Все авроральные явления возникают в результате грандиозного процесса (магнитосферного возмущения), развивающегося в магнитосфере при вторжении высокоскоростного потока частиц, солнечного ветра или вмороженного в его плазму магнитного поля, которое имеет составляющую, направленную к югу. При этом пересоеди-пенные силовые линии геомагнитного поля «сносятся» в хвост магнитосферы и там сближаются, что приводит к возрастанию в нем напряженности магнитного ноля и, следовательно, к возникновению неустойчивости этого поля. В хвосте происходит бурное перссоедииенис противоположно направленных силовых линий и перемещение их в сторону Земли. Они увлекают за собой плазму, заполняющую плазменный слой геомагнитного хвоста. Заряженные частицы устремляются вдоль границы между замкнутыми и разомкнутыми силовыми линиями и приходят в аморальные овалы. Перемещаясь из области слабого магнитного поля в Хвосте в область сильного вблизи замкнутой магнитосферы, частицы ускоряются. Частицы, получившие наибольшее ускорение, прорываются в замкнутую магнитосферу и образуют там кольцевой электрический ток, вызываюший ослабление геомагнитного поля во время главной фазы магнитной бури. В авроральных овалах эти частииы увеличивают ионизацию ионосферы. Это ведет к поглощению радиоволн в нижних слоях ионосферы и существенному повышению проводимости ионосферы. В результат появляются ионосферные электрические токи, магнитные поли которых регистрируются на земной поверхности. Так возникают возмущения в нижних слоях ионосферы и магнитные бури. Наконец аморальные частицы сталкиваются с атомами и молекулами воздуха, возбуждая их свечение, т. е. полярные сияния.
Сходные более слабые явления возникают и на дневной стороне авроральных овалов. Они связаны с вторжением в ионосферу менее энергичных заряженных частиц через дневные полярные каспы.
До сих пор мы говорили только о полярных магнитных бурях. Между тем магнитная буря обычно наблюдается одновременно на всей Земле, хотя проявления ее в разных местах земной поверхности могут быть неодинаковыми. Особенно простой характер она имеет па низких и средних широтах. Там во время магнитной бури происходит более или менее внезапное падение горизонтальной составляющей геомагнитного ноля, которое длится несколько десятков минут. Это главная фаза магнитной бури, за которой следует стадия медленного восстановления геомагнитного поля до нормы, охватывающая иногда несколько суток. Во время сильных магнитных бурь может быть несколько падений горизонтальной составляющей ноля, причем главная фаза следующей бури накладывается па фазу восстановления предыдущей. Иногда перед падением горизонтальной составляющей геомагнитного ноли отмечаема кратковременный ее подъем. Такое явление называют внезапным началом магнитной бури. Если на записях геомагнитного поля его выделить невозможно, бурю относят к магнитным бурям с постепенным началом. Такое разделение бурь на два класса становится еще более четким, если раздельно рассматривать сильные магнитные бури (в основном с внезапным началом), обусловленные активными вспышечными областями, и рекуррентные магнитные бури (обычно с постепенным началом), вызываемые корпускулярным излучением корональных дыр, расположенных над униполярными магнитными областями Солнца. В отличие от вспышечных магнитных бурь, рекуррентные повторяются в те же дни 27-дневного солнечного календаря в течение нескольких солнечных оборотов, а иногда даже 10—15 оборотов. Если число первых достигает максимальной величины в эпоху максимума 11-летнего цикла чисел Вольфа, то максимальное число вторых отмечается на его ветви спада, за 2—3 года до эпохи минимума.
Обратимся теперь к воздействию на верхнюю атмосферу Земли наиболее энергичных солнечных частиц-проюпов, выбрасываемых из Солнца во время протонных вспышек. Эти частицы вызывают возмущения ионосферы, особенно опасные для коротковолновой связи на самых высоких широтах. Это так называемые поглощения в полярной шапке Обычно такое возмущение начинается в среднем через несколько часов после сильной солнечной вспышки, его максимум наблюдается через 1—2 суток после его начала, а восстановление может продолжаться около 10 суток Поскольку протоны таких сильных вспышек беспрепятственно проникают в области О ионосферы, где частота соударений частиц велика, и поглощаются в ней, они вызывают особенно большое поглощение радиоволн именно в этой области. В результате уменьшается интенсивность радиоволн и повышается температура верхней атмосферы. Поглощение в полярной шапке, как правило, приводит к полному прекращению радиосвязи на коротких волнах на несколько суток над Северным Ледовитым океаном и над Антарктидой. Особенно большое число возмущений этого типа отмечают в эпоху максимума 11-летнего цикла или вскоре после него.
Наш рассказ о влиянии солнечной активности на верхнюю атмосферу Земли останется незавершенным, если не сделать из пего соответствующих практических выводов. Читатель мог убедиться, что опасности, которые нас ждут в результате этого воздействия, таковы, что они со всей остротой ставят вопрос об особой важности прогнозов солнечной активности для обеспечения устойчивой радиосвязи и безопасной навигации. Такие прогнозы позволили бы успешно прогнозировать нарушения радиосвязи, подготовить обходные радиотрассы, перейти на более выгодные длины волн.
3.3. Солнечная активность и тропосфера.
Если воздействие солнечной активности на верхние слои земной атмосферы выявляется вполне четко, то в нижней атмосфере Земли (тропосфере) оно становится гораздо труднее уловимым. Скорее всего, причина этого лежит в том обстоятельстве, что солнечная активность непосредственно воздействует на процессы в тропосфере только в сравнительно редких случаях, когда солнечные протоны высоких энергий проникают в глубь земной атмосферы. В общем же ее воздействие осуществляется через верхнюю атмосферу, поскольку тропосфера «привыкла» к установившимся в ней условиям и требуются большие усилия, чтобы нарушить их. К тому же достигаемый при этом эффект оказывается гораздо скромнее, чем тот, с которым мы сталкиваемся в верхней атмосфере Земли. Более того, даже те возмущения, которые возникают под действием солнечной активности, в особенности корпускулярного излучения Солнца, в разных районах Земли имеют противоположный знак, и характер их изменяется со временем и сезоном года. Поэтому здесь мы не будем говорить о том, как именно происходит изменение той или иной характеристики тропосферы результате влияния солнечной активности, а ограничимся лишь указанием, что оно действительно существует. Так или иначе, уже накоплен богатый материал, который свидетельствует о реальности воздействия активности Солнца на нижнюю атмосферу Земли.
Определяющее воздействие солнечная активность оказывает на общую циркуляцию в тропосфере. Это влияние выражается в изменении интенсивности, а че-ез нее и типа атмосферной/циркуляции, в зависимости от фазы различных циклов. В частности, такие изменения особенно усиливаются в эпоху максимумов 11-лет-них циклов и в наиболее высоких 11-летних циклах. Пожалуй, одним из наиболее надежно установленных фактов в проблеме Солнце — Земли является углубление циклопов и усиление антициклонов под действием солнечной активности этот факт еще с 30-х годов хорошо известен метеорологам под названием закона акцептации. Правда в отдельные периоды времени закон действует только частично или вовсе не проявляется. Изменення уровня солнечной активности приводят к изменению величин основных метеорологических элементов: температуры, давления, числа гроз, осадков и связанных с ними гидрологических и дендрологических характеристик: уровня озер и рек, грунтовых вод, солености и оледенении океана, числа колеи в деревьях, иловых отложений и т. неособенно устойчивы такие изменения в определении районах Земли. Важным является то об-сюятелъство, что как показало сравнение реакции тропосферы па магнитные бури различного типа, корпускулярное излучение вспышек и корональных дыр во многих случаях оказывает противоположное воздействие па нижнюю атмосферу Земли.
При исследовании изменений климата в некоторых районах земного шара были обнаружены 11-летние циклы в температуре воздуха, атмосферном давлении, осадках. Однако в других его областях гораздо лучше проявляется 22-летний цикл, также имеющий солнечное происхождение. Например, если засухи в районе Казахстана связаны с 11-летним циклом солнечной активности, то в Северной Америке — с 22-летним циклом. 22-летний цикл в тропосферных процессах может объясняться их зависимостью от сильных рекуррентных магнитных возмущений, наблюдающихся на ветви спада четных 11-летних циклов или связью с сильными вспышечными возмущениями, особенно характерным» вблизи максимума нечетных циклов. Поэтому отсутствие в каком-либо из тропосферных процессов 11-летней цикличности отнюдь еше не означает отсутствия связи с солнечной активностью вообще, как иногда утверждают. В некоторых районах Земли лучше всего проявляется 5—6-летний цикл, который особенно заметен в индексах магнитной возмушенности. Этот цикл наиболее ха-рактерен для тропосферных явлений, возникающих при высоком уровне геомагнитной возмушенности. Наложение 11-летнего и 22-летнего циклов было найдено, в частности, в распределении атмосферного давления по земной поверхности. Особенно отчетливо в изменении климата нашей планеты проявляется 80—90-летний цикл. И хотя ряды метеорологических параметров охватывают сравнительно короткие интервалы времени даже по сравнению с регулярными наблюдениями солнечных пятен, тем не менее этот цикл хорошо виден в изменении гид-рологическпх и особенно дендрологических характери-стик. В частности, нарушение закона акцептации чаще всего происходит именно на определенных фазах 80—90 летнего цикла. Сейчас нередко говорят и о более долговременных изменениях климата, связанных с солнечной активностью. Однако проверка подобного рода заключений встречается с большими трудностями, поскольку привлекаемые косвенные ее показатели (например, концентрация радиоуглерода) связаны как о солнечными, так и с земными процессами, а данные о нашей планете тоже нуждаются в критическом анализе. Влияние солнечной активности на тропосферу четко выступает при составлении солнечных календарей, о которых мы уже говорили в связи с активными долготами, явлений в нижней атмосфере Земли особенно на ветви спада 11-летнего цикла. Любопытно, что активные долготы в тропосфере выявляются даже более отчетливо, чем па Солнце. Использование солнеч-пых календарей может служить хорошим подспорьем в прогнозах погоды, которые учитывают солнечную активность. Не менее важным для той же цели оказалось изучение связи сильных флуктуации солнечной активности с аномалиями погоды в определенных земных регионах, которое дало ряд эмпирических правил.