При определенных положениях планет, то есть при определенных долготах (измеряемых в гелиоцентрической системе координат), создаются благоприятные условия солнечной активности в направлениях этих долгот. Поскольку состояние Солнечной системы не строго резонансное, указанные долготы не постоянны, а периодически меняются в некоторых небольших пределах. Среди этих периодов имеются равные 90, 178 годам и т. д.
Наличие резонансных долгот приводит к тому, что солнечные вспышки наиболее часто происходят в определенных направлениях. Имеются и такие долготы, на которых частота вспышек минимальна.
Максимальное число вспышек наблюдается на гелиоцентрических долготах, которые соответствуют периодам равноденствия (март и сентябрь). Минимумы солнечных вспышек приходятся на январь и апрель. Именно в равноденствие больше всего приходит к Земле потоков протонов, выброшенных из Солнца во время протонных солнечных вспышек.
МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ
Характер процессов, протекающих в околоземном космическом пространстве и в погодном слое атмосферы, зависит от свойств двух взаимодействующих объектов: солнечного корпускулярного потока и магнитосферы Земли.
Выброс плазмы от Солнца происходит потому, что температура в его короне над областью хромосферной вспышки внезапно возрастает. Это увеличение температуры приводит к образованию взрывной волны, распространяющейся сферически от точечного источника в неподвижном межпланетном газе, плотность которого по мере удаления от источника уменьшается. Структура ударной волны зависит от того, каким образом энергия солнечной бури передается в межпланетную плазму. Облако солнечной плазмы действует на вещество в межпланетном поле как поршень.
Проводились неоднократные исследования солнечного ветра с помощью ИСЗ. Были определены характеристики солнечной плазмы, которая находится за фронтом ударной волны. Установлено, что состав солнечной плазмы через несколько часов после прохождения ударной волны существенно изменяется, отношения Не+++/Н+ увеличиваются.
По мере своего продвижения в межпланетном пространстве солнечная плазма наталкивается на магнитное поле Земли. Давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля планеты. А поскольку давление солнечного ветра в условиях солнечных бурь увеличивается, то и деформация магнитного поля Земли становится больше. Граница земного магнитного поля со стороны Солнца приближается к Земле, магнитное поле уплотняется, его давление возрастает. В результате устанавливается новая граница между солнечным ветром и магнитосферой Земли.
Теперь рассмотрим природу магнитосферы Земли, с тем чтобы проследить, как солнечные корпускулярные потоки, усиливающиеся во время солнечных бурь, при взаимодействии с магнитосферой планеты вызывают бури в околоземном космическом пространстве. Энергия этих бурь затем передается в нижнюю атмосферу, где и формируется погода.
Известно, что Земля имеет собственное магнитное поле, в принципе очень простое по форме. Это поле диполя. Магнитные полюса расположены в районах географических полюсов: северный магнитный у Южного географического, а южный — у Северного географического. Точнее, магнитная ось Земли составляет угол около 11,5о с осью вращения планеты. Геомагнитный полюс в северном полушарии расположен около г. Туле в Исландии. В принципе положение геомагнитных полюсов с течением времени «гуляет». Изменяется также величина и направление магнитного поля Земли. Но все эти изменения происходят за очень длинные отрезки времени (по сравнению с длительностью солнечных и геомагнитных бурь и других процессов, определяющих солнечную активность). Сам факт, что геомагнитные полюса сдвинуты относительно географических, имеет принципиально важное значение для всех процессов, связанных с действием солнечных корпускулярных потоков.
