Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы

• Название: Небесные сполохи и земные заботы
• Автор: Лилия Алексеева
• Издательство: Издательство "Знание"
• Жанр: Научпоп
• Год: 1985

В книге рассказывается о физических процессах, происходящих в ближнем космосе, о современных теориях, объясняющих эти процессы, включая полярные сияния, или, как они зовутся в просторечии, сполохи. Разгадать природу сполохов пытались давно. Так, одним из первых к правильному их пониманию подошел М. В. Ломоносов. Но только сейчас физики, имеющие в своем распоряжении самые современные средства изучения космического пространства, получили непосредственный доступ к объекту исследования, оказывающего, как выяснилось, влияние на многие стороны земной жизни. Для широкого круга читателей.

---

Теперь понятно, какие черты ближнего космоса отражает само существование целостного аврорального овала. Он может быть растянутым, далеко отходить от магнитного полюса, может быть, наоборот, сжатым. Но он постоянно присутствует на полярном небе, потому что Земля постоянно обдувается потоком солнечной плазмы. Ведь если бы не было солнечного ветра, не было бы никакого аврорального овала и, возможно, сияний вообще. Солнечный ветер — это постоянно расширяющиеся («испаряющиеся») наружные слои атмосферы Солнца. Поэтому можно сказать: сияниями мы обязаны тому, что живем прямо в Солнце, да еще тому, что планета наша имеет собственное магнитное поле, «распирающее» солнечную плазму.

Мы уже говорили об авроральном овале как об испытательной таблице на экране естественного телевизора (так и хочется сказать: марки «Магнитосфера») которым обладает наша планета. В этом качестве используют овал и специалисты: любое обсуждение конкретного явления в околоземном пространстве начинается с вопроса, где в это время находился авроральный овал, другими словами, был ли он растянут или сжат. Вообще в космофизике авроральный овал — это та печка, от которой всегда танцуют. Да и понятно: ведь он представляет собой отпечаток структуры магнитосферы, который позволяет просто, лишь по одним наблюдениям с Земли, определять, какая часть околоземного пространства находится под непосредственным влиянием плазмы Солнца — солнечного ветра.

Отметим в заключение еще одно свойство околоземного пространства. Солнечный ветер искажает собственное магнитное поле Земли на довольно большом расстоянии от нее. Поэтому если вести магнитные наблюдения на спутнике, летящем на высоте, скажем, 1000 километров от поверхности Земли, то и не заметишь разницу внутренних и внешних (хвостовых) силовых линий: здесь недалеко от Земли, они все отходят от нее как дипольные, но на соответствующем расстоянии в космосе внешние линии резко меняют вид, отклоняясь в хвост (см. рис. 1 и 3). Особенно выразительно это выглядит со стороны Солнца: высокоширотные силовые линии, тянущиеся от Земли, сначала направляются, как и дипольные, в сторону противоположного магнитного полюса, но затем резко отклоняются в сторону «своего» полюса, проходят над ним и уходят далеко на ночную сторону (см. рис. 3). Граница раздела между этими линиями и «обыкновенными», как у диполя, на поверхности Земли соответствует 80° магнитной широты. С ночной стороны поверхность раздела линий, похожих на дипольные, и хвостовых силовых линий, очевидно, должна быть менее резкой: это подветренная сторона магнитосферы и здесь переход от силовых линий, похожих на дипольные, к вытянутым, хвостовым происходит постепенно. Поэтому–то авроральный овал и утолщен с ночной стороны.

5. Философская загадка космофизики, или можете сами побыть космофизиком

Приезжайте ко мне, дорогой соседушко, ей–богу.

Откроем что–нибудь вместе…

Чехов А. П. Письмо к ученому соседу

Космофизика сейчас быстро движется вперед. О современном положении дел можно судить по такому невыдуманному эпизоду.

Идет научный семинар. Докладчик с воодушевлением начинает свое выступление: «Эта область науки так быстро развивается и успехи ее настолько велики, что выводы устаревают буквально через год–два после того, как они были получены». Реплика с места: «А то, что мы сейчас услышим, тоже устареет через полтора года?» Докладчик продолжает, но уже без прежнего подъема…

В космофизике действительно результаты устаревают довольно быстро. Техника наземных наблюдений становится все лучше и дает возможность уже сейчас вести непрерывное слежение за космосом, спутники и ракеты загружаются все большим количеством приборов, позволяющих проводить комплексные исследования. Хотя прямое изучение околоземного пространства продолжается не так давно, многие работы первооткрывателей, которые лишь прощупывали космос, из–за своей отрывочности уже превратились просто в исторические документы. Наверное, так же разом теряли свою научную ценность отчеты географов–первопроходцев, как только по их следам проходила армия топографов.

На этом фоне кажется удивительной судьба одной концепции, которая была выдвинута в 1961 году, в самом начале космической эры, она легко и изящно предсказывала важнейшие явления в околоземном пространстве, впо–следствие действительно открытые, послужила отправной точкой множества исследований. И все 20 с лишним лет носит скромное название гипотезы.

Первые попытки ее опровергнуть были предприняты, по существу, всего лишь несколько лет назад. Эти попытки носят пока еще частный характер, выводы разных критиков не согласуются между собой. Но даже те, кто в чем–то с ней не согласен, широко используют ее как наглядную схему, позволяющую связать воедино, держать в памяти, обсуждать многообразные сведения о магнитосфере. Эту гипотезу выдвинул английский астрофизик Данжи.

При упоминании этого имени космофизики разных школ и направлений ведут себя очень похоже. Скажут: «Да… Данжи…» — и задумаются. У кого на лице восхищение («Надо же так: одно наглядное соображение, показ, так сказать, на пальцах, и такие далеко идущие выводы, причем опыт подтверждает их!»); у кого удивление («Почему так получается, как может простенькая исходная посылка развернуться в описание таких разнообразных явлений?»); у кого стыдливость («До сих пор наука не нашла чем заменить или как отменить этот показ на пальцах!»).

Гипотеза Данжи — ключ к пониманию физики магнитосферы, и с ней стоит познакомиться.

Физические законы выражаются уравнениями. Но, по словам английского гидромеханика Моффата, «основные уравнения физики могут содержать все сведения о мире, но эти уравнения скрытны и неохотно отдают заключенные в них сведения». Кажется невозможно ни в чем разобраться, не прибегая к сложным математическим формулам. «Однако в основе любой физической теории лежат не формулы, а идеи», — это свидетельство А. Эйнштейна. Концепция Данжи — именно идея. Ее может воспринять Даже неспециалист. Мне хочется представить ее читателю от начала до конца еще и потому, что это редкий случай дать некосмофизикам точную научную информацию, так сказать, без деформации.

Данжи стал рассматривать вещество, заполняющее околоземное пространство, как сплошную среду с некоторым электрическим сопротивлением.

— Позвольте, — непременно прервет меня здесь читатель, — какая среда в магнитосферу? Когда столько толковали о радиационных поясах, говорили о невзаимодействующих частицах. А теперь оказалось, что магнитосфера заполнена средой. Понятно, что космос — не абсолютная пустота, какие–то частицы там есть, но частицы, летающие каждая сама по себе, и среда, которая движется как единое целое, — это совсем не одно и то же!

Действительно, с этим не все гладко. Даже если учесть, что космос в основном заполнен заряженными частицами (а такие частицы оказывают друг на друга электрическое и магнитное воздействия на огромных по сравнению с их размерами расстояниях), остается вопрос: насколько все же сильны эти воздействия? Увы! Непосредственно измерить их с борта космического корабля практически невозможно, поскольку его приборы не дают нам достаточно подробной информации о частицах, удаленных от корабля.

Остается обратиться к теории. А там пока тоже нет ответа…

Кто–то сказал, что если физика–теоретика просят дать математическое описание стола, то он очень быстро находит решение для случая стола без ножек и для случая стола с бесконечным числом ножек, а потом долго и безуспешно бьется над задачей о столе с четырьмя ножками.

Эту шутку вполне можно отнести и к теоретикам–космофизикам.

Плазма магнитосферы очень разрежена, но не настолько, чтобы частицы можно было считать невзаимодействующими друг с другом. Математические методы описания такой плазмы еще не разработаны. Поэтому теоретикам приходится подбираться, так сказать, с одного из двух противоположных концов: либо рассматривать ее как состоящую из отдельных, прямо не связанных между собою частиц (вот он, стол без ножек), либо, наоборот, как некую сплошную среду вроде жидкости, в которой «индивидуальность», то есть положение, скорость и прочее, каждой частицы вообще не выделяется (стол с бесконечным числом ножек). Какой из этих двух противоположных подходов лучше для описания данного явления, выясняется часто лишь на конечном этапе теоретического исследования, при сравнении результата расчета и наблюдений. Например, мы уже видели, что с помощью «одночастичного» подхода можно понять природу радиационных поясов Земли. Как мы увидим сейчас, другой способ описания реальной плазмы, который уподобляет ее проводящей жидкости, позволяет составить представление о важнейших глобальных процессах в космосе.