МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА (продолжение 5)

1.6. Индексы космической погоды

 

Громадное число всякого рода наблюдений и измерений, проводимых в физике Солнца и геофизике, - это гигантские массивы накопленных данных, которые трудно обозримы и относятся, как правило, только к последним 5-6 циклам активности. При рассмотрении больших интервалов времени и для сравнения разнородных наблюдений удобно пользоваться некоторыми упрощенными оценками тех или иных процессов. Таковы различные гелиогеофизические индексы. Именно эти индексы и являются индексами космической погоды. Среди индексов солнечной активности наиболее употребительны числа Вольфа, о которых уже говорилось. Очень часто в качестве обобщенной меры  уровня  солнечной  активности  используется   поток  солнечного   радиоизлучения на

Рис. 1.22. Среднесуточные индексы Ар (январь-декабрь 1999).

Рис. 1.23. Планетарные 3-х часовые индексы геомагнитной активности Кр в 27-дневном календаре Бартельса, 1999 год. Слева – номера солнечных оборотов – 2259, 2260…

Линейка сверху – 27 дней кэрингтоновского периода. Календарные даты помещены под графиком Кр-индекса (8 чисел в сутки, шкала внизу слева). (Копия страницы Бюллетеня "Solar-Geophysical Data", февраль 2000 г.).

определенной длине волны, например на длине волны 10 см (соответствующие регулярно публикуемые данные относятся к излучению всего диска). При использовании этих показателей важно помнить, что с увеличением длины волны их источник из хромосферы (длина волны 10 см) перемещается в корону. Разработано много различных индексов магнитной активности. Наиболее употребительные – Кр и Ар вычисляются специальной международной службой каждые три часа (или для суточного интервала) для средних широт. Они являются мерой изменчивости геомагнитного поля (а не напряженности!). Индекс «р» означает «планетарный» т. е. измеряется глобальный размах вариаций геомагнитного поля. Для индекса Кр разработана особая логарифмическая шкала. Индекс Ар измеряет диапазон изменчивости индукции геомагнитного поля в единицах нанотесла. Значение Ар порядка нескольких единиц соответствует спокойным условиям, нуль – исключительно спокойным. Во время очень сильных магнитных бурь Ар-индекс может достигать значений порядка двух-трех сотен (рис. 1.22). Индекс Кр изменяется от нуля до 9. Индексы Ар и Кр связаны как число и логарифм.

На рисунке 1.23 показаны изменения Кр-индекса каждые три часа в особом «календаре Бартельса» – по солнечным кэрингтоновским оборотам. Числа слева – номер оборота и календарная дата первого дня данной строки. Трехчасовые интервалы индексов отсчитываются по мировому (гринвичскому) времени от 00 часов 00 минут (начала каждых суток). Корда солнечные обороты последовательно располагаются друг за другом, становится хорошо заметной тенденция к повторяемости индексов. Эта тенденция, хорошо видная на рис. 1.24, имеет простой физический смысл. 

Дело в том, что, как оказалось, величина Кр-индекса пропорциональна скорости солнечного ветра. Поэтому повторяющиеся широкие максимумы на рис. 1.23 – это высокоскоростные струи солнечного ветра. Как уже говорилось, такие струи ответственны за периодическое появление магнитных бурь с постепенным началом. Бури с внезапным началом, связанные с хромосферными вспышками, не обнаруживают ясной 27-дневной периодичности. Ар, Кр-индексы отражают флуктуации тока в токовых системах средних широт. Для изучения магнитной активности в других регионах вычисляют особые индексы. Таков, например, АЕ-индекс, который строится каждые пять минут по сети высокоширотных (полярных) магнитометрических ситуаций. АЕ-индекс представляет собой тоже меру флуктуаций (разброса) геомагнитного поля, но для токовой системы полярной шапки.

Особым индексом является знак полярности межпланетного магнитного поля, определяемый каждые сутки. В невозмущенных условиях он может быть либо отрицательным (силовые линии вне магнитосферы направлены к Солнцу), либо положительным (силовые линии направлены от Солнца). В некоторые дни знак межпланетного магнитного поля может беспорядочно изменяться несколько раз (смешанная полярность, иногда считают, что полярность в такой день нулевая). Устойчивая смена знака, когда на протяжении нескольких суток знак остается неизменным, затем изменяется и таким остается следующие 4-7 суток, соответствует прохождению Земли через границу сектора межпланетного магнитного поля (об этих секторах см. выше). Надежные знаки межпланетного магнитного поля известны за последние полвека, некоторые индексы магнитной активности образуют ряды длительностью 1,5 столетия.

Понятно, что различные индексы космической погоды связаны между собой. Однако эта связь для различных масштабов времени может оказаться довольно сложной. Сразу после прохождения границы сектора межпланетного магнитного поля индекс Ар (и, естественно, Кр) выше, нежели перед сменой знака. Магнитные бури с постепенным началом характерны для эпохи спада 11-летнего цикла активности по числам Вольфа. Магнитные бури с внезапным началом (т. е резкое возрастание индексов Ар и Кр) следуют только после хромосферной вспышки достаточно большой мощности. Мера этой мощности – балл вспышки. Балл измеряется площадью сечения в красной линии водорода и яркостью этого свечения. Если площадь сечения не превышает 250 миллионных долей полусферы, а яркость является умеренной, то вспышке приписывается балл 1n. Очень яркое свечение на площади 1200 миллионных долей полусферы соответствует баллу 3В. Кроме того, масштабы вспышки измеряются одновременно мощностью всплеска рентгеновского излучения в полосе 0.1-0.8 нм.

Индекс С соответствует слабому всплеску с потоком энергии >10^-6 Вт/м², индекс М – потоку 10^-5 Вт/м², самым мощным эффектам соответствует индекс Х. Но даже вспышке Х53В (рентгеновское излучение 5·10^-4 Вт/м², оптический балл 3В) магнитная буря может не сопутствовать: соответствующее облако плазмы может не попасть на Землю из-за того, что мощная вспышка была расположена близко к краю солнечного диска и облако в этом случае пролетит мимо, не задев Землю с ее магнитосферой.

Сказанное позволяет отметить важное различие между индексами солнечной активности, которые строятся на основании наблюдений всего солнечного диска, и чисто геофизическими индексами магнитной активности и знака межпланетного магнитного поля: первые являются показателями состояния всего солнечного полушария, обращенного к Земле (радиоизлучение на длине волны 10 см – это суммарное излучение всех активных областей); вторые – отражают вариации состояния солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в относительно узкой зональной области, соответствующие некоторой полоске гелиошироты на Солнце для определенного диапазона гелиодолгот, относящихся к малой части диска. Именно по этой причине между солнечными индексами и индексами магнитной активности нет полного соответствия: умеренная солнечная активность в данный интервал времени может сопровождаться повышенной магнитной активностью и наоборот. Ситуация меняется во времени одновременно и независимо по нескольким причинам. В частности, важно, что плоскость орбиты Земли (эклиптика) и плоскость гелиоэкватора не совпадают. Ежегодно в марте Земля оказывается ниже экватора на 7°, через полгода, в сентябре, земную магнитосферу солнечный ветер северного полушария (Земля проецируется на гелиошироту +7°). Можно напомнить, что в конце 11-летнего цикла активные области смещаются к гелиоэкватору (рис. 1.9). Кроме того, как уже отмечалось, на Солнце часто возникает северо-южная асимметрия между полушариями, имеющая свои закономерности изменения во времени. В общем, получается, что есть два класса индексов космической погоды:

– индексы солнечной активности; они отражают глобальный уровень активности на всем наблюдаемом солнечном полушарии; солнечный сигнал в среду обитания переносится коротковолновым солнечным излучением очень быстро;

– индексы магнитной активности; они являются геофизическими измерениями; перенос вариаций в среду обитания осуществляется через солнечный ветер; такие вариации относятся не ко всему солнечному диску, а некоторой узкой зоне гелиоширот, разной в разное время. Сигнал солнечной природы поступает к нашей планете с запаздыванием на 4-5 суток.

Эти два класса индексов соответствуют двум различным каналам воздействия солнечной активности на среду обитания и живые организмы. В первом случае «приемником» солнечных сигналов является главным образом ионосфера-озоносфера, отчасти, нижняя атмосфера. Во втором случае сигнал через солнечный ветер поступает сначала в магнитосферу.

Наконец, очень важно помнить, что на организмы в среде обитания действуют не сами по себе изменения индексов. Не солнечные пятна или солнечное радиоизлучение, а флуктуации геомагнитного поля непосредственно влияют на процессы жизнедеятельности. Биологические явления контролируются экологическими условиями среды обитания. Эти экологические параметры зависят от рассмотренных здесь индексов космической погоды: изменяется фон радиоволн, варьируют интенсивность инфразвука, электрическое поле атмосферы, уровень радиоактивности и т. д.

См. продолжение...