Полярні сяйва і супутні явища. Магнітосфера планети

Сонячний вітер і магнітосфера. Сонце розсилає в усі боки крізь Сонячну систему потоки частинок — протонів, електронів, ядер гелію, енергійних фотонів (гама-, рентгенівське та ультрафіолетове випромінювання). Це сонячний вітер.
Земля — магніт. Рухаючись уздовж ліній магнітного поля Землі, частинки сонячного вітру вторгаються в атмосферу недалеко від магнітних полюсів і викликають полярні сяйва. Північне сяйво — над Арктикою і південне сяйво над Антарктикою. Це світяться під ударами сонячних частинок атоми атмосфери — азот і кисень. Полярні сяйва видно переважно як червоні й зелені спалахи в небі. В деякі дні, місяці і роки сонячний вітер «дует» відносно рівно, спокійно. Основна його складова — протони й електрони, які летять від Сонця до Землі зі швидкістю до 300 км/с. Їх енергія пропорційна квадрату швидкості (згадаємо формулу для кінетичної енергії зі шкільного курсу фізики), і спокійний вітер викликає полярні сяйва лише над білими ведмедями і пінгвінами. А в роки активного Сонця, під час геомагнітних бур, коли швидкість сонячного вітру зростає до 1000 км/с, полярні сяйва проявляються над Середньою Росією і навіть більш південними країнами. На малюнку показана зона поширення полярних сяйв в залежності від сили магнітної бурі, вимірюваної індексом Кр від 0 до 9.
У рік сонячної активності зазвичай відбувається кілька найпотужніших геомагнітних бур, і якщо б не похмура погода, полярні сяйва часто спостерігалися на території всієї Росії. Вони тривають десятки хвилин і сяють яскравіше зірок і міських вогнів, заважаючи астрономам спостерігати небо. Можна фотографувати і знімати полярні сяйва на відео, намагаючись уникати засвічення людськими вогнями, і при фотографуванні вибирати експозицію 1-20 секунд, щоб сяйво проявилося, але не смазалось із-за обертання неба. Періоди активного Сонця повторюються приблизно через 11 років: останні в 1979-1982,1988-1992, 1999-2002, 2011-2013 роках.
Магніт Землі
У надрах Землі, навколо її ядра, при температурі понад 5 000° існує сферичний шар розплавленого речовини (заліза, сірки та інших). Це речовина ионизовано, тобто поділене на позитивні і негативні іони (ядра атомів і електрони). Обертання Землі, підйом гарячих потоків і опускання охололих викликає руху іонів. А це електричний струм, який генерує електромагнітне поле. З-за сплюснутости Землі на її поверхні є дві точки, найбільш близькі до глибинного шару розплавленого речовини, тому тут магнітне поле сильніше, ніж в інших точках поверхні. Це магнітні полюси Землі. Фактично тут вириваються з надр невидимі потоки електронів (на південному полюсі) і протонів (на північному). Ці потоки біжать крізь навколоземний космічний простір і йдуть назад в надра Землі біля полюса, супротивного того, з якого вийшли. Так генерується магнітне поле, магнітосфера Землі.
З-за сплюснутости Землі зазвичай ближче до ядра і географічні полюси, тому географічні та магнітні полюси знаходяться поруч — як на Землі останні 400 років. Але в останні роки магнітні полюси зміщуються на 60 км у рік і, до того ж, розташовуються істотно не один навпроти одного, мабуть, з-за неправильної і мінливої форми земного ядра. Останні десятиліття північний магнітний полюс був у канадському арктичному архіпелазі, але при збереженні нинішнього зміщення через 5 років він вступить в арктичний сектор Росії.
Полярні сяйва є на всіх планетах з магнітосферою, яка створюється процесами в рідких надрах планет. У Сонячній системі планет з рідкою начинкою шість: Меркурій, Земля і всі планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун). Крім того, озера солоної води, можливо, є в надрах деяких супутників. З-за різного складу атмосфери колір полярних сяйв над планетами різний.
Полярні сяйва і падіння космічних апаратів
Спалахи сонячної активності супроводжуються не тільки полярними сяйвами, але і падінням на Землю космічних апаратів. Звичайно, більшість з них згорають в атмосфері, а не падають на голови людей. Але замість них доводиться відправляти в космос нові, дорогі. Сонце «запускає руку у ваш гаманець. Як?
Енергійні частинки сонячного вітру, стикаючись з нейтральними атомами атмосфери, розщеплюють їх також на заряджені частинки, іони. Щільність верхньої атмосфери збільшується: замість однієї частинки повітря маємо кілька, причому там, де, здавалося б, уже космос — на висоті від 100 до 500 км. Саме тут літають багато космічні апарати, їх тертя об атмосферу зростає через збільшення щільності повітря. Вони гальмуються і втрачають висоту. Міжнародна космічна станція неодноразово падала за короткий час на кілька кілометрів. І кожен раз позаплановий космічний корабель «Прогрес» з паливом на борту пристыковывался до станції і піднімав її назад, спалюючи сотні мільйонів рублів.
