Гелиогеофизические связи

Солнечные космические лучи.

      Во  время наиболее мощных солнечных  вспышек возникают потоки энергичных протонов с энергиями от 1 МэВ  до 10⁴ МэВ и электронов с энергиями от 2 кэВ до 1 МэВ. В отличие от более энергичных (вплоть до 10¹⁵ МэВ) галактических космических лучей, эти потоки называют солнечными космическими лучами. Наиболее энергичные протоны с энергией более 10²–10³ МэВ, двигаясь со скоростями, близкими к световым, проходят околоземное космическое пространство, где энергия частиц не превышает сотен эВ, и через 10–20 минут после начала видимой вспышки достигают Земли, где могут регистрироваться в течение десятков часов. Попадая в атмосферу Земли, СКЛ на высоких широтах вызывают дополнительную ионизацию ионосферы и нарушение радиосвязи на коротких волнах. Интенсивные потоки СКЛ в межпланетном пространстве – главная опасность для экипажей и оборудования космических лабораторий. Вспышки солнечных космических лучей (протоны с энергиями более 500 МэВ) дают максимальный эффект на уровне Земли через 8–16 ч после начала вспышки, эффект заметно уменьшается через 30–32 ч.

      Эффект  Форбуша. Согласно наблюдениям, поток галактических космических лучей в области возмущений солнечного ветра в межпланетном пространстве, вызванных вспышками, значительно уменьшается (до 50%). В атмосфере Земли на высотах 10–20 км уменьшение достигает 25–30%. Это кратковременное явление называют Форбуш-понижением или Форбуш-эффектом. Понижение происходит примерно на сутки и обычно связано с геомагнитной бурей. Эффект вызывается рассеянием ГКЛ на магнитных полях, переносимых солнечными корпускулярными потоками (т.е. солнечным ветром, усиленным вспышками на Солнце). Плотность энергии солнечных облаков достаточно велика, чтобы исказить межпланетное магнитное поле, которое, в свою очередь, сдавливает поток плазмы и образует фронт ударной волны. Такая сжатая область становится отражателем для ГКЛ, но позволяет солнечным протонам легче достичь Земли. Падение уровня ГКЛ ослабляет скорость образования аэрозоля (конгломерат молекулярных соединений, пыль, твердые частицы), определяющего оптическую прозрачность нижней атмосферы, которая из-за этого становится прозрачнее. В результате на широтах выше 60° происходит увеличение притока энергии излучения в видимой области спектра примерно на 76%. 
 
 
 
 

Геомагнитные  бури и геомагнитные микропульсации

      Сильные понижения (от 100 до нескольких сот нанотесла) Н – компонент магнитного поля, происходящие иногда в средних и  низких широтах Земли, вызываются магнитными бурями.

      В геомагнитном поле Земли есть флуктуации с периодами от долей секунды  до десятков минут и с амплитудами  от десятков долей нанотесла до нескольких сот нанотесла в высоких широтах. Характеристики этих вариаций быстро меняются, а продолжительность их составляет от нескольких минут до часа и более. Микропульсации появляются как при спокойном, так и при возмущенном магнитном поле, однако короткопериодичные пульсации (от 1 с до 150 с) появляются чаще в условиях возмущения и являются предвестниками и началом суббурь. Суббуря представляет собой геомагнитное возмущение длительностью 1–2 часа, проявляющееся в «бухтообразном» падении горизонтальной составляющей геомагнитного поля.

Свечение  ночного неба и  полярные сияния.

      Ночное  небо слабо светится, в основном, в спектральных линиях кислорода и азота, однако временами возникает яркое и красочное свечение с быстроменяющейся структурой, возникающее на высотах порядка 100–400 км и на геомагнитных широтах 60°–70°. В редких случаях полярные сияния наблюдаются даже на низких широтах. Полярные сияния различаются по форме, цвету и интенсивности, причем все эти характеристики иногда очень быстро меняются во времени.

