Геомагнетизм, ионосфера, полярные сияния

Нашу планету опоясывают невидимые глазом магнитные силовые линии. Земля - магнит. Это всем известно по поведению магнитной стрелки компаса. Измерения магнитного поля, сделанные в различных местах земного шара, показали, что магнитные силовые линии распределены в пространстве вокруг Земли подобно тому, как железные опилки распределяются на стекле вокруг обычного магнитного стержня. Только Земля является гигантским магнитом, имеющим форму шара.

Если представить себе Землю как однородный магнит, то магнитные силовые линии соединяют так называемые геомагнитные полюса, и эти гигантские невидимые линии распространяются в виде арки над Землей на несколько земных радиусов. Геомагнитные полюса, или полюса однородного намагничения Земли, находятся в полярных районах, и магнитная ось, соединяющая их, наклонена к оси вращения Земли под углом примерно 11,5°. Геомагнитные полюса, таким образом, не совпадают с географическими полюсами. Станция Восток на 78°28' ю. ш., 106°48' в. д. находится в районе Южного геомагнитного полюса. Северный геомагнитный полюс находится на 78°26' с. ш., 69°42' з. д., на северо-западном берегу Гренландии. В этом районе расположены датская научная станция Туле и военная база США.

Такое распределение магнитного поля, по современным представлениям, связано с движениями, происходящими в жидком ядре Земли. При вихревом движении жидких масс ядра возбуждается электрический ток, который и создает главное магнитное поле. Строение магнитного поля у поверхности Земли значительно сложнее. На разных глубинах в земной коре залегают железные руды, которые образуют магнитные аномалии. Чем глубже залегает рудное тело и чем больше его размеры, тем мощнее и обширнее магнитная аномалия в данном районе.

Сложение главного магнитного поля, обусловленного процессами в ядре Земли, и полей, обусловленных многочисленными магнитными аномалиями, дает постоянное магнитное поле. Магнитные полюса, или полюса наклонения, где магнитная стрелка становится вертикально, являются результирующими всех магнитных сил у поверхности Земли. Но если мы будем подниматься вверх над поверхностью Земли, то влияние магнитных аномалий в разных частях Земли будет постепенно уменьшаться и на больших высотах останется лишь главное магнитное поле, поэтому геомагнитные полюса не будут совпадать с магнитными полюсами.

Северный геомагнитный полюс расположен примерно на 7° севернее и на 28° восточнее магнитного, а Южный геомагнитный полюс - примерно на 9° южнее и на 38° западнее. "Примерно" - потому что магнитные полюса постепенно смещаются. Чем обусловлено смещение магнитных полюсов, пока науке неизвестно. Геомагнитные же полюса находятся в неизменном положении. При исследовании целого ряда явлений земного магнетизма, ионосферы и полярных сияний применяются не географические, а геомагнитные координаты, то есть координаты, отсчитываемые не от географических полюсов, а от геомагнитных полюсов. Широта геомагнитных координат отсчитывается от геомагнитных полюсов, а долгота определяется углом между магнитным меридианом места и магнитным меридианом, проходящим через географический полюс. Магнитное поле не воспринимается непосредственно органами чувств, но для жизни на Земле оно имеет важное значение, так как улавливает заряженные частицы огромных энергий, испускаемые Солнцем, губительные для всего живого.

Для морской и воздушной навигации необходимо знать распределение магнитного поля по всей поверхности земного шара, в том числе и в полярных областях.

В Антарктике измерения магнитного поля выполнены на большинстве береговых станций, во время походов, при полетах самолетов методом аэромагнитной съемки, на кораблях в океане. В результате многолетних наблюдений для Антарктики составлены надежные магнитные карты. Установлены две крупные, или, как их иногда называют, мировые, аномалии: одна - в секторе Южного океана со стороны Атлантического и Индийского океанов и вторая - к югу от Австралии. Эти две аномалии определяют общее распределение напряженности постоянного магнитного поля Антарктики.

Меньшие аномалии, которые называют региональными или локальными, выявлены по линиям, походов поездов на ледниковом куполе, при аэромагнитных съемках в местах геологических исследований. Таких аномалий бесчисленное множество как на континенте, так и в Южном океане. Эти аномалии позволяют судить о геологическом строении данной местности, о мощности льда. При аэромагнитной съемке на высоте полета 600 метров величины интенсивности таких магнитных аномалий значительно меньше, чем при параллельных наземных определениях. Это свидетельствует о том, что эти магнитные аномалии обусловлены залеганием железных руд близко к поверхности.

Постоянное магнитное поле не является постоянным в полном смысле этого слова. Его сила в каждой точке изменяется, но эти изменения происходят настолько медленно, что их можно обнаружить через годы. Поэтому такие изменения носят название "вековой ход". Как уже говорилось выше, причины этих изменений неизвестны. Но они имеют важное практическое значение. Поэтому в определенных пунктах через каждые несколько лет определяются значения составляющих магнитного поля. Происшедшие с предыдущего раза изменения делятся на число прошедших лет, и на картах указывается изменение магнитного поля за один год.

Напряженность магнитного поля может меняться в течение суток или даже нескольких часов. Такие изменения позволяет уловить непрерывная регистрация. Обычно эти колебания кратковременны и невелики. Как правило, они не превышают 0,5% от постоянного магнитного поля и в редких случаях, в период магнитных бурь, достигают 8%. Это переменное магнитное поле, и вызвано оно воздействием на магнитные силовые линии электрических токов, текущих в верхних слоях земной атмосферы и за ее пределами.

Особенно сильные кратковременные колебания магнитного поля наблюдаются в полярных районах.

Прежде чем дать характеристику переменного магнитного поля над Антарктикой, укажем, что благодаря регулярным наземным наблюдениям, выполнение которых в полярных районах началось с программы Международного геофизического года, то есть с середины пятидесятых годов 20-го столетия, а также систематическим запускам геофизических спутников за последние годы в представлениях о геомагнетизме произошли коренные изменения, равные эпохальным открытиям. Это в первую очередь открытие того факта, что магнитное поле простирается от Земли на расстояние более 100 тысяч километров. Магнитные силовые линии подвержены постоянному воздействию Солнца. Всем известно, что Солнце обогревает Землю, испуская тепловые лучи. Величина этого излучения называется солнечной постоянной, составляет она около 2 калорий в секунду на 1 см² на внешней границе атмосферы. Эта величина действительно постоянна, и даже незначительное ее изменение оказало бы существенное влияние на погоду и климат нашей планеты. Теоретически подсчитано, что изменение солнечной постоянной на 1% привело бы к изменению средней температуры на Земле на 1°. Много это или мало? Подсчитано, что понижение средней температуры воздуха у поверхности Земли на 3-4° привело бы к новому оледенению.

Кроме теплового излучения, Солнце испускает невидимые коротковолновые лучи. Поток коротковолновых солнечных лучей, встречая на своем пути силовые линии геомагнитного поля, силой давления деформирует их, сплющивая на стороне Земли, обращенной к Солнцу, и вытягивая их, как бы сдувая, в сторону, противоположную от Солнца. Поэтому этот поток коротковолновой радиации получил название "солнечный ветер". Солнечный ветер вытягивает магнитные силовые линии в длинный хвост Земли, при этом некоторые силовые линии сдуваются настолько далеко от Земли, что уходят в межпланетное магнитное поле и остаются незамкнутыми, или "открытыми". Однако большая часть силовых линий, расположенных ближе к Земле, хотя и вытягиваются в длинный хвост, но замыкаются и являются "закрытыми", соединяя районы геомагнитных полюсов Земли, но уже не в виде окружностей, а в виде неправильных эллипсов, вытянутых на разные расстояния. Магнитные силовые линии улавливают коротковолновую часть солнечной радиации, образуя пояса заряженных частиц, окружающих нашу Землю. В отличие от видимого теплового излучения, невидимое коротковолновое излучение Солнца весьма изменчиво. Во время вспышек на Солнце, которые происходят спорадически, солнечный ветер усиливается. Через некоторое время он достигает магнитосферы Земли, изменяет ее структуру и напряженность электрического поля. Так возникают магнитные бури. При этом чем эти лучи короче по длине волны и, соответственно, чем больше их энергия, тем глубже они проникают в магнитосферу.

Кроме внезапных вспышек, на Солнце периодически образуются солнечные пятна, с периодом изменений их интенсивности и количества в 11 лет. Эти пятна также обусловливают колебания коротковолнового излучения. Период интенсивного образования этих пятен называется периодом солнечной активности, а когда этих пятен мало или совсем нет, то этот период называется периодом спокойного Солнца. Программа Международного геофизического года (МГГ) в 1957 году была приурочена как раз к середине одиннадцатилетнего периода солнечной активности, а через 11 лет, в 1968 году, была осуществлена программа Международного года спокойного Солнца (МГСС), когда пятен на Солнце было мало. Солнце вращается вокруг своей оси с периодом 27 суток. Положение пятен по отношению к Земле меняется также с периодом 27 суток. Отсюда возникает еще 27-дневная повторяемость магнитных возмущений.

Магнитные силовые линии собираются в пучок в районе геомагнитных полюсов, и вследствие воздействия коротковолновой солнечной радиации магнитное поле в полярных районах всегда более или менее возмущено, даже тогда, когда в более низких широтах оно спокойно. Наибольшая возмущенность наблюдается во время полярного дня. Земля вращается вокруг своей оси; наблюдения показали, что на освещенной Солнцем стороне магнитосфера более возмущена, причем это особенно заметно в полярных областях. Потоки коротковолновой радиации от Солнца при встрече с магнитосферой Земли разделяются на две части и по магнитным силовым линиям распространяются почти мгновенно к северной и южной полярным областям, поэтому магнитные бури и периодические колебания магнитного поля возникают одновременно и там, и там. Это называется "сопряженностью" геофизических процессов. Причем эта сопряженность характерна по той же причине для полярных сияний и состояния ионосферы, о которых речь пойдет ниже.

Значительную часть Южнополярной области занимает Антарктида, где созданы стационарные станции. Центральная часть Северной полярной области занята Северным Ледовитым океаном; здесь геофизические наблюдения ведутся на дрейфующих станциях, которые все время смещаются вместе с дрейфующими льдами, что затрудняет интерпретацию наблюдений. Вот почему геомагнитные наблюдения в Антарктиде представляют исключительный интерес для изучения магнитного поля Земли в целом. Многолетними наблюдениями за переменным магнитным полем в Антарктиде установлены закономерности суточных и годовых вариаций, их изменений на разных широтах в течение года, в зависимости от полярного дня и полярной ночи, в зависимости от солнечной активности.

Многие важные геомагнитные явления были открыты окончательно с помощью ракет и искусственных спутников Земли, но эти открытия были бы невозможны без привлечения непрерывных наземных наблюдений, особенно в Антарктиде.

Большое значение для понимания геофизических процессов у поверхности Земли и в околоземном пространстве имеют комплексные наблюдения за геомагнитными возмущениями, явлениями в ионосфере и полярными сияниями, так как они происходят от одних и тех же причин.

Ионосфера - это внешняя часть земной атмосферы, где под влиянием энергии коротковолновой радиации Солнца и других космических лучей происходит ионизация молекул и атомов элементов воздуха, то есть разложение их на нейтральные частицы и свободные заряженные частицы - электроны и ионы.

Предположение о существовании ионосферы возникло в связи с изобретением радио и изучением распространения радиоволн. Было обнаружено, что, несмотря на кривизну земной поверхности, радиоволны, посылаемые передатчиками малой мощности, распространяются на многие тысячи километров. В 1902 году английский физик Хевисайд высказал предположение, что на высоте 100 километров над поверхностью Земли существует заряженный слой, который отражает радиоволны обратно к Земле; радиоволна, многократно отражаясь от этого слоя и поверхности Земли, способна огибать земной шар.

Вначале считали, что ионизированные газы окружают Землю спокойным сплошным слоем (слой Хевисайда). Позднее было установлено, что ионосфера имеет более сложное строение и состоит из нескольких слоев, расположенных на разных высотах в верхней атмосфере.

Радиоволны и были использованы для исследования ионосферных слоев. Станция зондирования ионосферы посылает короткий электромагнитный радиоимпульс вертикально вверх. Этот импульс отражается от ионизированного слоя и возвращается обратно. Электромагнитная волна распространяется со скоростью 300 тысяч километров в секунду. По времени между моментом посылки и приходом отраженного импульса определяется высота отражающего слоя ионосферы.

Каждый слой ионосферы отражает электромагнитные волны только определенной частоты. Импульсы другой частоты проникают сквозь него свободно и уходят в мировое пространство, не отражаясь. Кроме того, радиосигналы в ионосфере испытывают поглощение, частичное или полное. Происходит это из-за соударения свободных электронов с нейтральными молекулами и ионами, вследствие чего часть энергии радиоволны переходит в тепловую энергию частиц ионосферы. Кроме метода радиоволн, исследования ионосферных слоев в последние годы ведутся с помощью ракет и спутников.

По результатам исследований установлено, что ионосфера начинается с высоты 50 километров и простирается до верхней границы атмосферы. Но плотность электронов имеет несколько максимумов на разных высотах, и эти максимумы называются регулярными ионосферными слоями.

