Горящие электроны в атмосфере Земли
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Как известно, верхняя атмосфера Земли подвергается интенсивному воздействию лучистой энергии и вторгающихся в нее заряженных частиц, изверженных из Солнца, — солнечных корпускул. Однако этому последнему источнику энергии до сих пор не приписывалось существенного влияния, в особенности вне полярных районов.
Солнечное лучистое и корпускулярное излучение в основном поглощается ниже 300 километров. Атмосфера выше этого уровня практически прозрачна для всех видов солнечного излучения. И, тем не менее, как было недавно установлено, температура атмосферы на этих высотах достигает нескольких тысяч градусов Цельсия. Установлено, что такой сильный разогрев уже не может быть объяснен поглощением коротковолнового излучения Солнца. По одной из гипотез, высказанных по этому поводу, предполагалось, что разогрев верхней атмосферы производится сильно нагретым межпланетным газом, в котором движется вокруг Солнца наша Земля. Были предложены и другие интересные гипотезы, однако действительная причина столь высокой температуры оставалась неизвестной.
Кроме того, были известны и другие неподдающиеся объяснению явления в верхней атмосфере, например особенности ее ионизации ночью и во время солнечных затмений, когда солнечное освещение «выключено». Пытаясь объяснить эти явления, исследователи стремились выяснить, что происходит, когда поток быстрых солнечных корпускул приближается к Земле и только его «передовые отряды» входят в соприкосновение с самыми высокими и разреженными областями атмосферы.
В нижних слоях атмосферы атомы и молекулы, непрерывно сталкиваясь друг с другом, совершают беспорядочное движение. Иначе обстоит дело во «внешней» атмосфере. Здесь газ очень сильно разрежен: в 1 кубическом сантиметре содержится меньше 10 миллионов частиц (около поверхности Земли их число в 30 миллионов раз больше). Вследствие этого атомы и молекулы внешней атмосферы очень редко сталкиваются друг с другом. Если в результате столкновений атом или молекула на высоте около 500—1000 километров приобретут значительную скорость движения в направлении внешнего пространства, то они станут двигаться вокруг центра Земли по эллиптической орбите, подобно искусственному спутнику Земли. При возвращении они вновь влетают в более плотные слои атмосферы и начинают совершать беспорядочные движения до следующего сильного толчка вверх.
Внешняя атмосфера заполнена большим числом таких частиц — «спутников». Но особенно интересно движение заряженных частиц, которым приходится подчиняться еще и магнитному полю Земли.
Картина магнитного поля характеризуется так называемыми магнитными силовыми линиями. Эти линии изображают направление магнитной стрелки в различных точках. Магнитное поле Земли похоже на поле обыкновенного магнита. Движущаяся заряженная частица, попадая в магнитное поле, будет испытывать действие силы, направление которой может быть найдено по правилу правой руки. Действие этой силы в магнитном поле Земли будет сложным образом искривлять траекторию солнечных корпускул, так что значительная их доля будет даже попадать на противоположную Солнцу — ночную сторону Земли, главным образом вокруг магнитных полюсов. Заряженные частицы внешней атмосферы в магнитном поле Земли совершают весьма сложные спиралевидные движения. Одновременно такие частицы совершают движение вокруг Земли, причем электроны движутся на восток, а положительно заряженные частицы — на запад. Это движение заряженных частиц должно создавать вокруг Земли кольцевой ток, который ослабляет ее магнитное поле.
Такой ток может существовать лишь, если его магнитное поле слабее магнитного поля Земли на этих высотах. Если поток частиц еще увеличивается и, стало быть, увеличивается его магнитное поле, то нарушается строение прилежащих частей магнитного поля Земли. И в результате траектории частиц усложняются. Кроме вращательного движения вокруг Земли, заряженные частицы совершают вращательное движение вокруг магнитных силовых линий и еще колеблются вдоль них. Вследствие малой плотности на столь больших высотах заряженная частица может очень долгое время двигаться по такой сложной траектории.
Те из заряженных частиц, амплитуда колебаний которых максимальна, больше всего взаимодействуют с плотными слоями земной атмосферы, сталкиваясь с ее частицами и сбиваясь при этом со своих устойчивых траекторий. Скорее всего «погибают» заряженные частицы, обладающие минимальными скоростями. Более долговечны частицы, имеющие большие скорости и колеблющиеся с меньшей амплитудой вдоль магнитных силовых линий.
