Помоги проекту - поделись книгой:
Ю. Г. Мизун
Полярные сияния
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Ответственный редактор
доктор физико-математических наук М. И. Пудовкин
Утверждено к печати Редколлегией научно-популярной литературы Академии наук СССР
От автора
Полярные сияния представляют собой одно из самых впечатляющих, грандиозных и красивых явлений природы. Человек невооруженным глазом может наблюдать взаимодействие потоков заряженных частиц, приходящих от Солнца, с атмосферой Земли на высотах 100—1000 км, в результате которого и происходит свечение основных газов атмосферы — кислорода, азота, водорода.
За последние десятилетия исследователи околоземного космического пространства получили в свое распоряжение мощный исследовательский инструмент — искусственные спутники Земли (ИСЗ) и геофизические ракеты. Это позволило получить огромный экспериментальный материал об излучении Солнца, строении магнитосферы Земли, условиях в высоких слоях земной атмосферы. Этот материал позволил существенно продвинуться в понимании характера солнечно-земных связей и природы полярных сияний.
В данной книге в доступной неспециалистам форме рассказывается о магнитосфере Земли, солнечном излучении, верхней атмосфере Земли и, главное, о полярных сияниях. Прослеживается взаимосвязь процессов в околоземном космическом пространстве, а также их связь с процессами на Солнце и в межпланетной среде.
Под давлением экспериментальных данных таинственность и загадочность полярных сияний постепенно отступает. Но интерес к ним остается. Более того, кажется, что в настоящее время мы нащупали только контуры предмета (хотя, конечно, успехи в изучении полярных сияний на сегодняшний день очень велики), а проработка всех тонкостей и деталей впереди.
Введение
Человек не мог не заметить полярные сияния, когда они появлялись на небе. Поэтому можно уверенно сказать, что полярные сияния он обнаружил с самой глубокой древности. Полярные сияния в средних и низких широтах наблюдаются очень редко (только при чрезвычайно сильных возмущениях на Солнце, в периоды максимальной его активности).
Письменные упоминания о полярных сияниях встречаются у Аристотеля, Плиния, Сенеки и других греческих и римских философов, живших на берегах Средиземного моря.
В средние века полярные сияния считались предвестниками войн, голода, эпидемий, других больших катастроф. Запомнилось, что как перед падением Иерусалима, так и перед смертью Юлия Цезаря наблюдались вспышки полярных сияний. Все это считалось проявлением гнева богов или другого знамения. В это время в полярных сияниях видели нечто сверхъестественное. Иногда их изображали даже в виде целых армий, вооруженных пиками и сражающихся насмерть.
Население тех мест, где часто наблюдались полярные сияния, т. е. в северных широтах, имело более реалистическое представление об этом явлении. Кое-кто даже пытался естественным путем объяснить происхождение полярных сияний, считая их солнечными лучами, накопившимися в толще льда в течение дня и излучаемыми ночью, или отражением солнечного света от северных морей.
На Руси полярные сияния называли пазорями или сполохами. Слово «пазори» означает «зореподобные», а «сполохи» родственно слову «полошить», т. е. бить в набат. Во время полярных сияний действительно часто приходилось бить в набат. Это отмечалось и в других странах. Так, по свидетельству Сенеки, в 37 г. н. э. «пожар на небе» был таким красным, что люди решили: «горит вся колония Остия». На помощь ее населению император Тиберий послал даже своих солдат.
Подобные случаи имели место и в более позднее время. Так, 25 января 1938 г., когда солнечная активность была максимальной и полярные сияния достигали Европы, пожарные команды некоторых городов Европы направились к громадному зареву в северной части горизонта.
Говоря об истории полярных сияний, нельзя не упомянуть Антония де Уллоа, который во время своего путешествия вокруг мыса Горн в 1745 г. много раз видел полярные сияния в южном полушарии. Кук также наблюдал полярные сияния в южном полушарии, которые совпали по времени с полярными сияниями в северном полушарии (в Европе). Это первые данные о том, что полярные сияния наблюдаются одновременно в обоих полушариях.
