Электрическое поле

«Высыпание» энергичных частиц в полярную ионосферу не происходит бесследно. Небосвод озаряют «холодные зори» полярных сияний, ионосфера, получая дополнительную энергию, разогревается. Меняется температурный режим, а следовательно, образуется система ветров. Ветры? Значит, будет меняться состав ионосферы, волна возмущения покатится из зон сияний в умеренные широты. Изменится состояние ионосферы — изменятся и условия распространения радиоволн. Короче говоря, приводится в движение целая цепочка геофизических явлений.

А с чего все началось? Со встречи потока солнечной плазмы с геомагнитным полем. Или еще раньше — с солнечной активности.

Солнечная энергия, которая передается через межпланетную среду и связана с «пульсирующими» потоками частиц солнечного ветра, прорывающихся в земную магнитосферу, и вариациями интенсивности и знака межпланетного магнитного поля, большей частью попадает в высокие широты, в авроральные зоны. Эта энергия достигает даже ионосферы. При прямом вторжении электронов и протонов в атмосферу во время полярных сияний и солнечных вспышек образуется тепло.

Электрические токи, текущие в ионосфере, тоже вызывают ее нагрев (вспомните, нак нагревается спираль в электроплитке при прохождении по ней электрического тока). Наконец, быстро движущиеся тяжелые ионы постоянно сталкиваются с нейтральными частицами и передают им свою энергию — дополнительный механический импульс.

Во время геомагнитных возмущений высыпающиеся частицы и электрические токи переносят настолько большое количество энергии в высокоширотную область, что в результате полностью меняется глобальная картина ветров в термосфере, или система общей циркуляции. На ночной стороне устанавливаются сильные ветры, направленные к экватору. В полярной ионосфере генерируются атмосферные волны, которые тоже несут энергию к экватору.

Электрические поля существуют на всех высотах в атмосфере и тоже дают существенный вклад в энергетический бюджет термосферы. Особенно велико количество этой энергии в области магнитосферной полярной щели (или каспа), где сильные электрические поля существуют постоянно.

Электрические поля с больших высот могут просачиваться даже на уровни стратосферы и вызывать перераспределение глобального атмосферного элекричес-кого потенциала. С другой стороны, атмосферные электрические поля, связанные с грозами, влияют на поля и токи в ионосфере. Это просачивание электрических полей вниз и вверх — один из механизмов взаимодействия процессов в верхней и нижней атмосфере.

Надо понять, что магнитосфера как часть космической плазмы, конечно, составляет с ионосферой единую систему. Концентрация электронов выше максимума области F сначала довольно быстро убывает, но по мере того, как начинают преобладать легкие ионы (протоны и в небольшом количестве ионы гелия), этот процесс постепенно замедляется. В среднем в низких и средних широтах уже на высоте 1000 км электронов в 100 раз меньше, чем в главном максимуме ионизации, а на высоте одного радиуса Земли — в 1000 раз меньше. Точно установить, где кончается внешняя ионосфера и начинается магнитосфера, невозможно. Вдоль магнитных силовых линий электроны перекачиваются из одного полушария в другое, из магнитосферы — в ионосферу и обратно.

Во время полярных сияний могучие потоки энергичных электронов и ионов из магнитосферы вторгаются в полярную ионосферу и вызывают значительную ионизацию, правда, неоднородную, клочковатую. Суточное вращение Земли вместе с геомагнитным полем увлекает за собой и магнитосферную плазму вплоть до высот 15—30 тыс. км. А если посмотреть выше, то можно заметить, что эта плазма уже перестает участвовать во вращении Земли, она «отрывается» и движется от хвоста магнитосферы к дневной стороне.

Такое движение поперек геомагнитного поля по аналогии с движением неравномерно нагретой жидкости или газа назвали магнитосферной конвекцией. Магнито-сферная конвекция обусловлена тем, что в магнитосфере, обтекаемой солнечным ветром, возникает крупномасштабное электрическое поле.

Электрическое поле магнитосферы передается в полярную ионосферу, в область F по крайней мере, и здесь тоже вызывает конвекцию плазмы, почти горизонтальный перенос ионов поперек магнитного поля. В обычных условиях плазма в полярной шапке проносится от дневного полярного каспа до ночной части овала полярных сияний примерно за час. За столь короткое время заряженные частицы не успеют исчезнуть в процессах рекомбинации, и получается, что над полностью неосвещенной полярной шапкой глубокой зимней полярной ночью тянется «язык» повышенной концентрации ионов и электронов. Именно это обстоятельство позволяет поддерживать коротковолновую радиосвязь с полярными станциями даже в условиях длинной полярной ночи, когда обычные источники образования ионосферы «выключены».

