Книга: Небесные сполохи и земные заботы

10. Факты

<<< Назад
Вперед >>>

10. Факты

Самое главное — факты.

Любимое изречение Резерфорда Э.

Гелиогеофизиков часто называли дилетантами, и это звучало как упрек. Однако история знает немало случаев, когда дилетанты, заинтересовавшись каким–либо процессом, выпавшим из поля зрения ученых–профессионалов, делали неожиданные открытия. Например, 11?летний цикл в изменениях солнечной активности был открыт в середине прошлого века астрономом–любителем, аптекарем по профессии, Швабе, который лично в течение 22 лет наблюдал в подзорную трубу с крыши своего дома за числом солнечных пятен на диске Солнца. Профессионалы, его современники, систематически таких наблюдений не вели.

А история открытия ионосферы! Решающий шаг в освоении диапазона коротких волн, в установлении дальней радиосвязи был сделан, как мы помним, радиолюбителями.

В 1973 году Роберте высказывался о себе как о дилетанте в метеорологии. Действительно, основное направление его исследований — космофизика. В одной из своих метеорологических работ он совместно с Олсоном попытался выявить реакцию атмосферы на отдельные возмущения магнитного поля Земли на материале гигантских атмосферных вихрей — циклонов. Циклоны часто образуются над бухтой Аляска в северной части Тихого океана. Робертс и Олсон проследили их развитие по синоптическим картам. Они отдельно рассмотрели циклоны, появлению которых предшествовало 10 магнитоспокойных дней, а в другую группу объединили циклоны, появившиеся после резкого магнитного возмущения. Циклоны второй группы оказались более мощными, особенно в начальный период своего развития (это различие наиболее заметно на высоте 9 километров). Поскольку возмущения магнитного поля Земли вызываются электрическими токами, текущими на высотах более 100 километров, уровень геомагнитной активности характеризует возмущенность ближнего к Земле космоса. Вывод, который сделали Роберте и Олсон, был в духе гелиогеофизики: за периодом возмущенности космоса следовало появление мощных циклонов у поверхности Земли.

Это был удивительный результат, особенно если учесть, что возмущения в космосе — это возмущения крайне разреженной среды: ведь плотность воздуха на высоте 100 километров более чем в миллион раз меньше его плотности на высоте 9 километров. Намного меньше разница в плотности между желе, лежащим на блюде, и самим блюдом. Но попробуйте, раскачивая ложкой верхний слой желе, сдвинуть с места тяжелое блюдо! Желе будет колыхаться, блюдо стоять. Наоборот, если тронуть само блюдо, желе сразу же ответит сильными колебаниями. Этот пример поясняет, почему известный специалист по атмосфере и физике космоса канадец Хайнс, проведя со своими сотрудниками тщательный анализ и согласившись с результатами Робертса и Олсона, дал им противоположное истолкование — с позиций традиционной метеорологии. По мнению Хайнса, естественнее было бы считать, что перемещения воздуха в плотной атмосфере у поверхности Земли вызывают быстрые движения вышележащей разреженной атмосферы. На высоте 100 километров и выше, как известно, — ионосфера: воздух электропроводен, поскольку он содержит в виде небольшой примеси заряженные частицы. Как мы знаем, движение такого проводника в магнитном поле Земли вызывает электрический ток в нем и соответственно магнитные возмущения: работает ионосферное динамо. Процессы в нижней атмосфере, продолжая развиваться, могут привести к зарождению циклона. Поскольку этот циклон возникнет уже после начала магнитного возмущения, он может быть ошибочно принят за следствие появления тока в верхних слоях атмосферы; другими словами, за результат космического воздействия. На самом деле обстановка в ближнем к Земле космосе будет определяться приземными процессами. Это рассуждение очень красиво и убедительно. Таков вообще стиль работ Хайнса. Его исследования по распространению атмосферных волн и уже упоминавшаяся нами совместная с Аксфордом работа по конвекции плазмы в магнитосфере считаются классическими.

В дискуссию вступил космофизик Вилкокс. Он предложил сопоставить развитие циклонов с данными о магнитном поле в обдувающем Землю солнечном ветре — межпланетном магнитном поле. Южная составляющая этого поля управляет важнейшими процессами в магнитосфере. Но южная составляющая — это еще не все магнитное поле. Оно интересно и в целом. Несмотря на возмущения, магнитное поле в солнечном ветре имеет довольно упорядоченную структуру. Если представить себе, что лист бумаги изображает плоскость солнечного экватора (Земля и другие планеты движутся примерно в этой самой плоскости), затем поставить на листе точку — Солнце и нанести границы раздела между областями, где магнитные силовые линии межпланетного поля идут от Солнца, и областями, где они тянутся к Солнцу, то получится своеобразная геометрическая фигура с плавно загнутыми лучами, которые выходят из одной точки (Солнца) и делят межпланетное пространство на четыре сектора. Впрочем, бывает иногда и другое число секторов. Анализируя данные измерений с борта спутника, ученые сделали вывод, что по мере удаления наблюдателя (космического аппарата) от плоскости солнечного экватора эта расчлененность сходит на нет и остаются спиральные силовые линии только одного направления: по одну сторону от плоскости экватора они все тянутся от Солнца, по другую — к Солнцу.

Схема секторной структуры межпланетного магнитного поля в экваториальной плоскости напоминает мне древний символ Солнца, бытовавший у многих народов мира. Его видят археологи на найденных в Зауралье предметах, его чертили вместо подписи в налоговых документах аборигены Сибири, и чем древнее документ, тем отчетливее, «сознательнее» нарисован этот знак. Он встречается также на вышитых архангельских полотенцах, смотрит на нас с фасада старой русской избы.

Славяне во время языческих праздников, посвященных солнцу, зажигали деревянное колесо и пускали его катиться вниз по склону. Что должны были означать изогнувшиеся по спирали языки пламени?

Как нам известно, солнечный ветер — это расширяющаяся в пространство корона (самая внешняя часть атмосферы) Солнца. Близкую к видимой поверхности Солнца часть короны можно наблюдать во время полного затмения: вокруг солнечного диска, закрытого Луной, образуется светящийся ореол. При этом местами проглядывает и структура магнитного поля в этой части короны. Происходит так вот почему. Солнечное вещество представляет собой плазму, газ, обладающий электропроводностью. Как и всякий газ, плазма стремится уйти из области повышенного давления. Как и всякому проводнику, ей труднее двигаться поперек магнитных силовых линий, чем вдоль них, причем тем труднее, чем больше величина магнитного поля. В видимой части короны магнитное поле достаточно сильно, чтобы плазма «предпочитала» растекаться вдоль силовых линий (заметим, что на больших расстояниях от Солнца это не так, и там, наоборот, движущееся вещество тянет за собой вмороженные в него силовые линии). Поскольку физические характеристики плазмы неодинаковы в различных точках поверхности Солнца, вдоль силовых линий вытянутся неодинаково светящиеся волокна. Магнитное поле короны станет как бы видимым.

Однако, глядя с Земли на Солнце, мы не увидим спиральных волокон: наша планета расположена в плоскости этих спиралей. Ученые считают, что спиральная структура магнитного поля возникает в плоскости, перпендикулярной оси вращения Солнца, именно благодаря его вращению. Возникает вопрос: всегда ли наружные слои Солнца вращались вокруг теперешней оси? Если предположить, что нет (хотя какими–либо указаниями на это наука не располагает), то люди могли во время затмения увидеть изогнутые волокна, исходящие из Солнца. Эта картина — затемненный диск Солнца и светящиеся искривленные лучи — показалась бы солнцепоклонникам сокровенным ликом божества. Такое должно было запомниться.

Вернемся, однако, к дискуссии о влиянии космических факторов на развитие земных циклонов. Предложение Вилкокса проследить за циклонами, возникшими после того, как Земля перейдет из одного сектора межпланетного магнитного поля в другой, основано на наблюдаемом факте увеличения геомагнитной активности в момент перехода через секторную границу. Ясно, что такое усиление магнитной возмущенности на Земле вызвано чисто космическими факторами и не зависит от процессов в приземных слоях атмосферы. Дискуссия подошла к решающей точке: если на циклонах сказывается переход через секторную границу, значит, космические факторы влияют на состояние приземных слоев атмосферы, если нет — результаты Робертса и Олсона ничего не доказывают.

По методике этих исследователей были проанализированы циклоны Северного полушария Земли. Оказалось, что циклоны «чувствуют» переход через секторную границу. Хайнс снял свое возражение и согласился, что в данном случае космические факторы действительно влияют на процессы в нижней плотной атмосфере.

Почему на этот раз дискуссия не потонула в ссылках на сложность и неизученность вопроса? Прежде всего потому, что у людей появилось связное представление о космосе. При доказательстве можно было опереться на знание общей картины магнитного поля в солнечном ветре, на известное и потому прогнозируемое увеличение магнитной возмущенности при подходе Земли к границе между секторами. Все это получено благодаря систематическим исследованиям, проведенным непосредственно в космосе и на Земле. Сочетание наземных и космических средств наблюдения — чрезвычайно мощный инструмент исследования.

Вот пример. Мы только что убедились, насколько полезно использовать данные о секторной структуре межпланетного магнитного поля. Откуда же брать эти данные? Постоянное патрулирование солнечного ветра с борта космического корабля обошлось бы довольно дорого. Но природа сделала неожиданный подарок своим исследователям: оказалось, что за межпланетным полем можно следить с поверхности Земли. Обнаружено это было так. В 1965 году магнитологи супруги Л. Г. и С. М. Мансуровы заметили, что даже в магнитоспокойное время, когда самописцы магнитографов выписывают плавные кривые, вертикальная составляющая магнитного поля на поверхности Земли в полярных районах (полярнее магнитной широты 80°) оказывается в дневные часы пониженной у одного магнитного полюса и повышенной у другого. Проходит дней восемь, и картина меняется на обратную.

С чем связаны эти систематические изменения магнитного поля, тогда никто не знал. Но вскоре появились сообщения о секторной структуре магнитного поля в межпланетном пространстве — в солнечном ветре. Они были обнаружены с помощью приборов, установленных на борту космического корабля. Затем американский исследователь Л. Свалгаард и независимо от него чуть позже С. М. Мансуров показали, что изменение картины на обратную соответствует переходу Земли в другой сектор межпланетного магнитного поля. Оказалось даже, что такие изменения магнитного поля на Земле во много раз превосходят величину межпланетного поля. Эта закономерность получила название эффекта Свалгаарда — Мансурова (или Мансурова — Свалгаарда).

Открытие позволило судить не только о том, в каком секторе межпланетного магнитного поля находится Земля в настоящий момент, но и получать данные о солнечном ветре, относящиеся к тем доспутниковым временам, когда сам солнечный ветер был лишь смутной догадкой теоретиков. Эту информацию предоставили старые записи показаний наземных магнитографов.

В научных публикациях коллег довольно долго не было заметно какого–либо отклика на это открытие.

По–видимому, Мансурова это несколько смущало. Так, однажды он попросил меня завести об этом эффекте речь с Б. А. Тверским, видным теоретиком, работающим у нас в институте (сам Сергей Михайлович вместе со своей женой Лидией Георгиевной были сотрудниками Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн). Мансурова интересовало, что скажет Тверской.

Борис Аркадьевич меня выслушал, посмотрел задумчиво и произнес: «Да?а, я слышал про этот эффект». Это было все, что я смогла тогда передать Сергею Михайловичу.

Через год к этому прибавилась еще одна фраза, Тверской обронил ее, выступая на семинаре: «Вот Мансуров заметил интересный эффект…» И еще через два года — в разговоре со мной — сказал: «Я думаю об этом уже несколько лет по двенадцать часов в сутки и ничего не могу придумать». Это, конечно, была гипербола, за несколько лет Тверской получил много важных результатов. Но был в его словах и прямой смысл: все размышления о магнитосфере так или иначе затрагивают проблему воздействия на нее солнечного ветра, а эффект Свалгаарда — Мансурова как раз проявление такого воздействия.

Так что отсутствие реакции со стороны научной общественности вовсе не было связано с сомнением в правильности полученных результатов. Просто требуется время, чтобы каждый исследователь так или иначе смог вписать новый эффект в собственную картину мира. Обнародовать же просто свою эмоциональную реакцию в науке не принято (возможно, поэтому очень редко можно услышать, как слушатели аплодируют докладчику после выступления на научном семинаре или конференции). Лишь года через четыре имена Мансурова и Свалгаарда запестрели на страницах журналов.

Теперь, когда нужно описать космический фон какого–либо явления, приводят магнитограмму станций Восток (в Антарктиде) или Туле (Гренландия), широта которых примерно 89°. Чем выделены эти магнитные широты? На Земле — ничем. Но их выделенность станет понятной, если вспомнить строение магнитосферы Земли (см. рис. 3). Силовые линии магнитного поля, пронизывающие поверхность Земли в низких и средних широтах, имеют дипольный характер, два пучка высокоширотных линий образуют хвост магнитосферы. Граница раздела между дипольными линиями и линиями, уходящими в хвост, на поверхности Земли с ее дневной стороны соответствует широте примерно 80°. Полярнее этой области лежит станция Туле в Северном полушарии, Восток — в Южном. Заметим, кстати, что вся эта геометрия магнитосферы выявилась лишь благодаря запускам космических аппаратов. Если бы мы были вынуждены обходиться только наземными наблюдениями, то утверждение, что в некоторой точке Земли в определенное время суток можно по показаниям обычного обсерваторского магнитографа судить о межпланетном магнитном поле — таком слабом и таком далеком от нас, — казалось бы столь же сомнительным, какими кажутся порой утверждения сторонников гелиогеофизики. А рекомендация отправиться для наблюдения за 80?й градус широты и дожидаться там околополуденных часов отдавала бы чистым кладоискатель–ством.

Разглядывая магнитограммы, снятые в различных точках Земли, можно заметить, что в некоторые промежутки времени, длящиеся по нескольку дней, многие станции регистрируют уменьшенную величину магнитного поля. Это периоды магнитных бурь. Так же как и переход Земли через секторную границу, их удобно использовать в качестве космических меток времени при изучении солнечно–атмосферных связей. Мы знаем уже, что бури начинаются, когда Земля встречает быстрый по сравнению с обычным солнечным ветром поток солнечной плазмы.

Есть два сорта таких потоков.

Одни выбрасываются Солнцем при вспышке и всегда неожиданны. Но мы почти сразу узнаем, что такая вспышка произошла. Известие о ней приносит электромагнитное излучение Солнца, оно доходит до Земли за 8,3 минуты. Тогда–то и видит земной наблюдатель, что на диске Солнца вспыхнула точка. Коротковолновая часть этого излучения, разрушая встреченные нейтральные частицы верхней атмосферы, приводит к появлению дополнительных зарядов в ионосфере. Уменьшается ее электрическое сопротивление и увеличивается текущий через нее ток. Его чувствуют земные магнитографы. Вспышку замечают также радисты: из–за изменения состояния ионосферы ухудшается связь на коротких волнах на освещенной стороне Земли. Это все предвестники будущих событий. Они начнутся через один–два дня, когда к Земле подойдет солнечная плазма, выброшенная в момент вспышки. Быстродвижущаяся плазма (точнее, ударная волна, которая бежит перед ней, — волна, подобная той, что движется перед самолетом, летящим быстрее звука, и воспринимается на земле как орудийный выстрел) обжимает магнитосферу Земли. Сжимается магнитосферная плазма, гуще становятся «вмороженные» в нее силовые линии магнитного поля; ясно, что в этот момент магнитографы на Земле должны регистрировать увеличение магнитного поля. И в самом деле, они отмечают его практически одновременно. Последует за этим магнитная буря или нет — тонкий вопрос, на который пока нет внятного ответа. Она начнется, если разразится серия суббурь, но почему случаются суббури, определенно мы сказать еще не можем. Но если буря состоится, отличительным ее признаком будет внезапное увеличение магнитного поля вначале, которое уже потом сменится его глобальным понижением.

Другой тип высокоскоростных потоков — это мощные струи в солнечном ветре, которые истекают из определенных областей на Солнце. Такая область может существовать несколько месяцев, и поскольку Солнце оборачивается вокруг своей оси, примерно каждые 27 дней Земля входит в одну и ту же струю. Поэтому характерным признаком бурь, порожденных такими потоками, является их 27?дневная повторяемость.

Так как магнитные бури легко опознаются на магнитограммах, можно привлечь старые магнитные записи и сопоставить с ними данные о состоянии атмосферы за прошедшие годы. Это сильно расширяет диапазон исследований. Такая работа была проделана членом–корреспондентом АН СССР Э. Р. Мустелем и его сотрудниками.

Оказалось, что через два–четыре дня после начала магнитной бури того или другого типа давление на поверхности Земли начинает меняться характерным для циклонов образом. Это служит признаком развития внутренних неустойчивостей в атмосфере. Такой результат согласуется с представлением о космическом воздействии как о спусковом крючке, разрешающем внутренне напряженные состояния атмосферы. В этих работах исследовано большое количество событий, и потому выводы их не могут быть случайными. Они говорят о том. что солнечно–атмосферные связи реально существуют.

<<< Назад
Вперед >>>

Генерация: 1.873. Запросов К БД/Cache: 3 / 1
Вверх Вниз