Объяснений причины полярного сияния было предложено очень много. Были среди них и очень наивные (вроде того, что это свечение гнилой рыбы, выброшенной на берег разбушевавшимся северным морем), и весьма прозорливые. Так, француз Ж.-Д. Мейран в середине XVIII в. предполагал, что сияния возникают тогда, когда «материя зодиакального света» попадает в атмосферу, а Э. Галлей считал, что появление полярных сияний связано со «светящейся магнитной жидкостью». Последнее предположение очень близко к истине.
М. В. Ломоносов также серьезно интересовался проблемой полярных сияний. Он писал: «Весьма вероятно, что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезновения, движения, цвету и виду, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются». Подобного мнения были Ж. Кэнтон в Англии и Б. Франклин в Америке.
Полярное сияние — самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Невооруженным глазом видно свечение атмосферы на высотах в сотни и на удалениях в тысячи километров. Свечение настолько разноцветно и динамично, что производит впечатление чего-то живого, движущегося, дышащего. Даже после 20 лет наблюдения полярных сияний это впечатление не пропадает. Привыкнуть к картине полярных сияний невозможно, каждый раз оно воспринимается как что-то новое, иное, чем вчера, более завлекающее. Недаром считают, что полярные сияния принадлежат к наиболее красивым явлениям природы.
Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является и единственным проявлением воздействия солнечной корпускулярной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое на больших пространствах можно видеть невооруженным глазом.
Полярное сияние — это свечение земной атмосферы под действием потоков электронов и протонов, которые вторгаются в верхнюю атмосферу. Первоисточником этих заряженных частиц является Солнце. Солнечные корпускулярные потоки, подходя к Земле, обтекают ее, поскольку Земля экранирована от заряженных частиц своим магнитным полем — магнитосферой. Однако конфигурация магнитосферы такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а затем, трансформируясь, и в верхнюю атмосферу. Здесь под действием электронов и протонов происходит ионизация нейтральных атмосферных газов (кислорода и азота), а также возбуждение их атомов и молекул. Это и является причиной свечения атомов и молекул кислорода, азота, водорода и других атмосферных газов.
Полярные сияния, которые вызываются электронами, по своим свойствам отличаются от сияний, вызываемых протонами. Если измерить характеристики излучения (длину волны, интенсивность), то можно сделать заключение о том, какие атомы или молекулы излучили эти волны, а также какими заряженными частицами (с какими энергиями) было вызвано возбуждение излучающих атомов и молекул.
Полярные сияния отличаются по форме, цвету (т. е. длине волны излучения), интенсивности свечения, высоте над поверхностью Земли и другим характеристикам. Дело в том, что они зависят от многих изменчивых факторов. Ото прежде всего потоки заряженных частиц — электронов и протонов, которые зависят от солнечной активности, широты и долготы данного места, времени суток, сезона и др. Потоки заряженных частиц характеризуются энергией, энергетическим спектром и интенсивностью. Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то важным представляется и распределение скоростей заряженных частиц относительно направления магнитной спловой линии. Это так называемое распределение заряженных частиц по питч-углам (это угол между направлением скорости частицы и направлением магнитной силовой линии). От характеристик потоков заряженных частиц, и прежде всего от конфигурации магнитосферы, зависит, в какие области земной атмосферы эти частицы смогут вторгаться. Другими словами, в каких местах на земной поверхности будут наблюдаться полярные сияния.
Это один из основных вопросов, касающихся полярных сияний, и мы его рассмотрим весьма подробно. Здесь только укажем, что имеются две области в земной атмосфере, куда эти частицы проникают наиболее часто. Эти области представляют собой два овала (в северном и южном полушариях), удаленные от геомагнитных полюсов ночью приблизительно на 20°, а днем на 10°. Протяженность этих овальных областей по широте составляет всего несколько градусов (т. е. несколько сот километров). В областях, окруженных этими овалами, т. е. в полярных шапках, полярные сияния наблюдаются реже, чем в овалах полярных сияний, а в периоды сильных возмущений, когда сияния в овалах наиболее интенсивны, в полярных шапках они исчезают вовсе.
