Лекция 10. Гелиофизические факторы
Гелиофизические факторы – различные виды космической радиации (жестко корпускулярное, рентгеновское, коротковолновое излучение и др.), возникающее вследствие физических процессов на Солнце, которые оказывают влияние на магнитосферу, верхние слои атмосферы и биосферы земли.
Совокупность упорядоченных явлений, происходящих на Солнце и вызывающие различные виды излучений, называется «солнечная активность».
Солнечная активность проявляется:
•солнечнымо излучения в коротковолновой части спектра (ультрафиолет и рентген),
•солнечным излучением видимого спектра,
•потоком выброшенной Солнцем движущейся в межпланетном пространстве
плазмы (солнечный ветер) в виде космических лучей.
Энергия излучается солнечной атмосферой, которая состоит из 3-х слоёв:
1.Фотосферы
2.Хромосферы (состоит главным образом из водорода, видна во время затмений Солнца в виде кольца красного цвета).
3.Солнечной короны (во время солнечного затмения выглядит как венец белого
цвета).
Видимая на небесном своде в виде диска поверхность Солнца, называемая фотосферой, неоднородна. На ней периодически возникают пятна, которые кажутся тёмными, так как их температура (4500˚С) меньше температуры фотосферы (6000˚С). Пятна соответствуют местам расположения сильных магнитных полей.
Немецкий учёный Р. Вольф в середине прошлого века обнаружил, что пятна на солнце появляются и исчезают на диске солнца с определённой периодичностью. Каждые 11 лет наступает минимум числа пятен W, или числа Вольфа, как его иногда называют. Этот минимум считается концом одного и началом другого солнечного 11летнего цикла. В период минимума значение W близко к нулю (практически нет пятен на диске), а в период максимума оно может превышать 150 у.е.
СА отмечается не тольк 11-летней периодичностью. 11 лет – это короткий цикл. Существуют также средний цикл (110 и 300 лет), и длинный цикл – предположительно около
11 000 лет В течение солнечного цикла происходят изменения солнечной активности, а также
частота проявлений спонтанных событий – прежде всего, солнечных вспышек (появление дыр, пятен). Солнечные вспышки представляют собой гигантские взрывоподобные выбросы вещества из атмосферы Солнца, при которых резко усиливается жёсткое (рентгеновское) излучение и возрастают потоки энергетических частиц.
Даже при солнечной вспыщке средней интенсивности выделяется огромное количество энергии (примерно 10в25 степени Дж).В межпланетное пространство выбрасываются при этом потоки заряженных частиц со скоростью и энергией большей, чем энергия частиц сонечного ветра.
Однако, ни в течение солнечного цикла в целом, ни во время вспышек не происходит существенного увеличения общего потока излучения Солнца. Этот поток часто называют солнечной постоянной, и оно действительно практически постоянен, изменяясь от минимума к максимуму солнечного цикла менее чем на 0,2%.
104
Для характеристики солнечной активности обычно используют один из 2-хиндексов дозы относительно доли уменьшения 2-х индексов – либо само число пятен W, либо F (10,7)
– поток солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см. Эти индексы бывают ежедневные, усреднённые за месяц и за год. Именно последние чаще всего используются, когда пытаются выявить связь между погодными характеристиками и солнечной активностью, основываясь на многолетних данных.
Корпускулярные токи (космические лучи), испускаемые солнцем в межпланетное пространство, получили название солнечного ветра, который состоит в основном из протонов и электронов. Можно обнаружить также ядра гелия, С, О, азота и некоторых тяжёлых металлов. Его характеристики зависят от СА.
Часимцы имеют скорость примерно 400км/сек (1,4 млн. км/час) и плотность десятки частиц на кв.см. Примерно через 4-5 дней они достигают поверхности Земли.
Частицы солнечного ветра «вытягивают» за собой силовые линии магнитного поля Солнца, взаимодействуя с магнитным полем Земли, образуют межпланетное магнитное поле (ММП). Частицы солнечной плазмы движутся к Земле по траекториям, имеющим «левую» или «правую» конфигурацию. При этом силовые линии ММП образуют упорядоченную секторную структуру: когда силовые направлены от Солнца, сектор обозначается знаком «+», а когда направлены к Солнцу -знаком «-». Границы между секторами представляют собой вполне реальные газодинамические разрывы. При прохождении которых физические характеристики ветра резко меняются.
Когда Земля пересекает секторные границы ММП (в среднем это происходит каждые 7 суток), в её магнитосфере существенно перестраивается система токов и полей.
Магнитное поле Земли (геомагнитное поле – ГМП) образуется в результате осевого вращения Земли, имеющей железное ядро и движения Земли по орбите. В результате этого в металлическом ядре протекают токи в триллионы ампер. Эти токи формируют магнитное поле Земли.
