Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

откуда расстояние до границы магнитосферы

Если скорость солнечного ветра и = 500 км/сек, а концентра­ ция частиц в нем п = 2,5 частиц/см3, то граница магнитосферы будет находиться на расстоянии г = 10/?3.

В годы повышенной солнечной активности (возрастание v и п) граница магнитосферы приближается к Земле, а в годы ми­ нимума солнечной активности (уменьшение пи п) расстояние до нее увеличивается.

Специфической частью магнитосферы является ее шлейф на теневой стороне Земли. По экспериментальным данным ИСЗ 1РМ-1, обнаруживаются две особенности строения шлейфа. Одна из них свидетельствует о том, что в плоскости полуночного мери­ диана на расстояниях более 8—10/?3 характер поля в северной

и южной частях магнитосферы имеет обратную направленность. При этом северная и южная части поля приблизительно симмет­ ричны, а напряженность поля с 1расстоянием спадает медленнее, чем в дипольном поле. Вторая особенность шлейфа — на­ личие тонкого «нейтрального слоя». Толщина его около 0,1R 3 ,

На этом отрезке происходит смена знака магнитного поля при переходе из одной части магнитосферы в другую.

На границе магнитосферы при изменении плотности или ско­ рости солнечного ветра могут возникать так называемые магни­ тогидродинамические волны. Эти волны были теоретически от­ крыты шведским геофизиком X. Альвеном, и поэтому их иногда называют альвеновскими волнами.

Магнитогидродинамические волны распространяются вдоль силовых линий магнитного поля. Они являются поперечными, так как вещество в них движется поперек магнитного поля, а вме­ сте с веществом колеблются и силовые линии.

Скорость распространения волны внутрь магнитосферы

где Н0 — напряженность магнитного поля без волны, р — йлотность вещества ионизированной компоненты. Величина этой ско­ рости в магнитосфере может колебаться от 10~2 до 10~7 скорости

света.

Из вышесказанного следует, что магнитосфера имеет доволь­ но сложную структуру, которая к тому же изменяется во вре­ мени в зависимости от уровня солнечной активности.

Знание структуры магнитосферы необходимо для разработки теорий радиационного пояса Земли, полярных сияний, а также других геофизических явлений, связанных с проникновением в атмосферу Земли космических лучей и корпускулярного излуче­ ния Солнца.

§5. ВАРИАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Регулярные наблюдения за элементами магнитного поля по­ казывают, что магнитное поле Земли не остается постоянным во времени. Изменения его напряженности разделяют на два клас­ са .вариаций: вековые и короткопериодические.

Вековые вариации — это изменения среднегодовых значений геомагнитных элементов во времени. Они зависят от геологиче­ ского строения района наблюдений, а также от солнечной и маг­ нитной активности.

Короткопериодическими вариациями называются изменения элементов магнитного поля за непродолжительные промежутки времени — в течение суток, нескольких часов и даже нескольких минут. Такие вариации обусловлены изменениями напряженно­ сти переменной части магнитного поля Земли, которая возникает в окружающем Землю пространстве под воздействием ряда си­ стем электрических токов, окружающих земной шар, а также образующихся в его атмосфере. Напряженность этого перемен­ ного магнитного поля составляет всего около 1% напряженности постоянного магнитного поля Земли. Однако роль составляющей магнитного поля в атмосфере трудно переоценить, так как с ее изменениями тесно связан ряд геофизических явлений.

Плавные и регулярные изменения во времени элементов маг­ нитного поля Земли называют спокойными вариациями магнит­ ного поля. Они строго периодичны. Изменения, носящие непра­ вильный, беспорядочный характер и наступающие чаще всего внезапно, принято называть магнитными возмущениями.

К спокойным вариациям относятся, прежде всего, солнечно­ суточные и лунно-суточные вариации.

Для нахождения короткопериодических вариаций элементов Я, Z и D исходными данными являются их средние часовые зна­

2 1 0

Аналогично могут быть получены средние годовые значения эле­ мента или средние значения для наиболее спокойных или наибо­ лее возмущенных дней месяца.

Если часовые значения для некоторого часа осреднить по всем дням месяца (года), то получим среднее часовое значение эле­ мента за месяц (год):

Разности между средними часовыми значениями за месяц и среднемесячным значением элемента образуют последователь­ ность часовых вариаций, называемых средними суточными ва­ риациями за месяц:

Рассчитывают также среднесуточные вариации за 5 наиболее спокойных дней месяца (Sq) и за 5 наиболее возмущенных дней (Sd). Разность между ними в низких и умеренных широтах обыч­ но небольшая, а в высоких широтах достигает больших величин.

Анализ элементов магнитного поля во время магнитных бурь производится следующим образом. Из материалов наблюдений отбираются магнитограммы нескольких магнитных бурь с хоро­ шо выраженным началом бури. Моменты начала бурь на магни­ тограммах совмещают и для каждого часа суток определяют среднее значение элемента. Полученные изменения магнитных элементов представляют возмущения йо время магнитных бурь

(Dsth

$ 6. ОСОБЕННОСТИ СОЛНЕЧНО-СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ

ВСПОКОЙНЫЕ д н и

Вдни, когда не происходит магнитных возмущений, т. е. в маг­ нитно-спокойные дни, элементы геомагнитного поля Н, Z и D ис­ пытывают изменения с 24-часовым периодом. Такие периодиче­ ские отклонения элементов от их средних значений называют

солнечно-суточными вариациями или просто Sq -вариациями.

На рис. 10.6 показан суточный ход элементов земного магне­

тизма, характерный для широты <р— 60°.

Горизонтальная составляющая (8//) имеет минимум около 11 ч местного времени и максимум около 20 ч, а вертикальная составляющая (8Z) ночью изменяется мало, утром начинает воз­ растать и достигает максимального значения после полудня. Маг­ нитное склонение (8D) в 8 ч утра имеет максимальное отклоне­ ние к востоку, а в 14 .ч — максимальное отклонение к западу.

Для магнитных станций, расположенных на разных широтах, как амплитуды изменений элементов магнитного поля, так и мо­ менты наступлений максимумов и минимумов будут различны.

На данной широте амплитуда ^-вариаций летом больше, чем зимой, и возрастает в годы максимума солнечной активности.

Sq -вариации имеют солнечное происхождение. Об этом сви­ детельствует их зависимость от местного времени, широты места, времени года и фазы цикла солнечной активности.

Изучение З^вариаций на материалах наблюдений большого числа магнитных обсерваторий показало, что причиной их обра­ зования является система

циям магнитного поля для освещенного и неосвещенного Солн­ цем полушария при минимуме солнечной активности в период равноденствия. Токи текут в направлении стрелок и выражены в тысячах ампер. Система токов фиксирована относительно Солнца.

Вдругие времена года система из четырех колец поверхност­ ных токов сохраняется, но их положение смещается к северу или

кюгу от экватора в зависимости от положения Солнца. Изме­ няется также сила тока.

Возникшие в 'ионосфере электрические токи генерируют пере­ менное магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем Земли, и образует у земной поверхности сол­ нечно-суточные вариации элементов геомагнитного поля.

Втечение многих лет система поверхностных токов в ионо­ сфере была лишь гипотезой, но в 1949 г. ее существование было подтверждено путем прямого эксперимента. Магнитометры, под­ нятые на ракете выше слоя с поверхностными электрическими то­ ками, зарегистрировали вариации элементов магнитного поля, обратные вариациям у земной поверхности.

2 1 2

I