Гелиогеофизические связи

Введение

      Солнце освещает и согревает нашу планету. Без его энергии была бы не возможна жизнь на нашей планете, не только человека, но и всей флоры и фауны, которые нас окружают. Солнце – главный источник энергии, питающий происходящие на Земле процессы. Но не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различные виды солнечного излучения и потоки частиц постоянно оказывают влияние на жизнь нашей планеты.  Гелиогеофизические связи – влияние Солнца на основные оболочки Земли (магнитосферу, атмосферу, гидросферу и литосферу) существенны для биосферы, техносферы и практической деятельности людей. Солнце и его излучение, в основном, определяет энергетику всех процессов, происходящих в околосолнечном пространстве. Выяснение природы гелиогеофизических связей имеет практическое значение и необходимо для обеспечения безопасности космических полетов, защиты космонавтов и надежности работы аппаратуры, как в космосе, так и на Земле. Магнитные бури, например, вызывают не только отклонение магнитной стрелки, появляется серьезная опасность для космонавтов, находящихся на орбите, искусственным спутникам земли, но и сбои в системах сотовой связи, навигации, влияет на различные приборы, а в нашу эпоху, когда мы не можем уже обойтись без этих приборов, это может привести к локальным, или того хуже глобальным техногенным бедствиям. Существенно влияние солнечной активности на динамику земных атмосферы и гидросферы, определяющих погодные и климатические явления в различных регионах Земли.

      Огромное влияние оказывает Солнце на здоровье человека. В начале 60-х годов появились научные публикации о связи сердечно-сосудистых заболеваний с солнечной активностью. В них было доказано, что наиболее подвержены капризам нашего дневного светила люди, уже перенесшие один инфаркт. При этом выяснилось, что их организм реагирует не на абсолютное значение уровня активности, а на скорость его изменения. Хромосферные вспышки приводят к тому, что в космическое пространство посылается огромное количество заряженных частиц, которые сильно воздействуют на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли. Магнитное поле Земли начинает беспорядочно меняться, и это является причиной магнитных бурь. Я думаю, каждый слышал, как люди говорят «я вчера себя плохо чувствовал. Это из-за магнитной бури…». В 30-х годах ХХ века в городе Ницце (Франция) случайно было замечено, что число инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастает в те дни, когда на местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения связи вплоть до полного ее прекращения. Как впоследствии выяснилось, нарушения телефонной связи были вызваны магнитными бурями. Сведения о влиянии магнитного поля на организм человека имелись и в глубокой древности. Лечебные свойства магнита описывали Аристотель и Плиний Старший, Парацельс и Вильям Гилберт. Сейчас установлено, что магнитное поле, прежде всего, влияет на нервную, эндокринную и кровеносную системы. Его воздействие затормаживает условные и безусловные рефлексы, меняет состав крови. Такая реакция на магнитное поле объясняется в первую очередь изменением свойств водных растворов в организме человека. Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли – остальные отклоняет, или задерживает геомагнитное поле. Но и их энергии достаточно для того, чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты. В последнее время идет немало споров, о том, действительно ли магнитные бури влияют на человека, или это самовнушения.   
 
 

Энергия солнечного света

      Электромагнитное  излучение подвергается строгому отбору в земной атмосфере. Она прозрачна только для видимого света и ближних ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне (от сантиметровых до метровых). Все остальное излучение либо отражается, либо поглощается атмосферой, нагревая и ионизуя ее верхние слои.

      Поглощение  рентгеновских и жестких ультрафиолетовых лучей начинается на высотах 300 – 350 километров; на этих же высотах отражаются наиболее длинные радиоволны, приходящие из космоса. При сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспышек  рентгеновские кванты проникают до высот 80 – 100 километров, ионизуют атмосферу и вызывают нарушение связи на коротких волнах.

      Мягкое (длинноволновое) ультрафиолетовое излучение  способно проникать еще глубже, оно поглощается на высоте 30 – 35 километров. Здесь ультрафиолетовые кванты разбиваются на атомы (диссоциируют) молекулы кислорода (О₂) с последующим образование озона (0₃). Тем самым создается не прозрачный для ультрафиолета "озонный экран", предохраняющий жизнь на Земле для гибельных лучей. Не поглотившаяся часть наиболее длинноволнового ультрафиолетового излучения доходит до земной поверхности. Именно эти лучи и вызывают у людей загар и даже ожоги кожи при длительном пребывании на солнце.

      Излучение в видимом диапазоне поглощается  слабо. Однако оно рассеивается атмосферой даже в отсутствие облаков, и часть  его возвращается в межпланетное пространство. Облака, состоящие из капелек воды и твердых частиц, значительно усиливают отражение солнечного излучения. В результате до поверхности планеты доходит в среднем около половины падающего на границу земной атмосферы света.

      Количество  солнечной энергии, приходящейся на поверхность площадью 1 м², развернутую перпендикулярно солнечным лучам на границе земной атмосферы, называется солнечной постоянной. Измерять ее с Земли очень трудно, и потому значения, найденные для начала космических исследований, были весьма приблизительными. Небольшие колебания (если они реально существовали) заведомо "тонули" в неточности измерений. Лишь выполнение специальной космической программы по определению солнечной постоянной позволило найти ее надежное значение. По последним данным, оно составляет 1370 Вт/м² с точностью до 0,5%. Колебании, превышающих 0,2% за время измерений не выявлено.

      На  Земле излучение поглощается  сушей и океаном. Нагретая Земля  поверхность в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области. Для такого излучения азот и кислород атмосферы прозрачны. Зато оно жадно  поглощается водяным паром и углекислым газом. Благодаря этим малым составляющим воздушная оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эффект атмосферы. Между приходом солнечной энергии на Землю и ее потерями на планете в общем существует равновесие: сколько поступает, столько и расходуется. В противном случае температура земной поверхности вместе с атмосферой либо постоянно повышалась бы, либо падала.

Вспышки на Солнце

      Наиболее  энергичным проявлением солнечной  активности (являются спорадически возникающие на Солнце взрывные процессы – вспышки, с которыми связана целая система сопровождающих их геофизических явлений. Во время вспышек на Солнце резко изменяются потоки ионизующего излучения (жесткий ультрафиолет, рентгеновские и гамма лучи), а также проникающее излучение (энергичные элементарные частицы солнечных космических лучей), которые оказывают сильное воздействие на всю атмосферу Земли. Они существенно увеличивают ионизацию ионосферы, вызывают глобальные магнитные возмущения, обуславливают многие геофизические, биологические и прочие явления на Земле.

      Вспышка сопровождается мощным излучением электромагнитных волн, выбросом заряженных частиц с  энергиями до 10¹⁰ эВ (солнечные космические лучи) и выбросом корональной массы. Электромагнитное излучение достигает Земли за 8,5 мин., лучи – менее чем через 1 час, а плазменный выброс достигает Земли спустя 1–2 суток. Электромагнитное излучение вызывает практически одновременные явления, а корпускулярное излучение – запаздывающие явления.

      Ионосферные возмущения. В магнитосфере ближе всего к Земле располагается ионосфера, на высотах примерно от 50 до 1000 км. Внезапное и резкое увеличение энергии ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца в начале вспышки, распространяясь со световой скоростью, через 8 мин 20 с доходит до Земли и вызывает дополнительную ионизацию ионосферных слоев на высотах около 75 км (слой D) и 110 км (слой E). Это приводит к тому, что на всей освещенной Солнцем части земного шара усиливается поглощение радиоволн, особенно в коротковолновом диапазоне и наступает внезапное ухудшение (замирание) и даже прекращение коротковолновой радиосвязи (фейдаут). Одновременно на более длинных волнах слышимость может улучшаться за счет отражения длинных волн от этих слоев (эффект Деллинджера), больше всего эти эффекты проявляются в области полярных широт. Дополнительная ионизация дневной ионосферы приводит к возникновению в ней электрических токов, магнитное действие которых изменяет геомагнитное поле на величину до 50 нТл, при этом в зависимости от направления тока возникает незначительное плавное уменьшение или увеличение общего магнитного поля Земли (магнитное крошé).

      Ультранизкочастотная (УНЧ) и низкочастотная (НЧ) части  естественного электромагнитного  излучения (диапазон длин волн от 750 м  до 20 км и частоты от 0,4 до 15 кГц) взаимодействуют с потоком заряженных частиц от Солнца, проникающих во внешнюю часть атмосферы. Этот диапазон лежит в пределах слышимости человеческого уха (16 Гц-20 кГц). УНЧ-излучение генерируется на больших высотах (800–1000 км) и тесно связано с магнитными возмущениями (магнитными бурями и магнитными пульсациями). НЧ-излучение может проходить через ионосферу, достигая межпланетного пространства, его можно использовать для исследования верхних слоев атмосферы. НЧ сигналы распространяются по определенным траекториям, связанным с магнитным полем Земли. Особенностью распространения НЧ-излучения является его канализация, т.е. излучение оказывается запертым в области, расположенной между магнитно- сопряженными пунктами на поверхности Земли. Картина напоминает захват корпускулярного излучения земным магнитным полем (внешний и внутренний радиационные пояса Земли). Подобное распространение НЧ волн связано со свойствами ионизированного газа (плазмы).

