СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И БИОСФЕРА

Раздел: Образование

Понимание никогда не может быть чем то иным, кроме как осознанием связей

В. Гейзенберг

Наше Солнце является источником электромагнитного (волнового) излучения в широком диапазоне длин волн — от сверхнизкочастотного радиоизлучения до гамма-квантов. Основная доля энергии, излучаемая Солнцем, приходится на видимый свет (диапазон длин волн 290—700 нм), который свободно проникает до земной поверхности и характеризуется тадс называемой солнечной постоянной (1,4-106 эрг-с"1 -см*"2). Из измерений этой величины следует, что светимость Солнца как звезды отличается высокой стабильностью: изменения солнечной постоянной не превышают 0,1%.

В ближней ультрафиолетовой области (А,<290 нм) солнечное излучение (вне атмосферы Земли) опять- таки практически остается неизменным. Однако на поверхность Земли оно уже не попадает: этому препятствует озоносфера — слой озона, постоянно существующий в стратосфере на высотах около 25 км. Озоносфера образуется в результате определенных химических реакций благодаря воздействию коротковолнового солнечного излучения на атмосферу. При еще более коротких длинах волн (далекая ультрафиолетовая область и мягкий рентгеновский диапазон) фотоны солнечного излучения обладают энергией, достаточной для ионизации атомов, и их поглощение в земной атмосфере на высотах 100—300 км приводит к возникновению электрически высокопроводящего слоя — ионосферы.

Если теперь двигаться от максимума энергии'в спектре Солнца в сторону увеличения длин волн, то, миновав инфракрасную область (излучение в которой сильно поглощается атмосферой), мы попадаем в радиодиапазон. В интервале от субмиллиметровой области вплоть до длин волн 20—30 м ничто не мешает солнечному излучению (очень, впрочем, слабому) достигать поверхности Земли. Более длинные радиоволны (длиннее де- каметровых) поглощаются земной ионосферой.

Итак, защитный «экран» Земли (атмосфера вместе с озоносферой и ионосферой) позволяет солнечному электромагнитному излучению свободно проникать на поверхность Земли только в двух диапазонах («окнах прозрачности»): радио- ( — 1 мм —30 м) и оптическом ( — 290—700 нм). Корпускулярное излучение Солнца, подробно изученное в последние десятилетия, не играет роли в энергетическом балансе нашего светила. Однако оно имеет важное значение в физике солнечно-земных связей.

Как теперь установлено, самая верхняя часть солнечной атмосферы (корона) находится в неустойчивом состоянии и непрерывно расширяется. На расстояниях свыше нескольких десятков солнечных радиусов от поверхности Солнца (фотосферы) скорость расширения достигает своего стационарного значения (около 400 км/с) — это так называемый солнечный ветер. Вещество солнечного ветра (как и солнечной короны) ионизовано, оно представляет собой электронно-водородную, в целом нейтральную плазм} — смесь ионов и электронов. В эту плазму «вморожено» магнитное поле, «вытягиваемое» из короны при ее расширении.

Расстояние до орбиты Земли (214 солнечных радиусов) порция плазмы преодолевает за 4,5 сут. Солнце за это время успевает повернуться на угол около 60°, в результате силовая линия межпланетного магнитного поля, не теряющая связи с Солнцем, будет иметь форму архимедовой спирали. Прямыми измерениями с помощью космических аппаратов найдено, что в некотором интервале солнечной долготы межпланетное магнитное поле в течение нескольких суток имеет устойчивое направление (например, от Солнца, что обозначается через « + » или А). Затем межпланетное магнитное поле очень быстро (скачкообразно) меняет направление на обратное («—» или Г), и это направление сохраняется примерно в течение недели. Затем направление межпланетного магнитного поля меняется вновь.

За несколько оборотов Солнца вокруг своей оси эта картина секторов межпланетного поля определенной полярности не меняется. У Земли наблюдаются либо все четыре сектора, либо только два, и поэтому границы сектора (реальные физические границы, представляющие собой газодинамические разрывы) проходят вблизи Земли либо через 7 сут (около четверти оборота Солнца вокруг своей оси), либо через 13—14 сут (около половины 27-суточного периода вращения Солнца). Описанная секторная структ}ра, являющаяся отражением аналогичной структуры крупномасштабных полей на Солнце, проявляется во всех основных параметрах солнечного ветра (скорости, плотности и т. д.).

Солнечный ветер, постоянно обтекая Землю (как и другие планеты), взаимодействует с земным магнитным полем. Картина взаимодействкя напоминает то, что наблюдается при движении сверхзвукового самолета в атмосфере' перед препятствием возникает ударная волна. За фронтом ударной волны образуется полость- магнитосфера. Солнечный ветер непосредственно в магнитосферу Земли не пшгадает. С дневной стороны его динамический напор уравновешивается давлением немного «сжатого» магнитного поля Земли (на расстоянии 7—10 радиусов планеты). С ночной стороны «сдуваемые» солнечным ветром силовые линии магнитного поля Земли образуют длинный (протягивающийся далеко за орбиту Луны) магнитосферный шлейф.

Магнитосфера Земли имеет достаточно сложную структуру и является областью развития многообразных электромагнитных явлений. Они сейчас интенсивно изучаются, и в дальнейшем мы коснемся некоторых результатов этих исследований. Пока же еще раз подчеркнем, что основной вид корпускулярного излучения Солнца — солнечный ветер — образует при обтекании Земли с ее магнитным полем особую • полость —магнитосферу, куда непосредственно не проникает.

И в электромагнитном излучении Солнца (и в коротковолновой области, и в радиодиапазоне), и в солнечном ветре время от времени происходят значительные изменения. Они связаны с комплексом явлений в солнечной атмосфере, которые объединяют под общим названием «солнечная активность». Физическая сущность всех этих явлений — превращение энергии, накапливающейся в солнечных магнитных полях, в энергию движения газовых масс, «быстрых» (ускоренных) частиц и коротковолнового электромагнитного излучения. В конечном счете процессы солнечной активности черпают свою энергию из процессов, протекающих в недрах Солнца.

Подавляющее большинство явлений солнечной активности наблюдается в центрах активности — активных областях (АО). Наиболее легко наблюдаемое явление в АО — это солнечные пятна, кажущиеся темными н^ фоне фотосферы из-за несколько меньшей температуры газа в пределах пятна. Пятна чаще всего наблюдаются группами, причем в пределах группы нетрудно выделить области северной ъ южной полярности магнитного поля. Одна полярность приходится на ведущее (западное) пятно, а другая на хвостовое (восточное).

АО возникают сначала как районы усиления магнитного поля. Почти одновременно появляются факелы — области повышенной яркости, а затем и пятна, постепенно увеличивающиеся в своей площади. Спустя некоторое время пятна начинают уменьшаться, дробиться, АО деградируют и постепенно исчезают. Большинство АО проходит весь путь развития за время, меньшее периода солнечного вращения (27 сут). Однако нередки случаи, когда АО могут наблюдаться многие месяцы.

Наряду с эволюционными изменениями в АО наблюдаются и быстропротекающие явления. Наиболее важным из них является вспышка — взрывоподобное выделение энергии, сопровождающееся выбросом облака плазмы, резким усилением радио- и коротковолнового излучений и внезапным появлением ускоренных частиц космических лучей (еще одного вида корпускулярного излучения Солнца). При особо мощных вспышках излучаются и гамма-кванты. При оптических наблюдениях, ведущихся через узкополосные фильтры (пропускающие лишь одну спектральную линию), вспышка выглядит как внезапное усиление яркости в отдельных участках АО. Яркость за несколько минут достигает максимума, а затем постепенно спадает, так что все явление длится обычно не более 1 ч

В зависимости от мощности, характеризуемой площадью свечения, его яркостью и продолжительностью, вспышкам приписывают определенный балл. Балл 4 приписывают вспышкам исключительной мощности, их бывает от одной до трех в течение всего 11-летнего цикла. Сами АО сильно различаются по уровню вспышеч- ной активности: есть АО, за все время жизни которых зафиксировано всего несколько субвспышек, в то время как в других АО число вспышек даже балла 2 и выше может достигать нескольких десятков.