Идеальный магнитный диполь симметричен относительно магнитной оси. Поэтому применение термина «магнитосфера» к магнитному полю Земли в идеальном случае можно было бы считать оправданным. Однако реальное магнитное поле Земли не является только полем магнитных зарядов, находящихся внутри планеты. Оно состоит также из магнитного поля, создаваемого электрическими токами, которые под действием солнечных корпускулярных потоков и солнечного ветра текут по внешней границе магнитосферы, а также внутри магнитосферы. Поэтому реальное суммарное магнитное поле Земли уже не представляет собой сферу. Чем ближе к внутриземным источникам магнитного поля, тем больше его форма напоминает поле диполя. Можно сказать, магнитное поле Земли является дипольным на расстояниях до трех земных радиусов от ее поверхности. По мере удаления от поверхности Земли и приближения к электрическим токам, текущим по внешней границе магнитосферы, магнитное поле планеты все меньше и меньше напоминает поле магнитного диполя (рис. 52).
Если взять меридиальную плоскость, проходящую через линию, соединяющую центры Солнца и Земли (то есть полуденно-полуночную плоскость), то на полуденной ее части в экваториальном направлении земная магнитосфера в спокойных условиях простирается на расстояние (в сторону Солнца), равное около 10 земных радиусов. Если же двигаться от поверхности Земли в противоположном (антисолнечном) направлении, то границу ее магнитосферы можно нащупать где-то на удалении около 100 земных радиусов. Да и то эта граница нечеткая: некоторые ИСЗ находили магнитное поле Земли даже на расстоянии около 1000 земных радиусов (это на полуночной стороне). Ясно, что форма магнитосферы, которая с полуденной стороны простирается на 10 земных радиусов, а с полуночной на все 100, очень мало напоминает сферу. Она больше похожа на грушу с хвостиком, сильно вытянутым в антисолнечном направлении.
От вращения Земли и наклона географической оси относительно плоскости эклиптики зависит освещенность земной атмосферы. Другими словами, с географическими координатами (они привязаны к географическим полюсам) связано поступление энергии волнового, электромагнитного излучения Солнца. Под действием этого излучения происходит нагрев атмосферного газа, его ионизация, диссоциация и т. д. Таким образом, волновое излучение Солнца определяет тепловой режим атмосферы, ее циркуляцию, состав и пр. Поскольку поступающее излучение меняется в течение суток, периодические изменения проявляются и в атмосферных процессах. Ясно, что характер этих атмосферных процессов зависит не только от времени суток (то есть от долготы), но и от широты данного места, поскольку она влияет на количество поступающей энергии волнового излучения.
От геомагнитных координат зависят нагрев атмосферного газа, его циркуляция, диссоциация и ионизация атмосферных составляющих. Но в данном случае это результат действия на атмосферу Земли той энергии, которая приносится от Солнца не волновым его излучением, а солнечными корпускулярными потоками. Количество энергии, вносимой потоками заряженных частиц в атмосферу Земли, определяется геомагнитными, а не географическими координатами, причем зависимость значительно сложнее, чем в случае волнового излучения Солнца. Волновое излучение, в отличие от корпускулярного, весьма стабильно. Правда, наблюдаются экзотические случаи, такие как солнечные затмения и солнечные вспышки, а также изменения солнечного излучения в течение 11-летнего солнечного цикла. Но последние, во-первых, медленные, плавные, а во-вторых, далеко не столь значительные по величине, как изменения энергии потоков заряженных частиц, приносимых от Солнца.
Таким образом, на земную поверхность действуют одновременно два агента, которые вносят в нее определенную энергию и тем самым вызывают нагрев атмосферного газа, циркуляцию и другие процессы. На разных широтах и в разных условиях оба этих фактора действуют не одинаково, отличаются и удельные веса каждого из них. В тех областях, где вторжение заряженных частиц особенно эффективно, корпускулярный агент наиболее важен, причем именно в те периоды, когда действие волнового источника ослаблено. Так, в высоких широтах в периоды полярной ночи или солнечных бурь доминирующим источником энергии, вносимой в атмосферу Земли, являются заряженные частицы. Но их энергия определяется геомагнитными координатами, значит, от этих координат в данном примере зависят и процессы в атмосфере, а особенно в ее электрической составляющей — ионосфере. В общем же случае изменение параметров атмосферы и ионосферы зависит одновременно как от географических, так и от геомагнитных координат.