Земля в «одежде» своей магнитосферы. Две зоны радиации — внутренняя и внешняя — охватывают ее плотными кольцами. Стрелы «солнечных ветров» вторгаются в окрестности Земли и сминают, отклоняют в сторону ее магнитно-силовые линии.
Мы живем на магните
Нет, все еще слишком часто, когда говорят «Земля», подразумевают лишь землю, сушу. А Мировой океан? А атмосфера?.. Ведь и они вместе с сушей составляют нашу планету, ту, что именуется Землей с большой буквы.
Расширяются горизонты достижимого, и нас уже не удовлетворяет знакомый перечень трех стихий: земной тверди, морской глади и воздушного океана. К литосфере, гидросфере и атмосфере добавилась еще одна — магнитосфера. Откуда она взялась?
Заряженные частицы вошли в магнитное поле Земли и движутся к ней по спирали, «навиваясь» на силовые линии. Чем сильнее становится магнитное поле и теснее его силовые линии, тем же диаметр спирали.
Заряженные частицы, пришедшие из космоса к Земле, захвачены ее магнитным полем. Они начинают свои странствия из северного полушария в южное и обратно, «наматывая» свою траекторию на силовые линии. Совокупность этих «мечущихся» частиц и создает радиационные кольца вокруг нашей планеты.
Мы живем на магните. На огромном шарообразном магните. Поле этого магнита уходит далеко в пространство и там постепенно ослабевает. Впрочем, и на поверхности планеты оно в сотни раз слабее, чем поле обыкновенного школьного металлического подковообразного магнита. Но зато его объем можно назвать гигантским. А так как известно, что энергия магнитного поля пропорциональна его объему, следовательно, его влияние на то, что творится в окрестностях нашей планеты, очень велико.
Если вы когда-нибудь попадете на берега покрытого льдами Баффинова залива, омывающего север Канады и Гренландию, или в район советской антарктической станции «Восток», вы сможете увидеть редкую картину: свободно подвешенная стрелка компаса будет показывать острием прямо вниз. Две точки на земном шаре, где только и можно наблюдать такое явление, называются геомагнитными полюсами.
Силовые линии земного магнита «выходят» из одного магнитного полюса, дугами огибают планету и упираются в другой. Они располагаются в пространстве примерно так, как ложатся железные опилки вокруг обыкновенного магнита, имеющего форму стержня. Вся совокупность этих линий, вся область, которую они охватывают, и называется магнитосферой.
О том, как высоко простирается магнитосфера, раньше можно было только гадать. И лишь во время Международного геофизического года после запуска советских и американских искусственных спутников и космических ракет ученые установили, что примерно в 90 тысяч километров от поверхности планеты магнитное поле становится в 10 тысяч раз слабее, чем на Земле, и дальше уже не изменяется. Это и есть гранима магнитосферы, а по существу — и настоящая граница Земли, нашего большого дома, если считать его целиком — от «фундамента» до заоблачного магнитного конька на крыше.
Земля в «рубашке»
...Шел Международный геофизический год. Человечество затаив дыхание следило за полетом первых в мире искусственных спутников. У специалистов были особые причины для волнений: ведь впервые стало возможно познакомиться вплотную со многими явлениями в космосе.
Еще в начале века ученым стало ясно, что Земля извне постоянно подвергается обстрелу какими-то невидимыми лучами, которые назвали космическими. Около тридцати лет это явление наблюдают систематически, используя все более хитроумные приборы. И вот второй советский спутник Земли и американский «Эксплорер I» пронизывают космические окрестности. По общему мнению, чем выше заберутся эти разведчики, тем больше заряженных частиц должны отмечать их приборы: ведь ближе к Земле частицы поглощаются атмосферой.
Но что это? И в Москве и в штате Айова, где обобщались данные, полученные спутниками, ученые только развели руками: стоило спутникам залететь повыше, как количество частиц, регистрируемых приборами, падало до нуля. В порядке ли оборудование?
Все разъяснилось, когда в небо взлетел наш третий спутник и заокеанские «пайониры», советские ракеты, запущенные на Луну, и американский «Эксплорер IV», на которых установили менее чувствительное оборудование, Они донесли, что прежние приборы были слишком «нежными» и замолкали, просто «пресытившись» заряженными частицами, которых на этих высотах куда больше, чем предполагалось.
Откуда же, словно из рога изобилия, льется этот невидимый поток?
Тогда-то и родилась теория, согласно которой магнитное поле Земли — это огромная ловушка для заряженных частиц, идущих из космоса. Своим гигантским магнитным «сачком» ловит Земля космических «мотыльков», слетающихся из глубин Вселенной.
Дождем обрушиваются они на «крышу» нашего дома — внешнюю область магнитосферы — и здесь встречаются с препятствием. Силовые линии, напружинившись, как лук, встают им навстречу, стараясь не пропустить космических пришельцев на Землю. В результате только самые «сильные» из них долетают до поверхности, а «слабые» частицы, не обладающие такой энергией, которая позволила бы им пробить «сачок» магнитосферы и прорваться к Земле, изменяют направление своего полета: они начинают метаться в ловушке, двигаясь вдоль силовых линий, как бы навиваясь спиралью на них.
Летит по силовой линии частица, все ближе и ближе она к поверхности Земли, все круче «штопор», который она прочерчивает в пути, все более плоскими становятся его витки, все теснее у полюсов силовые линии, все большее сопротивление оказывает магнитное поле... И вот, наконец, не в силах превозмочь это сопротивление, не долетев до Земли, частица «изнемогает», останавливается, отражается и опять летит по силовой линии, но в другой конец планеты.
Бесчисленное количество раз «наматывает» свои путь частица на силовую линию, пролетая за секунду-другую по огромной дуге от одного полюса до другого и обратно. Так она кочевала бы до бесконечности, если бы все это происходило в абсолютном вакууме.
Но атомы вещества, рассеянного в космосе, как бы редки они ни были, сталкиваются с этими странниками и заставляют их растратить свою энергию. Исчерпав ее запас, частицы гибнут, «высыпаются» в районах крайнего севера и крайнего юга нашей планеты. При этом природа устраивает «в их память» великолепный «салют»: небосвод над ледяными просторами Арктики и Антарктики озаряется сполохами полярных сияний.
Эксперимент сменялся экспериментом, самые различные счетчики частиц устанавливались на борту спутников и ракет, и постепенно картина стала проясняться. Было установлено, что Земля одета в «рубашку» магнитосферы, сотканную из бесчисленного множества заряженных частиц, двигающихся по определенным законам. И хотя видеть их нельзя, но приборы чувствуют присутствие частиц отлично. И не только приборы — живой организм, который был бы помещен в этот резервуар заряженных частиц на достаточно долгое время, испытал бы серьезнейшие последствия от смертоносной радиации.
Эта «одежда» очень своеобразна. Попасть в ее толщу опасно, но в то же время она надежной броней предохраняет нашу планету от вредоносного космического излучения. И кто знает, возможна ли была бы жизнь на Земле, если бы она не была одета в эту «рубашку»...
В наш век, когда человек делает первые шаги в космос, вопрос о магнитосфере сразу же превратился из чисто теоретического в насущную практическую проблему. Им заинтересовались медики, отвечающие за здоровье космонавтов. Радисты, призванные поддерживать дальнюю связь, хотели знать, как влияют захваченные частицы на распространение радиоволн.
«А не поможет ли новооткрытая сфера точнее и легче составлять карты вечно меняющегося магнитного склонения?» — спрашивали магнитологи и штурманы. Те, кто посвятил себя изучению тайн полярных сияний и космических лучей, увидели, что здесь кроются ответы на многие волнующие их проблемы.
Всем этим занялась новая наука, название которой вы пока не найдете и в Большой Советской Энциклопедии. Она называется аэрономией, и в круг ее ведения входят проблемы электромагнитных явлений в верхней атмосфере и ближнем космосе. И хотя аэрономия в общем-то наука физическая, разве возможно в наше время отделить физику от физической географии и астрономии. Семья этих родственных наук, давно пополнившаяся астрофизикой, геофизикой, гелиофизикой, теперь гостеприимно приняла под свой кров и новую родственницу — аэрономию.
