Солнечный ветер и магнитосфера. Солнце рассылает во все стороны сквозь Солнечную систему потоки частиц — протонов, электронов, ядер гелия, энергичных фотонов (гамма-, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение). Это солнечный ветер.
Земля — магнит. Двигаясь вдоль линий магнитного поля Земли, частицы солнечного ветра вторгаются в атмосферу недалеко от магнитных полюсов и вызывают полярные сияния. Северное сияние — над Арктикой и южное сияние — над Антарктикой. Это светятся под ударами солнечных частиц атомы атмосферы — азот и кислород. Полярные сияния видны преимущественно как красные и зеленые сполохи в небе. В некоторые дни, месяцы и годы солнечный ветер «дует» относительно ровно, спокойно. Основная его составляющая — протоны и электроны, которые летят от Солнца к Земле со скоростью до 300 км/с. Их энергия пропорциональна квадрату скорости (вспомним формулу для кинетической энергии из школьного курса физики), и спокойный ветер вызывает полярные сияния лишь над белыми медведями и пингвинами. А в годы активного Солнца, во время геомагнитных бурь, когда скорость солнечного ветра возрастает до 1000 км/с, полярные сияния проявляются над Средней Россией и даже более южными странами. На рисунке показана зона распространения полярных сияний в зависимости от силы магнитной бури, измеряемой индексом Кр от 0 до 9.
В год солнечной активности обычно происходит несколько мощных геомагнитных бурь, и если бы не пасмурная погода, полярные сияния часто наблюдались бы на территории всей России. Они длятся десятки минут и сияют ярче звезд и городских огней, мешая астрономам наблюдать небо. Можно фотографировать и снимать полярные сияния на видео, стараясь избегать засветки людскими огнями, и при фотографировании выбирать экспозицию 1-20 секунд, чтобы сияние проявилось, но не смазалось из-за вращения неба. Периоды активного Солнца повторяются примерно через 11 лет: последние в 1979-1982,1988-1992, 1999-2002, 2011-2013 годах.
Магнит Земли
В недрах Земли, вокруг ее ядра, при температуре более 5 000° существует сферический слой расплавленного вещества (железа, серы и других). Это вещество ионизовано, т.е. разделено на положительные и отрицательные ионы (ядра атомов и электроны). Вращение Земли, подъем горячих потоков и опускание остывших вызывает движения ионов. А это электрический ток, который генерирует электромагнитное поле. Из-за сплюснутости Земли на ее поверхности есть две точки, наиболее близкие к глубинному слою расплавленного вещества, по-этому здесь магнитное поле сильнее, чем в других точках поверхности. Это магнитные полюса Земли. Фактически здесь из недр вырываются невидимые потоки электронов (на южном полюсе) и протонов (на северном). Эти потоки бегут сквозь околоземное космическое пространство и уходят обратно в недра Земли у полюса, противоположного тому, из которого вышли. Так генерируется магнитное поле, магнитосфера Земли.
Из-за сплюснутости Земли обычно ближе всего к ядру и географические полюса, поэтому географические и магнитные полюса находятся рядом — как на Земле последние 400 лет. Но в последние годы магнитные полюса смещаются на 60 км в год и, к тому же, располагаются существенно не друг напротив друга, видимо, из-за неправильной и меняющейся формы земного ядра. Последние десятилетия северный магнитный полюс был в канадском арктическом архипелаге, но при сохранении нынешнего смещения через 5 лет он вступит в арктический сектор России.
Полярные сияния есть на всех планетах с магнитосферой, которая создается процессами в жидких недрах планет. В Солнечной системе планет с жидкой начинкой шесть: Меркурий, Земля и все планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Кроме того, озера соленой воды, возможно, есть в недрах некоторых спутников. Из-за разного состава атмосферы цвет полярных сияний над планетами разный.
Полярные сияния и падения космических аппаратов
Вспышки солнечной активности сопровождаются не только полярными сияниями, но и падением на Землю космических аппаратов. Конечно, большинство из них сгорают в атмосфере, а не падают на головы людей. Но вместо них приходится отправлять в космос новые, дорогие. Солнце «запускает руку» в ваш кошелек. Как?
Энергичные частицы солнечного ветра, сталкиваясь с нейтральными атомами атмосферы, расщепляют их также на заряженные частицы, ионы. Плотность верхней атмосферы увеличивается: вместо одной частицы воздуха имеем несколько, причем там, где, казалось бы, уже космос — на высоте от 100 до 500 км. Именно здесь летают многие космические аппараты, их трение об атмосферу растет из-за увеличения плотности воздуха. Они тормозятся и теряют высоту. Международная космическая станция неоднократно падала за короткое время на несколько километров. И каждый раз внеплановый космический корабль «Прогресс» с топливом на борту пристыковывался к станции и поднимал ее обратно, сжигая сотни миллионов рублей.
В период активного солнца у космонавтов появляется еще одна проблема. По сравнению с людьми на Земле они хуже защищены от солнечных частиц и излучений, поэтому в истории космонавтики бывали случаи, когда, узнав о приближении мощного потока солнечного ветра, опасаясь за жизнь космонавтов, их спешно возвращали на Землю.
Полярные сияния, погода и радио
Самые энергичные частицы солнечного ветра пробиваются даже в нижнюю атмосферу Земли, тропосферу, туда, где формируется погода. Летающие в воздухе пылинки и капли воды легко прилипают к ионам, созданным солнечным ветром. Больше ионов — пыль и вода быстрее собираются в крупные пылинки, капли, снежинки, которые оседают на Землю. Ускоряется круговорот воды в природе. Поэтому снегопады, град, ливни и наводнения в периоды активного Солнца — сильнее и чаще.
Есть несколько устойчивых районов высокого или низкого атмосферного давления. А на их границах — постоянные места, где сталкиваются встречные течения или ветры. Наиболее знамениты два таких бурных района: море Дьявола у берегов Японии и Бермудский треугольник. Из-за противоборства воздушных масс здесь часто возникает переменчивая и опасная для транспорта погода. Именно переменчивость погоды создает впечатление невероятных и неожиданных исчезновений самолетов и кораблей в тихий солнечный день. Сходящиеся сюда течения и ветры не дают обломкам транспорта, мусору и обезлюдевшим кораблям покинуть такие районы. В годы активного солнца катастроф в море Дьявола и Бермудском треугольнике заметно больше.
Придумывая радио и телевидение, люди воспользовались свойствами разных слоев атмосферы: средние и короткие радиоволны отражаются особым слоем, ионосферой, а наиболее используемые сейчас ультракороткие волны (это радиодиапазон ФМ и телевидение) огибают препятствия только благодаря разной плотности слоев воздуха. И свойства ионосферы, и плотность воздуха сильно и надолго меняются под мощными потоками солнечного ветра. В результате во время геомагнитных бурь могут нарушаться и даже пропадать на несколько часов радиосвязь и телевизионный сигнал. Тут случаются и чудеса: можно услышать чужие разговоры по мобильнику на другой стороне Земли или сигнал SOS из прошлого, с давно затонувшего корабля. Сигналы инопланетян, скорее всего, пробьются к нам во время геомагнитной бури.
Полярные сияния и озоновые дыры
От энергичных солнечных частиц у Земли есть три защиты.
Во-первых, воздух — защита примерно одинаковая всегда и везде.
Во-вторых, магнитное поле, магнитосфера, которая защищает от заряженных частиц солнечного ветра. И они прорываются к Земле в основном около магнитных полюсов, в Арктике и Антарктике.
Третья защита — озоновый слой — защищает и от заряженных частиц, и, главное, от ультрафиолета. В результате влияние солнечных частиц на вас зависит от того, где вы живете.
В тропиках заряженные частицы к Земле не пускает магнитосфера (поэтому тут не видны полярные сияния), и опасен тут только ультрафиолет, который поступает равномерно потому, что день и ночь в тропиках примерно равны. Причем озон и разрушается, и создается ультрафиолетом. Поэтому для загорающих под пальмами гарантирован тоненький слой озона, достаточный для защиты.
Около полюсов все по-другому. Длинной полярной ночью при отсутствии ультрафиолета озон не создается, и магнитосфера тут не щит, а наоборот — дыра, в которую устремляются заряженные частицы. Особенно сильный солнечный ветер разрушает оставшийся озоновый слой особенно активно (разрушенные атомы озона, ионы кислорода и светятся во время полярных сияний). Поэтому зимой в Арктике и Антарктике — опасные озоновые дыры. Все зимы с февраля 2011 года в Арктике разрастается невиданная за 50 лет наблюдений озоновая дыра, сопутствующая радиация, мутации и опухоли касаются только полярников и белых медведей. Но тот же солнечный ветер создает зимой слишком толстый слой озона (как бы «сгоняет» его) на широте Санкт-Петербурга и Вологды. Озоновая дыра — плохо, но много озона — еще хуже! Ультрафиолет не проходит сквозь толстый слой озона, а ультрафиолета на севере России и так втрое меньше нормы. При его недостатке в организме не хватает витамина О, из-за чего плохо усваивается кальций, который россияне и без того потребляют вдвое меньше нормы. Детям угрожает рахит, а у взрослых разрушаются зубы и истончаются кости, что может привести к развитию остеопороза, более опасного, чем рак, диабет и инфаркт. Именно остеопороз является причиной перелома шейки бедра, который в половине случаев приводит к инвалидности и в каждом пятом — к смерти. Зимой в год солнечной активности в северной России число переломов возрастает в 10 раз. Зимовка в северной России требует либо регулярного солярия, либо таблеток с кальцием, витамином Б и магнием (начать стоит с консультации врача). Кроме того, во избежание переломов медики рекомендуют регулярные танцы. Ну а самое лучшее средство — солнечный пляж во время зимнего отпуска под пальмами.
Читайте тпродолжение в статье Полярные сияния и солнечная активность: последствия для человечества