Межпланетное магнитное поле

Движение заряженных частиц направляется магнитным полем. Для того чтобы проследить, как заряженные частицы, входящие в состав солнечного ветра, двигаются от Солнца к Земле, надо прежде всего рассмотреть свойства преодолеваемого ими пространства (межпланетного пространства). Основное свойство его — это наличие в этом пространстве магнитного поля.

Мы видели, что магнитное поле Солнца отличается от магнитного поля Земли. Оно весьма беспорядочно, хаотично и не поддается такому простому описанию, как дипольное поле Земли. Строго говоря, Солнце в целом обладает магнитным полем дипольного типа, которое направлено противоположно земному диполю. Измерения дают величину магнитного поля Солнца около 1 Гс. Это вдвое больше магнитного поля Земли. Но общее магнитив поле на Солнце является далеко не единственным. На него накладываются магнитные поля, которые связаны с солнечными пятнами. Эти местные поля имеют величину в несколько тысяч гаусс. Поэтому дипольным полем Солнца можно пренебречь.

Мы видели, что магнитные поля солнечных пятен направлены не произвольно, а подчиняются определенным законам. В Северном полушарии силовые линии магнитного поля выходят из восточного пятна и входят в западное пятно. В Южном полушарии, наоборот, силовые линии выходят из западного пятна и входят в восточное. По истечении солнечного цикла, т. е. через 11 лет, все направления магнитных полей меняются на обратные. А еще через 11 лет они снова станут такими же, как и 22 года назад. Т. е. если основные характеристики активности Солнца меняются с периодом в 11 лет, то направление магнитных полей солнечных пятен меняется с периодом в 22 года.

Из области солнечных пятен выбрасывается солнечная плазма, которая устремляется с поверхности Солнца в радиальном направлении. Поскольку Солнце вращается, то потоки плазмы закручиваются подобно струям воды, истекающим из вращающегося поливального устройства.

Движущаяся от Солнца плазма (солнечный ветер) уносит магнитное поле солнечного пятна в межпланетное пространство. Плазма представляет собой хороший проводник электрического тока. Из физики известно, что особенностью всех хороших проводников является их противодействие изменениям магнитного поля. При изменении магнитного поля в проводнике будут создаваться (индуцироваться) токи, которые направлены так, что их магнитное поле противодействует этому изменению.

В солнечной короне и межпланетном пространстве потери энергии на нагревание очень малы, и плазма ведет себя как идеальный проводник. Поэтому она противодействует любому изменению магнитного потока. В таких случаях говорят, что диффузия магнитного поля в плазму или из плазмы отсутствует.

Межпланетное пространство занято солнечной плазмой, которая является идеальным проводником. Этот проводник «выметает» на своем пути любые встречающиеся магнитные поля (они не могут проникнуть внутрь потока плазмы), и в межпланетном пространстве остается только то магнитное поле, которое солнечная плазма тянет от Солнца.

Так как же выглядит межпланетное магнитное поле? Если магнитные поля солнечных пятен направлены по-разному (и к Солнцу и от него), то это поле, вытянутое потоком солнечной плазмы, в межпланетном пространстве будет в разных местах направлено по-разному (или к Солнцу или от Солнца). Для нас важно, каким оно является в плоскости эклиптики. В первом приближении, оно имеет форму спиралей Архимеда, как это показано на рис1.

Рис1. Спиральное солнечно-межпланетное поле в плоскости солнечного экватора (или в плоскости эклиптики) для спокойного Солнца. Предполагается, что солнечный ветер движется радиально от Солнца со скоростью 300 км/с

Исходя из величины скорости плазмы, магнитного поля на Солнце, расстояния от Солнца до Земли и др., можно оценить: угол наклона потока плазмы и магнитного поля к солнечному радиусу вблизи орбиты Земли составляет около 45°. (Скорость солнечной плазмы на расстоянии орбиты Земли равна примерно 440 км/с.)

На рис1 показана только форма магнитных силовых линий в межпланетном пространстве. Направление их противоположно в различных секторах. На рис2 показано направление межпланетного магнитного поля на орбите Земли, измеренное на спутнике за время трех оборотов. Границы между секторами проведены в виде спиралей Архимеда.

Рис2. Секторная структура межпланетного магнитного поля, измеренная на спутнике. Показано характерное распределение полярности.

То, что магнитное поле межпланетного пространства имеет секторную структуру, очень важно для возникновения и протекания магнитных бурь на Земле и даже для формирования погоды. Измерения с помощью ракет показали, что скорость солнечного ветра и плотность частиц систематически изменяются. На границе секторов эти параметры резко увеличиваются. В конце второго дня после прохождения границы сектора плотность плазмы очень быстро увеличивается, а затем через два или три дня начинает медленно уменьшаться. Скорость солнечного ветра медленно уменьшается на второй или третий день после достижения максимума.

Секторная структура межпланетного магнитного поля и указанные выше изменения скорости и плотности солнечной плазмы тесно связаны с магнитосферными возмущениями. Эта структура устойчива. Она вращается с Солнцем по крайней мере в течение нескольких солнечных оборотов, проходя над Землей приблизительно через каждые 27 дней. Схема межпланетного магнитного поля, показанная на рис1, идеализирована. На самом деле реальное распределение скоростей потока солнечной плазмы и форма силовых линий магнитного поля очень неоднородны.

Измерения с помощью спутников показали, что на спиральное магнитное поле наложены значительные нерегулярности. Если измерения кратковременны (не превышают по крайней мере нескольких дней), то трудно выявить спиральную структуру межпланетного магнитного поля. Эта нерегулярность межпланетного магнитного поля очень сильно влияет на весь комплекс солнечно-земных связей.

Измерения, проведенные на спутниках, показали, что магнитная буря наступает тогда, когда в межпланетном пространстве магнитное поле больше в десятки раз и имеет более нерегулярный характер, чем в спокойные периоды. Это происходит в результате усиления солнечного ветра. Потоки плазмы уносят из возмущенных областей Солнце в межпланетное пространство более интенсивные и более нерегулярные поля, что и приводит к появлению нерегулярностей в спокойном магнитном межпланетном поле. Это было подтверждено спутниковыми измерениями.

Экспериментально установлено, что имеется самая тесная связь между характером межпланетного магнитного поля (его величиной и степенью нерегулярности) и солнечной активностью. По величине этой связи можно оценить среднюю скорость распространения возмущения. Она оказалась равной около 1000 км/с.