«А. К. Муртазов ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА Допущено УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по ...»

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ С.А. ЕСЕНИНА

А. К. Муртазов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭКОЛОГИИ ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

Допущено УМО по классическому университетскому образованию

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности 010702.65 - Астрономия

РЯЗАНЬ-2008 Рецензенты А.С. Расторгуев - профессор кафедры экспериментальной астрономии Московского Государственного Университета им.

М.В.Ломоносова, доктор физико-математических наук, А.Е. Кузнецов - заместитель директора НИИ обработки аэрокосмических изображений Рязанского радиотехнического университета им. А.С. Попова доктор технических наук, профессор, Н.И. Перов - доцент кафедры физики Ярославского государственного педагогического университета им. К.Д. Ушинского кандидат физикоматематических наук Муртазов Андрей Константинович Физические основы экологии околоземного пространства.

Настоящее учебное пособие предназначено для изучения общих положений новой, сформировавшейся в последние 20 лет фундаментальной науки.

Рассмотрены и проанализированы физические процессы, происходящие в глобальной окружающей биосферу среде - околоземном космическом пространстве.

Подробно освещены вопросы «космической опасности» для человечества и перспективные методы ее преодоления, представлен анализ современных методов экологического мониторинга состояния ОКП и его изменения при естественных и техногенных воздействиях, проведен анализ современного состояния проблемы охраны и рационального использования ОКП как экологической ниши техногенной цивилизации.

Может быть использовано для обучения студентов университетов естественнонаучных специальностей, в частности, «Физика», «Геофизика», «Астрофизика», «Физика Земли и планет», «Экология».

Учебное пособие также может оказаться интересным и полезным для читателей, интересующихся вопросами физики Земли и Вселенной, глобальной экологией и ее ролью в расширении в околоземное пространство ниши человеческой цивилизации.

Содержание Предисловие Предмет и задачи экологии околоземного космического пространства Глава I. Околоземное космическое пространство как глобальная составляющая окружающей среды 1.1. Поля и заряженные частицы в околоземном пространстве 1.1.1. Геомагнитное поле 1.1.2. Верхняя атмосфера и ионосфера 1.1.3. Магнитосфера 1.1.4. Сравнительные характеристики магнитосфер планет Солнечной системы 1.2. Внешняя часть околоземного космического пространства Глава II. Осколки естественных космических тел и техногенные отходы в околоземном космическом пространстве 2.1. Основные источники естественного мусора в ОКП 2.1.1. Астероиды 2.1.2. Кометы 2.1.3. Метеорное вещество 2.2. Отходы техногенного происхождения в ОКП Глава III. Процессы в ОКП и их взаимосвязь с процессами в биосфере – физические основы экологии ОКП 3.1. Глобальное воздействие на систему «ОКП-биосфера» источников космического происхождения 3.1.1. Солнце – основной источник глобального воздействия на систему «ОКП-биосфера»

3.1.2. Процессы в ОКП, обусловленные действием космических лучей и жестких электромагнитных излучений 3.1.3. Природа процессов в биосфере, вызванных космическими воздействиями 3.2. Техногенное воздействие на физическое состояние ОКП 3.2.1. Общая характеристика антропогенных воздействий на состояние ОКП 3.2.2. Проблема техногенного воздействия на озоновый слой 3.2.3. Воздействие техногенных отходов на состояние ОКП 3.3. Воздействие тел естественного происхождения на состояние ОКП и биосферы 3.3.1. Естественный космический мусор и состояние ОКП 3.3.2. Проблема космической опасности для человечества Глава IV. Мониторинг состояния ОКП 4.1. Цели и задачи мониторинга околоземного пространства 4.2. Анализ возможностей современных средств мониторинга загрязнения околоземного космического пространства Глава V. Охрана и рациональное использование ОКП как новой экологической ниши земной цивилизации 5.1.Совместная эволюция биосферы и ОКП.

5.2. Развитие методов и средств охраны и рационального использования ОКП в процессе его освоения 5.3. Современные методы и средства предотвращения «космической опасности» для человечества Литература Тематический словарь Экология космоса К началу XXI в. околоземное космическое пространство (ОКП) стало значительным фактором научного, общественного, коммерческого использования. ОКП представляет собой зону расширения экологической ниши человеческой цивилизации вследствие ее неизбежного техногенного развития, что явилось одним из путей ухода от угрозы глобального экологического кризиса.

Однако, экспоненциального расширения экологической ниши в околоземное пространство не получилось (по крайней мере, в настоящее время его не наблюдается в противовес оптимистичным прогнозам 40-летней давности) во многом именно из-за экологических причин.

Современная цивилизация достигла такого уровня антропогенного воздействия на ближний космос, какого не испытывает ни одна другая среда: ни гидросфера, ни литосфера, ни приземная атмосфера. Освоение этой среды ведется самыми мощными современными средствами. Но околоземное пространство имеет на много порядков меньше, чем биосфера связей, обеспечивающих его устойчивость. Глобальные соотношения по выбросам энергии и вещества здесь значительно превышают подобные соотношения для биосферы.

Техногенные воздействия в ОКП в настоящее время имеют мощность на два порядка меньшую мощности естественных воздействий, однако, ее рост проходит практически по экспоненциальному закону. При таком законе возрастания техногенные воздействия уже в этом веке могут превзойти естественные, что в значительной мере может сказаться на условии равновесия ОКП. Критическое значение энергетического загрязнения ОКП может составить величину всего ~1% от величины солнечной постоянной. В таком случае действие принципа Ле Шателье-Брауна в ОКП может оказаться нарушенным, и ОКП, выйдя из состояния динамического равновесия, уже в него не вернется. ОКП с новыми параметрами может иметь совершенно иные свойства, что неизвестно каким образом скажется на земной природе.

Это говорит о том, что ОКП является весьма важным показателем техногенного загрязнения окружающей среды с глобальных позиций: там, где биосфера еще способна компенсировать отклонения от равновесия, ОКП уже может заметно потерять устойчивость и изменить свои свойства.

С этих позиций можно дать определение экологии ОКП как научной дисциплины – в целом это наука, изучающая взаимосвязи биосферы в целом и окружающего ее пространства. Естественно, первоочередной задачей экологии ОКП является исследование процессов в ближнем космосе и их зависимости от естественных и техногенных воздействий.

На основе этого определения автором в предлагаемом учебнике подробно рассмотрены состав и структура ОКП, произведено описание его основных физических параметров на основании данных современных исследований. Проанализированы процессы взаимодействия между различными компонентами околоземного пространства, межпланетной среды, составляющие физические основы экологии ОКП. Сюда входят процессы, обусловленные взаимодействием естественных космических и техногенных излучений с веществом и полями ОКП, процессы, сопровождающие загрязнение ОКП продуктами дезинтеграции астрономических тел и отходами техногенной деятельности.

Несомненно, основным источником процессов в ОКП и биосфере является Солнце, дающее подавляющий вклад энергии в систему «ОКП-биосфера». Даже при спокойном состоянии Солнца в периоды минимума его активности вариации как электромагнитного, так и корпускулярного излучения Солнца, взаимодействие межпланетного и геомагнитного полей, воздействие солнечных космических лучей приводят к нестабильным процессам в ОКП, выводящим его из состояния динамического равновесия.

Вследствие этого гелиофизические факторы влияют на ход важных и широко распространенных физико-химических процессов в биосфере, они воздействуют на многие стороны биологических явлений, что и находит отражение в соответствующих изменениях показателей жизнедеятельности большинства живых организмов.

Весьма важным параметром, характеризующим общее состояние ОКП, является его загрязнение космическим мусором естественного и техногенного происхождения.

Одним из последствий появления осколков небесных тел в ОКП является явление, называемое космической опасностью: возможность соударения Земли с астероидом, метеороидом или ядром кометы. Воздействия на биосферу после такого соударения могут принять глобальные масштабы и оказаться катастрофическими для человеческой цивилизации. Примером такого воздействия является соударение кометы ШумейкеровЛеви с Юпитером Однако основной проблемой является в настоящее время проблема техногенного загрязнения ОКП. В общем виде это: загрязнение природной среды и ОКП вредными продуктами сгорания ракетного топлива и его несгоревшими остатками; загрязнение ионосферы при запусках космической техники; космический мусор в ОКП; падение техногенных отходов на Землю; электромагнитные излучения различных передатчиков и линий передачи электроэнергии на Земле; взрывы ядерных зарядов, общая радиоактивность; техногенные катастрофы; взаимодействие ОКП с собственной атмосферой космических аппаратов; последствия аварий и столкновений космической техники в ОКП.

При выборе параметров, характеризующих техногенные воздействия, можно выделить две группы. К первой относятся концентрации компонентов, непосредственно загрязняющих ближний космос. Эти компоненты поступают в околоземное пространство в результате производственной деятельности человека (фреоны, окислы азота, хлора, изотопы радиоактивных элементов и др.), а также в результате запусков ракетнокосмических систем. Сюда же относятся электромагнитные излучения техногенного происхождения, изменяющие состояние ионосферы и магнитосферы Земли. Ко второй группе относятся параметры, характеризующие состояние верхней атмосферы, ионосферы, магнитосферы, претерпевающие значительные изменения в результате техногенного воздействия, что в результате обратных связей воздействует на природу планеты.