Если ла солнечном диске наблюдаются одновременно несколько АО и в них происходят вспышки, электромагнитное излучение Солнца значительно возрастает в двух диапазонах: в коротковолновом (далекая ультрафиолетовая и рентгеновская области), излучение которого поглощается ионосферой Земли и вызывает ионосферные возмущения, и в радиодиапазоне Продолжительность всплеска радиоизлучения, доходящего до земной поверхности, на частотах около 108 Гц (метровые волны) может достигать нескольких часов и превышать интенсивность радиоизлучения «спокойного» Солнца на четыре, а иногда даже на пять порядков.

В солнечной радиоастрономии известно и еще одно явление на этих же частотах — шумовая буря Ее источником является АО (обычно с пятном большой площади), интенсивность излучения при этом возрастает не так сильно (всего на два порядка), но продолжительность может достигать многих суток С появлением вспышек связано и усиление корпускулярного излучения Солнца. Облако плазмы, выброшенное при развитии большой вспышки (балла 2 и выше), достигает магнитосферы Земли через 1—2 сут Возмущение, которое при этом испытывает магнитосфера, фиксир\ется на Земле как магнитная буря с внезапным началом

Что касается солнечных космических лучей, то они достигают окрестностей Земли спустя несколько десятков минут после вспышки. Непосредственно поверхности Земли достигают частицы солнечных космических лучей, имеющие наибольшую энергию и от очень больших вспышек. Их интенсивность может в несколько раз превышать фон галактических космических лучей на протяжении нескольких десятков минут Такие события, однако, случаются не часто- за цикл активности 1954— 1964 гг. их было зарегистрировано всего 10 Обычно, обладая сравнительно небольшой энергией (несколько сотен мегаэлектронвольт), эти космические лучи отклоняются магнитным полем Земли к ее полюсам, где и поглощаются в атмосфере на высотах 20—30 км, вызывая особое возмущение полярной ионосферы.

Число АО, в среднем за год наблюдаемых на солнечном диске, подвержено циклическим изменениям с периодом, близким к 11 годам. .Один из наиболее употребляемых интегральных индексов'солнечной активности — относительное число солнечных пятен (число Вольфа R) — как раз и отражает изменение числа АО. Поскольку появление дополнительного потока (относительно потока «спокойного» Солнца) радио- и коротковолнового излучений связано с увеличением числа АО и происходящих в них вспышек, средняя величина этого потока хорошо коррелирует с R (или с близким ему индексом S — суммарной площадью пятен, наблюдаемых на диске Солнца). Разумеется, существует корреляции и для последствий вспышек — внезапных ионосферных возмущений и магнитных бурь с внезапным началом.

Надо отметить, что в изменении солнечной акшвно- сти обнаруживаются и другие циклы: 3-, 5- и 7—8-летние, а также более длительные (180-летний). Из исследований магнитных полей солнечных пятен выяснено, что основным циклом является 22-летний, включающий в себя два 11-летних цикла: по принятой нумерации четный + нечетный. Смена полярности общего магнитного поля Солнца происходит каждые 11 лет (близ эпохи максимума активности).

Существенной особенностью циклических вариаций в параметрах солнечного ветра является то, что в данном случае нет простого соответствия числа АО числу возмущений. Струи интенсивного солнечного ветра истекают из особых образований в солнечной короне — корональных дыр, регистрируемых на рентгеновских снимках Солнца в виде темных районов неправильной формы. Некоторые из них существуют в течение года и более и обладают тенденцией к 27-суточной повторяемости. Именно с этими струями связаны рекуррентные возмущения магнитосферы, фиксируемые на земной поверхности как магнитные бури с постепенным началом. Число корональных дыр больше на ветви спада четного 11-летнего цикла, в нечетном цикле преобладают вспышечные возмущения, приходящиеся на эпоху максимума (по числам Вольфа).

Изменения в среде нашего обитания, связанные с солнечной активность^, отнюдь не сводятся только к возрастанию интенсивности космического радиоизлучения и космических лучей (последнее гораздо реже). В околоземном космическом пространстве в защитных оболочках Земли, прежде всего в ее магнитосфере и ионосфере, протекает множество сопутствующих явлений. Значительная их часть может быть прослежена на земной поверхности. Об одном из них здесь уже много раз упоминалось — это геомагнитная активность, непрерывно регистрируемая на сети магнитных обсерваторий.

Магнитное поле Земли имеет переменную составляющую, обусловленную существованием токовых систем в ионосфере. Самые большие изменения напряженности магнитного поля Земли, вызванные возмущением токовых систем, происходят во время сильных магнитных бурь. На средних широтах это выражается в уменьшении горизонтальной составляющей поля примерно на 1% (главная фаза бури, длящейся несколько десятков часов). Если перед этим уменьшением напряженности имеется небольшое ее кратковременное увеличение (около 10~4 Гс), возмущение называют бурей с внезапным началом (такие бури фиксируются спустя 40— 50 ч после сильной вспышки на Солнце).

Среди индексов геомагнитной активности наиболее распространенными являются так называемые индексы К> которые отражают собой полную амплитуду (размах) изменения наиболее изменчивого компонента поля за 3-часовой интервал времени (в особой логарифмической шкале). После усреднения локальных (по специально отобранным станциям) индексов получают планетарный индекс Кр . Индекс а определяется из К путем перехода к линейной шкале, причем среднесуточное значение а обозначается через А (соответствующий планетарный индекс обозначается через Аа ).

Хотя индексы геомагнитной возмущенности в сущности отражают только вариации ионосферных токов, они косвенно служат индикаторами и некоторых других явлений. В частности, изменения индексов геомагнитной возмущенности в некоторой степени отражают вариации естественного электромагнитного поля (ЭМП) Земли. Последнее представляет собой постоянно существующий повсюду (в л*обой точке земной поверхности) фон электромагнитных колебаний в достаточно широком интервале частот.

В разных диапазонах этот фон естественного происхождения обусловлен различными причинами. Например, в радиочастотном «окне прозрачности» уровень естественного электромагнитного фона (подчеркнем, естественного, так как есть еще и искусственный фон) определяется космическим радиоизлучением галактического происхождения и радиоизлучением Солнца. В диапазоне низких и звуковых частот (до нескольких герц) уровень естественного ЭМП определяется радиоизлучением атмосферных молниевых разрядов — атмосфери- ков. Ниже нескольких герц ионосфера вновь делается прозрачной (низкочастотное «окно прозрачности»), и ЭМП магнитосферного происхождения проникают к земной поверхности.

Магнитная составляющая ЭМП регистрируется специальной аппаратурой как короткопериодические колебания (микропульсации) магнитного поля Земли. Во время магнитных бурь амплитуда микропульсаций в некоторых частотных полосах может в сотни раз возрасти относительно невозмущенного уровня, а на высоких широтах и во много раз больше. Изменения в естественном ЭМП происходят, конечно, не только во время магнитных бурь Даже небольшие вариации солнечной активности сказываются на параметрах фонового ЭМП, К сожалению, пока не существует длительных рядов наблюдений для индексов, характеризующих эти изменения. Между тем громадные по своим масштабам возмущения ЭМП имеют, как мы увидим, важное значение.

Мы еще вернемся к описанию некоторых деталей этих явлений, а пока продолжим знакомство с процессами, сопутствующими вариациям солнечной активности. К их числу нужно отнести и вариации электростатического поля Земли (порядка 100 В/м для равнинной местности). Его изменения тесно связаны с вариациями метеорологических параметров нижней атмосферы, достигая наибольших значений при грозах. Но в условиях ясной погоды "электрическое поле обнаруживает связь и с солнечной активностью.

С индексами геомагнитной активности коррелирует и интенсивность галактического космического излучения: каждая магнитная буря с внезапным началом сопровождается резким падением интенсивности (на несколько процентов). Радиоактивный (естественный) фон земной поверхности только отчасти обусловлен космическими лучами. Важное значение (среди других факторов) имеет здесь концентрация тяжелого радиоактивного газа радона. Оказывается, изменения его приземной концентрации также коррелируют с индексами геомагнитной возмущенности .

Довольно давно было замечено, что сильные магнитные бури сопровождаются возмущениями и совсем другого рода — появлением акустических колебаний очень низкой частоты (инфразвука). По-видимому, во многих случаях это явление носит глобальный характер. Обычно спустя 4—6 ч после начала бури амплитуда инфразвуковых колебаний на средних широтах начинает плавно возрастать, достигает максимального значения, а затем спустя несколько часов уменьшается. Установлено, что эти акустические сигналы генерируются при развитии полярных сияний.

Инфразвук на таких низких частотах при своем распространении в атмосфере почти не затухает, и сигналы могут обнаруживаться на громадном удалении от ис/очника. Полярное сияние — не единственный источник возбуждения инфразвука. Ураганы, сильные молниевые разряды, землетрясения, вулканические извержения тоже сопровождаются появлением инфразвуковых колебаний, так что существует постоянный фон акустических шумов, а его вариации в отдельных полосах частот связаны с солнечной активностью.

Значительные изменения на поверхности Земли могут произойти и в том случае, если под влиянием каких- либо причин что-то изменится в «экранах», защищающих Землю от космических воздействий.

Определенные небольшие изменения возникают, например, в одной из наших оболочек — озоносфере Вариации толщи озоносферы, как уже отмечалось, приводят к изменениям приземного потока ультрафиолетового излучения. Доказано, что небольшие изменения в толще озона происходят и благодаря солнечной активности. В связи с тем вниманием, которое ученые в последние годы уделяют проблеме антропогенного влияния на озоносферу, было проведено много исследований в этой области, что позволило получить ряд количественных оценок.

Так, например, обнаружено, что при уменьшении толщи озона на 1%, интенсивность ультрафиолетового излучения в интервале длин волн 280—340 нм, доходящего до земной поверхности, возрастает на средних широтах в среднем на 2%. Это значение не так >ж и мало, поскольку полное изменение толщи озона за 11-летний цикл в некоторых точках земной поверхности может достигать 8%.

В  3 перечислены показатели внешней среды, изменяющиеся при вариациях солнечной активности (здесь не учитывается влияние солнечной активности на тропосферную циркуляцию и погоду). Какие же из перёчисленных физических факторов имеют значение для жизнедеятельности организмов? Иными словами, какие из контролируемых солнечной активностью параметров среды обитания являются экологически значимыми?

Легко видеть, что ряд показателей мы можем сразу же исключить из дальнейшего рассмотрения. Так, вариации интенсивности солнечного излучения в радиочастотном «окне прозрачности» (всплески радиоизлучения от больших вспышек, шумовые бури) можно отбросить по той причине, что уровень фона искусственного происхождения в этом диапазоне, примерно на три порядка выше сигналов естественного происхождения.

Аналогичный вывод можно сделать и относительно медленных изменений напряженности магнитного поля Земли. Из магнитобиологических экспериментов следует, что изменение напряженности статического магнитного поля на величину порядка 1 % при экспозиции около 1 сут (главная фаза магнитной бури на средних широтах) не сказывается заметным образом на каких-либо физиологических показателях организма.

Можно не принимать во внимание и вариации космических лучей. Возрастание интенсивности солнечных космических лучей на уровне моря достаточно редки, а изменения интенсивности галактического компонента очень малы. Вариации радиоактивного фона, обусловленные другими естественными причинами, заведомо их покрывают. Даже для колебаний радиоактивности приземной атмосферы из-за вариаций концентрации радиоактивного радона, много больших по амплитуде, трудно пока сделать какое-либо определенное заключение об их значении, для экологии без специальных модельных экспериментов.

Что касается других физических факторов, приведенных в  3, то вопрос об их экологической значимости требует специальных исследований и более подробного анализа. В последние годы в этом направлении была проделана большая работа и о ее результатах будет сказано дальше.