Полярные сияния

Рис. 25. Схема, показывающая пересоединение геомагнитных силовых линий и силовых линий межпланетного магнитного поля, когда Земля находится в положительном секторе (вверху) и отрицательном секторе (внизу) межпланетного магнитного поля

Стрелками с точкой около силовых линий показано направление движения солнечных электронов

При прохождении фронта ударной волны мимо Земли магнитосфера «погружается» в солнечный ветер. Солнечный ветер имеет повышенные значения скорости, плотности и температуры. Это приводит к внезапному сжатию магнитосферы. Магнитометры на поверхности Земли регистрируют в это время внезапное увеличение горизонтальной компоненты геомагнитного поля. Это и есть начало геомагнитной бури. Примерно в это же время вне магнитосферы и в полярных областях часто наблюдается сильное увеличение солнечных протонов низкой энергии.

Когда ударная волна, несущая облако плазмы, действует на магнитосферу, последняя становится неустойчивой. Во внешней магнитосфере образуется большой поток частиц с большой энергией. На этой стадии растут и затухают системы интенсивных электрических токов, которые вызывают магнитосферные возмущения.

Рассмотрим, какие процессы в околоземном пространстве происходят, когда электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца действует на магнитосферу и атмосферу Земли.

Электромагнитное излучение Солнца, приходящее к Земле во время солнечных бурь, воздействует на земную атмосферу примерно через 10 мин после солнечных явлений. После момента подхода быстрых частиц к орбите Земли магнитосфера в течение нескольких дней оказывается окруженной потоком энергичных частиц. Часть из этих частниц проникает в верхнюю атмосферу в высоких широтах северного и южного полушарий.

Вслед за энергичными частицами, которые быстро распространялись в межпланетном пространстве, следует облако солнечной плазмы, которое пересекает межпланетное пространство со скоростью ~500—1000 км/с. Как уже говорилось, в солнечном ветре генерируется ударная волна, несколько опережающая плазменное облако. Когда межпланетная ударная волна и солнечная плазма сталкиваются с магнитосферой Земли, наступает магнитосферная буря. Магнитосфера Земли погружена в непрерывно изменяющееся межпланетное магнитное поле, которое имеет секторную структуру. Она обусловлена тем, что в различных частях солнечного диска развиваются и затухают несколько центров активности. В каждой секторной структуре систематически изменяются плотность солнечного ветра, его скорость и напряженность магнитного поля.

Магнитосферная буря состоит из трех периодов или фаз. Как уже отмечалось, она начинается, когда межпланетная ударная волна достигает магнитосферы и очень быстро сжимает ее. Эффект сжатия магнитосферы Земли отчетливо проявляется в вариациях геомагнитного поля в виде резкого увеличения его напряженности как на поверхности Земли, так и в магнитосфере. После сжатия магнитосферы наступает начальная фаза магнитосферной бури. Это относительно спокойный период, продолжающийся несколько часов. В это время магнитосфера окружена солнечным ветром, параметры которого меняются под действием ударной волны.

Но вот магнитосферы достигает главное облако плазмы, породившее ударную волну. Начинается главная фаза магнитосферной бури, которая характеризуется последовательностью взрывоподобных процессов. Последние называются магнитосферными суббурями.

В случае если Земля окружена потоком плазмы, в котором магнитное поле имеет южную составляющую, происходит пересоединение межпланетных и геомагнитных силовых линий. Это приводит к появлению электрического поля E, направленного поперек хвоста магнитосферы с утренней стороны на вечернюю. Поскольку поток плазмы имеет турбулентный характер, то должна появиться серия суббурь. Под действием возникшего интенсивного электрического поля плазма, находящаяся в хвосте магнитосферы, начинает двигаться в направлении к Земле. Из хвоста магнитосферы вытекает электрический ток. Сначала он течет вдоль магнитных силовых линий в утренний сектор овала полярных сияний, затем — вдоль полуночного сектора овала и вдоль силовых линий магнитного поля вытекает из вечерней части овала и оттуда — обратно в хвост магнитосферы. В описанных движениях плазмы (конвекция к Земле и токи вдоль силовых линий) происходит ускорение частиц плазмы. Энергия частиц увеличивается. При этом возникает плазма с температурой 10⁷ К или даже больше. Часть ее вторгается в верхнюю атмосферу Земли в высоких широтах, а другая — заполняет плазменный слой.