Итак, плазма в магнитосфере утекает от хвоста к лобовой поверхности — магнитопаузе. В результате концентрация частиц в этой области становится в десятки раз меньше, чем во внутренней зоне, которая вращается вместе с Землей и ее атмосферой. В эту внутреннюю зону магнитосферное электрическое поле почти не проникает, и плазма там может накапливаться в течение многих суток. Область резкого спада концентрации плазмы в магнитосфере называют плазмопаузой.

Плазмопауза ограничивает внутреннюю область магнитосферы, заполненную сравнительно плотной плазмой— более 100 см 3. Легкие ионы вдоль силовых линий «испаряются» из полярной ионосферы, и этот восходящий поток легких ионов (водород и гелий) часто называют полярным ветром.

В возмущенных условиях и более тяжелые ионы кислорода, азота, оксида азота поднимаются в магнитосферу и уносятся в ее шлейф. Эксперименты подтвердили, что ионосферные «пажи» — ионы, несущие шлейф «принцессы» — магнитосферы, обнаруживаются даже в районе орбиты Луны. Значит, действительно, плазма ионосферы и плазма магнитосферы обмениваются частицами и, по существу, неразделимы.

Это особенно хорошо видно для полярной ионосферы. Представим себе цепочку приборов, расположенных вдоль меридиана и одновременно измеряющих электронную концентрацию в области F ионосферы. Проследив, как меняется электронная концентрация от средних широт к полюсу, мы могли бы увидеть, что полярная ионосфера отделена от среднеширотной ионосферы своего рода «провалом», «канавой», то есть областью малых значений электронной концентрации. Провал имеет форму не замкнутого с утренней стороны кольца вокруг полюса и существует почти круглые сутки, его нет только начиная с утренних часов и до полудня. Все его свойства — глубина, ширина, протяженность по долготе, движение к полюсу или экватору — тесно связаны с процессами в магнитосфере, с положением плазмопаузы, с высыпанием частиц, с электрическими полями и токами.

Теоретические представления и расчеты о самом факте существования магнитосферы, о ее границах и поведении, о захваченных магнитным полем частицах и их траекториях — все это, разумеется, требует экспериментальной проверки. Под словом «эксперимент» физики часто подразумевают эксперимент в лаборатории.

Уильям Гильберт свои опыты по магнетизму проводил с маленьким шаром, выточенным из магнетита. Он ласково назвал этот шарик «террелла» (от латинского Земля). Позднее замечательный экспериментатор, норвежский физик Кристиан Биркеланд снова обратился к игрушечной Земле — террелле, но уже в виде сферического электромагнита. Модель помещалась в большую вакуумную камеру и облучалась потоком электронов. Чтобы можно было видеть, где электроны попадают на поверхность терреллы, ее поверхность покрыли специальным фосфоресцирующим веществом, способным светиться под действием заряженных частиц. Биркеланд наблюдал и свечение в виде спиралей вокруг магнитных полюсов, и огибание терреллы электронами несколько раз перед тем, как они «выпадали» на ее поверхность, и даже перемещение частиц от полюса к полюсу.

Опыты Биркеланда, которые потом повторялись многими учеными с использованием более совершенной техники, стимулировали теоретические расчеты траекторий отдельных электрически заряженных частиц, внедряющихся в магнитное поле Земли. Соотечественник Биркеланда Карл Штермер многие годы потратил на вычисление этих орбит. Среди них были весьма сложные, в том числе и круговые, лежащие в плоскости магнитного экватора. Именно этот кольцевой ток, текущий с запада на восток, стал считаться основной причиной возникновения магнитной бури в навсегда вошедшей в историю науки теории магнитных бурь и полярных сияний Биркеланда — Штермера. Пусть потом эта теория умерла, не выдержав натиска новых фактов и физических соображений, идеи, лежащие в ее основе, были правильными. А когда советские и американские ученые открыли пояса радиации, окружающие Землю внутри магнитосферы, то оказалось, что частицы высоких энергий, частицы солнечных космических лучей, движутся именно по штермеровским траекториям, рассчитанным «на кончике пера» полвека тому назад.

Современная теория магнитных бурь и полярных сияний связана с именами английских ученых С. Чепмена и В. Ферраро, американского физика С. Ф. Зингера, японца С. И. Акасофу, советских физиков Я. И. Фельдштейна, М. И. Пудовкина, Е. А. Пономарева и многих других исследователей, по кирпичику складывающих величественное здание человеческих знаний.


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: :???: :?: :!: