Динамика ионосферы

Какие же еще силы перемещают ионы и электроны в ионосфере? Естественно, раз эти частицы обладают электрическим зарядом, на них должны оказывать влияние электрические и магнитные поля. Ионы и электроны приходят в движение под действием электрического поля, траектория же этого движения определяется полем магнитным. Ионосферу пронизывают силовые линии огромного магнита — нашей планеты. Ну, а откуда берется электрическое поле, откуда появляется электродвижущая сила, электрический потенциал?

Оказывается, в ионосфере имеется мощная электростанция, имеется и сложная система «кабелей», по которым течет электрический ток. Конечно, проводов в обычном понимании этого слова в верхней атмосфере нет. Но ведь что такое электрический ток? Это движение свободных электрических зарядов. Значит, движение ионов и электронов и есть, с физической точки зрения, ток! Мы уже говорили, что в нижней ионосфере сильные ветры увлекают за собой ионы и электроны, создавая тем самым электрические токи.

Мощным «генератором» токов является область Е ионосферы. Этот генератор действует по принципу обычной динамомашины. Что является главным в динамо-машине? Во-первых, постоянный магнит. Такой магнит у нас есть. Как мы уже говорили, это сама наша планета. Во-вторых, ротор, который вращается в магнитном поле. В обмотке ротора, в проводах, заложенных в его пазах, при пересечении ими магнитного поля наводится по индукции электродвижущая сила. Есть у нас и ротор — движущийся в геомагнитном поле ионизированный воздух. А что самое интересное, есть не только генератор, но и мотор — потребитель энергии. Это область F. Она соединена с областью Е «проводами» — магнитными силовыми линиями. Вдоль этих линий заряженным частицам перемещаться легче всего: они не испытывают отклонения от направления своего движения так же, как если бы ток шел по металлическому проводу. И напряжение «атмосферного динамо», передается в область F, а здесь ионизированный газ приходит в движение, начинает работать «ионосферный мотор».

Токи в ионосфере достигают иногда очень большой силы. Днем, когда ионов и электронов в ионосфере становится больше, электрическая проводимость воздуха увеличивается. То же самое происходит при переходе от зимы к лету. Значит, ионосферные токи летним днем сильнее. Например, ток, протекающий в области между экватором и средними широтами (примерно 50°), может достигать 50 тыс. А. В районах же, прилегающих к полюсам, особенно во время бурной деятельности Солнца, ток достигает 500 тыс. А, а то и более! Хорошо известно, что всякий ток имеет свое магнитное поле. Вспомните, как на уроках физики к проводнику с током подносили магнитную стрелку, а она поворачивалась — значит, на нее воздействовало магнитное поле тока. Магнитное поле ионосферных токов накладывается на основное геомагнитное поле, и если бы мы измерили напряженность магнитного поля каким-нибудь прибором, то заметили бы изменение этой величины во времени — так называемые магнитные вариации. Кстати, гипотеза об электрических токах в атмосфере и о наличии электропроводной области в верхней атмосфере появилась в конце прошлого века именно на базе наблюдений геомагнитных вариаций.

Эти вариации были не случайными, а закономерными, регулярными, и зависели от чередования дня и ночи, смены времен года и т. п. Почему так? Вывод мог быть только один — по-видимому, столь же регулярно ведут себя и воздушные течения в ионосфере. И тут вспомнили о таком интересном физическом явлении, как приливы. Лучше всего оно известно морякам и жителям побережий. Очень регулярно, всегда в одно и то же время суток, вода вдруг начинает отступать от берега все дальше и дальше. На многие километры обнажается морское дно. Продолжается это «отступление» 6 ч. Затем начинается прилив и тоже длится 6 ч. Высота приливных волн иногда достигает десятков метров. И так каждые сутки — два прилива, два отлива.

Что является причиной отлива? Уже очень давно установлено, что это притяжение Луны и Солнца. Казалось бы, масса Луны ничтожна по сравнению с огромной массой Солнца. Но зато Луна рядом, а Солнце удалено на 150 млн. км. Поэтому лунные приливы в океане примерно в 2,5 раза сильнее солнечных.

В воздушном океане, так же как и в водном, тоже существуют приливы. И здесь приливные волны регулярно обегают земной шар, порождая приливный ветер. Перемещение газа происходит и по горизонтали, и по вертикали. Скорость приливного ветра в верхней атмосфере намного больше, чем у Земли, так как плотность воздуха с высотой быстро уменьшается. И вот что важно — прилив вызывается не только притяжением Луны и Солнца, но и периодическим нагреванием и охлаждением ионосферного газа при вращении Земли вокруг своей оси. Освещенная Солнцем сторона нагревается, а неосвещенная — охлаждается. Тепловой прилив играет главную роль в ионосфере, он намного сильнее гравитационного лунного. Волна атмосферного давления движется вслед за нашим светилом с востока на запад и обегает весь земной шар за сутки. Естественно, периодическое расширение и сжатие атмосферы не может не вызывать воздушных течений, ветров.

