Арктика. Космическая погода
Л.М.Зеленый, А.А.Петрукович
Арктический регион в последние годы находится в центре особого внимания. Для России, помимо очевидных ресурсного и транспортного факторов, действует еще один — освоение Арктики становится и одной из основных движущих сил развития страны в ХХ! в. За советское время в Арктике были построены не только отдельные поселки и заводы, но и созданы два промышленных района — кольский и норильский, с сотнями тысяч населения и соответствующей инфраструктурой, без которых сегодня трудно представить себе отечественную экономику. И в этом состоит ключевое отличие российского подхода к освоению от американского и канадского, где постоянных структур такого масштаба нет. На рубеже веков начато создание еще одного района — на севере западной Сибири и на Ямале. Помимо развития нефтегазового комплекса здесь в перспективе планируется и прямой выход к арктическим портам из уральского региона. Если сегодняшняя тенденция на потепление климата сохранится, значение этого нового транспортного коридора будет трудно переоценить.
Советское освоение Арктики опиралось на солидную научную основу — открывались новые обсерватории, проводились экспедиции. Изучались не только полезные ископаемые, климат и льды, но и факторы воздействия космической среды. Хотя сейчас и принимаются ме-
© Зеленый Л.М., Петрукович А.А., 2015
Лев Матвеевич Зеленый, вице-президент РАН, академик, доктор физико-математических наук, директор ИКИ РАН, профессор Московского физико-технического института. Научные интересы связаны с плазменными процессами в космической среде, физикой и эволюцией Солнечной системы. Член ряда международных научных организаций. Член редколлегии «Природы».
Анатолий Алексеевич Петрукович,
член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики космической плазмы ИКИ РАН. Лауреат медали им.Я.Б.Зельдовича РАН для молодых ученых. Занимается изучением солнечно-земных связей, динамики магнитосферы Земли, практических аспектов космической погоды.
ры к восстановлению научной сети, объем современных наблюдений все еще сильно отстает от масштабов имевшегося, например, во время Международного геофизического года в 1957—1958 гг. В результате актуальной становится задача оптимизировать эту научную поддержку, нацелить ее на реальные потребности.
Во время прошедшей в декабре 2014 г. сессии РАН по Арктике большинство докладчиков показывали фотографии белых медведей и полярных сияний — двух традиционных символов региона. Но никто не говорил, что оба эти символа могут быть весьма опасны — особенно те явления, видимой частью которых становятся полярные сияния. Это не просто замечательное, потрясающее воображение световое шоу, которое дарит нам арктическая (и антарктическая) природа и которое надо увидеть хотя бы раз в жизни, а последнее звено в сложной цепочке плазменных процессов, связывающих Солнце и Землю и объединяемых термином «космическая погода». Все живые организмы находящиеся в Арктике, а также все расположенные здесь технические системы подвержены ее влиянию. Именно этой теме и посвящена данная статья. Сначала мы
объясним вкратце общую физическую схему связи космической погоды с полярной зоной, а затем остановимся на нескольких основных нерешенных научных проблемах.
Посланники Солнца
Главный фактор, действующий на Землю из космоса, — это поток солнечного света и тепла, он постоянен с точностью до десятых долей процента (составляя после некоторых коррекций на эллиптичность орбиты Земли 1366 — 1367 Вт/м2) и даже так и называется — «солнечная постоянная». (Что не противоречит многообразию климатических зон и смене времен года — за них отвечает угол падения излучения на земную поверхность.) Основное переменное во времени воздействие на Землю тоже связано с Солнцем, но по переносимой энергии оно в тысячу раз слабее потока солнечного света. Это поток плазмы (протонов и электронов относительно небольшой энергии — 10—1000 эВ) и магнитного поля, исходящий из короны Солнца. Поток этот, движущийся со сверхзвуковой скоростью, получил романтическое название «солнечный ветер». Ветер в том или ином виде растекается от Солнца всегда, но после солнечных вспышек происходят выбросы плазмы, приводящие к аномальному усилению этого потока. От него (и от космической радиации) нас более или менее успешно защищает магнитное поле Земли, имеющее сейчас достаточно большую величину. Более подробно о солнечном ветре и космической погоде можно прочитать в одной из предыдущих статей в журнале*.
В достаточно разреженной межпланетной среде ионы и электроны свободнее всего движут-
* ЕрмолаевЮ.И., ЗеленыйЛ.М. «Ветер, ветер, ты могуч...» Солнечный ветер и космическая погода // Природа. 2005. №9. С.4—14.
ток магнитопаузы
магнитопаузы Рис.1. Магнитосфера Земли.
ся вдоль вектора магнитного поля, но их поперечное смещение затруднено — частицы, подчиняясь силе Лоренца, как бы навиваются на условное направление поля. Поэтому удобно говорить о вымышленных объектах — силовых линиях магнитного поля, выделяемых плазмой. Магнитное поле Земли можно представить себе как магнитный диполь. Магнитные полюса Земли (полюса диполя) почти совпадают с географическими, а ось вращения почти перпендикулярна направлению на Солнце. В такой схеме Земля встречает солнечный ветер «самым защищенным боком», поперек собственного магнитного поля. Поэтому прямое воздействие солнечного ветра на Землю минимизировано. Данная конфигурация, кстати говоря, вовсе не предопределена: магнитная ось, например, Нептуна лежит почти в плоскости эклиптики. В результате поток плазмы солнечного ветра в целом обтекает магнитное поле Земли, формируя своим давлением магнитосферу (рис.1), похожую по форме на комету с длинным магнитным хвостом [1].
Исключением из этой схемы остаются полярные и приполярные области Земли, иногда соединяющиеся магнитным полем с межпланетным пространством и приграничными зонами магнитосферы. Только здесь плазма имеет возможность проникнуть к Земле вдоль магнитного поля. «Высыпаясь» в атмосферу, она возбуждает при столкновениях атомы и молекулы нейтральной атмосферы, вызывая полярные сияния — самое яркое из многочисленных свечений атмосферы Земли.
Зона полярных сияний в глобальном масштабе формирует так называемый авроральный овал — своеобразное светящееся кольцо вокруг полюса. Его хорошо видно со спутника в ультрафиолетовом диапазоне длин волн (рис.2). Магнитное поле из аврорального овала уходит во внешнюю магнитосферу на расстояния, часто большие 50 тыс. км. Более темная зона внутри овала соответствует
Рис.2. Авроральный овал (наблюдения со спутника «Polar»).
магнитному полю, уходящему за пределы магнитосферы — в солнечный ветер. Наибольшая яркость свечений — на ночной стороне, соответствующей хвосту магнитосферы. Уже одна эта иллюстрация четко свидетельствует о том, что источник полярных сияний — не только солнечный ветер, как это часто говорят, но и магнитосфера. Авроральная зона в обычных условиях расположена примерно на б5—75°магнитной широты, отсчитываемой относительно магнитного экватора (широта магнитного полюса при этом равна 90°).
В результате полярная область оказывается своеобразным экраном, на который проецируются все основные проявления космической погоды в магнитосфере. Только наблюдая за полярными сияниями из космоса, можно увидеть картину целиком. Ни со спутника, проводящего измерения плазмы и магнитного поля где-то в магнитосфере, ни с наземной станции это сделать невозможно — они видят только происходящее в данной точке.
Такая сложная структура магнитосферы должна самосогласованно поддерживаться локальными (космическими) электрическими токами, создаваемыми магнитосферной плазмой («самосогласованно» означает взаимозависимость — магнитное поле определяет свойства плазмы, а плазма в свою очередь создает электрический ток, поддерживающий поле). Энергия, поступающая из солнечного ветра, не расходуется равномерно, а может накапливаться в виде энергии магнитного поля (или, что то же самое, в виде энергии электрических токов) в хвосте. И это тот самый случай, когда хвост «крутит собакой». Магнитный поток, заключенный в хвосте, при накоплении энергии увеличивается, хвост как бы набухает и удлиняется. Через некоторое время происходит внезапная разрядка, энергия сбрасывается частично обратно в солнечный ветер, частично в атмосферу, хвост «сдувается». Это так называемый цикл геомагнитной суббури (термин исторически означает: «маленькая, элементарная буря»), он порождает при разрядке всплеск полярных сияний и геомагнитных вариаций в полярных районах и происходит каждые несколько часов. На рис.3 приведен пример наблюдений аврорального овала со спутника во время начала достаточно крупной суббури. В течение 10 мин существенно увеличилась яркость свечения, оно распространилось из небольшой зоны в нижней правой части овала на почти всю полярную зону.
Во время аномальных возрастаний давления солнечного ветра, после солнечных вспышек, зона активности распространяется «глубже» в магнитосферу, в результате чего авроральный овал — ее отражение — спускается на более низкие широты. Геомагнитные вариации наблюдаются по всей Земле. Такое событие называется магнитной бурей. Суббури тоже становятся особенно сильными, полярные сияния могут наблюдаться на низких широтах, в частности, в Москве.
23:42:17 23:43:30 23:44:44 23:45:57 23:47:11
ит ит ит ит ит
23:48:25 23:49:38 23:50:52 23:52:05 23:53:19 UT UT UT UT UT
Рис.3. Наблюдения авроральных свечений в УФ-диапазоне со спутника «Polar». Система координат центрирована на магнитный полюс. Дневная сторона расположена сверху. Яркость обозначена цветом от зеленого до темно-красного.
Авроральный ускоритель
Возможно, это покажется удивительным, но механизм полярных сияний — самого известного проявления космической погоды — до сих пор до конца не ясен, и, более того, эта проблема считается одной из самых значимых в космической физике (наряду, например, с ускорением солнечного ветра) [2]. Оценки показывают, что даже если «вытряхнуть» всю плазму магнитосферы в атмосферу, поток
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.