Важно отметить, что чем больше географическая широта, тем влияние волнового излучения Солнца меньше, а чем больше геомагнитная широта, тем влияние его корпускулярного излучения сильнее (по крайней мере до широты 70о). На разных географических долготах соотношение между волновым и корпускулярным источниками не одинаково, даже если другие географические или геомагнитные координаты заданных областей будут совпадать. В результате атмосферные процессы на одних долготах (скажем, сибирских) будут отличаться от процессов на других долготах (американских), хотя рассматриваемые районы имеют одну и ту же географическую широту.
Итак, реальная магнитосфера Земли весьма сложна, особенно если сравнивать с магнитным диполем. Изменения в ней особенно впечатляющи в периоды солнечных бурь, когда на магнитосферу планеты налетают потоки солнечных заряженных частиц и под их давлением дневная сторона магнитосферы поджимается ближе к Земле (в периоды очень интенсивных бурь граница магнитосферы в подсолнечной точке может приблизиться к Земле от 10 земных радиусов в спокойных условиях до 3 земных радиусов). В это время под давлением солнечного корпускулярного потока радикально изменяется форма на ночной стороне магнитосферы, в ее хвосте.
Солнечная буря сильнее влияет на более внешние части магнитосферы. Это, конечно, сказывается во всем околоземном пространстве вплоть до приземного атмосферного слоя, но не прямо, а опосредованно, в результате целой цепочки преобразования энергии солнечного корпускулярного потока, который сам непосредственно к поверхности Земли не проникает.
Магнитное поле Земли имеет определенное давление, которое направлено наружу. Плазма, заполняющая магнитосферу планеты, также обладает давлением, зависящим от ее плотности, температуры и др. Если бы вокруг Земли в межпланетном поле был вакуум, то ее магнитосфера распространялась бы бесконечно далеко. При этом напряженность магнитного поля, изменяясь обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли, уменьшалась бы и на бесконечном удалении становилась бесконечно малой.
Но магнитосфера Земли окружена не вакуумом, она обдувается солнечным ветром. Давление его на магнитосферы зависит от скорости и от плотности частиц, переносимых им. Достигая магнитосферы Земли, солнечный ветер давит на нее, но проникнуть внутрь высокопроводящей магнитосферы не может. Магнитосфера с дневной стороны поджимается до тех пор, пока сила ее давления не уравновесится силой давления солнечного ветра. Поскольку плотности и скорости частиц, выбрасываемых Солнцем, не одинаковы во времени, то и давление их на магнитосферу Земли в разное время различно. Это значит, что граница магнитосферы не остается на одном и том же месте, а меняет свое положение в соответствии с динамическим равновесием всей системы «солнечный ветер — магнитосфера Земли».
Полуденная часть магнитосферы (в районе подсолнечного меридиана) является, по-видимому, наиболее сложной. Внешние силовые линии магнитного поля Земли, прохождение через этот меридиан пронизывают ионосферу на геомагнитной широте около 80о. Более высокоширотные силовые линии, которые проходили бы также в этом полуденном меридиане при отсутствии солнечного ветра, выворачиваются им на ночную сторону. Значит, если в случае идеального магнитного диполя, находящегося в вакууме, силовые линии образуют две воронки точно на геомагнитных полюсах, то при наличии солнечного ветра эти воронки образуются на дневном меридиане на геомагнитных широтах 80о севера и юга. При этом полярные шапки закрыты дневными силовыми линиями, вывернутыми солнечным ветром на ночную сторону. Форма этих воронок (они были названы каспами, в переводе с английского — мешками) такая, что поперечное их сечение представляет собой сильно вытянутый эллипс. Воронка как будто сплющена в одном направлении и вытянута по геомагнитной долготе (вдоль дневной части овала полярных сияний).