Причем следует отметить, что если вероятность столкновения Земли с крупными небесными телами в процессе эволюции Солнечной системы уменьшается, то интенсивность техногенных воздействий с развитием цивилизации и ее деятельности по освоению ОКП заметно возрастает.

Таким образом, околоземное космическое пространство как глобальная составляющая окружающей биосферу среды, является многокомпонентной динамической системой со сложным образом изменяющимися параметрами, состояние которой во многом определяет процессы в самой биосфере.

В связи с этим ОКП внесено в закон РФ «Об охране окружающей среды» 2002г.

(статья 4. Объекты охраны окружающей среды) как объект охраны.

С выходом человечества за пределы биосферы вопросы контроля состояния ОКП приобретают особое значение. Разработка методов охраны и рационального использования ОКП должна базироваться, по мнению автора, на исследованиях в рамках его экологии и может явиться одной из важнейших научных, технических и даже этических проблем третьего тысячелетия. Здесь, в заключение, можно выделить ряд моментов:

- на современном этапе весьма важной является задача определения предельно допустимых техногенных воздействий на ОКП и в дальнейшем их контроля;

- методы охраны и рационального использования ОКП не должны использовать технологии, вредно воздействующие на ОКП и биосферу;

- они должны быть направлены на снижение засоренности как ОКП, так и биосферы;

- применяемые в будущем методы охраны и рационального использования ОКП не должны энергетически превышать предел, выше которого ОКП не сможет вернуться к первоначальному устойчивому (или какому-либо устойчивому, но несколько отличающемуся по параметрам от первоначального) состоянию.

Такой подход определил в итоге структуру настоящей книги. 1. Физические основы экологии ОКП: анализ физических процессов в ОКП, обусловленных различными факторами естественного и техногенного происхождения; исследования воздействий техногенных и естественных процессов на состояние ОКП, реакцию последнего на них и далее обратного воздействия на биосферу. 2. Современные методы мониторинга состояния ОКП как средство изучения процессов в нем и ОКП с биосферой. 3. Анализ совместной эволюции Земли и основных параметров ОКП. 4. Актуальность проблемы охраны и рационального использования ОКП в свете вопросов экологии (включая достаточно экзотический вопрос о расширении экологической ниши человеческой цивилизации).

Естественно, многообразие процессов в ближнем космосе обуславливает и многообразие методов их исследования. Это, в свою очередь, предполагает разнообразный, междисциплинарный подход к изучению экологии ОКП, а также владение аппаратом и сведениями из многих естественных наук.

Автор глубоко признателен академику Российской академии образования, профессору А.П. Лиферову, благодаря инициативе и поддержке которого были начаты и выполнены исследования, которые привели к написанию этой книги.

Предмет и задачи экологии околоземного космического пространства Экология – область знания, изучающая условия существования организмов и их связей с окружающей средой, изначально развивалась как составная часть биологической науки. В последние несколько десятилетий она превращается в междисциплинарную науку, изучающую различные аспекты взаимодействия человеческого сообщества с окружающей средой, что отражается в развитии целого ряда направлений экологии, таких например, как инженерная экология, математическая экология и т.д.

В связи с выходом человечества в космическое пространство появилась потребность расширения понятия окружающей среды, которая до сих пор определялась в основном как ближайшая среда обитания и производственной деятельности человека – водный и воздушный бассейны, почва, недра, а также создаваемая самим человеком техногенная среда.

В учении о биосфере по В.И. Вернадскому, явившемся общей мировоззренческой основой всего естествознания XX века, биосферно-космической картиной мира, биосфера Земли рассматривается как единая глобальная экосистема. Естественно, окружающей средой для такой экосистемы является околоземное космическое пространство – ОКП (Муртазов, 2004б).

В начале третьего тысячелетия сформировалась область знания, изучающая условия существования биосферы (включающей, естественно, техносферу) во взаимодействии с околоземным космическим пространством – экология ОКП.

В общем случае экология как наука является биологическим направлением естествознания. Ее задача заключается в установлении причин и условий возникновения и развития биосферных систем различного уровня сложности, изучение устойчивости этих систем. Экология в этом случае понимается как наука, изучающая процессы самоорганизации и эволюции систем в живой и неживой природе, базирующиеся на фундаментальных физических принципах (Трухин и др., 2005).

Давая определение экологии ОКП как науки, следует отметить, что экология на современной стадии своего развития является наукой, призванной объединить, синтезировать совокупность научных знаний о биосфере на основе изучения физических процессов в окружающей среде. С другой стороны, экология как наука в широком смысле изучает взаимосвязи между биотой и окружающей ее средой, устанавливая на основе своих исследований такие пределы воздействия окружающей среды на организмы, ниже которых она не нарушает функций последних. Таким образом, все другие «экологии»

(физическая, химическая военная и т.д.) – это науки, изучающие своими методами процессы в окружающей среде и механизмы их воздействия на биологические организмы.

Под экологией ОКП часто также понимают не процессы, а просто материальное загрязнение ближнего космоса. На самом деле, задача экологии ОКП – исследование процессов, происходящих под действием этих загрязнений (наряду с изучением естественных процессов) и воздействия процессов в ОКП на биосферу.

Отсюда следует, что под экологией ОКП можно понимать комплексную науку о физических процессах в ближнем космосе, определяющих его состояние и эволюцию, а также механизмах их воздействия на биосферу. С какой-то точки зрения экологию ОКП можно рассматривать как один из разделов прикладной экологии.

Поскольку предметом экологии как фундаментальной естественной науки является совокупность или структура связей между организмами и средой (Коробкин, Передельский, 2000), экология ОКП должна исследовать многочисленные связи околоземного пространства с биосферой. А это подразумевает многостороннее исследование процессов в ОКП.

Таким образом, предметом экологии ОКП являются: а) его физическое состояние и процессы, происходящие в нем под действием различных, обуславливающих это состояние, факторов; б) связь процессов в ОКП с процессами в биосфере.

1. Физическое состояние ОКП весьма тесно связано с воздействиями на него Солнца.

2. Немаловажную роль на процессы в ОКП и биосфере играют космические лучи высоких энергий, приходящие из галактической среды.

3. Взаимодействие ОКП с межпланетной пылью, веществом комет, метеорами, миникометами и т.д. оказывает как прямое, так и опосредованное влияние на состояние ОКП и биосферы. Кардинальным образом изменить состояние ОКП и биосферы может взаимодействие их с космическими телами достаточно крупных размеров.

4. Процессы, возникающие в ОКП в результате техногенных воздействий различных видов, нарушают его равновесие. К ним можно отнести различные виды техногенных излучений, искусственные космические объекты и техногенный мусор, остатки ракетного топлива и т.д.

Весьма актуальным является вопрос об устойчивости ОКП под влиянием естественных и техногенных воздействий, тесно связанный с наличием в ОКП обратных связей, способных компенсировать эти воздействия и вернуть его в состояние динамического равновесия. Биосфера имеет информационную емкость, на двадцать порядков превосходящую информационную емкость неживой окружающей среды, и примерно на такой же порядок большее количество обратных связей, обусловленных наличием биоты. Следовательно, для необратимого выхода ОКП из состояния равновесия требуется значительно меньшая энергия воздействия на него.

Виды основных воздействий, определяющих процессы в ОКП, его структуру и взаимодействие с биосферой, приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Основные связи и взаимодействия околоземного космического пространства.

Связи V и VI – прямые и обратные воздействия био- и техносферы на ОКП В связи даже с кратким определением предмета экологии ОКП задачи, стоящие перед ней, весьма разнообразны.

Фундаментальные:

- разработка общей теории состояния и устойчивости ОКП;

- исследование процессов в ОКП, которые происходят под действием как внутренних, так и внешних естественных и антропогенных воздействий, и всего комплекса вытекающих отсюда взаимодействий, воздействий процессов в ОКП на процессы в биосфере (и наоборот), что составляет физические основы экологии ОКП (Муртазов, 2004б, 2005);

- определение уровней воздействия на ОКП, превышение которых может необратимо вывести его из состояния динамического равновесия и изменить ход процессов в биосфере;

- общий прогноз состояния ОКП и параметров биосферы, зависящих от этого состояния.

Прикладные:

- мониторинг состояния ОКП; контроль естественных и техногенных уровней воздействия на ОКП;

- моделирование состояния ОКП и глобальных биосферных процессов, связанных с этим состоянием:

- прогноз состояния ОКП;

- выработка рекомендаций по ограничению техногенного воздействия на ОКП в свете его охраны и рационального использования.

Стратегическая задача экологии ОКП видится автору в разработке теории взаимодействия биосферы и ОКП в процессе расширения экологической ниши техногенной цивилизации, которое уже началось с выходом человечества в космическое пространство.

