Гарячі електрони в атмосфері Землі

Як відомо, верхня атмосфера Землі піддається інтенсивному впливу променевої енергії і заряджених частинок, які падають на неї, вивержені із Сонця, – сонячних корпускул. Проте цьому останньому джерелу енергії досі не приписувалося істотного впливу, особливо поза полярних районів.

Сонячне променисте і корпускулярне випромінювання в основному поглинається нижче 300 кілометрів. Атмосфера вище цього рівня практично прозора для всіх видів сонячного випромінювання. І, тим не менш, як було нещодавно встановлено, температура атмосфери на цих висотах досягає декількох тисяч градусів Цельсія. Встановлено, що такий сильний розігрів вже не може бути пояснений поглинанням короткохвильового випромінювання Сонця. За однією з гіпотез, висловлених з цього приводу, передбачалося, що розігрів верхньої атмосфери проводиться сильно нагрітим міжпланетним газом, у якому рухається навколо Сонця наша Земля. Були запропоновані й інші цікаві гіпотези, проте дійсна причина настільки високої температури залишалася невідомою.

Крім того, були відомі й інші незрозумілі явища у верхній атмосфері, наприклад особливості її іонізації вночі і під час сонячних затемнень, коли сонячне освітлення «виключено». Намагаючись пояснити ці явища, дослідники прагнули з’ясувати, що відбувається, коли потік швидких сонячних корпускул наближається до Землі і тільки його «передові загони» входять в зіткнення з найвищими і розрідженими областями атмосфери.

У нижніх шарах атмосфери атоми і молекули, безперервно стикаючись один з одним, роблять безладний рух. Інакше йде справа у «зовнішній» атмосфері. Тут газ дуже сильно розріджений: в 1 кубічному сантиметрі міститься менше 10 мільйонів частинок (близько поверхні Землі їх число в 30 мільйонів разів більше). Внаслідок цього атоми і молекули зовнішньої атмосфери дуже рідко стикаються один з одним. Якщо в результаті зіткнень атом або молекула на висоті близько 500-1000 кілометрів придбають значну швидкість руху в напрямку зовнішнього простору, то вони стануть рухатися навколо центру Землі по еліптичній орбіті, подібно штучному супутнику Землі. При поверненні вони знову влітають в більш щільні шари атмосфери і починають здійснювати безладні рухи до наступного сильного поштовху вгору.

Зовнішня атмосфера заповнена великим числом таких частинок – “супутників”. Але особливо цікавий рух заряджених частинок, яким доводиться підкорятися ще й магнітному полю Землі.

Картина магнітного поля характеризується так званими магнітними силовими лініями. Ці лінії зображують напрям магнітної стрілки в різних точках. Магнітне поле Землі схоже на поле звичайного магніту. Рухома заряджена частка, потрапляючи в магнітне поле, буде відчувати дію сили, напрямок якої може бути знайдено за правилом правої руки. Дія цієї сили в магнітному полі Землі буде складним чином викривляти траєкторію сонячних корпускул, так що значна їх частка буде навіть потрапляти на протилежну Сонцю – нічну сторону Землі, головним чином навколо магнітних полюсів. Заряджені частинки зовнішньої атмосфери в магнітному полі Землі здійснюють вельми складні спіралеподібні рухи. Одночасно такі частинки здійснюють рух навколо Землі, причому електрони рухаються на схід, а позитивно заряджені частинки – на захід. Це рух заряджених частинок має створювати навколо Землі кільцевий струм, який послаблює її магнітне поле.

Такий струм може існувати лише, якщо його магнітне поле слабше магнітного поля Землі на цих висотах. Якщо потік частинок ще збільшується і, стало бути, збільшується його магнітне поле, то порушується будова прилеглих частин магнітного поля Землі. І в результаті траєкторії часток ускладнюються. Крім обертового руху навколо Землі, заряджені частинки здійснюють обертальний рух навколо магнітних силових ліній і ще коливаються вздовж них. Внаслідок малої щільності на настільки великих висотах заряджена частка може дуже довгий час рухатись по такій складній траєкторії.

Ті з заряджених частинок, амплітуда коливань яких максимальна, найбільше взаємодіють з щільними шарами земної атмосфери, стикаючись з її частками і збиваючись при цьому зі своїх стійких траєкторій. Швидше за все «гинуть» заряджені частинки, що володіють мінімальними швидкостями. Більш довговічні частинки, що мають великі швидкості і коливаються з меншою амплітудою вздовж магнітних силових ліній.

