Галина Железняк - Загадочные явления природы

Советские геофизики А. Л. Чижевский (1940-е годы) и Э. Р. Мустель (1980-е годы) связывали влияние солнечной активности с земной погодой. К сожалению, их доказательства были не прямыми (космические эксперименты еще не начались), а выводились путем сопоставлений (корреляций) погодных параметров с числами W и другими параметрами солнечной активности. Не все полученные корреляции оказались достоверными, многие исследователи сомневались в полученных результатах. Главный недостаток работ заключался в том, что оставался неизвестным материальный переносчик солнечного влияния на процессы в тропосфере, где формируется земная погода. Все кажущиеся факторы влияния (солнечный ультрафиолет, рентген, корпускулярные потоки) поглощаются в стратосфере (выше 25 км), не доходя до «уровня погоды» (ниже 12 км). Сейчас эти факторы и механизм передачи установлены, о чем будет сказано ниже.

На первый взгляд, числа Вольфа не подтверждают солнечного влияния на ураганы, активность которых совершенно не следует 11-летнему циклу. Анализ показал, что число ураганов одинаково во всех фазах цикла — на подъеме и спаде, в максимуме и минимуме. Самые разрушительные ураганы, упомянутые выше, тоже пришлись на все фазы. И все же зависимость ураганов от солнечной активности есть, что можно увидеть, сравнивая временные последовательности ураганов и чисел Вольфа для интервалов 20–30 лет. Лучшая корреляция солнечной активности и числа ураганов наблюдается при сдвиге последовательности ураганов примерно на 20 лет. «Холодные» земные процессы как бы запаздывают относительно «горячих» солнечных.

Как уже говорилось, анализ солнечных вспышек показал их полную непричастность к возникновению ураганов. Число вспышек возрастает в десятки раз от минимума до максимума 11 — летнего цикла, тогда как темп ураганов остается постоянным. Должен быть другой «носитель», который менее связан с солнечными пятнами, 11-летним циклом чисел Вольфа и в то же время обладает достаточной силой, чтобы «перенести» солнечную активность на земные процессы.

Сейчас установлено, что такими переносчиками энергии от Солнца к Земле выступают корональные выбросы, возникающие как пузыри в солнечной короне, напрямую не связанные с фотосферой и темными пятнами, что может объяснить отсутствие 11-летней цикличности ураганов. Это сбросы старых магнитных петель конвективной зоны Солнца под напором нового нарождающегося магнитного поля — процесс, идущий все время и по всем солнечным широтам, от экватора до полюсов. Этот процесс лучше, по сравнению с числом солнечных пятен, более глубоко и всесторонне отражает солнечную активность. То, что корональные выбросы ответственны за изменение темпа ураганов, отчетливо видно по одновременному возрастанию темпа ураганов и их числа в последнее десятилетие (1996–2005) по сравнению с предыдущими циклами. Корональные выбросы стали наблюдать сравнительно недавно, их статистика представлена с 1970-х годов, поэтому нет возможности провести их корреляцию со всеми данными об ураганах.

Корональные массовые выбросы представляют собой гигантские облака намагниченной плазмы (массой до 10 млрд тонн), летящие быстрее 1000 км/с и несущие энергию порядка 10 25джоулей. Они вылетают из Солнца по всем направлениям, большинство из них не представляет опасности для Земли. Но те, которые образуются в центральной части видимого солнечного диска, направлены к нам и через 2–3 суток появляются у Земли. От их прямого воздействия нас оберегает земное магнитное поле, не пускающее заряженные частицы внутрь магнитосферы, заставляющее их обтекать границу (магнитопаузу) и скользить по длинному (сотни земных радиусов) «хвосту» магнитосферы.

Контакт магнитного облака с земной магнитосферой не проходит бесследно — возникает магнитная буря. Магнитная встряска Земли — как раз то промежуточное звено солнечно-земных связей, которое долго не могли найти и которое, как сейчас считают, оказывается одним из главных в причинно-следственной цепочке солнечного влияния на земную погоду.

Потоки электронов, позитронов, протонов, ядер относительно невысоких энергий, захваченные в ловушку магнитного поля Земли, получили название радиационный пояс. Его открыли в 1958 году при полетах первых космических ракет Д. Ван Аллен (США) и А. Е. Чудаков (СССР). Радиационный пояс находится на высоте от нескольких сотен до тысяч километров, имеет сложную тороидальную структуру. Захваченные частицы движутся по спиралям вокруг магнитных силовых линий, сгущаются и совершают долготный дрейф: положительные — на запад, отрицательные — на восток. Интенсивность захваченной радиации велика, проход через нее космических кораблей опасен для космонавтов, вызывает сбои электроники, нарушает радиосвязь.

Исследование частиц радиационного пояса, проводимое по программе ISTP (Международная программа солнечно-земной физики), обнаружило ускорение частиц в «хвосте» магнитосферы во время магнитной бури, вызванной облаком коронального массового выброса. Частицы ускоряются в результате сжатия силовых линий солнечной плазмой, образования токового слоя, где в некоторый критический момент происходит быстрое пересоединение магнитных силовых линий с выделением энергии. Поток ускоренных частиц уже не удерживается, как прежде, магнитным полем. Происходит перескок частиц внутрь магнитосферы, на более низкие, расположенные ближе к экватору оболочки, и, в конце концов, высыпание ускоренного потока в атмосферу по геомагнитному экватору.

Потоки релятивистских электронов высокой энергии HRE (highly relativistic electrons ), появляющиеся с приходом корональных выбросов, были зарегистрированы спутниками SAMPEX и POLAR (NASA). Появление релятивистских электронов в радиационном поясе — естественный механизм повышенного воздействия солнечной активности на атмосферу, которое российские ученые предвидели еще двадцать лет назад. Оказывается, магнитные бури, инициированные корональными массовыми выбросами, вызывают не только полярные сияния и аварии на линиях связи и в электросетях, о чем регулярно сообщают газеты и телевидение, но и нагрев верхних слоев атмосферы, образование вихрей в районе экватора, что грозит еще большими бедствиями.

Места высыпаний вторгающихся в атмосферу потоков частиц «указал» эксперимент со спектрометром AMS (атомный масс-спектрограф) на борту шаттла «Discovery» (1998). Спектрометр со сверхпроводящим магнитом обладал столь высокой разрешающей способностью, что мог точно распознавать частицы (электроны, позитроны, протоны) и прослеживать их траектории до и после прохождения через прибор. В результате было установлено, что поток положительно заряженных частиц (протоны, позитроны) в несколько раз превышает поток электронов. Эксперимент проводился в спокойное от магнитных бурь время. Потоки вторичных частиц не были столь интенсивными, как можно ожидать в магнитную бурю, и не могли вызвать заметного отклика в атмосфере. Они просто указали места, где должны высыпаться частицы радиационного пояса при взаимодействии облаков корональных выбросов с земной магнитосферой.