Силовые линии солнечного магнитного диполя выходят из северного полушария и входят в южное, как это показано на рис. 43. В экваториальной плоскости силовые линии очень сильно вытянуты в направлении от Солнца. Здесь образуется экваториальный нейтральный (в смысле магнитного поля) токовый слой. Он располагается не строго в экваториальной плоскости, а так, как это показано на рис. 43. Земля при своем движении вокруг Солнца проходит то выше, то ниже нейтрального токового слоя.
Когда она находится выше, на ее орбите силовые линии направлены от Солнца к Земле. Когда же она проходит ниже токового слоя, они направлены к Солнцу. Следовательно, орбита Земли проходит участки, в которых межпланетное магнитное поле направлено попеременно то от Солнца, то к нему, иначе говоря, имеет секторную структуру. Те сектора, в пределах которых магнитное поле направлено к Солнцу, называются отрицательными и обозначаются знаком «-». Сектора с магнитным полем, направленным от Солнца, называют положительными и обозначают знаком «+».
За счет того, что Солнце вращается вокруг собственной оси, силовые линии его магнитного поля закручиваются и принимают форму спиралей Архимеда. Поэтому кроме радиальной составляющей межпланетного магнитного поля имеется и азимутальная составляющая. На рис. 44 показана секторная структура межпланетного магнитного поля по данным измерений на ИСЗ. Естественно, имеется и третья компонента вектора напряженности магнитного поля. Она направлена или вверх, или вниз относительно нейтрального токового слоя. Секторная структура межпланетного магнитного поля сохраняется практически неизменной продолжительное время. Она «жестко» связана с Солнцем. Может наблюдаться от 3 до 6 секторов.
В межпланетном пространстве кроме частиц солнечного ветра постоянно присутствуют галактические космические лучи. Эти заряженные частицы имеют энергии на много порядков больше, чем энергия частиц солнечного ветра. Правда, частиц, из которых состоят галактические космические лучи, очень немного, в десятки миллионов раз меньше, чем частиц солнечного ветра. Галактические космические лучи значительно слабее влияют на процессы в околоземном пространстве, чем потоки заряженных частиц от Солнца. Тем не менее в определенных случаях учитывать их влияние необходимо.
Высокоэнергичные протоны, выбрасываемые из Солнца во время вспышек, называемые солнечными космическими лучами, существуют в течение нескольких часов. Но их энергия на орбите Земли в десять тысяч раз больше энергии галактических космических лучей. Хотя солнечные космические лучи не оказывают влияния на свойства межпланетной среды, они вызывают определенные изменения в свойствах околоземного пространства, в частности, под их действием нарушается коротковолновая связь в полярных областях и уменьшается плотность озонного слоя в атмосфере Земли.
МЕЖПЛАНЕТНАЯ СРЕДА
Солнечная корона простирается на большое расстояние от Солнца. Ее температура достигает миллионов градусов. Поэтому газ, составляющий ее, непрерывно расширяется и заполняет межпланетное пространство. Иногда этот процесс сравнивают с испарением кипящей воды, хотя аналогия здесь далеко не полная. Разница прежде всего в том, что частицы, движущиеся из солнечной короны в межпланетное пространство, являются электрически заряженными (в большинстве своем). Кроме того, они движутся в магнитном поле, силовые линии прикреплены к определенным областям Солнца и пронизывают практически все межпланетное пространство. Таким образом, покидающие солнечную корону заряженные частицы (электроны, протоны, ядра гелия и ионы других химических элементов) представляют собой плазму, помещенную в магнитное поле.
Мы уже убедились в том, что Солнце очень неспокойно. Поэтому и частицы, которые выбрасываются из него, имеют разные скорости. Солнечный ветер меняется по своей силе не только во времени. Он неоднороден и в пространстве. В определенных направлениях бьют струи заряженных частиц, скорости которых намного больше скоростей частиц солнечного ветра. Эти струи-потоки называют высокоскоростными потоками солнечных заряженных частиц. Частицы этих потоков, имея очень высокие энергии, переносят значительную энергию от Солнца в межпланетное пространство.
Эти потоки-струи высокоскоростных частиц можно по их форме сравнить со струей воды из вращающегося поливального устройства. Аналогия оправдывается тем, что Солнце, из которого бьет струя, вращается наподобие поливального устройства. Естественно, что струя при этом закручивается, как это показано на рис. 45. При этом силовые линии магнитного поля, которые вытягиваются от Солнца потоком заряженных частиц, также вытягиваются и приобретают форму спиралей Архимеда. На орбите Земли угол между их направлением и радиусом, который соединяет Солнце и Землю, равен примерно 45о.
Магнитное поле Солнца в экваториальной плоскости и вблизи нее весьма своеобразно. Поскольку оно является продолжением магнитного поля Солнца, то в одних секторах оно направлено от Солнца, а в других — к нему. Это можно видеть на рис. 44, где приведена секторная структура межпланетного магнитного поля, измеренная на ИСЗ еще в 1964 году. Видно, что в это время межпланетное магнитное поле делилось естественным путем на четыре сектора, в двух из которых магнитное поле было направлено от Солнца (сектор с таким направлением межпланетного магнитного поля принято называть положительным и обозначать знаком «+»), а в остальных двух секторах — к Солнцу. Эти сектора называют отрицательными («-»). Количество секторов может меняться от двух до шести. Ясно, что это определяется магнитными полями Солнца.
Как видно из рис. 46, высокоскоростной поток по мере удаления от Солнца расширяется. Уже на орбите Земли его угловой размер может составлять 60о. Скорость частиц в потоке — 800 км/с. Поток не только достигает орбиты Земли, но и уходит по крайней мере в пять раз дальше.
Любопытна структура высокоскоростного потока, которая формируется за счет его взаимодействия с солнечным ветром. В результате этого взаимодействия на ведущем крае высокоскоростного потока сильно (быстро) увеличиваются основные характеристики потока (его скорость, плотность и температура плазмы), а также напряженность магнитного поля.
Высокоскоростные потоки солнечных частиц пронизывают межпланетное пространство далеко не всегда. В среднем их наблюдается примерно около 50 в течение года. Но каждый из потоков, один раз возникнув, может просуществовать в течение нескольких оборотов Солнца. Это значит, что Земля может почувствовать наличие такого потока несколько раз, то есть каждый раз, когда он проходит мимо Земли. Что при этом происходит на Земле и в окружающем Землю пространстве, мы рассмотрим позднее. Здесь только укажем, что высокоскоростные потоки чаще всего наблюдаются в периоды спада солнечной активности и в эпохи минимумов. Любопытно, что неодинаково вероятен выброс высокоскоростного потока из разных областей Солнца. В короне имеются области, простирающиеся с севера на юг вдоль всего солнечного меридиана, в которых солнечное излучение меньше, чем в соседних областях. Поэтому их изображение воспринимается как дыры. Эти области так и были названы «корональными» дырами.
Высокоскоростные заряженные частицы успешно вырываются из короны Солнца именно в области корональных дыр потому, что здесь этому не препятствуют магнитные поля. Как известно, силовые линии магнитного поля в области корональных дыр направлены практически радиально, поэтому они не оказывают никакого влияния на радиальное движение заряженных частиц. Заряженные частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля беспрепятственно.
Но межпланетную среду пронизывают и другие потоки заряженных частиц, в частности те, которые выбрасываются из атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Поэтому их называют «вспышечными» выбросами. Скорости этих потоков могут превышать 1000 км/с. Они шире рассмотренных выше потоков, их угловой размер может превышать 120о. Чаще всего такие потоки выбрасываются из атмосферы Солнца при высокой солнечной активности, то есть, когда образуется больше вспышек, порождающих эти потоки. Таким образом, те и другие потоки в определенном смысле дополняют друг друга во времени: вспышечные потоки чаще наблюдаются в эпоху максимума солнечной активности, а потоки из корональных дыр — в эпоху минимума.
Структура вспышечных выбросов также формируется их динамикой и взаимодействием с более медленным солнечным ветром. Поперечное сечение потока определяется также структурой магнитных полей солнечных пятен, в которых произошла вспышка, выбросившая данный поток.
Межпланетная среда содержит и потоки заряженных частиц, которые имеют скорости значительно большие, чем в описанных выше потоках. Правда, этих частиц значительно меньше. Их концентрация составляет всего 10-8 см3 или и того меньше. Они также выбрасываются из солнечной атмосферы во время вспышек. Эти потоки недолговечны. Они существуют в продолжение всего нескольких часов после вспышки.
Частицы с такими огромными скоростями принято называть космическими «лучами». Те, которые приходят от Солнца, называют солнечными космическими лучами. Но имеются и космические лучи, источником которых является не Солнце. Они рождаются в Галактике. Поэтому их называют галактическими космическими лучами. Плотность галактических космических лучей на орбите Земли значительно меньше, чем солнечных космических лучей. Плотность их энергии в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем у вторых. Они также оказывают влияние как на Землю, так и на ее биосферу и атмос