Оскільки заряджені частинки зовнішньої атмосфери мало стикаються один з одним і з атомами і іонами в більш низьких шарах, вони можуть зберігати свою енергію протягом тривалого часу. Якщо цим часткам надати велику енергію, що еквівалентно сильному розігріванню зовнішньої атмосфери, то це розігрівання точно так само буде зберігатися тривалий час завдяки малій взаємодії цій частині атмосфери з більш щільними шарами.

Таким чином, навколо Землі створюється своєрідна магнітна пастка для заряджених частинок. Ці частинки міцно пов’язані з магнітним полем Землі. При будь-якій деформації магнітного поля частки залишаються «прив’язаними» до магнітних силових ліній. Описані коливання заряджених частинок уздовж магнітних силових ліній відбуваються в областях, де ці лінії мають більш-менш плавний однорідний хід. Це лінії, які виходять з земної кулі і входять до неї в низьких і середніх широтах.

Магнітні силові лінії, що виходять з полярних областей, перетинають екваторіальну площину на великій відстані від Землі, де поле стає вже дуже слабким. Вони тому сильно спотворюються магнітними полями іонізованного міжпланетного газу, стають сильно зламаними і заплутаними і не можуть забезпечити впорядкований рух заряджених частинок. У полярні райони можуть вільно проникати позаземні заряджені частинки, наприклад сонячні корпускули. У описані вище області впорядкованих рухів заряджених частинок зовнішні корпускули потрапляти не можуть. Ці місця «заборонені» для них.

В результаті досліджень, виконаних за допомогою супутників і космічних ракет, було несподівано встановлено, що в зовнішній атмосфері і «заборонених» областях міститься дуже велика кількість швидких заряджених частинок, особливо електронів. Дослідження цих електронів, виконані В. І. Красовським із співробітниками на третьому штучному супутнику, показали, що їх температура досягає десятків мільйонів градусів. В інших дослідженнях були виявлені значно більш гарячі частинки, правда, в набагато меншій кількості. Звідки ж виникають ці «надгарячі» частинки!

На наш погляд, це може відбуватися, наприклад, так. Якщо об зовнішню атмосферу Землі «вдаряться» згустки іонізованого газу, викинутого з Сонця, що несуть у собі власні магнітні поля, то зовнішня атмосфера сильно розігрівається. Оскільки зовнішня атмосфера і її магнітне поле представляють єдине ціле, то удар об неї такого згустку міжпланетного газу еквівалентний удару об яке-небудь тверде тіло іншого швидко рухомого тіла, наприклад кулі. У цьому випадку енергія відносного руху тіл може перетворюватися в теплову енергію. Гарячі частинки, що генеруються таким чином у зовнішній атмосфері мають швидкості, близькі до тих, якими володіють електрони в кинескопах телевізорів.

За деяких обставин амплітуда коливань частинок уздовж магнітних ліній може збільшуватись. Невелика частка частинок зовнішньої атмосфери, збиваючись з стійких траєкторій, проникає при цьому в більш щільні нижні шари атмосфери, особливо поблизу полярних районів. Ці «конаючі» частинки будуть інтенсивно віддавати свою енергію оточуючим атомам і молекулам на висотах 100-500 кілометрів. Вони здатні створити додатковий розігрів і іонізацію повітря на цих висотах. Коли таких частинок, що вторгаються вниз стає дуже багато, виникають добре відомі полярні сяйва, які часто спостерігаються в нічний час в полярних широтах, супроводжувані магнітними бурями.

Крім таких частинок, у зовнішній атмосфері Землі виявлені і ще швидші частинки. Проте їх значно менше, ніж тих, які утворюються при вищеописаних процесах. Потужність ореолу швидких заряджених частинок, що оточує Землю перевершила найсміливіші очікування. Роль цих часток для найважливіших процесів у верхніх шарах атмосфери Землі дуже велика. Детальні відомості про «життєдіяльність» цієї своєрідної «корони» земної кулі, що нагадує сонячну корону, допоможуть з’ясувати багато важливих для геофізиків питань – розподіл з висотою і варіації температури і щільності атмосфери, передбачення умов радіозв’язку і т. п.

Автор: Ю. І. Гальперін.