Поскольку заряженные частицы внешней атмосферы мало сталкиваются друг с другом и с атомами и ионами в более низких слоях, они могут сохранять свою энергию в течение длительного времени. Если этим частицам сообщить большую энергию, что эквивалентно сильному разогреванию внешней атмосферы, то это разогревание точно так же будет сохраняться длительное время благодаря малому взаимодействию этой части атмосферы с более плотными слоями.
Таким образом, вокруг Земли создается своеобразная магнитная ловушка для заряженных частиц. Эти частицы крепко связаны с магнитным полем Земли. При любой деформации магнитного поля частицы остаются «привязанными» к магнитным силовым линиям. Описанные колебания заряженных частиц вдоль магнитных силовых линий совершаются в областях, где эти линии имеют более или менее плавный однородный ход. Это линии, которые выходят из земного шара и входят в него в низких и средних широтах.
Магнитные силовые линии, выходящие из полярных областей, пересекают экваториальную плоскость на большом расстоянии от Земли, где поле становится уже очень слабым. Они поэтому сильно искажаются магнитными полями ионизованного межпланетного газа, становятся сильно изломанными и запутанными и не могут обеспечить упорядоченное движение заряженных частиц. В полярные районы могут свободно проникать внеземные заряженные частицы, например солнечные корпускулы. В описанные выше области упорядоченных движений заряженных частиц внешние корпускулы попадать не могут. Эти места «запрещены» для них.
В результате исследований, выполненных с помощью спутников и космических ракет, было неожиданно установлено, что во внешней атмосфере и «запрещенных» областях содержится очень большое число быстрых заряженных частиц, особенно электронов. Исследования этих электронов, выполненные В. И. Красовским с сотрудниками на третьем искусственном спутнике, показали, что их температура достигает десятков миллионов градусов. В других исследованиях были обнаружены значительно более горячие частицы, правда, в гораздо меньшем количестве. Откуда же возникают эти «сверхгорячие» частицы!
На наш взгляд, это может происходить, например, так. Если об внешнюю атмосферу Земли «ударятся» сгустки ионизованного газа, выброшенного из Солнца, несущие в себе собственные магнитные поля, то внешняя атмосфера сильно разогревается. Поскольку внешняя атмосфера и ее магнитное поле представляют единое целое, то удар о нее такого сгустка межпланетного газа эквивалентен удару о какое-либо твердое тело другого быстро движущегося тела, например пули. В этом случае энергия относительного движения тел может превращаться в тепловую энергию. Генерируемые таким образом во внешней атмосфере горячие частицы имеют скорости, близкие к тем, которыми обладают электроны в кинескопах телевизоров.
При некоторых обстоятельствах амплитуда колебаний частиц вдоль магнитных линий может увеличиваться. Небольшая доля частиц внешней атмосферы, сбиваясь с устойчивых траекторий, проникает при этом в более плотные нижние слои атмосферы, в особенности вблизи полярных районов. Эти «гибнущие» частицы будут интенсивно отдавать свою энергию окружающим атомам и молекулам на высотах 100—500 километров. Они способны создать дополнительный разогрев и ионизацию воздуха на этих высотах. Когда таких вторгающихся вниз частиц становится очень много, возникают хорошо известные полярные сияния, часто наблюдаемые в ночное время в полярных широтах, сопровождаемые магнитными бурями.
Кроме таких частиц, во внешней атмосфере Земли обнаружены и еще более быстрые частицы. Однако их значительно меньше, чем тех, которые образуются при вышеописанных процессах. Мощность окружающего Землю ореола быстрых заряженных частиц превзошла самые смелые ожидания. Роль этих частиц для важнейших процессов в верхних слоях атмосферы Земли очень велика. Подробные сведения о «жизнедеятельности» этой своеобразной «короны» земного шара, напоминающей солнечную корону, помогут выяснить многие важные для геофизиков вопросы — распределение с высотой и вариации температуры и плотности атмосферы, предсказание условий радиосвязи и т. п..
Автор: Ю. И. Гальперин.