Таким образом, экология околоземного космического пространства представляет собой фундаментальную науку, охватывающую практически весь комплекс взаимоотношений биосферы с окружающей средой и опирающуюся на исследования в области максимально возможного спектра наук, как естественных (физика, химия, биология, география, геология и т.д.), так и в итоге гуманитарных, социальных и экономических.

ГЛАВА I

Околоземное космическое пространство как глобальная Околоземное космическое пространство (ОКП) представляет собой глобальную окружающую биосферу нашей планеты среду. Зону его действия современные авторы определяют по разному, в зависимости от решаемых ими задач. Многие исследователи считают, что ОКП можно продлить до границы сферы действия Земли (930 тыс. км) или даже до орбит ближайших планет: Венеры и Марса. Чаще всего – это область от слоев нейтральной земной атмосферы (точнее, нижних орбит зоны пилотируемой космонавтики ~ 160-200 км - Левантовский, 1974) вплоть до лунной орбиты.

Автор при обсуждении вопросов экологии ОКП в этой книге ограничивает область пространства, занимаемую ОКП, озоновым слоем снизу(~25 км) и согласно ГОСТ 25645.103-84 орбитой Луны (~4105 км) сверху общим объемом до 1018 км3, поскольку процессы, протекающие именно здесь, оказывают определяющее влияние на живые организмы Земли, биосферу в целом.

То есть, говоря языком геоэкологии, ОКП представляет собой среду, лишенную биологических объектов, включающую в себя парабиосферу в качестве нижней границы и артебиосферу – зону экспансии цивилизации в космос (Степановских, 2000).

В состав ОКП входят верхние слои атмосферы, ионосфера, магнитосфера с радиационными поясами, зоны нахождения отходов естественного и техногенного происхождения. Его пронизывают гравитационные, геомагнитное, геоэлектрическое и межпланетное магнитные поля, солнечный ветер, потоки заряженных частиц солнечного и галактического происхождения. В ОКП попадают кометы, мини-кометы, астероиды и их осколки, метеорные потоки, межпланетная космическая пыль и т.д. Взаимодействие компонентов ОКП между собой вызывает сложные обменные процессы, оказывающие как непосредственное, так и опосредованное влияние на биосферу Земли, воздействуя в той или иной степени на ход физических, биологических, эволюционных процессов в живой и неживой природе.

Несомненно, главным поставщиком энергии в ОКП является Солнце, под воздействием которого происходит подавляющее число процессов в системе Земля-ОКП.

Температуру Т планеты, вращающейся вокруг звезды с температурой фотосферы Т, в общем случае можно определить как где А – альбедо планеты, Р – ее средний период обращения вокруг звезды, средняя плотность звезды.

Мощность солнечного излучения, падающего на Землю, составляет RЗ I 0 1, Вт, где I0=(13673) Вт/м2 - где I – солнечная постоянная; RЗ – радиус Земли.

характеризующим поступление солнечной энергии на Землю и в ОКП. Зная ее можно модифицировать выражение (1.1) в уравнение радиационного баланса, являющееся основным уравнением термодинамики земной биосферы и окружающего ее пространства:

где =5,6710-8 Втм-2К-4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Альбедо Земли составляет 0,30-0,36. Оставшееся излучение поглощается атмосферой и поверхностью. Поток солнечного излучения у поверхности Земли на единицу ее площади составляет в среднем =240 Вт/м2.

Таким образом, из (1.2), в отсутствии атмосферы температура Земли составляла бы 255К или -18С. Однако, реальная средняя температура Земли составляет 288К (15С) и обусловлена парниковым эффектом, доля которого составляет соответственно 150- Вт/м2 (Будыко, 1978).

Принято считать, что существующее среднее распределение падающей на Землю солнечной энергии по различным генерируемым им макроскопическим процессам в ОКП и на планете совместно с заданием видов и частоты всех встречающихся флуктуаций определяют как состояние ОКП, так и климат Земли в целом (Горшков, 1995). Причем, это относится к широкому диапазону излучения Солнца – от рентгеновского излучения до радиоволн (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Электромагнитное излучение Солнца, приходящее к Земле и попадающее на ее поверхность в сравнении с инфракрасным излучением Земли.

1.1. Поля и заряженные частицы в околоземном пространстве 1.1.1. Геомагнитное поле Геомагнитное поле в целом состоит из нескольких полей:

Здесь Н0 – напряженность дипольного поля, создаваемая однородной намагниченностью земного шара, НМ – напряженность недипольного, или материкового, поля, создаваемого внутренними причинами, обусловленными неоднородностью глубинных слоев Земли, На – напряженность аномального поля, создаваемая различной намагниченностью верхних слоев земной коры, НВ – напряженность поля от внешних источников, Н – напряженность поля внешних вариаций.

Сумма полей Н0+НМ образует главное магнитное поле Земли.

Геомагнитное поле в первом приближении эквивалентно полю диполя с магнитным моментом МЗ=8,81022 Ам2 в центре Земли (центральный диполь). Этот эквивалентный диполь представляет поле более точно, если ось диполя смещена на 540 км (2000 г.) от центра Земли в сторону Тихого океана (эксцентричный диполь). Точки, в которых ось диполя пересекает земную поверхность, являются геомагнитными полюсами. Положение геомагнитных полюсов отличается от положения истинных магнитных полюсов, в которых истинное магнитное наклонение равно 90. Сейчас ось земного диполя наклонена к оси вращения Земли на 10 и пересекает земную поверхность в точке с координатами 7932 с.ш. и 7134 з.д. (модель IGRF-2000) в Гренландии (южный геомагнитный полюс).

Проблема происхождения магнитного поля Земли до настоящего времени не может считаться окончательно решенной, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо, основанная на признании существования жидкого внешнего ядра на глубинах 2900 км – 5120 км. Тепловая конвекция во внешнем ядре способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев - больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра - во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре и генерируется магнитное поле дипольного характера.

Для описания геомагнитного поля Гауссом (1839) впервые был произведен его анализ: в связи со сферичностью Земли все геополя разлагаются по сферическим функциям. Этот анализ дал компоненты разной мультипольности – дипольное поле, квадрупольное поле и компоненты высшей мультипольности. Оказалось, что дипольное геомагнитное поле по величине на порядок превосходит поля высшей мультипольности.

Таким образом, геомагнитное поле определяется путем разложения магнитного потенциала W по сферическим функциям (1.4) где R З - радиус Земли, r - расстояние от центра Земли, в котором помещено начало сферических координат, - полярное расстояние, - восточная долгота, g n и hn - коэффициенты Гаусса Pnm - присоединенные полиномы Лежандра - полиномы n-го порядка относительно cos и sin.

Коэффициенты g n и hn измеряются в тех же единицах, что и напряженность магнитного поля – «Гаусс» (Гс) в СГС. В земном и космическом магнетизме употребляется единица «гамма» (), 1=10-3Гс. Величины g n и hn испытывают небольшие вековые вариации. Первые коэффициенты ряда (1) можно наглядно интерпретировать. Пусть в центре Земли вдоль полярной оси z расположен магнитный диполь М. В произвольной точке Р вектор М создает магнитный потенциал W=Mr/r3. В рассматриваемом случае М=(0, 0, Мz), тогда Полагая в (1) и (2) r RЗ и сравнивая оба выражения, найдем g10 M z / R З.

Аналогично коэффициенты g1 и h11 выражаются через компоненты магнитного диполя M x и M y как g1 M x / R З, h11 M y / R З. Следовательно, первая сферическая гармоника геомагнитного поля эквивалентна полю магнитного диполя, расположенного в центре Земли, причем величина магнитного момента диполя равна (1.6) а направление диполя определяется углами 0 и 0 :

(1.7) Отметим, что если диполь расположить не в начале координат, а в некоторой точке r (x0, y0, z0), то координаты r0 могут быть определены как через дипольные (n=1), так и через квадрупольные (n=2) компоненты поля. Соответствующая геометрическая конфигурация называется эксцентрическим диполем. Центр земного магнитного диполя смещен относительно центра планеты на r0 0,07 RЗ.

определяются как (рис. 1.3) где H, X, Y, Z – горизонтальная, северная, восточная и южная составляющие Значения составляющих геомагнитного поля: горизонтальная составляющая на экваторе Н=0,31 Гс, вертикальная на северном геомагнитном полюсе Z=0,58 Гс, вертикальная на южном геомагнитном полюсе - Z=0,68 Гс, за среднее принято значение ~0,4 Гс (Аллен, 1977).

Магнитный момент диполя изменяется со временем и в течение последнего столетия систематически уменьшается, составляя приблизительно Если бы закон изменения магнитного момента сохранялся, то к 3991 г. МЗ стал бы равным нулю (Акасофу, Чепмен, 1975). Однако в последнюю четверть ХХ века коэффициент перед t вырос до 0,006, что сокращает время обнуления МЗ на 700-800 лет (Дьяченко, 2003).

Вместе с тем археомагнитные и палеомагнитные исследования показали, что с течением времени величина поля магнитного диполя изменяется около некоторого среднего значения, близкого к современному (Акасофу, Чепмен, 1975; Жарков, 1983).

В разные геологические эпохи геомагнитное поле имело разную полярность:

переполюсовка его происходила с периодом от сотен тысяч до десятков миллионов лет.

Причем, в настоящее время скорость южного (то есть находящегося в северном полушарии) истинного геомагнитного полюса резко возросла до (51 км/год в 2001 г.). Его движение происходит через северный географический полюс по направлению к ВосточноСибирской магнитной аномалии, что и является, по мнению некоторых авторов, прямым признаком переполюсовки общепланетарного поля (Дмитриев А.Н., 1995).

Так в новейшее геологическое время продолжительности эпох одной полярности составляла в среднем ~2105 лет. В более древние геологические времена эти периоды достигали 106-107 лет, что дало возможность составить геомагнитную хронологическую шкалу на последние 160 млн. лет (Жарков, 1983). Ее расширение представляет собой как одну из фундаментальных проблем геофизики, так и весьма важную проблему экологии ОКП.

Вместе с тем, есть мнение, что Земля прошла локальный максимум величины магнитного момента, которая теперь возвращается к своему среднему «мезозойскому дипольному минимуму» (Дьяченко, 2003).

Основное геомагнитное поле в ОКП на высотах до трех радиусов Земли сохраняет дипольный характер (несколько искажаясь под влиянием магнитных аномалий), вклад недипольных компонент убывает с расстоянием от планеты. В целом оно испытывает лишь вековые вариации и уменьшается медленнее, чем r-3(хотя и не как r-2). Затем его структура усложняется. При переходе магнитопаузы на расстоянии около 10 земных радиусов напряженность геомагнитного поля резко падает до ~0,004 А/м (Мишон, 1996) Переменная составляющая геомагнитного поля (~1%), порождаемая токами в магнитосфере и ионосфере, более неустойчива. Здесь наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-суточные магнитные вариации.

Прогноз состояния геомагнитного поля весьма важен с точки зрения экологии ОКП, поскольку оно определяет параметры взаимодействия ОКП с межпланетным полем, солнечным ветром и т.д. В конечном итоге состояние геомагнитного поля определяет степень воздействия ОКП на земную биосферу.

Таким образом, основные свойства геомагнитного поля, известные на современном этапе, следующие (Трухин и др., 2005):

- в первом приближении главное поле является полем центрального наклоненного к оси вращения Земли магнитного диполя;

- напряженность поля изменяется в среднем от 35103 нТл на экваторе до 65103 нТл на полюсах;

- магнитный момент земного диполя приблизительно равен 81022 Ам2 ;

- главному полю присущи вековые вариации, имеющие дискретный спектр с определенным набором периодов колебаний. Имеет место западный дрейф недипольной части главного поля;

- главное поле иногда меняет свою полярность – происходят инверсии геомагнитного поля через характерные периоды 105 – 106 лет (косвенный результат, полученный по палеомагнитным данным).

Электрическое поле Земли ввиду несферичности планеты проникает и в ОКП. Оно имеет меняющиеся со временем составляющие. Изменения вызваны, в основном, приливными воздействиями Луны и Солнца, то есть имеют суточные вариации. Его роль в процессах, протекающих в ОКП, изучена пока еще не столь подробно, как роль геомагнитного поля.

1.1.2. Верхняя атмосфера и ионосфера Классификация различных зон атмосферы проводится на основании распределения с высотой температуры, поскольку оно отражает баланс основных энергетических процессов. Нижняя граница околоземного пространства попадает в район термосферы, где температура еще продолжает быстро повышаться вследствие, главным образом, поглощения солнечного коротковолнового излучения. Выше 300 км в термопаузе поглощение солнечного излучения столь незначительно, что интенсивность его излучения практически не изменяется с высотой. В термопаузе разогрев верхней атмосферы наблюдается, главным образом, во время полярных сияний и магнитных бурь (до 2000К).

Обнаружено изменение плотности верхних слоев атмосферы и колебания их температуры в зависимости от солнечной активности и времени года (летом в дневные часы плотность на высоте 200 км в 20 раз больше, чем зимой ночью), а также широты (плотность в полярных районах в 5 раз больше, чем вблизи экватора на той же высоте).

Уравнение гидростатического равновесия для нижних слоев атмосферы имеет вид Здесь p – давление, h – высота, и - средняя молекулярная масса и плотность атмосферы ( n ), g – ускорение силы тяжести, k – постоянная Больцмана, Н – шкала высот. При постоянной Т величина Н также постоянна, исключая небольшое изменение с высотой в связи с убыванием g (а в гетеросфере и с ). Интегрирование (1.12) при Н=const дает так называемую барометрическую формулу Выше мезопаузы (~85 км) состав атмосферы меняется в результате фотохимических реакций, так что уменьшается; вследствие этого Н растет с высотой. В этих условиях каждая составляющая распределяется по высоте в соответствии с характерной для нее шкалой высот, которая определяется из соотношений Шкала высот для молекулярного и атомарного водорода поэтому в 16 раз больше, чем для молекулярного и атомарного кислорода.

На высотах больше нескольких сотен км становится существенным изменение g:

Поэтому для каждой газовой составляющей атмосферы, где можно пренебречь медленными вариациями Т, справедливо соотношение Легкие компоненты – атомарные водород, гелий и кислород – имеют большие шкалы высот, а потому простираются на большие высоты. В результате концентрация тяжелых атомов убывает быстрее, чем легких, и верхняя атмосфера сначала становится преимущественно атомарно кислородной, далее гелиевой (гелиосфера), а затем выше 1000-2000 км – водородной. Протяженная водородная экзосфера Земли, распространяющаяся до высот порядка 105 км, образует геокорону. Взаимные соударения частиц здесь редки и они движутся преимущественно под действием силы земного тяготения. Здесь часть нейтральных атомов водорода поглощает и переизлучает солнечное излучение в линиях L и L.

Ионосфера.

Слои атмосферы, в которых происходит ионизация газов под действием коротковолнового солнечного излучения, образуют ионосферу. Систематическое зондирование показывает зависимость здесь электронной концентрации от солнечной активности, в течение светового дня она меняется пропорционально косинусу зенитного расстояния Солнца (cosZ) для наблюдения на земной поверхности Область D ионосферы (h60-90 км) обладает слабой ионизацией и малой концентрацией заряженных частиц. Здесь ионизация в основном происходит за счет рентгеновского излучения Солнца, а также слабых дополнительных источников:

космических лучей, метеоров, заряженных частиц магнитосферного происхождения.

Ночью ионизация в этом слое резко уменьшается.

Область E (h90-120 км) характеризуется ростом концентрации электронов с высотой в дневное время, связанным с действием коротковолнового солнечного излучения. Доминирующую роль здесь играет ионизация молекул кислорода O2.

Ионизация в этом слое обусловлена излучением парой линий из области дальнего ультрафиолета (97,7 и 102,6 нм). Максимум дневной ионизации на высоте порядка 110 км оказывает значительное влияние на распространение средних и коротких радиоволн, отражающихся от этого слоя. Здесь ночью ионизация также снижается, но число электронов остается не меньше ne~103 см-3. Это связано с тем, что процессы рекомбинации не успевают охватить все долгоживущие ионы, а какое-то количество ионов поступает из слоя F. Определенную роль в ночной ионизации слоя E играют: поглощение рассеянного геокороной излучения Солнца в линии L ; метеорная ионизация; космические лучи.

Максимум ионообразования под действием солнечного излучения располагается на высотах 150-200 км.

Область F начинается несколько ниже, примерно от 140 км. Максимальное количество ионов и электронов располагается вследствие диффузии выше или ниже зоны ионообразования, то есть в области F этот максимум приходится на высоты 250-400 км. В дневное время вследствие воздействия солнечного излучения на высотах 150-200 км образуется дополнительный максимум количества заряженных частиц – область F1.

Вышележащая область F2 характеризуется образованием более легких ионов: O+ на высотах 400-1000 км, а выше - ионов водорода и гелия. Вообще, космические исследования показали, что в ионосфере не существует отдельных слоев, а электронная концентрация более менее плавно изменяется между основными максимумами, Поэтому точнее говорить не об отдельных слоях, а областях ионосферы (Иванов-Холодный, 2000;

Куликовский, 2002). В среднем слой D имеет концентрацию 104 электронов/см3, слой E – 105 см-3, слой F1 - 5105 см-3, слой F2 – 106 см-3 (рис. 1.4).

Давно было известно, что на процессы ионизации ионосферы влияет солнечная активность. После создания современной аэрономической теории удается объяснить многие аспекты поведения ионизации ионосферы на разных высотах. При этом важно учитывать две причины (Иванов-Холодный, 2000). Первая из них связана с изменением поглощательной способности верхней атмосферы для УФ-излучения разных частей спектра. В результате этого ионизация в слоях F1, F2 обусловлена менее проникающей их частью. В нижней ионосфере, в слое Е, ионизацию вызывает более короткое и жесткое УФ-излучение, которое в течение солнечного цикла изменяется меньше. Другая причина связана с тем, что с высотой величина геофизического эффекта вариаций плотности и молекулярного состава атмосферы меняется с изменением солнечной активности.

Благодаря этому при переходе от максимума к минимуму солнечного цикла эффект ионизации, характеризуемый квадратом электронной концентрации, в областях E и F изменяется в соответствии с изменением потока, создающего эти слои. В то же время в области F2 с усилением солнечной активности возрастание электронной концентрации вызвано не только увеличением потока излучения, но и изменением плотности и состава атмосферы. Теория образования области F2 должна принципиально отличаться от областей Е и F1. Это различие вызывается наложением геофизического эффекта на процесс ионизации в слое F2. Значительный рост ионизации в этом слое обусловлен тем, что с увеличением уровня солнечной активности на высоте около 300 км заметно возрастают плотность и температура атмосферы. Это приводит к увеличению высоты слоя и вызывает дополнительное увеличение электронной концентрации, которая оценивается критической частотой радиозондирования, при которой прекращается отражение радиоволн от ионосферы.

В нижней части области Е на высотах 85-95 км в период действия активных метеорных потоков на ночной стороне появляется спорадический слой Es, образованный ионами металлов Mg+, Fe+, Ca+ с примесью Si+, Na+, Al+, Ni+ (Трухин и др., 2005).

В последнее время стали выделять еще слой G на высотах свыше 500 км (Кононович, Мороз, 2001).

Таким образом, каждый тип ионизирующего излучения имеет максимум ионообразования в соответствующей области (Трухин и др., 2005). Коротковолновые излучения 8,5-91,1 нм большую часть ионов образуют на высотах 120-200 км, 91,1-103, нм – в Е-области (90-115 км), рентгеновское излучение с длиной волны 1. Оптимальное решение соответствует переходу скорости расширения через значение скорости звука vc на некотором критическом расстоянии rc и последующему расширению со сверхзвуковой скоростью. Такое течение и является солнечным ветром.

Потоки и плотности энергии в спокойном солнечном ветре в ОКП Плотность потока кинетической энергии Плотность потока тепла, проводимого протонами 710-9 эрг/см Плотность тепловой энергии электронов 10-10 эрг/см Плотность энергии магнитного поля Для поддержания достаточно высокой температуры солнечного ветра в его теорию вводятся нетепловые источники энергии, прежде всего альвеновские волны, которые в ходе четырехволнового взаимодействия трансформируются в магнитозвуковые волны.

Последние диссипируют в результате резонансного взаимодействия с протонами, которые при этом заметно нагреваются.

Вообще в солнечном ветре наблюдаются различные виды волн: ленгмюровские, вистлеры, ионнозвуковые и др. Часть альвеновских волн возбуждается в межпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения функции распределения от максвелловского и приводит к тому, что солнечный ветер ведет себя как сплошная среда. В нем наблюдаются контактные и вращательные разрывы, характерные для замагниченной плазмы.

Современные модели солнечного ветра учитывают вариации корональной температуры с расстоянием, двухжидкостной характер среды (электронный и протонный газы), теплопроводность, вязкость, несферический характер расширения (Сюняев, 1983).

Высокоскоростной солнечный ветер имеет повышенную скорость (около 700 км/с), повышенную ионную температуру и пониженную плотность плазмы (4см-3).

Рекуррентные потоки высокоскоростного солнечного ветра появляются в ОКП с периодом, равным периоду осевого вращения Солнца (27 суток). Эти потоки зарождаются на Солнце в области корональных дыр – обширных областях пониженной интенсивности излучения с температурой около 8105К и плотностью 0,25 плотности спокойной короны.

Спорадические высокоскоростные потоки – кратковременные весьма интенсивные потоки, имеющие скорость до 1200 км/с и весьма большую долготную протяженность, обусловлены так называемыми корональными выбросами. При своем движении такой поток захватывает плазму спокойного солнечного потока, в результате чего перед его фронтом образуется движущаяся вместе с ним отошедшая ударная волна. Пространство между фронтом потока и фронтом отошедшей ударной волны заполнено относительно плотной и горячей плазмой.

Солнечный ветер обеспечивает основной отток тепловой энергии короны Солнца, так как теплопередача в хромосферу, электромагнитное излучение сильно ионизированного вещества короны и электронная теплопроводность солнечного ветра недостаточны для установления термического баланса короны.

Солнечный ветер не играет сколько-нибудь заметной роли в энергетике Солнца, так как поток энергии, уносимой им, составляет ~10-8 светимости Солнца.

Солнечный ветер простирается до расстояний порядка 100 астрономических единиц, где давление межзвездной среды уравновешивает его динамическое давление. В результате образуется своеобразная полость, называемая гелиосферой. Солнечный ветер вместе с вмороженным в него магнитным полем препятствует проникновению в Солнечную систему галактических космических лучей малых энергий и приводит к вариациям космических лучей высоких энергий.

Межпланетное магнитное поле является унесенным солнечным ветром магнитным полем Солнца. На расстоянии около 20 радиусов Солнца от него расширение короны становится почти идеальным, но вращение Солнца закручивает силовые линии межпланетного магнитного поля в спирали Архимеда, располагающиеся на конусах, описываемых концом радиуса-вектора. На малых гелиографических широтах вектор магнитного поля практически параллелен плоскости солнечного экватора. Поле состоит из четного количества (обычно четырех) секторов или областей, в которых поле направлено преимущественно к Солнцу или от Солнца вдоль архимедовой спирали. Секторная граница, разделяющая поля противоположной полярности, обычно очень тонка. Она является следствием существования токового слоя, вращающегося вместе с Солнцем.

Токовый слой создает скачок магнитного поля: выше него радиальный компонент магнитного поля имеет один знак, ниже – другой. Земля, находящаяся в плоскости эклиптики, оказывается то выше, то ниже токового слоя, попадая в секторы с противоположным направлением радиальной компоненты межпланетного магнитного поля.

Кроме того, первоначально практически дипольное магнитное поле Солнца (в минимуме активности) при удалении от него искажается. Солнечная плазма увлекает вмороженные в него силовые линии магнитного поля и сильно их вытягивает. Образуется азимутально-направленный токовый гелиосферный слой, в котором и наблюдаются наиболее мощные потоки солнечного ветра, вызывающие магнитные бури на Земле, изменение блеска комет и отрыв кометных хвостов (Подгорный, 2003).

Вдали от плоскости солнечного экватора секторная структура пропадает, и направление вектора межпланетного магнитного поля определяется полярностью магнитного поля на высоких гелиографических широтах в фотосфере Солнца.

Вблизи границ секторов образуется ударная волна, движущаяся к Солнцу.

Увлеченная плазмой солнечного ветра, она также начинает двигаться в направлении от Солнца. Эти две волны, а также ударная волна от вспышек на Солнце и околопланетная ударная волна ускоряют заряженные частицы в ОКП (Курт, 1999; Сюняев, 1983).

Присутствие Луны в ОКП не искажает силовых линий межпланетного магнитного поля, только в пределах структуры, развивающейся в потоке на обратной стороне Луны.

Межпланетные силовые линии пронизывают Луну, а электроны солнечного ветра поглощаются ею на подсолнечной стороне. В результате позади Луны образуется электронная тень, которой бы не было, если бы она обладала высокой проводимостью (Акасофу, Чепмен, 1975).

Космические лучи в межпланетном пространстве по происхождению разделяют на:

галактические; метагалактические и солнечные космические лучи; рекуррентные потоки;

заряженные частицы, ускоренные магнитосферами планет; аномальный компонент космических лучей. Они представляют собой ядра различных элементов. Наиболее многочисленны ядра атомов водорода (~85%) и гелия (~10%). Доля ядер всех остальных элементов не превышает ~5%. Небольшую часть составляют электроны и позитроны (менее 1%). Плотность энергии космических лучей в Галактике составляет ~0,5 эВ/см3, что сравнимо с плотностями энергий межзвездного газа и галактического магнитного поля. Время жизни космических лучей равно ~3108 лет и определяется либо их выходом из Галактики и гало, либо поглощением за счет неупругих взаимодействий с веществом межзвездной среды (Стожков, 2001).

Следует отметить, что интенсивность первичных космических лучей в ОКП практически постоянна, ее вариации определяются широтным эффектом. Ниже 50 км происходит увеличение интенсивности за счет вторичных космических лучей.

Распределение интенсивности космических лучей в ОКП выражается несколькими различными способами, поскольку они состоят из ядер с различными энергиями. Часто используется функция дифференциальной интенсивности J() (м-2*с-1*стер-1) или функция интегральной интенсивности J ( ) J ( )d. Здесь J() – поток частиц космических лучей с энергиями между и d. Приняты выражения (Акасофу, Чепмен, 1975) Для протонов космических лучей 2,5 и С0,5 (4 H. Например, для электронов 1.4 МГц, а для ионов атомарного кислорода 54 Гц.

