Небесные сполохи и земные заботы

Ко времени открытия радиационных поясов Земли уже было хорошо известно, что магнитные поля некоторых конфигураций могут долгое время удерживать определенным образом запущенные в них частицы. Термоядерщикам, которым нужно, чтобы частицы не разлетались, интересно именно это свойство полей, и они называют их ловушками. Это название так укоренилось, что им пользуются и космофизики, хотя для них оно не совсем удачно. Космофизики изучают, как вообще взаимодействуют заряженные частицы и магнитные поля, и им следовало бы называть поля таких конфигураций как–нибудь иначе, «лабиринтами», что ли, подчеркивая, что частице не только трудно покинуть такое поле, но и войти в него снаружи, хотя некоторые частицы тем не менее входят и выходят (как уже говорилось, все дело в том, где находилась частица в начальный момент и какая У нее тогда была скорость).

Магнитное поле в области радиационных поясов Земли близко к дипольному, оно представляет собой именно такую ловушку. Как и всякая ловушка, слишком энергичную для себя частицу дипольное поле Земли удержать не сможет: она пройдет через него по какой–то плавной кривой. Пути же захваченных полем частиц выглядят совсем иначе. Это спирали со множеством витков, навитые на силовые линии магнитного поля (рис. 2). Движение каждой отдельно взятой частицы, захваченной дипольным магнитным полем Земли, идет по стандартному образцу. Если понаблюдать за частицей в течение некоторого довольно короткого времени, то можно заметить, что частица описала почти окружность — это один виток спирали. Проследив за ее движением дольше, мы увидим, что этот виток «качается» вдоль магнитной силовой линии, уходя на определенное расстояние от плоскости экватора, а затем возвращаясь к ней. Через несколько часов наблюдений станет ясно, что вся спираль постепенно поворачивается вокруг Земли.

Рис. 2. Движение заряженной частицы, захваченной дипольным магнитным полем

Если такая частица сталкивается с другой или попадает под влияние «посторонних» полей — электрических и магнитных, характер ее движения изменяется. Теперь она может оказаться на силовой линии, проходящей на другом расстоянии от Земли, или увеличить размах своих качаний вдоль силовой линии. Если качания становятся очень уж большими, частица может подойти слишком близко к Земле, войти в плотные слои атмосферы и потеряться в них. Поэтому в космической ловушке может находиться только та частица, которая в своих качаниях не слишком далеко уходит от плоскости экватора.

Представим себе теперь, что в ловушке находится не одна, а много частиц. Сталкиваясь, они заставляют друг друга уходить в атмосферу (специалист скажет: частицы высыпаются в атмосферу). В конце концов столкновения станут редкими, и оставшиеся частицы уже можно будет рассматривать как отдельные, независимые друг от друга. Они все окажутся сосредоточенными вблизи плоскости экватора и как бы поясом охватят Землю. Так была понята природа радиационных поясов — совокупности заряженных частиц, по существу не связанных друг с другом.

В 1959 году космофизик Т. Голд назвал область, в которой кружатся эти частицы, магнитосферой.

Прошло всего несколько лет, и выяснилось, что все не так просто. Оказалось, что, кроме сравнительно небольшого количества частиц, составляющих радиационные пояса, в космосе есть еще множество частиц меньших энергий, радиационные пояса как бы погружены в пространство, заполненное ими. Эти малоэнергичные частицы уже нельзя было считать независящими друг от друга. Больше того, оказалось, что все процессы в ближнем космосе так или иначе связаны с этими частицами. Поведение их выглядело сложным и непонятным. Это они, вторгаясь в верхние слои атмосферы, вызывают самые эффектные формы полярных сияний: и резкие, четкие дуги, и цветной мятущийся «пожар небес». Частицы же радиационных поясов отвечают лишь за невзрачное свечение, которое иногда появляется вслед за особенно разбушевавшимися сияниями с экваториальной их стороны. На эти относительно малоэнергичные частицы — плазму околоземного пространства — постепенно сместилось основное внимание исследователей.

Оказалось еще, что наша планета все время находится в потоке плазмы, непрерывно идущем от Солнца, — в потоке солнечного ветра. Солнечный ветер — один из красивейших терминов науки. Не удивительно, что он нравится журналистам: они дружно используют его в названиях статей, очерков, телепередач и других материалов о космофизиках. Существование ветра было предсказано теоретиками. Об эпизодических потоках солнечной плазмы писали известный английский физик С. Чепмен и его сотрудник В. Ферраро в 1931–1933 годах, на постоянное присутствие ветра указали советский геофизик Е. Пономарев и американский астрофизик Е. Паркер в 1957–1958 годах.