      Видимое излучение, в основном, принадлежит  эмиссиям атомарного кислорода (зеленая  линия 557,7 нм и красный дублет 630 и 636,4 нм) и полосам ионизованного молекулярного азота 391,4; 427,8 и 522,8 нм (ближняя ультрафиолетовая, фиолетовая и зеленая части спектра). Свечение возникает в результате проникновения ускоренных частиц высоких энергий из хвоста магнитосферы в области овалов полярных сияний.

      Полярные  сияния – разноцветная световая гамма переменной интенсивности и структуры, наблюдаемая, как правило, в высокоширотных районах Земли. Визуальное полярное сияние содержит зеленую (557,7 нм) и красную (630,0 и 636,4 нм) эмиссионные линии атомарного кислорода и молекулярные полосы N₂, которые возбуждаются энергичными частицами солнечного и магнитосферного происхождения. Эти эмиссии обычно высвечиваются на высоте около 100 км и выше. Термин «оптическое полярное сияние» используется для визуальных полярных сияний и их эмиссионного спектра от инфракрасной до ультрафиолетовой области. Энергия излучения в инфракрасной части спектра существенно превосходит энергию видимой области. Частота появления полярных сияний коррелирует с 11-летним солнечным циклом, 27-дневным циклом, временами года и магнитной активностью. Частотой появления называется индекс визуальных полярных сияний. Этот индекс характеризует процент часов или ночей, в течение которых обнаруживаются полярные сияния на ограниченной части небосвода или по всему небу. Более информативным индексом является область охвата. Этот индекс характеризует число полярных сияний, наблюдаемых на небосводе в области зенита в определенном временном интервале. Зона полярных сияний, (зона Фрица, авроральная зона) – область широт максимальной повторяемости полярных сияний по данным наблюдателей в фиксированной точке на поверхности Земли. Зоны располагаются на 67° северной и южной широты, а их ширина составляет около 6°. Максимум появлений полярных сияний, соответствующий данному моменту местного геомагнитного времени, происходит в поясах овалов полярных сияний, которые располагаются асимметрично вокруг северного и южного геомагнитных полюсов. Овал полярных сияний фиксирован в координатах широта – время, а зона полярных сияний является геометрическим местом точек полуночной области овала в координатах широта – долгота. Овальный пояс располагается приблизительно на 23° от геомагнитного полюса в ночном секторе и на 15° в дневном секторе. Расположение овала полярных сияний зависит от геомагнитной активности, при высокой геомагнитной активности он становится шире. Геомагнитные силовые линии на границе дневного сектора овала полярных сияний совпадают с магнитопаузой. Наблюдается изменение положения овала полярных сияний в зависимости от угла между геомагнитной осью и направлением Земля – Солнце. Овал полярных сияний определяется также на основе данных о высыпаниях частиц (электронов и протонов) определенных энергий. Его положение может быть независимо определено по данным о каспах на дневной стороне и в хвосте магнитосферы. Суточная вариация частоты появления полярных сияний имеет максимум в геомагнитную полночь и минимум в геомагнитный полдень. На обращенной к экватору стороне овала частота появления полярных сияний резко уменьшается, но форма суточных вариаций сохраняется. На стороне овала, близкой к полюсам, частота появления полярных сияний уменьшается постепенно и характеризуется сложными суточными изменениями. Переливающееся всеми цветами радуги и причудливо меняющее свою форму полярное сияние – одно из красивейших солнечно-земных явлений, вызванное пульсациями геомагнитного поля и рентгеновского излучения, сопровождающими высыпание частиц солнечного и магнитосферного происхождения.

      Полярные  сияния особенно часто наблюдаются  через сутки после прохождения  больших солнечных пятен через  центральный меридиан Солнца. Развитие отдельных полярных сияний и магнитных  бурь совпадают.

      Проводились эксперименты в ионосфере и магнитосфере по генерации искусственного полярного сияния. Использовались мощные электронные и ионные пучки, существенно меняющие состояние среды (плазмы) и искусственно генерирующие ударные волны. Эксперименты показали, что ускорения частиц, обусловливающие авроральные явления (явления, связанные с полярными сияниями), развиваются на расстояниях более 150 км от Земли.