Атмосферные приливы, которые играют такую важную роль в ионосферной плазме,— это только один из нескольких видов атмосферных волн, распространяющихся от нижней атмосферы вверх, в космическую плазму. Такие волны называют внутренними. И распространяются они так, что чем дальше от источника волн, тем больше их амплитуда, тем сильнее раскачивается частица воздуха в поле такой волны. Почему? Ведь обычно чем дальше от источника, тем слабее волна. Вспомните хотя бы, как расходятся круги по воде от брошенного камня! А потому, что плотность воздуха с высотой, как мы уже говорили, падает быстро, энергия же волн — медленно.

Внутренние волны имеют разный период — от нескольких минут до многих суток. Условия распространения короткопериодных волн зависят от гравитации, от поля тяжести. Поэтому их так и называют — внутренние гравитационные волны или сокращенно ВГВ. Периоды их примерно от 5 мин до 2 ч. Следующий класс волн, для которых существенны уже вращение и шарообразность Земли,— это знакомые нам атмосферные приливы. Их периоды — солнечные сутки (24 ч) или лунные сутки, а также гармоники — половина периода (12 ч), четверть (6 ч) и т. д. Внутренние волны с периодами больше суток называют планетарными, так как их масштаб в пространстве сравним с длиной окружности всей планеты. Планетарные волны не только распространяются вверх, но и обегают земной шар вдоль параллели; по существу, это крупномасштабные погодные системы.

Внутренние атмосферные волны — планетарные, приливные, ВГВ — несут из плотных слоев атмосферы в разреженную космическую плазму огромную энергию. И если достигают плазмы и там наконец затухают, то отдают ей эту энергию. Я сказал, если… А что мешает? Да тропосферные и стратосферные ветры. Они эту энергию могут либо отразить, либо вовсе не пропустить, поглотить ее и за счет этого ослабиться или усилиться. Да, да, ветер может стать сильнее или слабее под действием идущих снизу волн. Все зависит от его изначальных скорости и направления — с востока на запад или с запада на восток. Словом, ветровые системы — это фильтр, через который внутренние волны просачиваются, пробиваются в космос, хотя иногда и не доходят до него.

Но если уж дошли, то могут менять весь иониза-ционно-рекомбинационный цикл в области D ионосферы, вызывать здесь дополнительное поглощение радиоволн, приводить к образованию спорадического слоя Е, искажать форму метеорных следов, генерировать ионосферные волны — возмущения и неоднородности в слое F. Почему мы так считаем? Да потому, что все эти явления, наблюдаемые в космической плазме, происходят во многих случаях после ураганов, гроз, шквалов, циклонов и т. п. Существует даже термин такой — «метеорологический контроль ионосферы». Контроль не в смысле проверки, а в смысле управления, воздействия на ионосферу (вспомните хотя бы выражение «контрольный пакет акций»).

Весьма заманчиво было бы провести направленные эксперименты, чтобы посмотреть, как будет вести себя ионосфера после какого-нибудь сильного взрыва, который наверняка должен стать источником механических волн — инфразвука,   ВГВ. Так, в промышленных целях неоднократно производятся мощные взрывы, например на «вскрыше» горных пород. Такие взрывы иногда использовались и в научных целях. При этом сеть наземных станций следила за состоянием атмосферы, ионосферы, геомагнитного поля, а над местом взрыва в соответствующий момент времени проходил спутник с чувствительной аппаратурой на борту. В результате было точно установлено, что внутренние атмосферные волны, рождающиеся у поверхности, достигают слоя космической плазмы, окружающего планету, «встряхивают» его, вызывают характерные изменения в электрических и магнитных полях, в распределении заряженных частиц, порождают в нем различные волны. Если бы удалось создать геофизические «портреты» наземных взрывов различного типа, то это открыло бы возможность, контролируя состояние космической плазмы, решать задачу обнаружения места и времени прохождения таких «возмутителей спокойствия».

Но вернемся к проблемам динамики ионосферы. Приливные ветры в области Е являются источником электрических токов, потенциал передается по силовым линиям в область F2, а уже здесь заряженные частицы попадают под воздействие электрического и магнитного полей, диффузии, нейтрального ветра. Вместе с ионизирующим излучением Солнца эти процессы и создают все «аномалии» в области F2.

Мы еще очень мало знаем о ветрах в ионосфере, об электрических полях. Их очень сложно измерить, особенно электрические поля. А любые расчеты остаются гипотезой до тех пор, пока не представится возможность «потрогать» явления, измерить физические величины. Первые удачные эксперименты по измерению электрического поля в ионосфере были проведены с помощью ракет. На ракету помещали специальный прибор — магнитометр. Данные измерений по радио передавались на Землю. Одновременно система слежения все время выдавала координаты ракеты, сообщала ее высоту. Ученые считали, что если бы токов в ионосфере не было, то магнитное поле Земли убывало бы с высотой постепенно, без скачков. Просмотрев же данные измерений, исследователи обнаружили, что стоило ракете и при подъеме, и при спуске пересечь область 95—105 км, как плавный теоретически вычисленный ход уменьшения поля с высотой начинал резко нарушаться.

Такой «скачок» в профиле магнитного поля неопровержимо свидетельствовал о том, что на высотах 95—105 км действительно текут токи и их магнитное поле добавляется к основному геомагнитному полю. По величине скачка можно рассчитать силу тока и напряженность электрического поля. Конечно, для этого надо знать состояние ионосферы в месте ракетного запуска и концентрацию заряженных частиц.

Очень часто в этой книге мы употребляем слово «эксперимент». Но в солнечно-земной физике термин «эксперимент» нередко заменяется словом «наблюдение». Это объясняется тем, что здесь невозможно изменить ход событий по желанию экспериментатора, но место, время и способ наблюдения все же можно выбирать так, чтобы получить ответ на заданный природе вопрос.

Однако в космической плазме можно проводить и активные эксперименты, создавая искусственные возмущения и наблюдая их развитие, эволюцию, исчезновение и цепочку геофизических явлений, связанных с вмешательством в естественные природные процессы. Воздействовать на космическую плазму можно либо направленным мощным излучением, либо «впрыскиванием» в нее какого-либо вещества. Излучать можно или лазером, или мощным радиопередатчиком, а производить инжекцию — с использованием химически нейтральных веществ (например, воды) или той же плазмы. Лучок плазмы заданного состава можно предварительно на борту ракеты или спутника разогнать до нужной скорости с помощью специального ускорителя частиц.

Токи и поля в ионосфере особенно сильны в полярных районах. На ракетных полигонах в Скандинавии запускают ракеты, которые выбрасывают в ионосферу пары бария, легко ионизируемого щелочного металла. При этом образуются и нейтральное, и ионное облака. Одно из них светится зеленым светом, а другое — голубым. Облака эти начинают перемещаться по-разному. Ведь на нейтральные частицы в основном влияет ветер, а на заряженные — электрическое поле. Движение этих светящихся облаков фотографируется с Земли камерами с цветными фильтрами. По скорости и направлению перемещения облаков, которые тщательно измеряют, рассчитывают ветер, электрические поля и другие интересующие физиков характеристики. Например, эти эксперименты дают информацию о механизмах плазменных неустойчивостей, приводящих к тому, что бариевые облака постепенно распадаются на своеобразные полосы — «страты». Понимание этих механизмов необходимо для разработки теории образования и движения ионосферных неоднородностей.

Химические выбросы в верхнюю атмосферу и ионосферу широко используются для измерения высотного профиля ветра и ионосферной электропроводимости в контролируемых условиях. А выброс пучков ускоренных частиц в ионосферу и изучение связанных с этим эффектов — это просто лакомое блюдо для специалистов по физике плазмы. В такой небесной «лаборатории» можно проверять многие теоретические прогнозы по взаимодействию волн, частиц, полей. Иногда в некоторых задачах, в том числе и прикладных, ионосферу в каком-то месте необходимо на время уничтожить. Что ж, современная техника это позволяет. Достаточно ведра воды (вылитого в космосе), чтобы рекомбинация «съела» заряженные частицы и в ионосфере образовалась огромная «дыра». Конечно, она довольно быстро затянется под действием и ионизирующих излучений, и процессов переноса. Наконец, активные эксперименты дали и продолжают давать ценную информацию о некоторых ожидаемых последствиях ядерных взрывов в космосе. Конечно, все мы надеемся, что у человечества хватит коллективного разума запретить такие испытания, но наука в любом случае просто обязана предвидеть отрицательные последствия.

Итак, мы теперь знаем кое-что об атмосфере, о газовом «покрывале» нашей планеты. И, конечно, читатель давно заметил, что, описывая сложную жизнь самой верхней «сферы», ионосферной плазмы, мы постоянно вынуждены обращаться к Солнцу. Только изучая и наблюдая Солнце, можно понять и предсказать физические явления в верхней атмосфере. С другой стороны, наблюдая и изучая ионосферу, можно много узнать о важнейших физических явлениях, протекающих на Солнце.

Теперь обратимся к нашей собственной звезде, к ближайшему соседу, которому мы обязаны жизнью, — к Солнцу.


Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: