Небесные сполохи и земные заботы - Лилия Алексеева

Правда, для объяснения этого круговорота можно и не обращаться к гипотезе Данжи. Представим себе, как мы уже делали, магнитосферу просто полостью в потоке солнечного ветра, обтекающего препятствие — Землю с ее собственным магнитным полем. Предположим, что солнечный ветер увлекает соприкасающуюся с ним разреженную плазму наружных областей магнитосферы благодаря действию на границе некоторых гипотетических сил вязкости. Скапливающаяся на ночной стороне магнитосферы плазма будет возвращаться по внутренним областям магнитосферы снова на дневную сторону. Силовые линии магнитного поля во всей магнитосфере остаются при этом похожими на дипольные (в том отношении, что все они уходят под поверхность Земли). Этот механизм конвекции был предложен Аксфордом и Хайнсом немного раньше, чем Данжи предложил свой вариант объяснения конвекции. В космофизике представления о магнитосфере называют моделями. О модели, использованной Аксфордом и Хайнсом, обычно говорят как о закрытой. Этим подчеркивают отсутствие в ней открытых силовых линий, уходящих одним концом в Землю, а другим — в солнечный ветер. Напротив, модель Данжи называют открытой. В современной космофизике в работе находятся обе модели магнитосферы и обе считаются классическими.

Интересно, что лабораторные эксперименты, которые проводит на современной террелле московский физик И. М. Подгорный с сотрудниками, говорят о том, что плазма искусственной магнитосферы взимодействует с лабораторным «солнечным ветром» одновременно и по типу Аксфорда — Хайнса через вязкие гипотетические (потому что их природа не выяснена) силы и через магнитные поля по типу Данжи.

Стягивание аврорального овала к магнитному полюсу. Можно ожидать, что такой важный момент в «жизни» силовой линии, как пересоединение, должен как–то по–особому отразиться на свойствах плазмы, находящейся на ней. Действительно, границе хвостовых и дипольных линий соответствует, как мы уже знаем, авроральный овал.

Все содержимое овала — в обычном состоянии это разные пятна, обрывки дуг как спокойные, так и играющие лучами и т. п. — движется с ночной стороны аврорального овала на дневную двумя руслами: по утренней и вечерней сторонам овала. Неоднородности исчезают, меняются по дороге — словом, ведут себя, как пена в реке. Поток их изменчив и сложен, но если проследить за ним, можно установить его общее направление (длинные узкие дуги обычно вытянуты вдоль линий потока). Он доходит до обращенной к Солнцу части овала, потом, уменьшив свое свечение, выходит за его полярную границу, в район, очерчиваемый авроральным овалом (в так называемую полярную шапку). По полярной шапке поток доходит до ночной части овала и входит в него, чтобы двигаться по нему снова в сторону Солнца. Это движение отдельных форм сияний отражает круговорот вещества в магнитосфере.

И вся система сияний то стягивается к магнитному полюсу, то отходит от него. Полярная шапка становится то меньше, то больше.

Почему привычные к сияниям северяне не видят их в одни и те же часы на одном и том же месте? Иногда, растягиваясь, овал «заезжает» в средние широты. Чему обязаны жители этих широт редким для них зрелищем? Что управляет такими движениями овала?

Теперь уже установлено, что отвечает за них магнитное поле, «вмороженное» в плазму солнечного ветра, — межпланетное магнитное поле. Точнее, не все поле, а лишь одна его характеристика — составляющая вектора его напряженности, перпендикулярная плоскости магнитного экватора Земли. Тот факт, что от этой тонкой характеристики (к тому же переменчивой и пока непредсказуемой) так сильно зависит состояние земной магнитосферы, казался бы совершенно удивительным, если бы он не был уже теоретически предсказан Данжи. Космофизики считают это предсказание поразительным. Посмотрим, как это получается.

Вспомним, что говорилось об Х‑точке: пересоединение в ней может идти, когда силовые линии, ее образующие, имеют противоположные направления, и «запрещено», когда они направлены одинаково. Силовые линии дипольного магнитного поля Земли встречают поток солнечного ветра своей наиболее удаленной от Земли, экваториальной, частью. Они тянутся от Южного полушария к Северному и в месте встречи с солнечным ветром направлены с юга на север (см. рис. 6). Значит, по Данжи, пересоединение возможно лишь в те моменты, когда поток солнечного ветра приносит с собой магнитные силовые линии противоположного направления — с севера на юг. Отсюда важность межпланетного магнитного поля южного направления.

Специалисты часто говорят о важности южной составляющей межпланетного магнитного поля. Действительно, взглянув с более широкой точки зрения, легко представить себе пересоединение соприкасающихся семейств скрещенных силовых линий. Очевидно, оттянутость «тетивы», получившейся при таком пересоединении, зависит от угла между соприкасающимися силовыми линиями: когда в Х‑точке силовые линии направлены противоположно, сила натяжения «тетивы» наибольшая; когда направлены в одну сторону, она нулевая; при других углах между линиями она имеет промежуточные значения.

Чем больше напряженность магнитного поля, которую характеризуют густотой силовых линий, тем больше должно образовываться «изломанных», пересоединенных линий. Поэтому чем больше величина южной составляющей магнитного поля в солнечном ветре, тем эффективнее, заметнее пересоединение, тем больше силовых линий становится хвостовыми, тем больше полярная шапка и тем дальше отъезжает авроральный овал от полюса, сползая в низкие широты.

Напрашивается вопрос: не было ли связано зарево, встревожившее Древний Рим, с таким расширением овала? Точный ответ дать нельзя. Авроральный овал был обнаружен лишь в 60‑х годах нашего столетия, и за время его наблюдений не случалось, чтобы он уходил в такие низкие широты. Но в средних и низких широтах бывают сияния другой природы, связанные с высыпанием в атмосферу частиц из внутренних, близких к Земле районов магнитосферы (из плазмосферы). Эти сияния крайне редки, поэтому они остаются плохо изученными по сравнению с сияниями аврорального овала, которые горят всегда.

Обратный вопрос: может ли авроральный овал так близко подойти к магнитному полюсу, что стянется в точку? Такого тоже никто не видел. По наблюдениям, он достигает некоторого предельного размера и меньше уже никогда не бывает. Впрочем, крайне сжатым овал бывает нечасто, и свойства магнитосферы при таком состоянии овала пока еще плохо выявлены.

Нет необходимости перечислять другие важные следствия из гипотезы Данжи, объясняющие реально наблюдаемые черты магнитосферы. Их много. Трудно даже назвать какую–либо космофизическую теорию, которая могла бы сравниться с этой гипотезой по количеству подтвердившихся выводов. Почему же все–таки ее продолжают называть гипотезой, концепцией, но не теорией?

Вернемся к тому месту, где мы впервые заговорили о пересоединении. Все ли там понятно? Пересоединение мы вообразили, но есть ли оно на самом деле? По сей день далеко не ясно, какой физический механизм может обеспечить достаточно быстрое пересоединение достаточно большого количества силовых линий, чтобы благодаря этому получился достаточно быстрый отток вещества из окрестности Х‑точки. Судить об этом можно, лишь зная числа, а числа остаются неизвестными.

От физической теории ждут описания явления не только с качественной, но и с количественной стороны. Физики проверяют себя числом. Даже очень грубое его определение полезно, хотя бы как взгляд на неизвестную картину через плохо подобранные очки: можно потерять детали, можно что–то перепутать, но все–таки исключается случай, что мы видим существенное там, где вообще ничего нет. Поэтому теории более частные, отрывочные, но дающие в итоге некоторую численную оценку, нередко рассматриваются как вполне конкурентоспособные по отношению к «широкоохватным», но качественным гипотезам вроде концепции Данжи. Хорошо это или плохо — другой вопрос, философский.

А что говорят наблюдения? Если интересоваться глобальными чертами магнитосферы, то, как мы уже видели. с их описанием концепция Данжи прекрасно справляется. Обратимся теперь к самой Х‑точке. Соответствует ли то, что там происходит, идее пересоединения?

Космические аппараты предоставили науке замечательную возможность вести измерения непосредственно в космосе. Приборы подробно информируют исследователя о состоянии той точки космического пространства, где находится корабль, в тот момент, когда он там находится. Это позволило выявить очертания магнитосферы, распределение электрического и магнитного поля в ней, общий характер движения заполняющих магнитосферу частиц. Но изучение изменений, происходящих в магнитосфере, — несравненно более трудная задача.

Представим себе, что человеку часто приходится пересекать в разных направлениях какой–нибудь лесок. Довольно скоро он станет представлять себе его очертания, несмотря на то что из–за деревьев, как известно, леса не видно. Но вот человеку, многократно пересекающему стадион во время репетиции массового выступления спортсменов на празднике, намного труднее понять, какие фигуры будет видеть на поле стадиона зритель, сидящий на трибуне. Даже если потом этот человек во время праздника все увидит своими глазами, ему трудно будет уловить, какие именно моменты перестроения участников он наблюдал, двигаясь среди них.