Энергетический  баланс Земли

   Энергетический баланс Земли обусловлен притоком энергии, приходящей от Солнца. Его суточные и годичные вариации, связанные соответственно с вращением Земли вокруг своей оси и с обращением Земли вокруг Солнца, приводят к регулярным изменениям погодных явлений. Вместе с тем структура атмосферы и, прежде всего, тропосферы, этой «кухни погоды», при аналогичной поддержке гидросферы постоянно нарушают плавность погодообразующих факторов и вносят иногда приятные, а порой и досадные изменения в течение погодных явлений. На рисунке приводятся среднегодовые значения потоков энергии в системе Солнце – Земля, выраженные в Вт/м². Левая часть схемы относится к коротковолновому излучению с длинами волн от 0,1 до 4 мкм, справа – для длинноволнового 3–45 мкм. Вертикальные стрелки указывают на уровни, до которых доходят соответствующие потоки, Э – поглощаемые (темные стрелки), а также излучаемые (светлые стрелки). Горизонтальные стрелки означают переход в тепло. Вверху слева – приходящий от Солнца поток 342 Вт/м². Эллипсы указывают области высот, на которых происходит основное поглощение соответствующих потоков (в стратосфере 12 и 24 Вт/м², в тропосфере 64 Вт/м² и 179 Вт/м²). Поток 186 Вт/м² доходит до поверхности Земли и теряет на отражение 24 Вт/м². Оставшаяся (наибольшая из всех) часть потока 162 Вт/м² поглощается подложкой. Поток, отраженный поверхностью Земли (24 Вт/м²), мало вкладывает в суммарное отражение Земли и атмосферы, поскольку в атмосфере преобладает релеевское рассеяние и отражение от облаков. Энергетическое равновесие стратосферы в основном обеспечивается поглощением солнечного ультрафиолета и длинноволновым излучением как вверх (18 Вт/м²), так и вниз (18 Вт/м²). Энергетическое равновесие тропосферы, в первую очередь, зависит от поглощения длинноволнового излучения в атмосфере (эллипсы справа) и также потоков излучения вверх (244 Вт/м²) и вниз (352 Вт/м²). Кроме того, играют роль вклады нерадитивных источников: скрытая теплота испарения (84 Вт/м²) и внутренняя энергия (25 Вт/м²).  
 
 
 

Солнце  и климат Земли

      Климат  на Земле определяется, в основном, притоком солнечной энергии, которая  определенным образом распределяется по всему земному шару в результате суточного и годичного движений Земли, с учетом наклона ее оси вращения и образования тепловых поясов (холодный, умеренный и жаркий). Если бы на Земле не было ни гор, ни глубоких морей и в любом месте все условия были бы совершенно одинаковы, то единственным фактором изменения было бы изменение инсоляции (освещенность солнечными лучами). Климат на каждой широте был бы одинаков, а погода в каждой точке менялась бы плавно и регулярно 

Механизм  воздействия солнечной  активности на метеопроцессы. Основная проблема поиска этого механизма – несоизмеримость потока энергии, приходящего к Земле (10²⁴–10²⁵ Вт), с энергетикой тропосферных процессов, мощность которых 10²⁶–10²⁷Вт. Несмотря на это, особенно при учете сезонных изменений, есть значимая корреляция между индексами СА и параметрами тропосферы (температура, давление, активность циклонов и морских течений и т.п. явлений). В качестве возможного механизма воздействия российские астрономы М.И.Пудовкин и О.М.Распопов предлагают считать, что солнечный ветер не является энергетическим источником атмосферных возмущений, но каким-то образом модулирует (регулирует) поступление энергии от какого-либо иного, более мощного источника, а именно – самого Солнца. Тогда модуляция энергии, поступающей в нижнюю атмосферу, должна быть обусловлена изменением ее оптических свойств.

      Воздействие Солнца на тропосферные процессы. Тропосфера и гидросфера оказываются важнейшими конечными звеньями процессов переноса энергии в единой системе Солнце – Земля. Для тропосферы вариации энергии солнечных факторов, обусловленные уровнем солнечной активности, незначительны по сравнению с энергетикой собственных тропосферных процессов (различие на 3–4 порядка). Энергия, запасаемая вблизи поверхности Земли, весьма велика. Она складывается из тепловой энергии суши, вод, воздуха, кинетической энергии ветровых, конвективных и турбулентных движений воздушных масс и множества других факторов. В обычных условиях имеет место энергетический и тепловой балансы Земли, который, благодаря парниковому эффекту, создает устойчивые локальные (местные) и климатические аномалии (особенно выделяющиеся в береговых зонах внутренних морей).

      Основным  источником динамических и физико-химических процессов, происходящих в земной атмосфере, является излучение Солнца. Вариации внутренних тепловых источников энергии  Земли очень малы, а роль техногенных  источников энергии также мала. Плотность потока солнечного излучения на границе земной атмосферы (солнечная постоянная), осредненная за многие годы, составляет S_о = 1366,4 Вт/м². С учетом вращения Земли в среднем за сутки поток на единицу площади поверхности составляет S_ср = 342 Вт/м². Это в 4 раза меньше солнечной постоянной, поскольку так относится площадь поверхности всего земного шара 4pR² к площади его диаметрального сечения pR². Все дальнейшие числовые значения приводятся в виде таких же среднесуточных значений.

      Тепловой  баланс Земли. Поскольку эффективная температура Солнца 5770 К, а эффективная температура Земли 248 К, то, в соответствии с законом Вина, максимум энергии, получаемой Землей от Солнца, приходится на область спектра около 0,43 мкм, в то время как энергия, теряемая Землей на излучение в космическое пространство, сосредоточена в основном в области 10 мкм. Такое различие областей спектра приходящего и уходящего излучения играет существенную роль и облегчает расчет теплового баланса Земли. Для расчета теплового баланса Земли обычно рассматривают две области электромагнитного спектра: коротковолновую (КВ, 0,1–4 мкм) и длинноволновую (ДВ, 3–45 мкм). Эти диапазоны соответствуют основным областям коротковолнового излучения Солнца (КВ) в сине-зеленой области видимого спектра (около 0,4–0,5 мкм) и основному излучению Земли в инфракрасной области около 10 мкм. Тепловой баланс Земли определяется равенством суммарного среднегодового потока энергии коротковолнового излучения Солнца, поглощенного атмосферой и поверхностью Земли (238 Вт/м²), и потока длинноволнового излучения Земли, покидающего планету (238 Вт/м²).

      При повышении уровня солнечной активности увеличивается поток электромагнитного  излучения в ультрафиолетовом и  рентгеновском диапазоне и количество энергичных частиц (электронов и протонов) с высокой энергией. В результате на Землю поступает дополнительная энергия, выделенная в активных областях солнечной атмосферы (энергетический аспект солнечно-земных связей). Далее происходит перераспределение ранее накопленной энергии в магнитосфере и атмосфере Земли (информационный аспект). Соответствующее перераспределение энергии между различными областями может сопровождаться либо плавным и ритмичным изменением индексов магнитной активности либо скачкообразно, благодаря триггерному (пусковому) механизму, обеспечивающему внезапную реализацию энергии, ранее накопленной в той или иной форме. Кроме того, возможны и другие механизмы неустойчивости, например, клапанный механизм, включающийся при изменении некоторых параметров среды.  
 
 
 
 
 

      Влияния солнечной активности на метеопроцессы, солнечная  активность и температура  Земли. Как установил Эдуард Брюкнер (немецкий географ и климатолог, известный исследованиями периодических изменений климата), возможно, есть некий метеорологический цикл со средней длительностью 35 лет, что соответствует трем 11-летним циклам. Цикл Брюкнера выражает многолетние колебания климата от холодных и влажных лет к теплым и сухим на протяжении от 20 до 50 лет. В отдельных случаях продолжительность цикла Брюкнера может меняться. Еще в 17 в. этот цикл был замечен в изменениях температуры северо-западной Европы. В конце 19 в. Брюкнер обнаружил, что цикл имеет более широкий планетарный характер и, в частности, установил его в колебаниях уровня Каспийского моря, в ходе осадков, в изменениях ледников ряда горных систем.