Таким образом, полярные сияния наблюдаются в высоких широтах северного и южного полушарий. Поэтому их еще называют северными и южными сияниями. В настоящее время в научной литературе широко распространен термин «аврора» (полярное сияние), авроральный овал (овал полярных сияний), авроральные явления и др. Термин «аврора» пришел к нам от древних римлян, которые называли редкие для них полярные сияния красновато-розового цвета именем богини утренней зари Авроры.
Важным фактором, который определяет свойства полярных сияний, является химический состав верхней атмосферы и ее физические свойства (зависимость плотности каждой составляющей атмосферы от высоты, температуры, движения и др.). Атомы и молекулы, а также их ионы, способные возбуждаться при столкновениях с частицами вторгающегося в атмосферу потока, поглощают при возбуждении определенные порции энергии частиц (это так называемые строго определенные потенциалы возбуждения). Этими величинами энергии определяются и эмиссии (излучения) этих атомов и молекул, их длина волны и интенсивность.
Если бы земная атмосфера имела другой химический состав, то и полярные сияния наблюдались бы в других линиях. Благоприятные условия для сияния зависят от того, какова энергия воздействующего электрона или протона имеется в момент взаимодействия и эффективность этого взаимодействия для данного процесса.
Из сказанного ясно, что проблема полярных сияний относится к проблемам солнечно-земной физики. Видимое, оптическое излучение атмосферы, которое собственно и называется сиянием, является только одной из сторон сложного, но единого физического процесса, связанного с выбросом плазмы из Солнца, приходом этой плазмы к орбите Земли, взаимодействием ее с магнитосферой, которая при этом деформируется, проникновением этой плазмы в околоземное космическое пространство (внутрь магнитосферы), ускорением заряженных частиц в магнитосфере и, наконец, их вторжением в верхнюю атмосферу Земли. С момента вторжения заряженных частиц (электронов и протонов) в атмосферу Земли начинается целый комплекс процессов, включающих ионизацию атомов и молекул, их возбуждение, свечение их в определенных линиях и т. д.
Многие десятилетия полярные сияния исследовались в поверхности Земли. Только последнее время для этих целей стало возможным использование ракет, ИСЗ и высотных самолетов. В самом начале собирались факты о времени сияния, их месте и движениях. Затем стали возможны измерения высот полярных сияний при одновременном их наблюдении из нескольких пунктов на земной поверхности (триангуляционный метод). В дальнейшем стало возможным фотографирование полярных сияний, что положило начало накоплению фактического материала об этом природном явлении. Возможность фотографирования позволила более точно определять высоты сияния по их взаимному расположению относительно изображения на фотографиях из разных пунктов звезд. Полярные сияния очень изменчивы и динамичны. Поэтому применяемая в первых измерениях большая экспозиция при фотографировании не позволяла получить информацию о быстро меняющихся сияниях.
С одной стороны, изучались формы полярных сияний, их изменчивость, движения, условия их возникновения и исчезновения, а также зависимость от времени суток, сезона, солнечной и магнитной активности, широты и др. С другой — исследовалось излучение в отдельных линиях, делались попытки отождествить излучение в отдельных спектральных линиях с определенными переходами возбужденных атомов и молекул и их ионов. Так по характеру излучения верхней атмосферы был определен ее химический состав задолго до того, как стали возможными прямые измерения состава атмосферы с помощью ракет и ИСЗ. Этот источник информации о составе верхней атмосферы не потерял своего значения и в настоящее время, поскольку он позволяет получать более непрерывные и систематические данные.
Первые наблюдения излучения в определенных линиях (эмиссиях) выполнялись при помощи спектрографов. Эти измерения требовали длительных экспозиций и поэтому не давали необходимых разрешений в пространстве и времени. Применение фотометрических методов позволило производить значительно более ценные наблюдения.
Затем стали применяться спектрофотометры. Спектрофотометры, сканирующие в ограниченной области спектра, значительно превосходят спектрографы и широко используются при изучении полярных сияний.
Исследование спектров полярных сияний дало возможность получить ценную информацию не только о составе верхней атмосферы, но и о свойствах потоков заряженных частиц (электронов и протонов), которые вызывают полярные сияния. Для этого исследовалась интенсивность эмиссии в отдельных линиях, отношение интенсивностей в определенных линиях, их высотное распределение и зависимость от широты. Эти измерения достаточно сложны из-за того, что прибор суммирует все свечения, попадающие в его поле зрения, и трудно достичь большой точности в измерениях интенсивности эмиссии в отдельных линиях, а тем более с точной привязкой к высоте. Тем не менее полученный экспериментальный материал позволяет делать выводы о характеристиках вторгающихся электронов и протонов. Эти данные не потеряли своей актуальности и сейчас, когда стали возможны прямые измерения потоков заряженных частиц с помощью приборов, установленных на ракетах и спутниках.
Измеряя спектры полярных сияний, можно определить не только состав атмосферы и свойства потоков вторгающихся заряженных частиц, но и температуру в атмосфере.
Во время вторжения в верхнюю атмосферу потоков заряженных частиц наряду с полярными сияниями происходит целый ряд других процессов и явлений, с которыми полярные сияния тесно связаны. То, что сияния усиливаются и число их возрастает с увеличением солнечной и магнитной активности, понятно: усиление активности означает усиление потоков заряженных частиц. Вторгающиеся частицы наряду с возбуждением атомов и молекул (и их ионов) производят и ионизацию. В высоких широтах в зонах вторжения этих частиц создаются целые слои ионизованных атомов и молекул и свободных электронов. Так, в зонах, где чаще всего наблюдаются полярные сияния, за счет ионизации потоками электронов на высотах около 100 км создается целый слой свободных электронов толщиной ~5—15 км с плотностью электронов 106 см-3. Это так называемый спорадический ионосферный слой
Вторжение высокоэнергичных солнечных протонов (солнечных космических лучей) с энергиями 1—100 мэВ в полярные шапки вызывает образование ионизации на более низких высотах (50—80 км). Эта ионизация в области
Таким образом, полярные сияния очень тесно связаны с полярной ионосферой. Такая же тесная связь имеется между полярными сияниями и магнитными возмущениями. Дело в том, что часть изменений магнитного поля во время магнитных бурь происходит за счет возникновения электрических токов в ионосфере на высоте около 100 км. Образование электрического тока зависит от двух причин: наличия электрического поля и достаточной проводимости ионосферы. Проводимость ионосферы определяется количеством свободных электронов, а они в свою очередь создаются ионизацией потоками заряженных частиц. Таким образом, эта связь полярных сияний с магнитными возмущениями также физически понятна. Пульсирующие полярные сияния, интенсивность которых изменяется с частотой в несколько герц, очень тесно связаны с пульсациями в магнитном поле Земли.
Тесно связаны полярные сияния и с другими явлениями, например с отражением радиоволн КВ и УКВ диапазона от ионосферных (авроральных) неоднородностей. Недаром эти радиоотражения, регистрируемые радиолокаторами, называются также радиосияниями.
Таким образом, для того чтобы осветить проблему полярных сияний, необходимо рассмотреть условия и закономерности выброса потоков заряженных частиц (электронов и протонов) из Солнца, их зависимость от 11-летнего цикла солнечной активности и 27-дневного периода обращения Солнца. Кроме того, надо рассмотреть строение магнитосферы Земли и изменение ее при воздействии солнечных потоков плазмы, а также процессы в магнитосфере и ионосфере Земли во время магнитосферной бури. После рассмотрения этих вопросов многие аспекты проблемы полярных сияний становятся понятными и экспериментальные данные хорошо укладываются в общую картину солнечно-земного взаимодействия.
Солнце и солнечные бури
Полярные сияния — одно из проявлений солнечно-земного взаимодействия, т. е. солнечно-земной физики. Они возникают в результате вторжения в верхнюю атмосферу высоких широт потоков заряженных частиц, первопричиной которых является Солнце. Приведем здесь по возможности кратко необходимые для данной проблемы сведения о процессах на Солнце, которые связаны с выбросом из него геоэффективной плазмы.
