Эмоции космоса. Природа магнитодинамических возмущений в околоземном пространстве становится понятнее.

Владимир БЕЛАХОВСКИЙ живет и работает в городе Апатиты Мурманской области. В таких высоких широтах влияние солнечной активности на Землю наиболее сильное. Характеру региона соответствует и дело, которым занимается наш герой. Он, научный сотрудник Полярного геофизического института КНЦ РАН, исследует связь магнитодинамических (МГД) возмущений в околоземном космическом пространстве и космической погоды. Проект, посвященный этой теме, получил государственную поддержку — грант Президента РФ для молодых кандидатов наук. Наш корреспондент поинтересовался, что же такое, заметно влияющее на многие стороны нашей жизни, происходит на огромной высоте?

— МГД-возмущения — это низкочастотные электромагнитные волны в плазме, находящейся в магнитном поле, — объясняет Владимир Борисович. — В магнитосфере Земли летает целая “флотилия” спутников с различными траекториями. Это естественная лаборатория для исследования МГД-возмущений. Силовые линии геомагнитного поля “упираются” в электропроводящую оболочку атмосферы Земли, называемую ионосферой, в которой происходит распространение и постепенное затухание МГД-возмущений. Их частота порядка 0,01-0,001 Гц. Это самые мощные и крупномасштабные волновые процессы в околоземном космическом пространстве. Длина волны этих колебаний — несколько радиусов Земли и сравнима с размерами магнитосферы. А амплитуда в районе геостационарной орбиты (6,6 радиуса Земли) сравнима с общим уровнем геомагнитного поля.
МГД-волны во время геомагнитных возмущений чем-то похожи на сейсмические, которыми сопровождаются землетрясения. Они доносят до земной поверхности информацию о состоянии околоземной плазмы. По характеристикам МГД-возмущений можно определять параметры плазмы, недоступные для спутниковых наблюдений. Но такие волны — не только индикаторы протекающих в околоземной среде динамических процессов, они активно влияют на них. Модулируют потоки захваченной радиации (то есть “заставляют” ее колебаться с одинаковой частотой), “высыпают” заряженные частицы в атмосферу, ускоряют электроны, возбуждающие полярные сияния, и релятивистские электроны в радиационных поясах Земли (такие электроны представляют серьезную опасность для спутниковой электроники).
— Как вы изучаете МГД-возмущения?
— Основной инструмент для их регистрации — магнитометр. По данным наземных и спутниковых магнитометров, такие возмущения представляют собой периодические (или импульсные) колебания с периодом от 10 секунд до 15 минут. Исходя из морфологии их называют геомагнитными пульсациями, или УНЧ (ультранизкочастотными), возмущениями. Их можно зарегистрировать и на земной поверхности, и на расстоянии в десятки тысяч километров от нее.
Я экспериментально исследую МГД-возмущения в магнитосфере и ионосфере Земли, пользуясь теоретической интерпретацией наблюдений. Изу­чая сами возмущения и связанные с ними явления, беру во внимание данные не только магнитометров, но и многих других приборов. Таких, как радары, детекторы заряженных частиц на спутниках, GPS- и ГЛОНАСС-приемники на Земле, оптические приборы для регистрации полярных сияний, приемники космического радиоизлучения. Поскольку исследуемые явления имеют глобальный масштаб, используются не только отечественные, но и зарубежные геофизические данные.
— Отчего происходят МГД-возмущения и как часто?
— Земная магнитосфера — это внешняя оболочка Земли, поэтому она постоянно подвержена влиянию солнечного ветра. В результате этого турбулентного взаимодействия происходит генерация большинства типов МГД-возмущений. Наличие природных резонаторов и волноводов в магнитосфере приводит к периодическому отклику на это возбуждение. Плазменные неустойчивости внутри самой магнитосферы также могут быть источником МГД-возмущений. Частота появления большинства их типов напрямую связана с параметрами солнечного ветра (скорость, плотность) и направлением межпланетного магнитного поля. Они возникают при высокой скорости солнечного ветра и резких скачках в его плотности. Их постоянно регистрируют в ближнем космосе. Но значительных амплитуд они достигают, как правило, во время геомагнитных бурь. В максимуме 11-летнего цикла солнечной активности геомагнитные бури происходят примерно один-два раза в месяц. Однако есть класс МГД-возмущений, которые, наоборот, генерируются при абсолютно спокойных геомагнитных условиях, они могут длиться десятки часов, и механизм их генерации еще не выяснен окончательно.
— Что понимается под термином “космическая погода”?
— Космическая погода — важнейший природный фактор, связанный с влиянием солнечной активности на состояние наземных и космических технологических систем, а также на биологические объекты. Мои исследования не связаны с биологическими объектами, поэтому этот вопрос я затрагивать не буду. Такие известные термины, как “солнечная вспышка”, “геомагнитная буря”, — важнейшие аспекты космической погоды. Из-за конфигурации магнитного поля Земли влияние солнечной активности на планету наиболее сильное в высоких широтах — как в южном, так и в северном полушариях. В этих областях магнитное поле Земли слабо препятствует проникновению плазмы из ближнего космоса в земную атмосферу. К тому же возмущения из самых динамичных областей магнитосферы по силовым линиям геомагнитного поля приходят как раз в высокоширотные области. Здесь разыгрывается целый комплекс геофизических явлений.
Визуальный индикатор состояния космической погоды — такое широко известное явление, как полярные сияния. Область наибольшей вероятности их появления называют “авроральным овалом”. При увеличении геомагнитной активности они становятся видны в более низких широтах. Полярные сияния наблюдаются даже в Москве во время сильных геомагнитных бурь. По их характеристикам можно говорить о процессах, происходящих в ближнем космосе.
МГД-возмущения могут быть источником некоторых видов полярных сияний, например так называемых дуг. На представленной здесь фотографии, снятой 17 марта 2015 года на Кольском полуострове, изображено полярное сияние во время самой сильной геомагнитной бури за последние 10 лет. Зеленый и красный цвета говорят о свечении атомарного кислорода в атмосфере при вторжении электронов. Хотя гораздо чаще сияния имеют зеленый цвет. Прямые лучи свидетельствуют о том, что высыпание электронов в атмо­сферу Земли происходит вдоль силовых линий геомагнитного поля.
— Как связаны магнитодинамические возмущения и космическая погода?
— В своих исследованиях я провожу оценку степени воздействия МГД-возмущений на различные факторы космической погоды. Например, один из важнейших факторов космической погоды — возрастание потоков релятивистских электронов (с энергией порядка
1 МэВ) во время геомагнитных бурь во внешнем радиационном поясе Земли. Радиационные пояса представляют собой захваченные магнитным полем планеты потоки электронов и протонов. Внешний пояс, состоящий в основном из электронов, располагается на расстоянии около 18-60 тысяч километров от земной поверхности. Релятивистские электроны способны выводить из строя электронную аппаратуру на спутниках, поэтому в международной литературе их даже называют “killer electrons” (“электроны-убийцы”). Один из возможных механизмов ускорения электронов во внешнем радиационном поясе до столь больших энергий вызван их взаимодействием с МГД-колебаниями, имеющими период примерно 3-10 минут.
МГД-возмущения способны приводить к изменению параметров ионосферы. Как известно, распространение коротких радиоволн происходит за счет отражения от ионосферы. Поэтому в высоких широтах, где наиболее интенсивны МГД-возмущения, изменение параметров ионосферы может приводить к ухудшению радиосвязи, радиолокации, условий навигации.
При увеличении геомагнитной активности происходит заметное увеличение токов, текущих в высокоширотной ионосфере. Они наводят паразитные геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ) в протяженных проводящих линиях: линиях электропередачи, трубо-, нефте- и газопроводах. ГИТ могут приводить к резким скачкам напряжения в электросетях и даже к выходу из строя трансформаторов, к увеличению коррозии металла. Классический пример разрушительного воздействия ГИТ на наземную инфраструктуру — события 13 марта 1989 года во время сильной геомагнитной бури, когда провинция Канады Квебек на 9 часов осталась без электричества, что привело к огромным экономическим потерям.
Для нашей страны проблема ГИТ особенно актуальна. В частности, в связи с тем, что в последнее время руководство страны уделяет Арктическому региону России большее внимание, важно понимать, что устойчивое развитие его инфраструктуры во многом зависит от того, как будет учитываться негативное влияние факторов космической погоды. Я планирую провести оценку “вклада” МГД-возмущений в резкие скачки ГИТ.
В конце беседы хотел бы несколько слов сказать о нашем Полярном геофизическом институте (ПГИ), в котором я работаю. Он располагается в городах Мурманск и Апатиты, то есть в области “аврорального овала”, где влияние солнечной активности на Землю проявляется наиболее мощно. В этом году институту исполняется 55 лет. Наши ученые проводят комплексные исследования в области солнечно-земной физики, высокоширотной ионо­сферы и атмосферы, регулярные геофизические наблюдения на Кольском полуострове и архипелаге Шпицберген. Я работаю больше 10 лет в лаборатории “Полярных сияний” ПГИ, возглавляемой Вячеславом Георгиевичем Воробьевым. В своих исследованиях тесно сотрудничаю с группой из Института физики Земли РАН (Москва), возглавляемой Вячеславом Анатольевичем Пилипенко, руководителем моей кандидатской диссертации.

Василий ЯНЧИЛИН
Фотоснимки предоставлены В.Белаховским