В період активного сонця у космонавтів з’являється ще одна проблема. У порівнянні з людьми на Землі вони гірше захищені від сонячних частинок і випромінювань, тому в історії космонавтики бували випадки, коли, дізнавшись про наближення потужного потоку сонячного вітру, побоюючись за життя космонавтів, їх спішно повертали на Землю.
Полярні сяйва, погода і радіо
Найбільш енергійні частинки сонячного вітру пробиваються навіть в нижню атмосферу Землі, тропосферу, туди, де формується погода. Літаючі в повітрі порошинки і краплі води легко прилипають до іонів, створеним сонячним вітром. Більше іонів — пил і вода швидше збираються у великі порошинки, краплі, сніжинки, які осідають на Землю. Прискорюється кругообіг води в природі. Тому снігопади, град, зливи і повені в періоди активного Сонця — сильніше і частіше.
Є кілька стійких районів високого або низького атмосферного тиску. А на їх межах — постійні місця, де стикаються зустрічні течії або вітри. Найбільш відомі два таких бурхливих району: море Диявола біля берегів Японії і Бермудський трикутник. З-за протиборства повітряних мас тут часто виникає мінлива і небезпечна для транспорту погода. Саме мінливість погоди створює враження неймовірних і несподіваних зникнень літаків і кораблів у тихий сонячний день. Сходяться сюди течії і вітри не дають уламків транспорту, сміття та обезлюдевшим кораблям покинути такі райони. У роки активного сонця катастроф в море Диявола і Бермудському трикутнику помітно більше.
Придумуючи радіо і телебачення, люди скористалися властивості різних шарів атмосфери: середні і короткі радіохвилі відбиваються особливим шаром, іоносферою, а найбільш використовувані зараз ультракороткі хвилі (це радиодиапазон ФМ і телебачення) огинають перешкоди тільки завдяки різній щільності шарів повітря. І властивості іоносфери і щільність повітря сильно і надовго змінюються під потужними потоками сонячного вітру. В результаті під час геомагнітних бур можуть порушуватися і навіть зникати на кілька годин радіозв’язок і телевізійний сигнал. Тут трапляються і чудеса: можна почути чужі розмови по мобільнику на іншій стороні Землі або сигнал SOS з минулого, з давно затонулого корабля. Сигнали інопланетян, швидше за все, потраплять до нас під час геомагнітної бурі.
Полярні сяйва і озонові діри
Від енергійних сонячних частинок у Землі є три захисту.
По-перше, повітря — захист приблизно однакова завжди і скрізь.
По-друге, магнітне поле, магнітосфера, яка захищає від заряджених часток сонячного вітру. І вони прориваються до Землі в основному поблизу магнітних полюсів, в Арктиці і Антарктиці.
Третя захист — озоновий шар захищає і від заряджених частинок, і, головне, від ультрафіолету. В результаті вплив сонячних частинок на вас залежить від того, де ви живете.
У тропіках заряджені частинки до Землі не пускає магнітосфера (тому тут не видно полярні сяйва), і небезпечний тут тільки ультрафіолет, який надходить рівномірно тому, що день і ніч в тропіках приблизно рівні. Причому озон руйнується, і створюється ультрафіолетом. Тому для загоряють під пальмами гарантований тоненький шар озону, достатній для захисту.
Біля полюсів все по-іншому. Довгої полярної ночі при відсутності ультрафіолету озон не створюється, і магнітосфера тут не щит, а навпаки — дірка, в яку спрямовуються заряджені частинки. Особливо сильний сонячний вітер руйнує залишився озоновий шар особливо активно (зруйновані атоми озону, іони кисню і світяться під час полярних сяйв). Тому взимку в Арктиці і Антарктиці — небезпечні озонові діри. Всі зими з лютого 2011 року в Арктиці розростається небачена за 50 років спостережень озонова діра, супутня радіація, мутації та пухлини стосуються тільки полярників і білих ведмедів. Але той же сонячний вітер створює взимку дуже товстий шар озону (як би «зганяє» його) на широті Санкт-Петербурга і Вологди. Озонова діра — погано, але багато озону — ще гірше! Ультрафіолет не проходить крізь товстий шар озону, а ультрафіолету на півночі Росії і так втричі менше норми. При його нестачі в організмі не вистачає вітаміну О, з-за чого погано засвоюється кальцій, який росіяни і без того споживають удвічі менше норми. Дітям загрожує рахіт, а у дорослих руйнуються зуби і стоншуються кістки, що може призвести до розвитку остеопорозу, більш небезпечного, ніж рак, діабет та інфаркт. Саме остеопороз є причиною перелому шийки стегна, який в половині випадків призводить до інвалідності і в кожному п’ятому — до смерті. Взимку в рік сонячної активності в північній Росії число переломів зростає в 10 разів. Зимівля в північній Росії вимагає регулярного солярію, або таблеток з кальцієм, вітаміном B і магнієм (варто почати з консультації лікаря). Крім того, щоб уникнути переломів медики рекомендують регулярні танці. Ну а найкращий засіб — сонячний пляж під час зимової відпустки під пальмами.
Читайте тпродолжение у статті Полярні сяйва і сонячна активність: наслідки для людства