Силуэт двугорбого верблюда
Интересно, что натолкнуться на некоторые загадки строения магнитосферы помогла случайность. Американская ракета «Пайонир III» была направлена к Луне. Но из-за каких-то неполадок она отклонилась от правильной траектории и с расстояния около 100 тысяч километров повернула обратно в сторону Земли. При этом «Пайонир III» дважды — «туда» и «обратно» — пронизал зону повышенной радиации.
Показания счетчиков, помещенных на борту ракеты, перенесли на график, и снова ученые были поражены: он напомнил им силуэт двугорбого верблюда. До расстояния примерно в 10 тысяч километров от центре Земли кривая взгорбливалась круто вверх, и, значит, количество частиц,. которое она обозначала, увеличивалось.
Затем неожиданно происходил резкий спад, и на графике появлялся провал. Потом там, где ракета удалилась на 15—18 тысяч километров, кривая опять лезла в гору. А после двадцатитысячного километра пути количество частиц плавно, но неуклонно шло на убыль. На обратном пути ракеты то же самое.
Конечно, самое удивительное в этой картине то, что «верблюд» двугорб. Почему возник этот провал между двумя «горбами»? Почему зона радиации в одном месте переполнена, потом почти совсем пуста, а потом опять густо населена частицами?.. И снова пошли в поиск космические разведчики, вооруженные счетчиками заряженных частиц. Данные разведки навели ученых на мысль: Земля находится в «окружении» двух колец радиации, разделенных «ничейной полосой».
Многократное зондирование окрестностей нашей планеты подтвердило, что вокруг Земли есть два радиационных кольца.
Первое из них имеет форму баранки, положенной в экваториальной зоне. На какой высоте находится его нижний край? В восточном полушарии — всего на 600 километрах, а в западном — близко к 1,5 тысячам. Радиационная «баранка» надета на Землю как бы «набекрень», потому что магнитная ось Земли не совпадает с осью ее вращения. Она сдвинута на несколько сот километров в сторону восточного полушария, и хоровод заряженных частиц, покорных ей, проходит в нашем полушарии ближе к Земле, чем в западном.
От экватора на север и юг это кольцо простирается до 35-го градуса, и, значит, по ширине оно охватывает полосу над Центральной и Южной Америкой, почти всей Африкой, южной частью Азии, Австралией и Океанией. Толщина внутреннего пояса радиации в плоскости экватора — несколько тысяч километров. А потом, выше, начинается тот самый зазор, «ничейная земля», что отделяет одну зону радиации от другой.
Но это только та «рубашка», что «ближе к телу» нашей планеты. А сверху надета другая — второе радиационное кольцо. В поперечном сечении кольцо представляет собой два обращенных друг к другу вогнутой стороной полумесяца, загнутые «рога» которых достигают примерно 65-го градуса северной и южной широты, то есть района Полярного круга.
В Арктике и Антарктике нижняя граница внешнего пояса радиации находится всего в 250—500 километрах над поверхностью Земли, а от экватора ее отделяет больше 12 тысяч километров.
Чем объясняется тот факт, что пояса не сливаются в один, что между ними есть просвет, ученые еще не установили. Но в гипотезах недостатка нет. Согласно одной из них, например, в этом виновата огромная магнитная аномалия, расположенная в южной части Атлантического океана, между Кейптауном и побережьем Бразилии. Она-то, по мнению некоторых специалистов, и оттягивает в сторону, «выедает» часть заряженных частиц, пытающихся выскочить на «ничью землю» между поясами радиации.
А по другой гипотезе пояса существуют порознь потому, что причины их образования разные. Внутренний пояс возникает так: космические лучи врываются в верхнюю часть атмосферы — ту, что граничит уже с межпланетным пространством, начинают здесь взаимодействовать с атомами воздуха. Образующиеся нейтроны разлетаются, как брызги, во все стороны. На расстоянии около тысячи километров от поверхности Земли происходит их распад на электроны и протоны. Эти частицы и попадают в ловушку магнитного поля. Они и есть те странники, что путешествуют все время из полушария в полушарие.
Внешний же пояс согласно этой гипотезе возникает иначе. Ведь известно, что Солнце постоянно бурлит. Оно выплескивает временами языки материи — солнечную плазму, устремляющуюся в нашу сторону от светила со скоростью 1 000 километров в секунду.
От взаимодействия плазмы с магнитным полем Земли и рождается согласно этой гипотезе внешний радиационный пояс. Разное происхождение — разное и «местожительство», говорят сторонники этой гипотезы.
Впрочем, проведенные недавно исследования показали, что четкое разделение на отдельные пояса не всегда удается обнаружить. Временами пояса как бы нарушают свои границы и незаметно переходят один в другой. Тогда, очевидно, двугорбый «верблюд» на время превращается в одногорбого.
Мы еще не дали характеристику частицам, которые «населяют» пояса. Самые разнообразные приборы и счетчики, которые ученые погружали в эти радиационные «резервуары», рассказали, что в различных поясах живут различные частицы.
Внутренний пояс содержит главным образом протоны. А во внешнем поясе протонов очень мало. Главные его «жители» — электроны.
Нрав у поясов различный. Внутренний отличается большей уравновешенностью. За целый год количество населяющих его частиц может постепенно измениться не больше чем в два-три раза в ту или иную сторону. А у внешнего характер куда более переменчивый: за какие-нибудь сутки число электронов здесь может подскочить или упасть в десяток раз.
Дело, видимо, в том, что внешнему поясу приходится постоянно «выяснять взаимоотношения» с Солнцем. Светило нередко по причинам нам пока неизвестным «возбуждается». И тогда неожиданно во все стороны устремляются порывы «солнечного ветра» и ливни заряженных частиц.
Настоящий вихрь «солнечного ветра» врывается в нашу магнитосферу, прорывает передний край обороны внешнего пояса, «вминает» магнитные силовые линии в сторону Земли, и тут-то прилетевшие заряженные частицы попадают в ловушку радиационных поясов.
Аэрономия — наука молодая, ей нет и десятка лет. А явления, изучаемые ею, развиваются в продолжение многих тысячелетий. То, что удалось открыть во время Международного геофизического года и сразу после него, происходило в пору очень высокой солнечной активности. Но в такое время часто одна магнитная буря «накладывается» на другую, и разобраться, что к чему, где причина и где ее следствие, нередко бывает невозможно. Зато в год, когда Солнце спокойно, проследить за бурей гораздо легче.
Вот почему с таким нетерпением ждут геомагнитологи и ионосферисты, гелиофизики и метеорологи, специалисты по космическим лучам и полярным сияниям, что принесут им наблюдения в период Международного года спокойного Солнца (МГСС).
Глубокая разведка
Если центральным событием МГГ был запуск по его программе первого в истории советского спутника, то не успел истечь и первый месяц МГСС, как в окрестности Земли вышли «Электрон-1» и «Электрон-2».
Главная цель запуска этих советских спутников-близнецов как раз и есть исследование лучистой оболочки Земли. Не случайно они выведены одновременно и на такие различные орбиты. «Электрон-1» удаляется от Земли на 7 тысяч, а «Электрон-2» — почти на 70 тысяч километров.
«Электрон-1» зондирует внутренний пояс радиации, а его «собрат» в то же время пронизывает внешний. Приборы на них установлены аналогичные. Орбиты спутников рассчитаны таким образом, что, когда один из них идет к Земле, другой удаляется от нее. Таким образом и создается возможность ответить на те вопросы, которые волнуют ученых: что же происходит с радиационными зонами, особенно с внешней, во время магнитных бурь, каким образом поток частиц, посланных Солнцем, влияет на магнитосферу, наконец, почему радиационные кольца нашей планеты так отличаются друг от друга.
Новая наука накапливает факты, разрешает возникшие проблемы, рождает новые. Познание мира продолжается.
Б.Силкин