Вначале несколько количественных характеристик. Масса Солнца содержит вещества приблизительно в 332 000 раз больше, чем Земля. Объем Солнца в 1093 раз больше объема Земли. Средняя плотность Солнца составляет 0,256 плотности Земли или 1,4 плотности воды. Сила тяготения на Солнце в 28 раз больше земной. Низкая средняя плотность Солнца и одновременно такая большая сила тяготения определяют характер процессов внутри Солнца. Среднее расстояние до Солнца составляет 149 500 000 км с точностью до 16 000 км. Луч света преодолевает это расстояние за 8,3 мин, а ракете потребовалось бы около 10 лет. Заряженные частицы, выбрасываемые из Солнца и затем действующие на магнитосферу Земли, проходят расстояние Солнце—Земля за полтора суток. Расстояние между Солнцем и Землей меняется в течение года приблизительно на 4,8*106 км. Это обусловлено эксцентриситетом земной орбиты. Это расстояние наименьшее, когда Земля находится в перигелии, т. е. в начале января, и наибольшее в начале июля, когда она находится в афелии. Вследствие этого солнечное излучение, достигающее Земли, меняется в течение года на 7 %.
Вещество Солнца в значительной мере состоит из тех же химических элементов, которые имеются на Земле. Температура внутри Солнца так высока, что оно является раскаленным газовым шаром.
Солнце имеет слоистую структуру. В самой внутренней его части температура составляет около 20 млн. градусов (скорости движения атомов между столкновениями равны около 200 км/с). Атомы здесь главным образом лишены электронной оболочки, т. е. многократно ионизованы. Естественно, что эти свободные электроны также входят в состав солнечного вещества. При таких больших температурах там имеется излучение огромной плотности в виде рентгеновских лучей или γ-лучей, которые несут большую энергию. Там происходят термоядерные реакции, при которых определенная доля массы ядер переходит в лучение.
На любом расстоянии от центра Солнца должно соблюдаться равновесие между противоположно направленными силами, а именно гравитационным тяготением, которое направлено к центру Солнца, и давлением потока излучения, которое направлено от центра к поверхности. По мере продвижения из глубины Солнца к его поверхности энергия γ-излучения постепенно уменьшается (происходит бесчисленное число актов поглощения и переизлучения их другими атомами), а само излучение отмечается на большей длине волны. Вначале это излучение проявляется как рентгеновские лучи, затем на другом уровне как ультрафиолетовое излучение и т. д. На поверхности Солнца большая часть излучения — это видимый свет.
Чем же характерны отдельные слои Солнца? На удалении около 700 000 км от центра находится фотосфера Солнца. Здесь солнечный газ становится прозрачным. При наблюдении за Солнцем извне фотосфера и есть тот наиболее глубокий уровень, который доступен наблюдению. От фотосферы Солнца Земля получает большую часть света и тепла. Температура фотосферы равна 6000 К.
Спектр излучения фотосферы непрерывен со всеми видимыми длинами волн, ее толщина 100—200 км. На уровне фотосферы наблюдаются солнечные пятна, которые имеют самое непосредственное отношение к рассматриваемой нами проблеме. К ним мы вернемся позже,
Выше над фотосферой расположен так называемый обращающий слой толщиной около 100 км. Здесь многие атомы или нейтральны, или однократно ионизованы. Под действием излучения атомы возбуждаются и затем, переходя обратно в основное состояние, излучают. Излучение происходит в любом направлении независимо от направления поглощенных лучей. Поэтому в непрерывном спектре фотосферы возникают узкие линии поглощения (фраунгоферовы линии).
Выше обращающего слоя располагается хромосфера Солнца. Она является как кольцо красного цвета в периоды полного затмения, когда перекрывается свет фотосферы. Красный цвет хромосферы обусловлен излучением на длине волны 6563 Å водорода, из которого она состоит.
