Глава V. Солнечное излучение и тепловой режим Земли

Солнце и солнечный ветер

Подавляющее большинство процессов и явлений, протекающих на поверхности Земли, в атмосфере и гидросфере обязаны своим происхождением энергии, непрерывно поступающей от Солнца. Поэтому без знания всех видов излучения Солнца и изменчивости его во времени трудно понять природу того или иного геофизического процесса. Что же необходимо знать о Солнце и его излучении?

Солнце - это своего рода гигантский термоядерный реактор. В недрах его, где давление превышает 10 млрд. атм (1 атм ≈10³ мб - 10⁶ дин/см²), а температура - 5 млн. градусов, возникают термоядерные реакции перехода водорода в гелий. -Энергия, выделяющаяся при этом, распространяется из недр Солнца через вышележащие слои путем поглощения и переизлучения световых квантов последовательными слоями.

В верхнем слое Солнца толщиной около 100 000 км перенос энергии осуществляется и путем конвекции. Резкое падение температуры в наружных слоях Солнца приводит к тому, что горячие массы газа поднимаются вверх, а холодные - опускаются вниз. Скорость этих движений составляет 1-2 км/сек. В целом процесс напоминает кипение жидкости, подогреваемой снизу. Он-то и называется конвекцией, а весь слой - конвективной зоной Солнца. Важно отметить, что конвективные движения порождают волны сжатия. Поскольку скорость конвективных движений в несколько раз меньше скорости звука, они генерируют волны малой амплитуды, т. е. звуковые.

Энергия, которая поступает на Землю от Солнца, излучается самыми внешними слоями его, называемыми солнечной атмосферой. Последняя состоит из трех слоев. Самый нижний слой толщиной 100-300 км определяет видимый диск Солнца и именуется фотосферой. Фотосфера состоит из сильно ионизованного газа с концентрацией частиц около 10¹⁶-10¹⁷ в 1 см³, имеющего температуру около 5000-6000 К^* и находящегося под давлением около 100 мб. Она излучает энергию примерно так же, как это делало бы абсолютно черное тело^** при температуре 6000 К. Именно фотосфера излучает практически всю энергию, приходящую к нам от Солнца.

^* (Здесь и далее в этой главе используется абсолютная шкала температуры Кельвина, которая связана со шкалой Цельсия t равенством Т = t + 273.)

^** (Абсолютно черным телом называется такое тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающие на него лучи любой длины волны. Спектр излучения абсолютно черного тела непрерывен и определяется только его температурой.)

Казалось бы, что температура в солнечной атмосфере должна уменьшаться с высотой. Однако на верхней границе фотосферы, где температура падает до 4800 К, эта тенденция прекращается. Выше давление и плотность продолжают уменьшаться, а температура снова увеличивается. Сначала происходит медленное возрастание температуры до нескольких десятков тысяч градусов. Этот слой, простирающийся до высоты 10 000-15 000 км, называется хромосферой. В верхних слоях хромосферы, где в каждом кубическом сантиметре находится всего лишь 109 частиц (плотность составляет около 10^-15 г/см³), температура резко возрастает и достигает миллиона градусов.

Здесь начинается самая внешняя и наиболее разреженная часть солнечной атмосферы - солнечная корона. Вещество солнечной короны, а также верхней хромосферы представляет собой почти полностью ионизованный газ - плазму.

Рост температуры в хромосфере и короне общепринято объяснять диссипацией энергии звуковых и других видов волн, которые возникают в конвективной зоне. Распространяясь вверх, где плотность газа быстро уменьшается, амплитуды этих волн увеличиваются. Амплитуды растут до тех пор, пока волны не теряют своей устойчивости. После этого они опрокидываются и создают слабые ударные волны. За фронтом ударных волн образуются беспорядочно движущиеся вихри, которые распадаются и порождают более мелкие вихри. Последние в свою очередь дробятся па еще более мелкие. Процесс дробления вихрей длится до тех пор, пока движение самых мелких из них не переходит в беспорядочное движение отдельных молекул и атомов, т. е. в тепло. Этот процесс и называется диссипацией волн.

Излучение, охлаждающее газ, в хромосфере и короне сравнительно мало из-за большой разреженности этого газа. Поэтому диссипация волн приводит к сильному разогреву верхней хромосферы и нижней короны. Высокая теплопроводность вещества короны обеспечивает перенос тепловой энергии на всю ее толщу. Температура короны растет до тех пор, пока энергия теплового движения частиц не превысит потенциальную энергию удерживающего их гравитационного поля Солнца, после чего начинается истечение солнечной плазмы в окружающее межзвездное пространство. Расчеты показывают, что если в 1 см³ у основания короны заключено 3×10⁷ частиц, то у орбиты Земли концентрация их составит 200 частиц/см³.

Согласно теории американского астрофизика Е. Паркера, разработанной в 1958-1960 гг., скорость истечения плазмы вблизи Солнца мала (порядка десятков километров в секунду), но по мере удаления от Солнца она растет, делается сверхзвуковой и вблизи орбиты Земли имеет величины порядка нескольких сот километров в секунду. Ускорение частиц - корпускул, вылетающих от Солнца, объясняется непрерывным воздействием на них сил, обусловленных разностью давления плазмы вблизи Солнца и в межзвездном пространстве. Таким образом, от Солнца во всех направлениях должны непрерывно двигаться потоки заряженных частиц со сверхзвуковыми скоростями.

По предложению Паркера эти корпускулярные потоки, непрерывно испускаемые Солнцем, получили название солнечного ветра.

Потоки плазмы, покидающие корону, уносят с собой и магнитное поле Солнца, которое как бы "вморожено" в них. Так как энергия магнитного поля, уносимая потоками плазмы, значительно меньше кинетической энергии потока, то корпускулы должны двигаться относительно Солнца по радиальным направлениям. В то же время силовые линии уносимого потоком магнитного поля, которые начинаются на вращающемся Солнце, должны представлять собой подобия спиралей Архимеда. Поскольку вектор напряженности магнитного поля направлен по касательной к силовой линии, то угол между ним и вектором скорости потока растет с удалением от Солнца. Так, например, па орбите Земли при средней скорости солнечного ветра 300 км/сек этот угол составит около 50°. В спокойном потоке, движущемся со скоростью 300 км/сек, силовая линия поля будет делать полный оборот через каждые 6 астрономических единиц (9×10⁸ км).

В течение последнего десятилетия стали возможны прямые измерения солнечного ветра и магнитного поля в нем. Эксперименты, проведенные в межпланетном пространстве на советских и американских космических аппаратах, запускавшихся к Луне, Венере и Марсу, подтвердили наличие солнечного ветра и позволили измерить некоторые характеристики его. Оказалось, что при спокойном ветре у орбиты Земли в 1 см³ имеется всего 1-2 частицы, а скорость движения их составляет 300-400 км/сек и направлена почти точно от Солнца. Были обнаружены и "порывы", когда скорость возрастает до 800 км/сек, а концентрация - до 100 частиц/см³. Правильность представлений о радиальном распространении солнечного ветра подтверждает то, что концентрация частиц убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца.

Напряженность магнитного поля в спокойном ветре у орбиты Земли оказалась равной примерно нескольким гамм. В сильных потоках напряженность возрастает до 10γ, а иногда и более. Силовые линии регулярной составляющей межпланетного магнитного поля, как и следовало ожидать, имеют вид спиралей Архимеда. Было установлено, что у магнитного поля - секторная структура. В одних секторах оно направлено от Солнца, в других - к Солнцу. На эту регулярную картину обычно накладываются различные неоднородности: от очень больших, размерами в десятки миллионов километров, до самых малых, измеряемых всего лишь тысячами и сотнями километров. Они появляются в основном по мере удаления солнечной плазмы от Солнца как результат развития различных видов плазменной неустойчивости. Здесь сказывается также прохождение ударных волн и набегание более быстрого потока на более медленный (рис. 34).

Благодаря закручиванию силовых линий межпланетного магнитного поля в спираль Архимеда в окрестностях Земли оказываются лишь те силовые линии, которые выходят не из центра солнечного диска, а от его западного края. Это объясняет, почему потоки высокоэнергичных протонов и электронов проникают к Земле в основном от вспышек, расположенных в западной части диска Солнца. Дело в том, что силовые линии межпланетного магнитного поля служат как бы "рельсами", по которым движутся эти потоки. В то же время потокам, вылетающим из вспышек с восточного края диска, трудно достичь Земли, так как для этого они должны двигаться поперек силовых линий.

Рис. 34. 'Погода' в космосе 12 ноября 1980 г. Заштрихованная область - поток корпускул, распространяющихся от хромосферной вспышки вдоль магнитных силовых линий

В настоящее время состав солнечной плазмы определен еще недостаточно надежно. Все же с помощью американского космического корабля "Пионер-6" было установлено, что протоны составляют 91,3%, однократно ионизованные атомы гелия -0,1% и а-частицы, т. е. дважды ионизованные атомы гелия,- 8,6%. Есть предварительные указания на существование в потоках плазмы тяжелых ионов (кислород в высоких стадиях ионизации и др.). Плазма состоит как из положительно, так и отрицательно заряженных частиц - в целом она нейтральна. Измерения кинетической температуры ионов показали, что она колеблется в очень широких пределах - от 6×10³ до 10⁶ К. Какова же величина энергии, которую приносит солнечный ветер к Земле? Как уже говорилось, энергия магнитного поля, которое несет солнечный ветер, пренебрежимо мала по сравнению с его кинетической энергией. Подсчитаем поток энергии^*, протекающий через расположенную перпендикулярно вектору скорости солнечного ветра площадку в 1 см². Он, очевидно, будет равен ½mv², где v - средняя скорость движения частиц, а m - масса всех частиц, пролетающих через нашу площадку за 1 сек. Считая, что средняя масса одной частицы равна 2×10^-24 г (масса протона, как известно,- 1,67×10^-24 г), концентрация - 10 частиц/см³ и скорость - 4×10⁷ см/сек, получим m =8×10^-16 г, а поток энергии составит 0,64 эрг/сек×см². Во время "порывов" солнечного ветра поток энергии возрастает, но не превышает 100 эрг/сек×см².

^* (Потоком энергии и вообще любой физической величины называется количество ее, проходящее через рассматриваемую площадку в единицу времени.)