Ближайший к Земле слой D начинается на высоте 50 километров, он не имеет максимума плотности по высоте и плавно переходит в следующий слой, Е. Слой D поглощает часть энергии проходящих через него радиоволн, в нем радиоволны затухают; степень затухания зависит от высоты солнца над горизонтом, от широты места, от солнечной активности. В периоды солнечной активности в Антарктике и Арктике ионизация слоя D резко увеличивается, и тогда короткие радиоволны полностью поглощаются, отражения их не происходит и радиосвязь становится невозможной. Это объясняется тем, что после вспышек на Солнце корпускулярные солнечные потоки вторгаются в магнитосферу, по магнитным силовым линиям отклоняются к полюсам, проникают глубоко в атмосферу и вызывают здесь высокую ионизацию. Таким образом, магнитные и ионосферные возмущения имеют общую природу - солнечное корпускулярное излучение, и потому они называются магнитно-ионосферными возмущениями. Слой D переходит в слой Е с максимумом плотности на высотах 100-120 километров. Выше, в пределах 200-500 километров, находится слой F; он подразделяется на слой F1, имеющий максимум ионизации на высотах 200-240 километров, и слой F2 с максимумом ионизации на высоте около 300 километров.

Выше слоя F плотность электронов постепенно убывает. Интенсивность ионизации слоев Е и F1 зависит от высоты солнца над горизонтом. Летом, когда в высоких широтах солнце не уходит под горизонт, слои Е и F1 наблюдаются круглые сутки с максимумом в околополуденные часы. Зимой интенсивность ионизации этих слоев слабее. Слой F2 образуется в годы высокой солнечной активности.

Таким образом, ионосфера - это не постоянный слой ионизированных частиц верхней атмосферы. Она изменяется, и ее состояние зависит от солнечного сияния и солнечной активности. Особенно интенсивны эти изменения в Арктике и Антарктике. Специфическим только для полярных областей является авроральное поглощение, которое наблюдается в кольцевой полосе, симметричной относительно геомагнитных полюсов. Недавнее открытие аврорального поглощения связано с появлением риометра - прибора, регистрирующего изменения силы приема радиоизлучения, приходящего на Землю из Галактики.

Авроральное поглощение происходит одновременно в Арктике и Антарктике и совпадает с кольцевыми полосами полярных сияний. Поэтому оно и получило название аврорального Aurora - греческое слово, в переводе на русский язык означет "сияние".

Полярным сиянием называется свечение высоких слоев атмосферы в полярных областях. О полярных сияниях в Арктике было известно с древних времен, поэтому оно называлось северным сиянием. О сиянии южном человечество узнало только после плаваний экспедиций Кука и Беллинсгаузена. А регулярные наблюдения за южными полярными сияниями начались лишь в период Международного геофизического года, то есть с 1957 года. Оказалось, что южные и северные сияния связаны с магнитосферой и ее взаимодействием с Солнцем. Как было установлено, происходят они одновременно в Арктике и Антарктике. Кольцевая полоса максимума полярных сияний проходит примерно вдоль 67° геомагнитной широты. Но так как геомагнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то зона полярных сияний расположена несимметрично относительно географических полюсов. Поэтому в Арктике полярные сияния более ярко выражены над Мурманском или над Новосибирскими островами, чем в Центральной Арктике. Зона максимума полярных сияний в Антарктике как бы сдвинута в сторону Индийского и западную часть Тихого океана. В районе Мирного, например, полярные сияния хорошо выражены в сторону экватора. Со стороны же Атлантического океана зона максимума полярных сияний расположена над Антарктидой.

Наблюдения за полярными сияниями долгое время проводились визуально - их характер, яркость, цвет описывались наблюдателем. Начиная с МГГ на многих станциях были установлены специальные широкоугольные фотокамеры, а на некоторых стали вестись спектрографические наблюдения. Полярные сияния разнообразны по форме, яркости, цвету, подвижности и продолжительности. Но можно их разбить на два класса: лучевой структуры - лучи, короны, драпри, лучистые дуги и полосы, они наиболее подвижные, яркие и короткие; однородные дуги и диффузные поверхности, они спокойны, неяркие и длительные. Цвет сияний чаще зеленый и реже - фиолетовый и красный.

Сияния наблюдаются на высотах 100-150 километров от поверхности Земли. Интенсивность полярных сияний связана с солнечной активностью и состоянием магнитосферы. Теория объясняет это следующим образом: заряженные частицы, летящие от Солнца, вызывают ионизацию газов в верхних слоях атмосферы, которые вдоль магнитных силовых линий распространяются в полярные зоны.

Спектрографические наблюдения показали, что цвет сияния зависит от свечения атомов газа разреженной атмосферы. Зеленый и красный цвета - это свечение атомарного кислорода с разной длиной световой волны, а фиолетовый - молекулярного азота.

Раньше думали, что на больших высотах находится один водород как более легкий газ. Изучение спектра полярных сияний показало, что и на высотах 100-150 километров атмосфера имеет азотно-кислородный состав. Непосредственные наблюдения с помощью ракет и спутников подтвердили это. Анализ наблюдений за полярными сияниями показал, что кольцо полярных сияний не остается постоянным, оно то уменьшается, то увеличивается. Связано это с активностью Солнца. Солнечный ветер на дневной стороне сжимает магнитное поле Земли. Часть магнитных силовых линий "сдувается" на ночную сторону и уходит далеко в мировое пространство в виде хвоста. Лишь часть магнитных линий замыкается, образуя сердцевину магнитосферы. В зависимости от солнечной активности сила солнечного ветра меняется, меняются размеры сердцевины, а следовательно, меняется размер кольца полярных сияний. При усилении солнечного ветра часть замкнутых силовых линий разрывается и улетает в хвост, а граница сердцевины магнитосферы проектируется на более низкие широты, и, таким образом, размер кольца сияний увеличивается. Возрастает солнечный ветер после вспышек на Солнце - возрастает и интенсивность полярных сияний. Конечно, это лишь схематичное объяснение сложной взаимосвязи между полярными сияниями, потоками частиц, попадающих в магнитосферу, состоянием самой магнитосферы и активностью Солнца. Вследствие вращения Земли вокруг своей оси, годового обращения Земли вокруг Солнца происходят суточные, сезонные и годовые изменения состояния ионосферы и полярных сияний. На это накладываются еще многолетние колебания солнечной активности.

Все это требует длительных, непрерывных наблюдений в разных точках Земли и особенно в полярных районах. Многие детали этого сложного комплекса природных явлений пока не раскрыты.

Ранее было сказано, что на шарообразной Земле радиосвязь возможна на любые расстояния благодаря наличию ионосферы. Нарушения радиосвязи обусловлены увеличением поглощения радиоволн в ионосфере и снижением отражательной способности регулярных слоев из-за уменьшения плотности ионизации и увеличения рассеяния радиоволн в них. Но это происходит по-разному для разных частот радиволн. Следовательно, чтобы не нарушалась радиосвязь, нужно подбирать соответствующие длины радиоволн и выбирать наилучшее время суток. Так, например, радиосвязь Антарктиды с Москвой наиболее благоприятна в ночные часы, когда устойчива радиотелеграфная, радиотелефонная и фототелеграфная связь при малой мощности передатчиков. На радиолиниях, проходящих в районе полярных шапок, из-за специфического строения здесь ионосферы в периоды интенсивных вспышек на Солнце радиосвязь иногда полностью прекращается.

Особенно сложна радиосвязь из-за существования кольцевой зоны полярных сияний, где наблюдается авроральное поглощение радиоволн. Радиосвязь зависит от положения радиолиний относительно зоны полярных сияний. В Советской антарктической экспедиции важна надежная радиосвязь между станциями, и приходится учитывать, как эти станции расположены относительно зоны полярных сияний. Если один или оба конечных пункта лежат в зоне полярных сияний, то радиосвязь может нарушаться в ночные и утренние часы. Радиосвязь между станциями Восток и Мирный почти всегда надежна, так как обе они расположены в полярной шапке, линия радиосвязи не пересекает зону полярных сияний, ибо она находится южнее. Вариантов может быть много.

В этом очерке рассмотрены лишь некоторые результаты наблюдений за явлениями в магнитосфере Земли, ведущихся в Антарктике. Наблюдения в Антарктике являются составной частью обширных исследований не только у поверхности Земли, но и в околоземном космическом пространстве, осуществляемых искусственными спутниками Земли.

По последним воззрениям, в магнитосфере вследствие сдувания солнечным ветром магнитных силовых линий в полярных районах существуют нейтральные воронки, так называемые каспы, или магнитосферные щели, где практически нет магнитного поля, через которые частицы солнечного ветра беспрепятственно проникают к поверхности Земли. Эти воронки образуются на границе замкнутых силовых линий с линиями, которые "сдуваются" солнечным ветром в виде хвоста Земли в мировое пространство.

По данным геофизических наблюдений на антарктических станциях открыты суточные перемещения каспа на 5-6° по Широте. Факт широтного изменения зоны каспа подтвердился отдельными измерениями с геофизических спутников. Эти колебания связаны с изменениями магнитного поля, вызываемыми вращением Земли и активностью Солнца.

Все это имеет важное значение как для прикладных целей, в частности для прогнозов радиосвязи, так и для фундаментальных вопросов - разработки моделей магнитосферы, выявления взаимодействия Земли в целом с Солнцем и космическим пространством.