1.5. Защитные оболочки Земли: магнитосфера, ионосфера, озоносфера
Громадные изменения в солнечном ветре, в коротковолновом излучении солнечного диска, обусловленные солнечной активностью, не обнаруживаются в среде обитания. Поверхность Земли защищена от капризов космической погоды защитными оболочками. В экологической значимости космических факторов невозможно разобраться, не располагая сведениями об устройстве этих оболочек. Самая внешняя из них – магнитосфера. Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) является препятствием для замагниченного солнечного ветра. Поэтому плазма солнечного ветра обтекает Землю, создавая вокруг Земли особую полость, в которой и заключено геомагнитное поле. Общая картина обтекания показана на рис. 1.16. На обращенной к Солнцу стороне граница этой полости – магнитосфера располагается на расстоянии около 10 радиусов Земли. Это некоторое среднее значение. Когда динамический напор солнечного ветра возрастает, граница приближается к земле, в противоположной ситуации – отдаляется. Сама граница обнаруживает некоторую структуру. Непосредственно перед этой границей в солнечном ветре всегда присутствует газодинамический разрыв – ударная волна. Здесь вновь уместна аналогия с движением сверхзвукового самолета в разреженной атмосфере. С ночной стороны магнитосфера вытянута подобно хвосту кометы. Он простирается далеко за орбиту Луны – почти на миллион километров.
Магнитосфера Земли имеет весьма сложное устройство, которое в рамках нашего изложения детально рассматривать нет необходимости. Для понимания дальнейшего важно только знать, что все области магнитосферы являются средой протекания многообразных плазменных процессов, среди которых важную роль играют различные механизмы ускорения частиц, в результате чего в магнитосфере есть обширные области, заполненные «местными» космическими лучами («пояса радиации»). Кроме того, магнитосфера является системой, склонной к возбуждению большого числа всевозможных колебаний и, следовательно является источником радиоволн. Если наблюдать магнитосферу «снаружи» из космоса», то она оказывается сильно переменным источником радиоизлучения на низких и крайне низких частотах. Определенная доля этого радиоизлучения «просачивается» к поверхности Земли, в среду обитания. Режим генерации этих радиоволн, работа естественных магнитосферных «радиостанций» сильно зависит от солнечной активности. Как именно изменения в солнечном ветре превращаются в экологические изменения на поверхности планеты – это чрезвычайно сложный вопрос и он не может быть здесь подробно рассмотрен. Можно лишь отметить, что это сложный многоступенчатый процесс. Очень важную роль в нем играют вариации скорости ветра и его плотность. Каждый «порыв» солнечного ветра может быть зафиксирован в среде обитания по изменению магнитосферных показателей.
Установлено также, что в передаче изменений космической погоды на поверхности Земли большое значение имеют изменения в межпланетном магнитном поле. Особенно велика роль вертикальной составляющей этого поля (по отношению к плоскости земной орбиты – эклиптике). Магнитосферные возмущения неизбежно развиваются, когда эта вертикальная составляющая направлена к югу. Физический смысл этого предпочтения понятен: на дневной стороне магнитосферы силовые линии геомагнитного поля по отношению к межпланетному магнитному полю направлены в противоположную сторону. Как уже отмечалось, сближение силовых линий магнитного поля, направленных в противоположную сторону (антипараллельно), в плазменных процессах всегда чревато неустойчивостью и активизацией динамических явлений. В значительной мере по этим же причинам в среде обитания хорошо заметны прохождения близ Земли границ секторов межпланетного магнитного поля: магнитосфера испытывает некоторую «перестройку» при переходе из сектора одной полярности в сектор с силовыми линиями магнитного поля противоположной направленности. Наиболее сильные магнитосферные возмущения связаны с приходом к Земле плазменного облака, выброшенного в межпланетное пространство при развитии достаточно сильной хромосферной вспышки. Комплекс явлений, которые при этом развиваются, называют «магнитной бурей». Такое название закрепилось за подобным возмущением по той причине, что в наземных измерениях оно было впервые обнаружено по вариациям напряженности геомагнитного поля. В магнитосфере, а также в другой защитной оболочке – ионосфере (о ней речь пойдет ниже) – все время текут электрические токи. Они подробно изучены. В плоскости экватора на расстоянии примерно в 4 земных радиуса существует кольцевой ток, который течет в западном направлении. В полярных областях располагаются петли полярных электроструй. Когда Земля оказывается во вспышечном облаке, режим обтекания, изображенный на рис. 1.16 сильно меняется. Так как ток во всех токовых системах усиливается, то и магнитное поле этих токов также усиливается. Регистрируемое в это время на магнитных станциях суммарное магнитное поле – статическое геомагнитное поле плюс переменное магнитное поле токов – заметно меняется. О характере этих изменений можно судить по рис. 1.17 и 1.18.
