Астрономия

Содержание раздела

Изучение Вселенной при помощи космонавтики

Явления в околоземном космическом пространстве

Космические межпланетные станции помогли лучше понять свойства околоземного космического пространства. Магнитное поле вокруг Земли простирается по крайней мере до расстояния 60 000 км от ее центра. Силовые линии земного магнитного поля расположены так, как если бы Земля была однородным намагниченным шаром или как будто внутри Земли помещен намагниченный стержень -диполь, смещенный относительно центра примерно на 400 км в сторону точки на поверхности с координатами 15,6° с. ш., 150,9° в. д. (вблизи Марианских островов). Ось диполя не совпадает с осью вращения Земли, так что геомагнитные полюсы не совпадают с географическими. У поверхности Земли на поле диполя налагаются поля других источников, например магнитных руд.

Другие неоднородности обнаруживаются над большими участками земной поверхности и, по-видимому, вызваны источниками, расположенными глубоко в недрах Земли. Главное геомагнитное поле скорее всего вызвано электрическими токами в жидком металлическом ядре Земли, возникающими в результате конвекции в нем. При измерении грубыми методами геомагнитное поле кажется постоянным, однако более чувствительные измерения показывают, что оно непрерывно меняется по величине и направлению. Наблюдаются слабые вариации с периодом в несколько лет, суточные вариации и быстрые колебания, период которых составляет всего несколько минут и даже доли секунды. Амплитуда большинства этих изменений очень невелика - доли процента от поля на поверхности Земли.

Очень большие возмущения геомагнитного поля (до 1-2%) называются магнитными бурями. Источниками геомагнитных возмущений являются электрические токи, которые возникают вокруг Земли - в ее ионосфере и на границе геомагнитного поля.

Всего 10-20 лет назад думали, что межпланетное пространство представляет собой вакуум и что магнитное поле Земли остается упорядоченным вплоть до расстояний во много сотен тысяч километров (см. рис.). Как выяснили приборы, посылавшиеся на ИСЗ и межпланетных станциях, межпланетное пространство наполнено ионизованным газом, вытекающим из Солнца, который теперь называют солнечным ветром. Солнечный ветер "отдувает" силовые линии геомагнитного поля так, что образуется "хвост", который направлен (как и хвосты комет) от Солнца и простирается на большие расстояния. На рисунке показан общий вид магнитного поля Земли, обтекаемого солнечным ветром. Та область пространства, где геомагнитное поле лреобладает над межпланетным, называется магнитосферой. Внешняя граница магнитосферы, где происходит переход от геомагнитного к межпланетному полю, называется магнитопаузой.

Геомагнитное поле действует как ловушка, которая удерживает множество заряженных частиц -протонов и электронов - самых разных энергий. Эти частицы называются захваченными. Область захваченных частиц на рисунке выделена тоном. Отдельно показаны так называемые внутренний и внешний пояса радиации (на рисунке они имеют вид темных серпов). Эти названия сохранились с момента их открытия, когда аппаратура, поднятая на спутнике, впервые зарегистрировала заряженные частицы в этих двух поясах. Во всей этой области движутся частицы самых разных энергий, так что искусственные спутники, проходящие через нее, "попадают под облучение". При планировании полетов космических кораблей с человеком на борту эта так называемая радиационная опасность всегда принимается во внимание.

Сразу после открытия поясов радиации их стали тесно связывать с давно уже известным, но до сих пор полностью не объясненным явлением - полярными сияниями. Термин "полярные сияния" включает в себя множество разных явлений: свечение атмосферы (яркие, подвижные формы, имеющие вид полос, дуг, занавесей, лучей, вспыхивающих пятен), геомагнитные возмущения, мерцание радиозвезд, рентгеновское излучение и радиоизлучение и др. Ясно, что в основном все эти явления вызваны потоками заряженных частиц, протонов и электронов, проникающих в верхнюю атмосферу Земли. Верхняя атмосфера светится под ударами быстрых электронов так же, как экран телевизора. Чаще всего полярные сияния происходят на высотах около 100 км. Наименьшая высота появления полярных сияний - 60 км. Отдельные лучистые формы простираются до высот 1000 км.

Совершенно точно установлено, что возникновение полярных сияний связано с явлениями на Солнце. За день или больше до появления мощных полярных сияний неизменно наблюдается повышенная солнечная активность. То, что полярное сияние и геомагнитная буря опаздывают на сутки относительно солнечной вспышки, показывает, что возмущение переносится заряженными частицами, которые движутся сравнительно медленно, а не электромагнитным излучением, распространяющимся со скоростью света. Слабые полярные сияния происходят непрерывно, т. е. все время существует какая-то возмущающая причина, действие которой усиливается с увеличением солнечной активности. Вероятной причиной являются порывы солнечного ветра. До сих пор не вполне ясно, каким образом солнечный ветер передает возмущение в глубь атмосферы Земли, вплоть до высот 100 км. До момента открытия радиационных поясов вокруг Земли считалось, что потоки заряженных частиц с Солнца, имеющие вид узких направленных струй, непосредственно вторгаются в земную атмосферу, а не "действуют через посредника".

Однако такие теории, хотя и объясняли многие особенности явления, сталкивались с рядом неразрешимых трудностей. После открытия радиационных поясов стали считать, что проблема полярных сияний решена. Была предложена модель "дырявого ведра", в которой утверждалось, что временами под действием каких-то причин, связанных с солнечной активностью, геомагнитная ловушка становится менее прочной, заряженные частицы просачиваются через нее и вдоль соответствующих силовых линий вторгаются в плотную атмосферу, что приводит к полярным сияниям. Сначала казалось, что модель "дырявого ведра" объясняет, почему сияния преимущественно происходят в двух кольцевых зонах вокруг полюсов, так как внешний пояс радиации входит в атмосферу Земли на уровне 100 км почти в этом кольце. Однако более точные измерения показали, что эти области не вполне совпадают. Кроме того, даже если истратить все частицы, содержащиеся в поясе, достаточно яркое полярное сияние можно поддерживать всего несколько минут, тогда как такое сияние может продолжаться часами. Впоследствии было установлено, что после сильных полярных сияний количество частиц в радиационных поясах возрастает так, что, по-видимому, источник, вызывающий потоки электронов и протонов в верхней атмосфере Земли, вместе с тем пополняет радиационные пояса.

О том, что это за источник, где он располагается и каков механизм его действия, есть много противоречивых гипотез, так что проблема полярных сияний и связанных с ними явлений ждет своего решения.
 

перейти к началу страницы