Спектр обращающего слоя и хромосферы — это линии излучения различных длин волн. Большая часть этих линий образуется теми же самыми атомами, которые создают фраунгоферов спектр. Верхняя граница хромосферы отмечается на 14 000 км, где линии ионизованного кальция перестают быть видимыми.
Температура хромосферы достигает 30 000 К.
Выше хромосферы находится корона Солнца. Она видна невооруженным глазом только во время полных затмений. Это гало белого цвета на фоне хромосферы красного цвета, а также протуберанцев, которые в виде лепестков и лучей простираются на расстояния в несколько солнечных диаметров. Температура короны достигает 1 000 000 К.
Рассмотрим подробнее протуберанцы. Они выходят за пределы хромосферы и проникают далеко в корону. Это светящиеся облака паров. Свет их представляет собой линии излучения водорода, гелия и ионизованного кальция. Температура протуберанцев колеблется в пределах 10 000-20 000 К.
Основные области, с которыми связывают проблему солнечной активности,— это солнечные пятна. Но даже тогда, когда пятна на поверхности Солнца не видны, эта поверхность имеет топкую структуру. Ее сравнивали с «рисовыми зернами» или «листьями ивы» и т. п. Неоднородность солнечной поверхности обозначается термином «грануляция». Поверхностная яркость гранулы может на 10% превышать яркость окружающего фона. Гранулы возникают и исчезают непрерывно, чем-то напоминая кипение.
Между гранулами иногда образуются поры (темные области). Из нескольких объединенных друг с другом пор образуются солнечные пятна, которые чаще всего появляются парами в виде ведущего (головного) и замыкающего (хвостового) пятен. Головное пятно является западным, поскольку Солнце вращается вокруг своей оси с востока на запад.
Вначале после возникновения размер пятен увеличивается и два головных пятна быстро расходятся по долготе и спустя десять дней отстоят друг от друга на расстоянии 10—15°. Первым распадается хвостовое пятно, тогда как головное живет в четыре раза дольше. Время жизни пятен весьма различно — от нескольких часов до нескольких месяцев.
Солнечное пятно состоит из ядра (тени) и окружающей ядро полутени. Ядро занимает около 1/5 всей площади пятна. Относительное число солнечных пятен
где
Методика расчета, принятая на Гринвичской обсерватории, основана на измерении полной площади солнечных пятен по фотографиям. Сопоставление обеих характеристик показывает, что они изменяются со временем достаточно синхронно. На основании анализа солнечных данных начиная с 1749 г. было показано, что средний период между двумя последовательными максимумами солнечной активности составляет 11,1 года. При этом отдельные периоды имели продолжительность 7, а некоторые 17 лет. Максимумы солнечной активности также отличаются один от другого. Так, в максимумы 1870 и 1974 гг. солнечных пятен было в три раза больше, чем в 1816 г. — в период самого низкого максимума. В 1957—1958 гг. максимум солнечной активности был еще больше (рис. 1).
Рис. 1. Изменение среднегодовых чисел солнечных пятен с 1750 г.
Рис. 2. Изменение среднегодовых чисел солнечных пятен R и приближенных средних широт солнечных пятен (закон Шперера) за 1933—1953 гг.
Буквами в кружках обозначены полярности биполярных солнечных пятен (закон полярности солнечных пятен)
Представляет научный и практический интерес распределение солнечных пятен по широте. Установлено, что с изменением числа солнечных пятен в течение 11-летнего цикла солнечной активности постепенно изменяется и средняя широта, на которой появляются пятна (рис. 2). Видно, что в начале каждого цикла, когда число появляющихся пятен растет от минимума к максимуму, новые солнечные пятна расположены в поясе широт ±30°. Затем они возникают все ближе к солнечному экватору и в период максимума их средняя широта составляет ±16°, а при следующем максимуме даже ±8°. Вблизи минимума солнечной активности пятна старого и нового циклов наблюдаются одновременно: первого — на низких широтах, второго — в высоких. Это закон Шперера.
Долгоживущие пятна могут наблюдаться несколько раз, т. е. в течение нескольких периодов вращения Солнца. Пятно вблизи экватора возвращается к своей исходной точке в среднем через 25,0 дня, а на широте ±30° — через 26,2 дня. Это сидерический (истинный) период вращения. Но поскольку Земля должна «догонять» Солнце (Солнце вращается в том же направлении, в каком Земля обращается вокруг него), то для наблюдателя, находящегося на Земле, это время удлиняется. Оно равно 26,9 дня, если пятно находится на солнечном экваторе, и 28,3 дня — на широте ±30°. Это синодические периоды вращения. Период вращения изменяется с широтой по той причине, что Солнце — газообразное тело.
Как правило, группа солнечных пятен окружена факельными полями. В этих областях фотосфера несколько ярче, чем в остальных местах, видных в белом свете. Факелы состоят из ярких полосок, прожилок и неправильных лоскутков. В таких факельных полях появляются и активные протуберанцы, которые связаны с солнечными пятнами, а также вспышки и возбуждаемые области в короне. Факелы возникают незадолго до образования солнечного пятна и продолжают существовать и после исчезновения пятна. Время их жизни в три раза больше времени жизни пятна. Считается, что факелы — это те области, где турбулентность и конвекция поднимают нагретые газы более глубоких уровней вверх.
На шпротах выше ±40° солнечные пятна встречаются исключительно редко. Однако факелы наблюдаются даже на широтах 60—80°. Правда эти факелы несколько иного вида. Они малы, имеют вид ярких крапинок диаметром 5000—10 000 км, время их жизни непродолжительно. Эти факелы (полярные) чаще всего встречаются в периоды, близкие к минимуму солнечной активности.
Важной характеристикой солнечного пятна является его магнитное поле. Его наличие было подтверждено путем измерения эффекта Зеемана, по которому одиночные спектральные линии многих элементов расщепляются на две или более линии, когда излучаются в магнитном поле. Измерение эффекта Зеемана позволяет по расстоянию между компонентами определить величину напряженности поля. Кроме того, изменение магнитного поля на обратное меняет поляризацию излучаемой волны. Поэтому с помощью спектрографа можно различать северную и южную полярность магнитного поля. Величина магнитного поля в большом солнечном пятне составляет около 3000 Гс.
Для большинства больших солнечных пятен характерно биполярное магнитное поле, т. е. когда одно пятно пары имеет северную полярность, а другое — южную. Как правило, головное пятно в северном полушарии Солнца южной полярности, а хвостовое — северной. В южном полушарии — наоборот. В следующем солнечном цикле все обращается. Поэтому если требовать от всех основных параметров повторения из цикла в цикл, то следовало бы принять цикл равным не 11 лет, а 22 года; повторение направления магнитного поля солнечных пятен происходит только через 22 года.
Эффективная температура солнечного пятна составляет около 4500 К, тогда как соседняя фотосфера имеет 6000 К. Таким образом, в области солнечного пятна работает какой-то физический механизм, способный поддерживать на большой площади такой перепад температуры (более чем на 1000 К).
Глубина солнечного пятна порядка 10 000 км. В центре пятна конвективные потоки гораздо сильнее, поэтому газы растекаются радиально через вершину «кратера» солнечного пятна. Скорость этого растекания составляет порядка 2 км/с. Непосредственным следствием этого эффекта является охлаждение пятна. Вещество, поднимаемое вверх против силы тяготения, увеличивает свою потенциальную энергию, и этот прирост берется из запаса тепловой энергии.
Излучение вспышки происходит главным образом в отдельных спектральных линиях. Это — линии водорода Нα (6563 Å), Нβ (4861 Å) и другие линии серии Бальмера.
С линией Нα сравнимы по интенсивности линии Н+ (3968 Å) и К+ (3934 Å) однажды ионизованного кальция. Имеются также линии нейтрального гелия, ионизованного железа и ряда атомов других металлов, которые обнаружены в хромосфере. Но интенсивности этих излучений меньше.
Наблюдаются также интенсивные рентгеновское, ультрафиолетовое и радиоизлучение. В некоторых случаях увеличивается и яркость белого света над всей областью вспышки. До больших высот в корону выбрасываются облака плазмы, часть которых распространяется даже за пределы земной орбиты.
Полная мощность энергии, излучаемой в линии Нα, может достигать 1026 эрг/с в максимуме.
В зависимости от площади области, излучающей в линии Нα, различают пять классов вспышек. Они обозначаются:
Солнечные вспышки связаны с двумя типами рентгеновского излучения. Первый — это «мягкая» тепловая компонента, обусловленная атомными переходами. Генерируемое рентгеновское излучение в интервале длин волн от 1 до 100 Å (диапазон энергий от 124 эВ до 12,4 кэВ). Второй тип — «жесткое» рентгеновское излучение с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ и длиной волн 0,0124—1,24 Å. Это тормозное излучение, которое вызывается столкновениями нетепловых электронов с окружающими ядрами.
Всплески рентгеновского излучения производят увеличение ионизации в нижней ионосфере Земли (слой
Колебания плазмы наблюдаются на Земле в виде коротких всплесков радиоизлучения типа III.
Релятивистские электроны движутся по спирали вокруг силовых линий солнечного пятна и излучают синхротронное излучение, которое наблюдается как всплески радиоизлучения типа V во время начальной фазы вспышки. Некоторые из этих электронов движутся вниз и сталкиваются с ядрами водорода, в результате чего возникают всплески тормозного рентгеновского излучения. Между радиоизлучением в сантиметровом диапазоне и вспышками рентгеновского излучения имеется тесная связь.
Наиболее интересным для проблемы солнечно-земной физики является радиоизлучение типа IV. Обычно оно продолжается в течение нескольких часов после прекращения оптической вспышки.
Кроме электромагнитного излучения, во время второй фазы хромосферной вспышки происходит выброс солнечных частиц, которые обладают энергиями от 1 кэВ до 15 ГэВ (для протонов). Это солнечные космические лучи с энергией от 100 кэВ до 100 МэВ и облака плазмы, в которых протоны имеют энергию порядка 0,5—1,5 кэВ.
Первые два типа частиц (протоны и небольшое количество тяжелых ядер) образуются в результате процессов ускорения во время самой ранней стадии вспышки. Эти частицы доходят до орбиты Земли, которая в результате окружается протонами высокой энергии. Эти высокоэнергичные заряженные частицы почти не влияют на межпланетное и геомагнитное поле: плотность энергии их слишком мала.
Иначе обстоит дело с облаками плазмы. В них плотность частиц достигает 1—25 см-3, энергия — 10 кэВ. При таких концентрациях существует очень сильное электростатическое взаимодействие между протонами и электронами облака плазмы. Это заставляет частицы противоположного заряда двигаться вместе. При движении такого облака в солнечной атмосфере возбуждаются плазменные колебания, наблюдаемые на Земле как радиовсплески типа II. Частота этого излучения уменьшается от 200 до 10 МГц примерно за 10 мин. Скорости облака плазмы находятся в пределах 200—1500 км/с. Эти скорости сравнимы со скоростями плазмы, которая вызывает магнитосферные бури. Поэтому можно предположить, что радиоизлучение типа II свидетельствует об уходе от Солнца плазмы, вызывающей бурю.
Облака плазмы в отличие от высокоэнергичных протонов способны исказить межпланетные магнитные поля. Это повлияет на движение галактических космических лучей. Важно отметить еще раз, что выброс облака плазмы из вспышек сопровождается радиовсплесками типа II. На это также указывает движение вверх области генерации излучения типа IV. Корона вблизи области вспышки становится очень горячей и излучает как мягкое рентгеновское излучение, так и интенсивное ультрафиолетовое и далекое ультрафиолетовое излучение. Рис. 3 позволяет судить об основных процессах, которые происходят во время типичной солнечной бури.
Мы не будем рассматривать солнечные космические лучи и электроны высоких энергий. Они представляют малый интерес для проблемы полярных сияний. Остановимся на процессах выброса и движения к Земле облаков солнечной плазмы, которая вызывает на Земле магнитные бури и полярные сияния, а также другие сопутствующие явления.
Поделиться книгой: