Магнитные вариации - изменения во времени геомагн. поля, обусловленные существованием
как внутренних, так и внешних по отношению к поверхности Земли источников магн.
поля. Магнитные вариации с характерными временами от 10 до
тыс. лет, обусловленные процессами в жидком ядре Земли и тесно связанные с механизмом
генерации магн. поля Земли (МПЗ), наз. вековыми.
Магнитные вариации с периодами от секунды
до неск. лет обусловлены электрич. токами в ионосфере и магнитосфере
Земли, к-рые тесно связаны с солнечной активностью, а интенсивность и форма
этих М. в. зависят от широты, времени года и суток, параметров солнечного ветра.
Обычно их делят на спокойные (солнечносуточные), возмущённые вариации и короткопериодные
колебания (КПК).
Рис. 1. Схематическое изображение
спектра вековых вариаций и скорости годовых изменений геомагнитного поля.
Вековые вариации (ВВ)
возникают вследствие движения вещества и волновых процессов в жидком электропроводящем
ядре Земли и служат осн. источником информации об электропроводности нижней
мантии и ядра, о физ. процессах, приводящих к конвекции вещества, и о механизме
генерации магн. поля Земли. На рис. 1 схематически представлен временной спектр
вековых магн. вариаций. Амплитуда ВВ достигает 10-6 Тл, а макс. характерные
времена
лет соответствуют изменению дипольного магн. момента и имеют, т. о., глобальное
распространение. Более короткие периоды связаны с изменением геомагн. поля меньших
масштабов. Характерные размеры L вариаций, отнесённые к поверхности ядра,
и связанные с ними соотношением
характерные времена Т приведены в таблице (D-коэф. магн. диффузии).
Характерные параметры
вековых магнитных вариаций
Т, лет |
L, км |
D = L2/T |
||
7000 |
6* 103 |
2*103 |
||
600 |
2* 103 |
1,5*103 |
||
60 |
0,6*103 |
2* 102 |
||
Для всех типов вековых
магнитных вариаций магн. число Рейнольдса
, где
- характерная скорость движения вещества в жидком ядре Земли, приводящего к
данному типу ВВ. Конвективная природа генерирующих МПЗ движений подтверждается
наличием западного дрейфа, к-рый проявляется в наблюдаемом на поверхности Земли
движении к западу структурных особенностей МПЗ в приэкваториальных широтах.
На рис. 2 представлено распределение вертикальной составляющей геомагн. поля
вдоль широтных кругов 50° с. ш. и экватора для эпох с 1500 по наше время
с шагом 50 лет. Данные свидетельствуют, что особенности МПЗ в экваториальной
области дрейфуют к западу со скоростью в
год. Западный дрейф свидетельствует о перераспределении момента вращения при
радиальном конвективном перемещении вещества в ядре. Условие вмороженности магн.
поля приводит
к вытягиванию магн. силовых линий полоидаль-ного МПЗ (Hп)
и образованию сильного тороидального магн. поля .
Т. о., вследствие вращения Земли осн. структура конвективных движений близка
к осесимметричной. Турбулентные движения нарушают осевую симметрию конвективных
движений и снимают запрет на генерацию магн. поля (теорема Каулинга). Наличие
иерархически упорядоченного спектра ВВ свидетельствует о турбулентном характере
конвекции, к-рая приводит к значит. флуктуациям скорости вещества в поверхностных
слоях ядра (см. также Гидромагнитное динамо ).Поскольку высокая электропроводность
нижней мантии обеспечивает наличие сильной эл--магн. связи в системе мантия
- ядро, изменение движений в последнем приводит к перераспределению момента
вращения в этой системе, что проявляется в ВВ скорости суточного вращения Земли,
определяемого по астрономич. данным. Хорошо известны ВВ скорости суточного вращения
Земли с периодом ~60 лет и изменением длины суток до 2 миллисекунд. Вследствие
турбулентного характера конвекции возникают и ВВ магн. поля с амплитудой
Тл и периодом
лет.
Рис. 2. Западный дрейф
структурных особенностей вертикальной составляющей геомагнитного поля вблизи
экватора (б) и отсутствие дрейфа в средних широтах (а).
В ВВ как МПЗ, так и скорости
суточного вращения уверенно выделяется составляющая с периодом 20
лет. Предполагают, что эта вариация вызывается распространением алъвеновских
волн вдоль полоидального поля в жидком ядре Земли. Если при скорости
в объёме ядра возникает стоячая волна длиной 2Rя (
- плотность вещества,
- радиус ядра Земли) и поперечные перемещения вещества направлены вдоль широтных
кругов, то это приводит к крутильным колебаниям поверхностного слоя ядра, к-рые
путём эл--магн. взаимодействия передаются мантии и фиксируются
как ВВ магн. поля и скорости суточного вращения.
Выделяют магн. вариации
с меньшими характерными временами, вплоть до 10 и менее лет, но их амплитуда
на поверхности Земли невелика (-520
нТл), что не позволяет идентифицировать их природу. Малая амплитуда этих вариаций
связана в значительной мере с высокой электропроводностью нижней мантии Земли,
к-рая действует как частотный фильтр, практически не пропуская к поверхности
Земли любые изменения магнитного поля, если их характерное время меньше 10 лет.
Спокойные М. в. наблюдаются
при отсутствии геоэффективных явлений на Солнце, строго периодичны во времени
и обусловлены суточным вращением Земли, её движением по орбите, расположением
Луны по отношению к горизонту (лунными приливами). Спокойные М. в. являются
следствием гл. обр. двух процессов: ионосферных ветров и постоянно существующего
солнечного ветра, к-рый обдувает магнитосферу. Процессы ионизации в верхней
атмосфере под воздействием волнового излучения Солнца и разогрев термосферы
приводят к возникновению на высотах ионосферы регулярных в пределах
солнечных суток крупномасштабных систем ветров, т. е. к движению электропроводящей
среды в МПЗ. Происходит генерация на высотах 90-150 км электрич. токов, создающих
в средних широтах спокойные солнечносуточные (Sq) вариации
(рис. 3) с амплитудой ~50 нТл. На магн. экваторе в дневные часы амплитуда Sq-вариаций
может увеличиваться до 2*102
нТл (экваториальная электроструя), что связано с анизотропной проводимостью
ионосферы в МПЗ.
Рис. 3. Система токов в
ионосфере, ответственная за вариации геомагнитного поля в период высокой солнечной
активности (усреднение за год). Ток между соседними линиями составляет 25*103
А. Цифры, относящиеся к крестикам, выражают полный ток в вихрях в тысячах А.
Изменения условий освещённости
при орбитальном движении Земли создают периодич. годовые (сезонные) вариации
с амплитудой 5-30 нТл. 11-летние изменения
уровня солнечной активности проявляются в циклич. вариациях Sq
с амплитудами до 20 нТл. Периодич. лунно-суточные вариации L с амплитудами
~1 нТл в средних широтах и до ~10 нТл на магн. экваторе связаны с движениями
в атмосфере в результате лунного притяжения.
Обдувание магнитосферы потоком солнечного ветра приводит к генерации на её границе (магнитопаузе) электрич. токов восточного направления (рис. 4), увеличивающих магн. поле на экваторе в полдень на ~25 нТл. В течение суток на поверхности Земли поле этих токов меняется с амплитудой ~4 нТл. Другим следствием взаимодействия солнечного ветра с геомагн. полем является возникновение крупномасштабной конвекции плазмы внутри магнитосферы, что приводит к генерации в высоких широтах ионосферных токов и М. в. с интенсивностью до 102 нТл в летний сезон. В результате взаимодействия солнечного ветра и вмороженного в него межпланетного магн. поля (ММП) с геомагн. полем в приполюсной области появляются спокойные солнечно-суточные вариации с макс. концентрацией тока на геомагн. широтах ~80° в дневные часы и с интенсивностью М. в. ~1,5 *102 нТл (полярная электроструя). Направление тока в полярной электроструе зависит от ориентации азимутальной компоненты ММП, поэтому наземные измерения направления тока используются для определения направления ММП (от Солнца или к Солнцу).
Рис. 4. Схема крупномасштабных
электрических токов в магнитосфере, ответственных за наблюдаемые на поверхности
Земли вариации геомагнитного поля.
Возмущённые вариации связаны
с нерегулярными процессами в солнечном ветре и на Солнце. В период наиб. активных
процессов на Солнце, сопровождаемых солнечными вспышками, происходит выделение
1026- 1027 Дж энергии за сравнительно короткое время 2*103
с. Выделение энергии сопровождается увеличением интенсивности излучения в рентгеновском
и УФ-диапазонах длин волн, генерацией ударных волн и выбросом в межпланетную
среду облаков плазмы, к-рые могут распространяться даже за пределы земной орбиты.
Внезапное усиление рентгеновского и УФ-излучения производит избыточную ионизацию
в нижних слоях ионосферы, усиливая токи Sq-вариаций на освещённой
полусфере. Вариометрами это регистрируется как импульсное изменение магн. поля
на ~10 нТл и длительностью ~30 мин. Подход межпланетной ударной волны, за фронтом
к-рой повышены значения плотности и скорости солнечного ветра, приводит к сжатию
магнитосферы и усилению электрич. токов на магнитопаузе. Такие импульсные увеличения
поля, охватывающие весь земной шар и достигающие на экваторе неск. десятков
нТл, наз. внезапными началами (ВН). Иногда ВН являются началом магн. бури.
Магнитная буря состоит
из трёх фаз: начальной, главной и восстановления. Продолжительность начальной
фазы может быть от 10 мин до 6 и более час; в течение этого времени магн. поле
усилено за счёт увеличения
токов на магнитопаузе, но слабо возмущено. Главная фаза магн. бури с продолжительностью
от 3 до 20 ч начинается тогда, когда плазменное облако от Солнца достигнет магнитосферы.
Эта фаза характеризуется последовательностью взрывообразных процессов, наз.
суббурями, связанных с вводом в магнитосферу потока энергии и плазмы из межпланетной
среды. Из падающего на магнитосферу потока энергии ~1013 Bт внутрь
магнитосферы передаётся 1 - 5%. Часть энергии поступает непосредственно при
взаимодействии солнечного ветра с магн. полем Земли, что приводит к сжатию магнитосферы
в подсолнечной точке; часть энергии вместе с веществом проникает внутрь магнитосферы
через нейтральные точки, но б. ч. энергии поступает в результате вязкого трения
на магнитопаузе и пересоединения силовых линий межпланетного и геомагн.
полей, что приводит к накоплению магн. энергии в хвосте магнитосферы. Эффективность
последнего вида передачи энергии максимальна в периоды с южным направлением
ММП, т. е. когда направления МПЗ и ММП антипараллельны. Поток поступающей энергии
обычно оценивается как
= , где H
- напряжённость ММП, -
скорость солнечного ветра,
- угол между ММП и направлением на зенит, l0 - масштабный
фактор.
Рис. 5. Системы продольных
ионосферных токов в высоких широтах, ответственные за умеренные магнитные возмущения.
Токи полярных электроструй замыкаются через ионосферу полярной шапки и приполярных
широт.
Во время суббурь в магнитосфере
генерируются продольные токи суммарной интенсивностью (1-2)*106 А,
текущие вдоль магн. силовых линий и связывающие хвост магнитосферы с авроральной
зоной ионосферы (рис. 5). Продольные токи замыкаются в ионосфере, образуя вдоль
овала полярных сияний интенсивные авроральные электроструи (западную и восточную).
Токи электроструй растекаются по ионосфере в приполюсную область и в субавроральные
и даже средние широты. Вариации магн. поля на поверхности Земли от таких токов
в средних широтах имеют вид бухт (отрезка изрезанной береговой линии) продолжительностью
1-2 ч (продолжительность суббури) и интенсивностью 30-300 нТл в максимуме. Иррегулярные
магн. возмущения на поверхности Земли имеют амплитуду от 5*102 до
3*103 нТл. Разогретая плазма солнечного ветра, а также ускоренные
ионосферные ионы (в основном 0+) с энергиями от 10 до 500 кэВ инжектируются
в область замкнутых магн. силовых линий на геоцентрич.
расстоянии 37
радиусов Земли, образуя кольцевой ток. Его магн. эффект на поверхности Земли
проявляется в виде уменьшения интенсивности геомагн. поля до 600 нТл на экваториальных
широтах. Фаза восстановления продолжительностью от 1 до 5 суток характеризуется
возвращением магн. поля к невозмущённому значению из-за затухания кольцевого
тока в результате диссипации энергичных ионов, сталкивающихся с нейтральными
атомами водорода в геокороне.
Многие суббури связаны
с изменением северного направления ММП на южное, приводящим к плавному усилению
западной авроральной электроструи с вариацией магн. поля до 102 нТл
(предварит. фаза, или фаза зарождения суббури) длительностью от 5 до 60 мин.
Затем она сменяется импульсным усилением и расширением в широтном направлении
авроральной электроструи (фаза развития суббури). Иррегулярные вариации могут
достигать неск. тыс. нТл, продолжительность фазы развития ~30 мин. Затем поле
восстанавливается до исходного уровня (фаза восстановления суббурь) в течение
1-2 ч. Такие циклы могут повторяться неоднократно в течение магн. бури, накладываясь
часто друг на друга. В период суббурь в верхней атмосфере выделяется энергия
~1012 Вт, как поступающая из солнечного ветра, так и предварительно
запасённая в виде магн. энергии в хвосте магнитосферы. Для описания геомагн.
возмущений используются международные планетарные индексы, характеризующие разл.
составляющие вариаций геомагн. ноля или состояние магн. поля. К ним относятся
индексы авроральных электроструй (A U, AL, АЕ), кольцевого тока и токов
на магнитопаузе
, меры планетарной геомагн. активности .
Эти индексы применяются не только в геомагнетизме, но и в др. разделах солнечно-земной
физики.
Короткопериодные колебания
- микропульсации МПЗ с периодами от 0,2 до 500 с и амплитудами от 0,1 до 50
нТл. Они существуют как в спокойные, так и в возмущённые периоды. КПК есть следствие
разл. типов ультранизкочастотных эл--магн. волн, генерирующихся в магнитосфере,
ионосфере или проникающих в магнитосферу из солнечного ветра. Периоды продолжительных
достаточно гармонических колебаний (Рс) определяются
как параметрами межпланетной среды, так и резонансными свойствами магнитосферы,
иррегулярные пульсации (Pi) являются характерным признаком
начала суббури.
Изучение магнитных вариаций разных типов на поверхности Земли позволяет исследовать процессы генерации МПЗ, параметры вещества в её глубоких недрах, проводить диагностику параметров солнечного ветра, состояния эл--магн. поля в магнитосфере, М. в. могут служить для оценки радиац. безопасности в ближнем космосе. Оказалось, что потоки энергии проникающей радиации тесно связаны с изменениями магн. поля на поверхности Земли. Отдельные типы КПК воздействуют на биол. системы, в т. ч. и на человеческий организм.
В. П. Головков, Я. И. Фельдштейн
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.