бария (выпускаемые с борта ракеты). Для непосредств. воздействия на ионосферу используются радиоволны коротковолнового диапазона. Главное преимущество активных экспериментов - возможность контролировать нек-рые начальные условия (параметры пучка электронов, мощность и частоту радиоволн и т.п.). Это позволяет более уверенно судить о физ. процессах на заданной высоте, а вместе с наблюдениями на других высотах - о механизме магнитосферно-ионосферного взаимодействия, об условиях генерации низкочастотных излучений, о механизме С.-з.с. в целом. Активные эксперименты имеют также и прикладное значение. Доказана возможность искусственный радиац. пояс Земли и вызвать полярные сияния, изменять св-ва ионосферы и генерировать низкочастотные излучения над заданным районом.

Изучение С-з.с. явл. не только фундаментальной научной проблемой, но и имеет большое прогностическое значение. Прогнозы состояния магнитосферы и других оболочек Земли крайне необходимы для решения практических задач в области космонавтики, радиосвязи, транспорта, метеорологии и климатологии, сельского хозяйства, биологии и медицины.

Лит.:
Чижевский А.Л., Земное эхо солнечных бурь, 2 изд., М., 1976; Витинский Ю.И., Оль А.И., Сазонов Б.И., Солнце и атмосфера Земли, Л., 1976; Гордиец Б.Ф., Марков М.Н., Шелепин Л.А., Солнечная активность и Земля, М., 1980; Мирошниченко Л.И., Солнечная активность и Земля, М., 1981; Владимирский Б.М., Кисловодский Л.Д., Солнечная активность и биосфера, М., 1982; Витинский Ю.И., Солнечная активность, 2 изд., М., 1983.

(Л.И. Мирошниченко)