      Атмосферики – внезапное резкое улучшение слышимости на длинных волнах (ДВ). Часть низкочастотного излучения, вызванная атмосферными электрическими разрядами, воспринимается в форме свистящего звука (свистящие атмосферики). Атмосфериками называют и электрические сигналы, создаваемые радиоволнами, излучаемыми разрядами молний. Вблизи земной поверхности происходит около 100 разрядов молний в 1с, поэтому в любой точке земного шара можно практически непрерывно регистрировать атмосферики. При радиоприеме на слух атмосферики воспринимаются как шорохи или характерные свисты, создающие атмосферные помехи радиоприему. Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основной разряд, различающиеся силой тока и спектром излучаемых радиоволн. Основной разряд излучает сверхдлинные волны, а предразряд – длинные, средние и даже короткие волны. Максимум энергии атмосфериков лежит в области частот 4–8 кГц. Если атмосферики создаются местными грозами, то их спектр определяется только спектром излучения грозового разряда. Если же источник – удаленная гроза, то спектр определяется условиями распространения радиоволн от очага грозы до радиоприемного устройства.

      Атмосферики свистящие – часть естественного  излучения, обусловленная атмосферными электрическими разрядами. Некоторые  атмосферики воспринимаются на слух как сигналы, частота которых непрерывно уменьшается, – свистящие атмосферики. Их особенность связана с механизмом распространения сверхдлинных волн. При распространении таких волн в волноводе, образованном нижней границей ионосферы и поверхностью Земли, они частично «просачиваются» через ионосферу и, распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли, удаляются от поверхности Земли на десятки тысяч километров и затем снова возвращаются к Земле. Скорость их распространения зависит от частоты, высокочастотные составляющие сигнала распространяются с большей скоростью и приходят раньше. Это и приводит к возникновению характерного свиста на выходе приемного устройства, высота тона свиста непрерывно меняется. Исследования атмосфериков дают сведения о механизме распространения сверхдлинных волн, а также о свойствах самых нижних и очень высоких областей ионосферы, в которых распространяются атмосферики. Для расчетов линий радиосвязи построены специальные карты и номограммы, по которым можно определить уровень атмосфериков в каждой точке Земли.

      Коротковолновая (на частотах 1–10 мГц) радиосвязь на большие  расстояния обеспечивается многократным отражением сигнала от ионосферного слоя F₂ на высоте ~ 300 км, однако временами она ослабляется (замирает) из-за поглощения в ионосферном слое D на высоте ~ 70 км, вызванном увеличением его ионизации после вспышки на Солнце.  
 
 
 

Солнце  и земной магнетизм

        Хотя главное магнитное поле Земли – внутреннего (земного) происхождения, происхождение его незначительной части – внешнее (внеземное), эта часть магнитного поля возникает от электрических токов, текущих в проводящих слоях ионосферы и поверхности Земли. Внешнее поле составляет менее 1% от всего магнитного поля Земли и подвержено ежедневным и ежечасным колебаниям. Именно эти короткопериодические или случайные вариации представляют наибольший интерес для изучения солнечно-земных связей. Непрерывная регистрация H, D и V проводится на всех магнитных обсерваториях при помощи специальных инструментов – магнитографов.

      Суточные  геомагнитные вариации. Приливные возмущения Солнца и Луны приводят к перемещению заряженных частиц ионосферы относительно силовых линий геомагнитного поля. При этом, согласно законам электромагнитной индукции, возникают электрические токи в ионосфере, магнитные поля которых изменяют напряженность геомагнитного поля. Это изменение поля в магнитно-спокойные дни, когда нет солнечной активности, называется суточной вариацией (Sq). Суточная вариация магнитного поля в возмущенные дни после исключения Sq называется возмущенной суточной вариацией Sd. Анализ Sq вариаций позволяет определить систему электрических токов, текущих над земной поверхностью в ионосфере.  Электрические токи в ионосфере Земли. Система ионосферных токов на высотах около 100 км связана с суточной вариацией магнитного поля Земли (Sq вариация), вызванной солнечными приливами в дневной ионосфере в эпоху минимума солнечных пятен. Земля как бы вращается под этой системой токов. Меридианы проведены с интервалом в один час. Токи выражены в единицах 1000 А на интервал между изолиниями и текут в направлении стрелок.

Магнитное крошé – внезапный импульс  в Н-составляющей магнитного поля, появляющийся на магнитограммах станций, находящихся  на освещенной Солнцем стороне Земли. Крошé возникает вследствие роста  ионосферного тока из-за увеличения проводимости ионосферы, которая вызывается приходом всплеска коротковолнового излучения от солнечной вспышки. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вспышек достигает земной атмосферы примерно через 8 минут и дополнительно ионизует ее, создавая электрические токи на обращенной к Солнцу стороне ионосферы. Магнитное поле этих токов вызывает магнитное крошé – изменение геомагнитного поля Земли примерно на 50 нТл (нанотеслы). Этот эффект длится около получаса. Внезапные возмущения малой амплитуды обнаруживаются на непрерывных записях всех трех составляющих геомагнитного поля (H, D и V), это подтверждает, что крошé генерируются внезапным увеличением Sq – токов. То, что крошé наблюдается только на освещенном полушарии и одновременно с достаточно интенсивными вспышками, доказывает, что эффект обусловлен их ультрафиолетовым излучением.