То, что такие каспы должны образовываться в дневной магнитосфере под действием солнечного ветра, было предсказано теоретически. Измерения на спутниках не только подтвердили их существование, но и позволили установить зависимость их положения и формы от характера солнечной активности. При усилении солнечного ветра после хромосферных вспышек, когда магнитосфера прижимается им к Земле, положение каспов меняется. Они смещаются дальше от полюсов, чем в условиях спокойного Солнца. Это происходит потому, что большая часть дневных силовых линий выворачивается солнечным ветром на ночную сторону.
Кардинальным во всей проблеме взаимодействия Солнца и Земли является вопрос передачи энергии. И именно через воронки в магнитосфере Земли энергия Солнца, переносимая солнечными корпускулярными потоками, поступает непосредственно в земную атмосферу. Еще одними воротами из космоса является ночная часть магнитосферы (ее хвост), через которую солнечная плазма входит внутрь магнитосферы, а затем из хвоста направляется вдоль силовых линий магнитного поля в высокоширотные области и вторгается там в атмосферу Земли.
Солнечная буря вызывает в магнитосфере целый комплекс процессов, которые тоже носят взрывной (штормовой) характер. Он называется магнитосферной бурей. Буря проявляется в изменении магнитного поля Земли, в высыпании заряженных частиц в атмосферу высоких широт, в полярных сияниях и в увеличении концентрации электронов в ионосфере. Магнитосферная буря длится 1–1,5 суток и скорее напоминает целый ряд маленьких бурь (подбурь или суббурь), каждая из которых длится около 1 часа. Эти элементарные бури имеют очень много общего. Если они следуют друг за другом почти непрерывно (4–5 в течение одной ночи), то образуется мировая магнитосферная буря.
Процессы в околоземном пространстве рассматриваются нами в книгах: «Ионосфера Земли» (Наука, 1989), «Полярные сияния» (Наука, 1987), «Волны в космосе» (Наука, 1987), «Космос и биосфера» (Знание, 1990), «Процессы в геосфере» (Знание, 1989), «Наше здоровье и магнитные бури» (Знание, 1993), «Космос и здоровье» (Вече, 1997) и др.
Солнечная плазма, выброшенная из поверхности Солнца после хромосферной вспышки, приближается к орбите Земли примерно через 40–50 часов. Магнитное поле солнечного корпускулярного потока, то есть межпланетное магнитное поле, соединяется в магнитным полем Земли.
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
ОЗОН В АТМОСФЕРЕ
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озона является признаком свежего воздуха. (Недаром озон в переводе с греческого означает «запах».) Этот интерес понятен — речь идет о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. Теперешняя тревога людей об изменении озонного слоя, к сожалению, небеспочвенна. Жаль, что в жизни не только отдельных людей, но и всего человечества справедлива поговорка «Гром не грянет — мужик не перекрестится». Ведь ученые начали бить тревогу об опасности, нависшей над озонным слоем Земли, еще в 70-е годы. За прошедшие с тех пор 20 лет уже можно было принять такие эффективные меры, что сегодня тревога людей была бы значительно менее обоснованна. К сожалению, ныне жители Земли оказались в положении человека, поджигающего свой дом для того, чтобы согреться, не особенно задумываясь о том, что этот дом сгорит и другого не будет. Конечно, обществу трудно поступиться интересами многих производств. Ведь разрушению озонного слоя способствуют различные вещества, выделяющиеся к атмосферу. Это не только фреоны, о которых сегодня говорят больше всего и политики и промышленники. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. К счастью, ядерные взрывы будут прекращены. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей. Важно не только количество образованных при этом окис-лов азота, но и то, что это происходит высоко в атмосфере, поскольку эти двигатели установлены на сверхзвуковых высотных самолетах. На больших высотах образованные окислы азота живут долго. Ниже, в тропосфере, как окись, так и двуокись азота вымываются из атмосферы значительно быстрее. Применение большого количества минеральных удобрений также угрожает озонному слою. Ведь при денитрификации связанного азота бактериями почвы и микроорганизмами образуется закись азота, которая попадает в стратосферу. Закись азота была обнаружена и в дымовых газах электростанций. Количество образованной при этом в течение года закиси азота исчисляется миллионами тонн.