Рис. 1.16. Обтекание солнечным ветром геомагнитного поля порождает особую полость – магнитосферу. Горизонтальная шкала на рисунке – радиусы Земли. Направление движения солнечного ветра показано стрелками.
Рис. 1.17. Прямые измерения магнитосферных токов и полей в магнитосфере во время магнитной бури 10 мая 2002 г. Верхний график – изменения потоков электронов разных энергий (шкала логарифмическая). Средний график – изменение магнитной индукции. Нижний график – изменения индекса Кр.
Рис. 1.18. Запись геомагнитной бури на ст. Ла Аквила 13 марта 1989 г. H,Z – горизонтальная и вертикальная компоненты поля; D – склонение.
На первом из них представлены изменения потоков ионов и электронов в магнитосфере на протяжении трех суток согласно спутниковым измерениям (следует обратить внимание на то, что шкалы слева – это логарифмы интенсивности потока частиц). Нижние два графика представляют, соответственно, изменения напряженности геомагнитного поля на орбитальной высоте спутника и значения индекса Кр магнитной активности (об этом индексе – см. ниже). На рис. 1.18 представлены кривые изменения горизонтальной составляющей геомагнитного поля на одной из наземных магнитометрических станций во время типичной вспышки магнитной бури. Как видно из рисунка, на начальном этапе развития бури геомагнитное поле немного возрастает, но затем значительно уменьшается (этот этап развития бури называют главной фазой). На записи геомагнитного поля рис. 1.18 не отражена одна важная особенность вариаций – наличие большого числа быстрых изменений напряженности. Именно эти быстрые вариации заставляют беспорядочно колебаться во время бури стрелку компаса.
На фоне скромных геомагнитных вариаций (во время главной фазы бури напряженность геомагнитного поля уменьшается на доли процента) происходят и другие явления, куда более грандиозные. На географических широтах выше 67° развивается одно из самых красивых явлений природы – полярное сияние (рис. 1.19).
Свечение атмосферы на высотах порядка 100 км вызывается ускоренными частицами, которые «сбрасываются» из магнитосферы вниз, к земной поверхности. Развитие полярного сияния сопровождается сильным «грохотом», который мы не слышим, но который может оказывать на организм заметное воздействие. Каждая магнитная буря достаточной мощности – это еще и буря в неслышимом диапазоне акустического спектра – инфразвуке, который распространяется в среде обитания в масштабах полушария, воздействуя на все живое в течение многих часов. Еще больших масштабов достигает в это время буря в электромагнитных полях, заполняющих обычно среду обитания при малых значениях интенсивности. На некоторых низких и сверхнизких частотах амплитуда колебаний магнитной составляющей может возрастать в сотни раз! Большие бури сопровождаются изменениями в некоторых других экологических параметрах: в некоторых местностях увеличивается выход из грунта радиоактивного газа радона; при этом несколько возрастает радиоактивность атмосферы, но интенсивность галактических космических лучей уменьшается; увеличиваются колебания атмосферного давления с периодами в десятки минут и часы; изменяется напряженность электрического поля атмосферы. Магнитные бури по многим своим показателям отличаются друг от друга. Но в этом их многообразии легко выделить два типа. Вспышечные магнитные бури (следуют спустя примерно двое суток после вспышки или внезапного исчезновения волокна) характеризуются «внезапным началом» – скачкообразным возрастанием напряженности поля на горизонтальной составляющей магнитограммы. У бурь с постоянным началом эта деталь на записях отсутствует. Этот тип бурь соответствует попаданию планеты в высокоскоростную струю солнечного ветра.
Такие струи могут существовать относительно долго, несколько солнечных оборотов. Поэтому бури с постепенным началом образуют нередко последовательности с характерным периодом повторяемости в 27 суток. Месторасположение начала струи на солнечном диске может быть найдено из оптических наблюдений короны: на этом месте располагается область пониженной температуры – «коронарная дыра».
Рис. 1.19. Свечение атмосферы на высоких широтах (полярное сияние) в результате сброса заряженных частиц с радиационных поясов.
Следующая важная защитная оболочка нашей планеты – ионосфера. Это часть верхней атмосферы планеты, в которой атмосферные газы ионизованы, вследствие того, что внешние электроны «оторваны» от ядер атомов азота и кислорода. Ионизацию вызывает коротковолновое солнечное излучение - ультрафиолетовое и рентгеновское излучение (на рис. 1.13
– этот диапазон излучения находится слева от оптического «окна прозрачности»). Ионизованные
слои атмосферы располагаются на высотах 50–250 км.
Важнейший показатель ионосферы – концентрация свободных электронов. Для каждой определенной области ионосферы этот показатель зависит от высоты, зенитного расстояния Солнца и уровня солнечной активности (например, чисел Вольфа, относительного числа солнечных пятен). Наличие свободных электронов означает, что на указанных высотах имеется электрически высокопроводящйи слой. Поскольку проводящей поверхностью является также и поверхность Земли, то биосфера находится в некоторой сферической полости. Наружная стенка этой полости защищает все живое от электромагнитного излучения очень низкой частоты солнечного и магнитосферного происхождения. В рассматриваемой полости оказывается «запертым» излучение, генерируемое в атмосфере грозовыми разрядами. Их на планете происходит ежесекундно около сотни. Импульсное радиоизлучение молний распространяется в полости «ионосфера – поверхность Земли» как в волноводе, с очень малым затуханием. Волновод одновременно является и резонатором. Его основной «тон» соответствует частоте 8 колебаний в секунду (8 Гц) (резонанс Шумана, назван в честь первооткрывателя) (рис. 1.20). Такова частота радиоволны, длина волны которой укладывается по экватору ровно один раз (40 тыс. км.). Наконец, следует еще упомянуть и о том, что стенки полости этого волновода–резонатора электрически заряжены: они образуют сферический конденсатор. Нижняя «пластина» конденсатора (поверхность Земли) заряжена отрицательно относительно верхней (ионосфера).
Рис. 1.20. Спектр резонансных частот ионосферного волновода в диапазоне крайне низкий частот (резонансы Шумана) Видна основная полоса 8 Гц и соответствующие гармоники 14, 20 и 26 Гц.
Рис. 1.21. Колебания амплитуды на основной частоте шумановского резонанса 8 Гц (верхняя линия) и геомагнитной возмущенности (нижняя линия). По горизонтальной оси отложены дни наблюдений. Левая вертикальная ось – амплитуда магнитной составляющей в нанотеслах, правая – значения индекса Кр. Хорошо виден суточный период колебаний амплитуды и длительное возбуждение ионосферного волновода после геомагнитной бури.
В ионосфере происходит множество динамических процессов, тесно связанных с солнечной активностью. Благодаря этому показатели запертого в ионосферном волноводе радиоизлучения оказываются зависящими от проявлений солнечной активности. Но изменения этого фона радиоволн, как выяснилось, имеют экологическое значение. О характере этих изменений можно судить по ионосферным эффектам все той же мощной хромосферной вспышки. Как было сказано выше, ее развитие сопровождается всплеском ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Концентрация свободных электронов в ионосфере сразу же возрастает на всем освещенном полушарии. Как следствие, увеличивается электрическая проводимость, особенно это заметно для регионов, где в это время полдень. Так как увеличивается ток в ионосферных токовых системах, то в геомагнитном поле фиксируется легко узнаваемое бухтообразное возмущение, сопровождаемое значительным увеличением амплитуды электромагнитного фона на шумановских резонансах (рис. 1.21).
С увеличением проводимости внешней стенки ионосферного волновода изменяется режим распространения радиоволн (о чем хорошо знают радиолюбители), в результате чего резко возрастает интенсивность радиоволн атмосферного происхождения на частотах около 20 килогерц. На высоких и умеренных географических широтах регистрируется возрастание напряженности электрического поля атмосферы (такие усиления геоэлектрического поля можно заметить только в ясную погоду). Если бы организмы могли фиксировать все эти изменения как некоторый единый образ (систему «электромагнитных примет»), они могли бы предвидеть наступление магнитной бури с внезапным началом: все описанные здесь эффекты сопровождают развитие самой вспышки с запаздыванием 8 минут, а вспышечное возмущение, передаваемое через солнечный ветер, придет на Землю спустя сутки – двое. Конечно, свои системы «электромагнитных примет» имеют и многие другие проявления солнечной активности – изменения космической погоды, включая магнитные бури, секторную структуру межпланетной среды и даже солнечное затмение.
Наконец, еще одна защитная оболочка нашей биосферы, о которой следует коротко рассказать, носит название озоносфера. Озоносфера - это слой, содержащий некоторую концентрацию трехатомного кислорода – озона. Он располагается на высотах стратосферы (выше 20 км) и предохраняет все живое от крайне активной ультрафиолетовой радиации Солнца. Концентрация озона в конкретном пункте и в конкретный момент времени определяется балансом множества противоборствующих процессов: интенсивность солнечного ультрафиолетового излучения, перенос (ветры в стратосфере), температура, присутствие примесей некоторых веществ и т. д. В тропической зоне (+30°относительно экватора) озоносфера сравнительно «тонкая» (толщина, приведенная к нормальным давлению и температуре, всего 0,26 см) и устойчивая. На более высоких широтах она становится более мощной и сильно варьирует – может изменяться на протяжении нескольких суток на 20-30%. Такие изменения имеют важные экологические последствия. Дело в том, что на краю основной полосы поглощения озоном ультрафиолетового излучения (260 нм) даже небольшие изменения толщины озоносферы приводят к изменениям потока радиации близ земной поверхности (конечно, в безоблачную погоду). Установлено, что изменения толщины «озонного экрана» на средних широтах на 1% приводит к примерно такому же изменению интенсивности ультрафиолетового излучения в полосе 290-320 нм. Но именно в этой области располагаются полосы поглощения биологических молекул, белков и ДНК. Поэтому увеличение радиации в указанном диапазоне длин волн имеет серьезные экологические последствия:
– возрастание риска заболеваемости раком кожи: для населения США подсчитано, что однопроцентное уменьшение толщины озоносферы приводит к появлению примерно 1000 случаев злокачественной меланомы;
– изменение интенсивности фотосинтеза, концентрации в растительных организмах активных биологических веществ (включая витамины);
– увеличение числа мутаций (необратимых изменений в наследственном веществе) у бактерий;
– активация «спящих» вирусов внутри клетки.
В динамике озоносферы присутствует один из основных циклов солнечной активности – 11-летний. Для некоторых озонометрических станций средних широт, где накоплены данные измерений за длительное время, амплитуда вариаций толщины озоносферы в течение этого цикла может достигать нескольких процентов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий