Но магнитосфера Земли окружена не вакуумом, она обдувается солнечным ветром. Давление его на магнитосферы зависит от скорости и от плотности частиц, переносимых им. Достигая магнитосферы Земли, солнечный ветер давит на нее, но проникнуть внутрь высокопроводящей магнитосферы не может. Магнитосфера с дневной стороны поджимается до тех пор, пока сила ее давления не уравновесится силой давления солнечного ветра. Поскольку плотности и скорости частиц, выбрасываемых Солнцем, не одинаковы во времени, то и давление их на магнитосферу Земли в разное время различно. Это значит, что граница магнитосферы не остается на одном и том же месте, а меняет свое положение в соответствии с динамическим равновесием всей системы «солнечный ветер — магнитосфера Земли».
Полуденная часть магнитосферы (в районе подсолнечного меридиана) является, по-видимому, наиболее сложной. Внешние силовые линии магнитного поля Земли, прохождение через этот меридиан пронизывают ионосферу на геомагнитной широте около 80о. Более высокоширотные силовые линии, которые проходили бы также в этом полуденном меридиане при отсутствии солнечного ветра, выворачиваются им на ночную сторону. Значит, если в случае идеального магнитного диполя, находящегося в вакууме, силовые линии образуют две воронки точно на геомагнитных полюсах, то при наличии солнечного ветра эти воронки образуются на дневном меридиане на геомагнитных широтах 80о севера и юга. При этом полярные шапки закрыты дневными силовыми линиями, вывернутыми солнечным ветром на ночную сторону. Форма этих воронок (они были названы каспами, в переводе с английского — мешками) такая, что поперечное их сечение представляет собой сильно вытянутый эллипс. Воронка как будто сплющена в одном направлении и вытянута по геомагнитной долготе (вдоль дневной части овала полярных сияний).
То, что такие каспы должны образовываться в дневной магнитосфере под действием солнечного ветра, было предсказано теоретически. Измерения на спутниках не только подтвердили их существование, но и позволили установить зависимость их положения и формы от характера солнечной активности. При усилении солнечного ветра после хромосферных вспышек, когда магнитосфера прижимается им к Земле, положение каспов меняется. Они смещаются дальше от полюсов, чем в условиях спокойного Солнца. Это происходит потому, что большая часть дневных силовых линий выворачивается солнечным ветром на ночную сторону.
Кардинальным во всей проблеме взаимодействия Солнца и Земли является вопрос передачи энергии. И именно через воронки в магнитосфере Земли энергия Солнца, переносимая солнечными корпускулярными потоками, поступает непосредственно в земную атмосферу. Еще одними воротами из космоса является ночная часть магнитосферы (ее хвост), через которую солнечная плазма входит внутрь магнитосферы, а затем из хвоста направляется вдоль силовых линий магнитного поля в высокоширотные области и вторгается там в атмосферу Земли.
Солнечная буря вызывает в магнитосфере целый комплекс процессов, которые тоже носят взрывной (штормовой) характер. Он называется магнитосферной бурей. Буря проявляется в изменении магнитного поля Земли, в высыпании заряженных частиц в атмосферу высоких широт, в полярных сияниях и в увеличении концентрации электронов в ионосфере. Магнитосферная буря длится 1–1,5 суток и скорее напоминает целый ряд маленьких бурь (подбурь или суббурь), каждая из которых длится около 1 часа. Эти элементарные бури имеют очень много общего. Если они следуют друг за другом почти непрерывно (4–5 в течение одной ночи), то образуется мировая магнитосферная буря.
Процессы в околоземном пространстве рассматриваются нами в книгах: «Ионосфера Земли» (Наука, 1989), «Полярные сияния» (Наука, 1987), «Волны в космосе» (Наука, 1987), «Космос и биосфера» (Знание, 1990), «Процессы в геосфере» (Знание, 1989), «Наше здоровье и магнитные бури» (Знание, 1993), «Космос и здоровье» (Вече, 1997) и др.
Солнечная плазма, выброшенная из поверхности Солнца после хромосферной вспышки, приближается к орбите Земли примерно через 40–50 часов. Магнитное поле солнечного корпускулярного потока, то есть межпланетное магнитное поле, соединяется в магнитным полем Земли.
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
ОЗОН В АТМОСФЕРЕ
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озона является признаком свежего воздуха. (Недаром озон в переводе с греческого означает «запах».) Этот интерес понятен — речь идет о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. Теперешняя тревога людей об изменении озонного слоя, к сожалению, небеспочвенна. Жаль, что в жизни не только отдельных людей, но и всего человечества справедлива поговорка «Гром не грянет — мужик не перекрестится». Ведь ученые начали бить тревогу об опасности, нависшей над озонным слоем Земли, еще в 70-е годы. За прошедшие с тех пор 20 лет уже можно было принять такие эффективные меры, что сегодня тревога людей была бы значительно менее обоснованна. К сожалению, ныне жители Земли оказались в положении человека, поджигающего свой дом для того, чтобы согреться, не особенно задумываясь о том, что этот дом сгорит и другого не будет. Конечно, обществу трудно поступиться интересами многих производств. Ведь разрушению озонного слоя способствуют различные вещества, выделяющиеся к атмосферу. Это не только фреоны, о которых сегодня говорят больше всего и политики и промышленники. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. К счастью, ядерные взрывы будут прекращены. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей. Важно не только количество образованных при этом окис-лов азота, но и то, что это происходит высоко в атмосфере, поскольку эти двигатели установлены на сверхзвуковых высотных самолетах. На больших высотах образованные окислы азота живут долго. Ниже, в тропосфере, как окись, так и двуокись азота вымываются из атмосферы значительно быстрее. Применение большого количества минеральных удобрений также угрожает озонному слою. Ведь при денитрификации связанного азота бактериями почвы и микроорганизмами образуется закись азота, которая попадает в стратосферу. Закись азота была обнаружена и в дымовых газах электростанций. Количество образованной при этом в течение года закиси азота исчисляется миллионами тонн.
Таким образом мы воздействуем на озонный слой различными способами, и каждый связан с важной стороной нашей хозяйственной деятельности. Это и производство нашей сельскохозяйственной продукции, и ядерные взрывы, мирные электростанции и высотные военные самолеты, холодильная промышленность и бытовые аэрозоли. Поэтому изменить ситуацию в один день невозможно. Многие высказывают сомнения в том, сумеет ли человечество вообще ее изменить. Не будет ли поздно, если опасность не будет осознана своевременно. По-видимому, легче всего отказаться от фреонов. Притом надо только изменить технологию производства холодильных установок. И то раньше, чем через 10 лет, это не будет сделано. А как быть с минеральными удобрениями? Ведь мы не готовы отказаться от них. И будем ли готовы когда-либо? Как быть с другими веществами, создаваемыми человеком, которые разрушают озонный слой? Эти вещества выбрасываются в атмосферу в поистине огромных количествах (миллионы тонн в год) и остаются там очень долго.
Иногда довольно трудно представить себе, что даже очень малые количества определенного вещества в атмосфере могут играть исключительно важную роль. Собственно, очень наглядным примером того является сам озон, абсолютное количество которого в атмосфере пренебрежимо мало, а роль в атмосферных процессах огромна.
В настоящее время назрела необходимость принять определенные обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы.
О том, что с озоном происходит неладное, говорят озонные дыры, появляющиеся каждую весну над Антарктикой. Там происходит особая циркуляция воздуха в зимние и весенние месяцы — он оказывается изолированным от воздушных масс средних широт. С другой стороны, здесь зимой очень низкие температуры в стратосфере (ниже, чем в Арктике), что способствует образованию полярных стратосферных облаков.
Присутствие в стратосфере химических веществ в виде твердых частиц (льда в облаках) способствует разрушению озона. Выбрасываемые в атмосферу вещества, содержащие хлор, фтор, азот, метан и др., могут длительное время находиться там в пассивных формах и не разрушать озон. В особых условиях зимой и весной над Антарктикой происходит эффективное преобразование пассивных хлорных соединений в активные, которые интенсивно разрушают озон. Измерения с помощью спутников, ракет, шаров-зондов и самолетных лабораторий показали, что в этот сезон опасность для озона окиси хлора ClO в 100–500 раз больше, чем в средних широтах на этих же высотах. Прежде всего ClO и «поедает» озон в стратосфере Антарктики. На некоторых высотах его остается только 5 % прежнего количества! Если брать озон на всех высотах, то его количество в месте озонной дыры весной в Антарктике уменьшается наполовину. Таким образом, выбрасываемые людьми в атмосферу вещества переносятся движением воздуха на все широты и долготы. В Антарктике в конце зимы и весной они оказываются в особых природных условиях, которые позволяют им активизироваться и эффективно разрушать стратосферный озон.
Из этого можно сделать вывод, что поскольку такие особые условия в стратосфере имеются только в Антарктике (да и то не круглый год), то проблема озонной антарктической дыры является местной, региональной, а не глобальной. Но, к сожалению, это не так. Дело в том, что весь озон в атмосфере Земли, включая приземный слой воздуха, тропосферу, стратосферу и выше (мезосферу и термосферу), на всех долготах и широтах един. В одних местах он образуется эффективно и регулярно, в других — неэффективно и только от случая к случаю, в одних местах образованный озон живет год