Міжпланетне магнітне поле
Мізун Ю. Г., Мізун П. Г. КОСМОС І ЗДОРОВ'Я
Ми бачили, що магнітне поле Сонця відрізняється від магнітного поля Землі. Воно дуже безладне, хаотично і не піддається такому простому опису, як дипольне поле Землі. Строго кажучи, Сонце загалом має магнітне поле дипольного типу, яке спрямоване протилежно земному диполю. Вимірювання дають величину магнітного поля Сонця близько 1 Гс. Це вдвічі більше за магнітне поле Землі. Але загальне магнітів поле на Сонці далеко не єдине. На нього накладаються магнітні поля, які пов'язані із сонячними плямами. Ці місцеві поля мають величину кілька тисяч гаус. Тому дипольним полем Сонця можна знехтувати.
Ми бачили, що магнітні поля сонячних плям спрямовані не довільно, а підкоряються певним законам. У Північній півкулі силові лінії магнітного поля виходять із східної плями та входять у західну пляму. У Південній півкулі, навпаки, силові лінії виходять із західної плями та входять до східної. Після закінчення сонячного циклу, тобто через 11 років, усі напрямки магнітних полів змінюються на зворотні. А ще через 11 років вони знову стануть такими самими, як і 22 роки тому. Т. е. якщо основні характеристики активності Сонця змінюються з періодом в 11 років, то напрямок магнітних полів сонячних плям змінюється з періодом в 22 роки.
З області сонячних плям викидається сонячна плазма, яка прямує з поверхні Сонця в радіальному напрямку. Оскільки Сонце обертається, то потоки плазми закручуються подібно до струменів води, що витікають з поливального пристрою, що обертається.
Плазма (сонячний вітер), що рухається від Сонця, відносить магнітне поле сонячної плями в міжпланетний простір. Плазма являє собою хороший електричний провідникструму. З фізики відомо, що особливістю всіх хороших провідників є їхня протидія змінам магнітного поля. При зміні магнітного поля у провіднику будуть створюватися (індукуватись) струми, які спрямовані так, що їх магнітне поле протидіє цій зміні.
У сонячній короні та міжпланетному просторі втрати енергії на нагрівання дуже малі, і плазма поводиться як ідеальний провідник. Тому вона протидіє будь-якій зміні магнітного потоку. У таких випадках говорять, що дифузія магнітного поля до плазми або з плазми відсутня.
Міжпланетний простір зайнятий сонячною плазмою, яка є ідеальним провідником. Цей провідник «вимітає» на своєму шляху будь-які магнітні поля (вони не можуть проникнути всередину потоку плазми), і в міжпланетному просторі залишається тільки те магнітне поле, яке сонячна плазма тягне від Сонця.
То як виглядає міжпланетне магнітне поле? Якщо магнітні поля сонячних плям спрямовані по-різному (і до Сонця і від нього), то це поле, витягнуте потоком сонячної плазми, в міжпланетному просторі буде в різних місцях спрямоване по-різному (або Сонця або Сонця). Для нас важливо, яким воно є у площині екліптики. У першому наближенні воно має форму спіралей Архімеда, як це показано на рис. 4.
Мал. 4. Спіральне сонячно-міжпланетне поле у площині сонячного екватора (або площині екліптики) для спокійного Сонця. Передбачається, що сонячний вітер радіально рухається від Сонця зі швидкістю 300 км/с.
Виходячи з величини швидкості плазми, магнітного поля на Сонці, відстані від Сонця до Землі та ін, можна оцінити: кут нахилу потоку плазми та магнітного поля до сонячного радіусу поблизу орбіти Земліскладає близько 45 °. (Швидкість сонячної плазми з відривом орбіти Землі дорівнює приблизно 440 км/с.)
На рис. 4 показана лише форма магнітних силових ліній у міжпланетному просторі. Напрямок їх протилежний у різних секторах. На рис. 5 показано напрямок міжпланетного магнітного поля на орбіті Землі, виміряне на супутнику за три обороти. Кордони між секторами проведені як спіралей Архімеда.
Мал. 5. Секторна структура міжпланетного магнітного поля, виміряна супутнику. Показано характерний розподіл полярності.
Те, що магнітне поле міжпланетного простору має секторну структуру, дуже важливе для виникнення та протікання магнітних бур на Землі і навіть для формування погоди. Вимірювання за допомогою ракет показали, що швидкість сонячного вітру та щільність частинок систематично змінюються. На межі секторів ці параметри різко зростають. Наприкінці другого дня після проходження межі сектора щільність плазми дуже швидко збільшується, а потім через два чи три дні починає зменшуватися повільно. Швидкість сонячного вітру повільно зменшується другого або третього дня після досягнення максимуму.
Секторна структура міжпланетного магнітного поля та зазначені вище зміни швидкості та щільності сонячної плазми тісно пов'язані з магнітосферними збуреннями. Ця структура є стійкою. Вона обертається із Сонцем принаймні протягом кількох сонячних обертів, проходячи над Землею приблизно через кожні 27 днів. Схема міжпланетного магнітного поля показана на рис. 4, ідеалізована. Насправді реальний розподіл швидкостей потоку сонячної плазми та форма силових ліній магнітного поля дуже неоднорідні.
Вимірювання за допомогою супутників показали, що на спіральнемагнітне поле накладено значні нерегулярності. Якщо виміри короткочасні (не перевищують принаймні кількох днів), важко виявити спіральну структуру міжпланетного магнітного поля. Ця нерегулярність міжпланетного магнітного поля дуже впливає весь комплекс сонячно-земних зв'язків.
Вимірювання, проведені на супутниках, показали, що магнітна буря настає тоді, коли в міжпланетному просторі магнітне поле більше в десятки разів і має нерегулярніший характер, ніж у спокійні періоди. Це відбувається внаслідок посилення сонячного вітру. Потоки плазми забирають із обурених областей Сонце в міжпланетний простір більш інтенсивні і нерегулярні поля, що призводить до появи нерегулярностей в спокійному магнітному міжпланетному полі. Це було підтверджено супутниковими вимірами.
Експериментально встановлено, що є найтісніший зв'язок між характером міжпланетного магнітного поля (його величиною та ступенем нерегулярності) та сонячною активністю. За величиною зв'язку можна оцінити середню швидкість поширення обурення. Вона дорівнювала близько 1000 км/с.