Магнитное поле Земли дипольно и весьма небольшое по своей величине – 0,6 гаусс. Магнитная ось проходит не вдоль географической оси, а составляет с ней угол в 11 градусов. Это значит, что географические и магнитные плолюса не совпадают. Силовые линии ГМП направлены вертикально вверх от Северного магнитного полюса (он расположен в Южном полушарии). На Южном магнитном полюсе (расположен в Арктике) они направлены вниз. На экваторе силовые линии идут параллельно земной поверхности. Граница мгнитного поля Земли называется магнитопаузой. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы.
Солнечный ветер под воздействием магнитного поля Земли отклоняется к полюсам, частично захватывается и изменяет структуру магнитного поля Земли. В результате силовые линии ГМП вытягивается на 100 и более земных радиусов в сторону противоположную Солнца (шлейф или хвост).
Образуется область, содержащая плазму солнечного ветра и магнитное поле Земли, которая называется магнитосферой. Эта магнитосфера защищает Землю от мощного потока солнечного высокоэнергетического излучения и передаёт в атмосферу часть солнечной энергии, необходимой для биосферы. Это связано с тем, что большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ей.
Заряженные частицы могут проникать в атмосферу Земли через область воронок, которые имеются в Северном и Южном полушарии на высоких широтах (70 широты). Кроме того, заряженные частицы проникают через шлейф или хвост, так как в сильно удлинённой магнитосфере напряжённость магнитного поля мала. Интенсивность космических лучей уменьшается при повышении атмосферного давления и температуры воздуха.
Заряженные частицы, проникшие в атмосферу Земли на высоких широтах (ионосферу), вызывают сильную ионизацию атомов и молекул. В результате ионизации атмосферный газ обладает выраженной способностью проводить электрический ток. Имеется 2 электриче-
105
ских потока: с Востока на Запад и с Запада на Восток. Этими потоками порождается вторичное, дополнительное магнитное поле. Таким образом, магнитосфера Земли совместно с солнечным ветром образует электрический генератор. Этот элекрический генератор преобразует кинетическую энергию частиц солнечного ветра в электрическую. Мощность этого генератора составляет 10 в 12 степени ватт.
Солнечная активность влияет на:
1.Тропосферную циркуляцию:
•Осадки;
•Температура;
•Уровень грунтовых вод.
2.Магнитосферу:
•градиент потенциала электрического поля.
3.Озоносферу:
•Интенсивность приземного УФ-излучения (290-320 нм).
4.Биологические факторы.
Повышение СА ведёт к:
Возмущению в магнитосфере, что ведёт, в свою очередь к: а) увеличению пульсаций и изменению их спектра; б) Генерации инфразвука; в) повышению градиента потенциала
Повышению интенсивности УФ излучения и рентгеновского излучения. Это ведёт к: А) повышению градиента потенциала; Б) повышению интенсивности УФ
Все эти воздействия оказывают своё влияние на биосферу
При солнечной вспышке поток электромагнитной энергии достигает поверхности Земли черех 12-24 часа. Под его давлением магнитосфера Земли на дневной стороне сжимается примерно вдвое (до 3-4 земныъ радиусов). Из-за сильного сжатия магнитосферы увеличивается напряжённость магнитного поля, что ведёт к развитию магнитной бури. Существует 27-дневный цикл магнитных возмущений, соответствующий циклу солнца. Длч определения интенсивности ГМП применяют специальные индексы, отражающие колебания вектора напряжённости в течение 3-х часового интервала. Сущкствубт локальные (К) и планетарные (Кр) индексы, а для характеристики суточной активности ГМП используют сумму планетарных индексов (∑Кр), Ар, Ср. Индекс Кр меняется в диапазоне от 0 до 9. По среднесуточному индексу Ср, магнитные возмущения равны 1,5 и более.
Магнитная буря имеет 3 фазы:
1.Начальная (длиться 4-6 часов). В течение этого периода размеры магнитосферы либо восстанавливаются, либо увкличиваются.
2.Главная фаза – период пониженной напряжённости магнитного поля (длиться 10-15 часов).
3.Восстановительная фаза – происходит колебательное восстановление первоначальных размеров магнитосферы (несколько часов).
Хотя биосфера, в общем, хорошо изолирована от космической среды, эта изоляция
относительна. Хорошо установлено, что целый ряд параметров биосферы зависит от вариаций солнечной активности.
Факторы, воздействующие на человека во время магнитной бури:
•Микропульсация ГМП (пульсации с частотой 0,1Гц оказывают максимальное воздействие на нервную систему);
•Инфразвук (распространяется из области высоких широт);
•Повышение интенсивности УФ излучения;
•Изменение метеоусловий;
•Изменение атмосферного электричества;
•Изменение радиоактивности за счёт эксгаляции родона.
106