Энергичные электроны вблизи ударной волны, движущейся перед корональным выбросом, возбуждают электрические ленгмюровские колебания межпланетной плазмы на ее собственной частоте 0.

За счет нелинейного взаимодействия плазменные колебания, в свою очередь, генерируют электромагнитные волны на плазменной частоте или на ее второй гармонике.

Данные волны свободно распространяются во все стороны и улавливаются широкополосным приемником, установленным на борту космического аппарата, на частоте, определяемой плотностью частиц плазмы в том месте, где они возникли. Когда фронт коронального выброса находится не очень далеко от Солнца, где плотность порядка 104 см-3, регистрируется излучение на частоте около 1 МГц, когда фронт пройдет примерно половину пути от Солнца к Земле - на частоте около 100 кГц. При приближении фронта коронального выброса к Земле, где плотность межпланетной плазмы около 10 см-3, фиксируется радиоизлучение на частоте около 40 кГц.

После солнечных вспышек ионосфера, поглощая солнечное рентгеновское излучение, нагревается и раздувается, не только тормозя космический мусор, но и создавая значительное дополнительное аэродинамическое сопротивление движению спутников и пилотируемых кораблей. Падение американской станции «Скайлэб», к примеру, явилось следствием крупнейшей солнечной вспышки, произошедшей в году. К счастью, во время спуска с орбиты станции «Мир» Солнце было спокойным, что облегчило работу российским баллистикам (Петрукович, Зеленый, 2001а).

14.07.2000 г. на Солнце произошел сильнейший корональный выброс. Достигнув Земли, он существенно разогрел верхнюю атмосферу, в результате чего увеличились объем и плотность последней. Японская рентгеновская обсерватория ASCA (перигей на высоте 440 км) войдя 15.07.2000 в эти слои потеряла ориентацию и перешла в «спящий»

режим, из которого ее вывести не удалось (Звездочет, 2000, №3).

В динамике числа авиационных аварий обнаруживаются регулярности периодического характера и наличие у нее богатой спектральной структуры. Особенно заметно это стало после того, как ведущие авиационные кампании стали публиковать детальную статистику аварийности. Часть компонент спектра имеет, видимо, гелиогеофизическое происхождение. В частности, влияние известного квазидвухлетнего периода на различные земные процессы может быть не меньшим, чем сильных магнитных бурь. Частота аварий в дни геомагнитных возмущений и бурь достоверно возрастает.

Аварии имеют тенденцию группироваться во времени, формируя более благоприятные и неблагоприятные (в смысле безопасности полетов) периоды. Эти результаты открывают путь к прогнозированию периодов повышенной частоты аварийных ситуаций (Конрадов и др., 2004).

Плазма наиболее эффективно поглощает радиоволны только вблизи своей резонансной частоты, зависящей от плотности заряженных частиц и равной для ионосферы примерно 5-10 МГц (эффект Мегеля-Деллинджера). Радиоволны более низкой частоты отражаются от границ ионосферы, а волны более высокой - проходят сквозь нее, причем степень искажения радиосигнала зависит от близости частоты волны к резонансной. Спокойная ионосфера имеет стабильную слоистую структуру, позволяя за счет многократных отражений принимать радиосигнал диапазона коротких волн (с частотой ниже резонансной) по всему земному шару. Радиоволны с частотами выше МГц свободно уходят через ионосферу в открытый космос. Здесь эффект многократного отражения УКВ- и FM-радиостанции доступны только в окрестностях передатчика, а частоты в сотни и МГц используются для космической связи. Во время солнечных вспышек и магнитных бурь количество заряженных частиц в ионосфере увеличивается неравномерно, чем создаются плазменные сгустки и «лишние» слои. Это приводит к генерации собственного широкополосного шумового излучения магнитосферой и ионосферой, а также к непредсказуемому отражению, поглощению, искажению и преломлению радиоволн, что создает значительные затруднения в работе систем наземной и космической связи и навигации. В приполярных районах и зонах аврорального овала ионосфера связана с наиболее динамичными областями магнитосферы и поэтому наиболее чувствительна к приходящим от Солнца возмущениям. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток (Петрукович, Зеленый, 2001б).

Во внешнем радиационном поясе наиболее эффективно удерживаются энергичные электроны. Население этого пояса очень нестабильно и многократно возрастает во время магнитных бурь за счет вброса плазмы из внешней магнитосферы. Именно по внешней периферии этого пояса проходит геостационарная орбита, незаменимая для размещения спутников связи. Поскольку радиационная доза, создаваемая электронами, не столь велика, то на первый план выходит проблема электризации спутников. Любой объект, погруженный в плазму, должен находиться с ней в электрическом равновесии. Поэтому он поглощает некоторое количество электронов, приобретая отрицательный заряд и соответствующий потенциал, примерно равный температуре электронов в эВ.

Появляющиеся во время магнитных бурь облака горячих (до сотен кэВ) электронов придают спутникам дополнительный и неравномерно распределенный, из-за различия электрических характеристик элементов поверхности, отрицательный заряд. Разности потенциалов между соседними деталями спутников могут достигать десятков киловольт, провоцируя спонтанные электрические разряды, выводящие из строя электрооборудование (Физика косм. простр., 1997). Наиболее известным следствием такого явления стала поломка во время одной из магнитных бурь 1997 года американского ИСЗ TELSTAR, оставившая значительную часть территории США без пейджерной связи (Петрукович, Зеленый, 2001б). Целую серию нарушений в работе бортовых систем (в частности, на научном спутнике Polar) или даже выходов из строя (научный спутник Equator-S и коммуникационный спутник Galaxy 4) вызвал приход к Земле магнитного облака 1 - 4 мая 1998 г. (Застенкер, Зеленый, 2003).

На распределение концентраций электронов и ионов и их температуру оказывают заметное влияние изменения интенсивности солнечного коротковолнового излучения в течение солнечного цикла. С этим связаны изменения температуры и распределение нейтральных компонентов верхней атмосферы и ионосферы. Движения масс воздуха в верхней атмосфере (крупномасштабная циркуляция, крупномасштабные волновые движения, турбулентные процессы перемешивания нейтральных молекул и атомов, ветры, приливные движения) также оказывают влияние на перенос заряженного компонента верхней атмосферы. С динамическими процессами связаны характерные вариации электронной плотности в ионосфере, которые увеличиваются в периоды магнитных бурь.

В результате на низких и средних широтах концентрация ионов в максимуме области F изменяется в пределах 31052106 см-3 в зависимости от различных геофизических условий (широты, местного времени, солнечной и магнитной активности и др.).

На высоких широтах картина может быть совершенно иной. Во время полярных сияний интенсивные потоки электронов и ионов с энергиями порядка нескольких кэВ, вторгающихся в полярную ионосферу из плазменного слоя магнитосферы, вызывают значительную и неравномерную ионизацию полярной верхней атмосферы.

Другим важным фактором, определяющим неустойчивость полярной ионосферы, является перенос ионов на большие расстояния поперек геомагнитного поля, происходящий вследствие дрейфа плазмы в крупномасштабном электрическом поле магнитосферного происхождения.

При взаимодействии магнитосферы с солнечным ветром, ввиду наличия флуктуаций в последнем, в магнитосфере генерируется широкий спектр электромагнитных волн с низкими и супернизкими частотами 10-3-10 Гц, которые свободно доходят до поверхности Земли.

Достаточно большую роль в геомагнитных возмущениях играет межпланетное магнитное поле, главным образом, его южный компонент, перпендикулярный плоскости эклиптики. А со сменой знака радиального компонента межпланетного магнитного поля связана асимметрия потоков солнечных космических лучей, вторгающихся в полярные области, изменения направления конвекции магнитосферной плазмы и другие явления.

Далее, при изменении направления межпланетного поля из северного полушария в южное увеличение темпа пересоединения его силовых линий и силовых линий земного магнитного поля на дневной магнитопаузе приводит к быстрому накоплению энергии в магнитосфере. В результате увеличивается хвост магнитосферы. Дальнейшее увеличение энергии магнитосферы приводит к развитию магнитосферной суббури, которая приводит к перестройке конфигурации магнитосферы и диссипации накопленной энергии. В фазе развития суббури в момент взрывного пересоединения линий межпланетного и земного магнитного полей происходит резкая интенсификация полярных сияний и электроджетов в ионосфере. При этом сначала дуги полярных сияний возникают в районе местной полуночи, а затем быстро распространяются к западу и в сторону экватора.

Продолжительность полярных сияний практически близка к продолжительности суббури и может составлять время от десятков минут до 2 часов. Они происходят на геомагнитных широтах 67-70 – в так называемых зонах полярных сияний, а также распространяются в направлении запад-восток на расстояние до 5 тыс. км в виде дуг. Ширина зон полярных сияний составляет около 6. Максимум появления полярных сияний, соответствующий данному моменту геомагнитного местного времени, происходит в овалах полярных сияний, располагающихся асимметрично вокруг северного и южного магнитных полюсов:

~23 от геомагнитного полюса в ночном секторе и 15 в дневном секторе. Визуальное полярное сияние содержит зеленую (=557,7 нм) и красную (=630,0/636,4 нм) эмиссионные линии атомарного кислорода и молекулярные полосы N2, возбуждаемые частицами солнечного и магнитосферного происхождения. Эти эмиссии высвечиваются на высотах от 100 км и более, однако, энергия излучения в инфракрасной и УФ-области спектра превосходит энергию оптического излучения.

Частота появления полярных сияний коррелирует с солнечным циклом, 27-дневным циклом, временем года и магнитной активностью.

На высотах порядка 1-3 радиусов Земли сложные плазменные процессы вызывают ускорение частиц плазмы вдоль силовых линий геомагнитного поля до энергий 1-10 кэВ.

Источником энергии для таких процессов являются области с быстрыми движениями и турбулентностью магнитосферной плазмы, генерирующие продольный электрический ток, замыкающийся через проводящую ионосферу в овале полярных сияний. Когда продольный ток становится слишком сильным, в плазме возникают процессы ускорения заряженных частиц вдоль магнитных силовых линий. Ионы из ионосферы при этом ускоряются вверх. Ускорение происходит под действием электрического поля, направленного вдоль магнитного, таким образом, что плазменный слой на высотах в несколько радиусов Земли находится под отрицательным потенциалом относительно ионосферы как в Северном, так и в Южном полушарии (дуги полярных сияний почти симметричны на обоих концах магнитной силовой линии). Пучки заряженных частиц, выбрасываемых с этих высот в магнитосферу, образованы протонами и ионами верхней атмосферы O+ и He+. Часть этих ионов захватывается в пояс кольцевого тока и в итоге может попасть в радиационные пояса, откуда могут в итоге через хвост магнитосферы выбрасываться в межпланетное пространство. Ускоренные к Земле электроны переносят из магнитосферы в ионосферу отрицательный заряд, что соответствует продольному току, направленному вверх, с плотностью в несколько мкА/м2. Учтя ширину и длину дуги полярного сияния можно получить общий ток полярной зоны в несколько кА. Рядом с дугой течет примерно такой же продольный ток, но направленный вниз, что соответствует оттоку тепловых ионосферных электронов вверх, в плазменный слой магнитосферы. Из-за мощной ионизации верхней атмосферы пучком электронов в дуге полярного сияния ее проводимость резко возрастает. Плазма в этих слоях ионосферы излучает ввиду этого волны как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазоне. От возникающих здесь цугов сжатий и разрежений в концентрации электронов ионосферной плазмы на высотах 90-120 км способны отражаться радиоволны метрового диапазона (Сюняев, 1986).

Процессы развития суббури приводят к генерации километрового радиоизлучения в ОКП общей энергией до ~109 Вт, что составляет до 1% мощности диссипации энергии при суббуре.

Авроральную активность сопровождает большое число явлений, таких, как авроральные рентгеновские лучи, поглощение космического излучения, мерцания радиозвезд, спорадический слой Е, геомагнитные микропульсации и т.д.

Можно сказать, что полярные сияния являются сигналом воздействия космоса через околоземное пространство на биосферу (Александров, 2001). С появлением в ОКП заряженных частиц солнечного и галактического происхождения изменяется содержание и электрический потенциал атмосферы, нагрев ионосферной плазмы возбуждает волны в атмосфере. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере появляются значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают геомагнитное поле. Эти процессы прямо влияют на погоду и здоровье людей. Через полярные сияния и связанные с ними процессы в ОКП космос воздействует на биосферу Земли.

Кроме того, магнитные вариации генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и в оказавшихся поблизости искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр (максимальное значение было зарегистрировано в 1940 году в Норвегии и составило около 50 В/км), но в протяженных проводниках с низким сопротивлением - линиях связи и электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог - полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер. Наименее защищены от подобного влияния воздушные низковольтные линии связи, например, телеграфные линии. Заметное воздействие геомагнитная активность оказывает на железнодорожную автоматику в приполярных районах. В трубах нефтепроводов, тянущихся на многие тысячи километров, индуцированные токи могут значительно ускорять процесс коррозии металла. В линиях электропередач, работающих на переменном токе частотой 50-60 Гц, индуцированные токи, меняющиеся с частотой менее 1 Гц, практически вносят только небольшую постоянную добавку к основному сигналу и должны были бы слабо влиять на суммарную мощность. Однако после аварии, произошедшей во время сильнейшей магнитной бури 1989 года в канадской энергетической сети и на трансформаторе АЭС в Нью Джерси выяснилось, что даже небольшая добавка постоянного тока может вывести из строя трансформатор, предназначенный для преобразования переменного тока, в котором постоянная составляющая тока вводит его в неоптимальный режим работы с избыточным магнитным насыщением сердечника. Это приводит к избыточному поглощению энергии, перегреву обмоток и в конце концов к аварии всей системы (Трухин и др., 2005). Последовавший анализ работоспособности всех энергетических установок Северной Америки выявил и статистическую зависимость между количеством сбоев в зонах повышенного риска и уровнем геомагнитной активности (рис. 3.4. - Петрукович, Зеленый, 2001б).

Рис. 3.4. Число аварий в энергосетях США в районах повышенного риска (близких к авроральной зоне) возрастает вслед за уровнем геомагнитной активности. В годы минимума активности вероятности аварий в опасных и безопасных районах практически (1. уровень геомагнитной активности; 2. число аварий в геомагнитно-опасных районах;

В общем, взаимодействие экосистем с ОКП в настоящее время надежно установлено.

Здесь и связь между величинами и ходом солнечной и геомагнитной возмущенности, ходом целого ряда процессов в атмосфере, океанах, литосфере. Это носит периодический характер, связанный, главным образом с различными периодами солнечной активности, основным 22–летним (включающим два 11-летних цикла), 27-дневным и т.д.

Скачкообразные изменения в природной среде связаны с триггерным механизмом взаимодействия (Серафимов, 1991; Сюняев, 1986), применимым к системам, находящимся в состоянии неустойчивости, близкому к критическому (например, магнитосфера). Здесь небольшое изменение критического параметра приводит к изменению энергетического состояния всей системы, что ведет к возникновению новых явлений. Например, явление образования внетропических циклонов при геомагнитных возмущениях. В этом случае энергия геомагнитного возмущения, полученная из ОКП, преобразуется в тепловую, которая разогревает тропосферу. В результате в последней развивается вертикальная неустойчивость с энергией, более высокой, чем энергия первоначального возмущения, приводящая к развитию атмосферных неустойчивостей.

Существует мнение (Кокоуров, 2003), что солнечная активность может проявляться даже как геологический фактор. Эти проявления могут объясняться крупными вариациями экзогенных явлений, определяемых, в частности, метеорологическими процессами и палеоклиматическими колебаниями (таяние или образование ледников).

Следует отметить, что идея о прямом влиянии солнечной активности на состояние погоды многими геофизиками отвергается. В данном случае мощность атмосферных процессов на несколько порядков превышает поток энергии, попадающий в ОКП с солнечным ветром. В связи с этим представляется крайне маловероятным, чтобы солнечная активность могла существенно влиять на состояние нижней атмосферы (Пудовкин, 19996).

Здесь, видимо, можно говорить о вторичных (триггерных) механизмах такого влияния.

Во-первых, в ОКП и далее в атмосферу попадают наиболее энергичные протоны, генерируемые во время солнечных вспышек. В то же время связанные со вспышками магнитные поля экранируют ОКП от галактических космических лучей (Форбуш-эффект).

Наложение этих процессов создает сложную и неоднозначную вариацию интенсивности потоков частиц, попадающих в атмосферу Земли.

Далее, усиление или ослабление потока вторгающихся в атмосферу частиц в результате еще не до конца выясненных физико-химических процессов вызывает уменьшение (увеличение) прозрачности атмосферы и тем самым модулирует поступление солнечной энергии в нижнюю атмосферу.

Изменение потока поступающей солнечной энергии вызывает изменение температуры воздуха и высот изобарических поверхностей в атмосфере, обуславливая тем самым заметные изменения крупномасштабной циркуляции последней.

Таким образом, оказывается, что энергия, необходимая для создания атмосферного оптического экрана, на несколько порядков меньше амплитуды вызываемых этим экраном вариаций потока солнечной энергии, поступающей из ОКП в нижнюю атмосферу (Пудовкин, 19996; Hauglustaine, 1990).

3.1.2. Процессы в ОКП, обусловленные действием космических лучей и жестких электромагнитных излучений Отметим, что поток космических лучей, попадающих в ОКП, подвержен значительным вариациям. Амплитуда вариаций первичных космических лучей зависит как от энергии самих частиц, так и от напряженности и направления межпланетного магнитного поля. Эффект Форбуша, представляющий собой кратковременное понижение интенсивности космических лучей (на 50% в межпланетном пространстве и на 20-30% вблизи поверхности Земли), вызывается рассеянием заряженных частиц магнитными полями, выносимыми из атмосферы Солнца высокоскоростными потоками солнечного ветра. Таким образом, этот эффект наблюдается в периоды максимумов солнечной активности и во время солнечных вспышек. Он подтверждается также данными экспериментальной палеоастрофизики: во время маундеровского минимума солнечной активности (1640-1710 гг.), когда пятна на Солнце практически отсутствовали, наблюдалась вариация интенсивности галактического космического излучения – форбушэффект (Кочаров, 2002). Наиболее здесь оказался выраженным период в 22 года, соответствующий периоду переполюсовки магнитного поля Солнца (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Активность Солнца в числах Вольфа (W) и интенсивность галактических космических лучей (Ip) в эпоху маундеровского минимума Таким образом, 11-летний (а также 22-летний) период проявления Форбуш-эффекта является надежно установленным.

Попадая в геомагнитное поле, частицы под действием лоренцевой силы отклоняются от практически прямолинейной траектории. На заданную широту вблизи Земли с данного направления приходят частицы с энергией, превышающей некоторое пороговое значение (эффект геомагнитного обрезания). Воздействие геомагнитного поля усиливается с уменьшением географической широты. В табл. 3.4 представлены данные по этому эффекту для заряженных частиц различного происхождения (Аллен, 1977).

Таблица 3. Магнитная широта обрезания потоков частиц в ОКП различного происхождения Протоны Электроны Поскольку основной составляющей космических лучей являются протоны, общий заряд их потока является положительным. С этим связана восточно-западная асимметрия космических лучей: из-за отклонения в геомагнитном поле с запада приходит больше частиц, чем с востока.

При прохождении заряженных частиц космических лучей и фотонов высокой энергии через вещество имеют место процессы, обусловленные электромагнитным взаимодействием их с электронами и ядрами атомов среды (Добротин, 1954).

1. Частица или фотон постепенно тормозится за счет потери энергии на отрыв электронов от атомов (ионизация и образование -электронов) и возбуждение атомов.

2. Фотон может вырвать электрон из атома, передав ему свою энергию, то есть вызвать фотоэффект.

3. При взаимодействии фотона и электрона может произойти рассеяние фотона с передачей части его энергии электрону – комптон–эффект.

4. При взаимодействии с ядром атома заряженная частица может резко затормозиться, испустив при этом квант тормозного излучения.

5. Фотон высокой энергии в поле ядра атома может образовать электроннопозитронную пару, передав этим частицам свою энергию.

Частицы, движущиеся со скоростью, превышающую фазовую в данной среде, испытывают дополнительное торможение, связанное с испусканием черенковского излучения. Однако, его доля в суммарном балансе потерь энергии частицами космических лучей достаточно мала, и поэтому редко рассматривается при описании процесса прохождения космических лучей через ОКП и атмосферу.

Первичные космические лучи проходят ОКП и верхние слои атмосферы практически без столкновений с атомами и ионами. Для протонов, составляющих большинство в первичных космических лучах, средний пробег без столкновений составляет 70 г/см (количество граммов вещества, заключенного в столбе сечением 1 см2). Для -частиц средний пробег 25 г/см2, для более тяжелых ядер еще меньше (Сюняев, 1986). Толща атмосферы, равная среднему пробегу протонов, соответствует высоте над поверхностью Земли 20 км. Поэтому первые столкновения первичных космических лучей с ядрами атмосферных газов происходят на нижней границе ОКП – высотах 20-25 км.

Протоны космических лучей разрушают атомы азота и кислорода и порождают каскад вторичных частиц (рис.3.6), поток которых условно разделяют на три компонента:

электронно-фотонный (1), мю-мезонный (2) и нуклонный (3).

Именно ионизация атмосферы вторичным излучением регистрируется наземными приборами.

Космические лучи оказывают значительное влияние на процессы ионизации составляющих ионосферы и атмосферы и обеспечивают электризацию нижних слоев атмосферы. Баланс образующихся при этом ионов описывается линейным уравнением (Стожков, 2001) где q - скорость образования ионов, n - их концентрация, b - коэффициент линейной рекомбинации ионов в атмосфере Установление правильного вида уравнения, описывающего баланс ионов в атмосфере, крайне важно для расчетов климатических моделей Земли. Учет этого влияния весьма важен при проведении расчетов климатических моделей Земли (Кочаров, 19996).

Рис. 3.6. Взаимодействие космических лучей с атмосферой Земли на нижней границе Ионы, образованные космическими лучами, обеспечивают проводимость атмосферы.

Ток, текущий в атмосфере, является одним из основных элементов глобальной электрической цепи, которая поддерживает постоянным отрицательный заряд Земли К. Генератором электрических зарядов в атмосфере являются разряды грозовых облаков.

Грозовые облака образуются на атмосферных фронтах, где происходит образование и разделение облачных зарядов. Источником зарядов грозовых облаков являются положительные и отрицательные ионы, образующиеся в нижней атмосфере под действием космических излучений и естественной радиоактивности Земли. Эти ионы прилипают к аэрозольным частицам, концентрация которых велика в нижней атмосфере (более 104 смНа заряженных аэрозольных частицах, постепенно по мере их подъема вверх восходящими потоками воздуха, вырастают водяные капли. Разделение отрицательных зарядов от положительных происходит вследствие того, что рост капель воды на отрицательно заряженных центрах конденсации идет в ~105 раз быстрее, чем на положительных. В результате этого процесса нижняя часть облака заряжается отрицательно, а верхняя положительно. Молниевые разряды возникают тогда, когда через облако проходит так называемый широкий атмосферный ливень - до 106 заряженных частиц, образованных высокоэнергичной космической частицей. По ионизованным трекам частиц широкого атмосферного ливня и происходят молниевые разряды.

Таким образом, космические лучи являются необходимой составной частью процесса образования грозового электричества и молниевых разрядов (Трухин и др., 2005).

Кроме того, имеются данные о том, что в период Форбуш-эффекта, когда уровень галактических космических лучей понижается, уменьшается количество осадков, площадь облаков над планетой и, соответственно, альбедо (Пудовкин, 1996; Hauglustaine, Gerard, 1990).

Отсюда можно сделать предположение, что вековое уменьшение потока космических лучей (связанное, как указывалось выше, с взрывом близкой сверхновой), может быть одним из механизмов, вызывающих глобальное потепление на Земле (Кочаров, 19996, 2001; Стожков, 2001).

Ионы, образовавшиеся в верхней тропосфере под действием высокоэнергичных солнечных космических лучей и сконденсировавшийся на них водяной пар, могут вызвать экспериментально зарегистрированные изменения высотного профиля нижней атмосферы. Это приводит к появлению приземных и приподнятых тропосферных волноводов, играющих важную роль в распространении радиоволн. Это может явиться подтверждением нелинейного механизма воздействия солнечной активности на метеопараметры, когда малое внешнее их воздействие, не превышающее 0,1% солнечной постоянной, приводит к 10%-ному уменьшению общего количества энергии, поступающей в атмосферу (Гончаренко, Кивва, 2002).

Выше было показано, что вторжение протонов в ОКП вызывает заметное снижение содержания озона на его нижней границе и увеличение концентрации NO2. Поглощение солнечной радиации двуокисью азота вызывает резкое потепление в нижней части ОКП и, соответственно, похолодание в тропосфере. Согласно подобной модели (Пудовкин, 1996) интенсивные потоки космических лучей могут вызвать заметное похолодание на Земле, подобное явлению «ядерной зимы».

Это подтверждается исследованиями воздействия частиц солнечного ветра на климатические характеристики планеты.

На рис. 3.7 приведена схема, иллюстрирующая воздействие солнечных космических лучей на состояние климата Земли (Ogurtsov et al., 2002).

Рис. 3.7. Механизм воздействия солнечного ионизирующего излучения на климатические В последние годы астрофизиками активно изучаются транзиентные источники гамма-излучения объектов, природа которых окончательно не установлена. По одной из моделей - это сильно замагниченные нейтронные звезды - магнитары. Перестройка их магнитного поля и приводит к вспышкам. Согласно другим представлениям – это могут явления в объектах внегалактического происхождения или вспышки гиперновых.

27 декабря 2004 года в Солнечную систему пришло гамма-излучение от объекта, находящегося в центральной области Галактики. В периоды активности данных объектов от них регистрируется в год несколько вспышек со светимостью ~1033-1034 Вт в мягком гамма-диапазоне. Вспышка от источника SGR 1806-20 была гораздо мощнее, порядка эрг/см2с (возможно в несколько раз больше, т.к. все наблюдавшие за данным событием приборы зашкалило). Вспышка была настолько сильной, что наблюдалось ее отражение от Луны. Это неожиданно много для данного класса объектов и слишком много для высокочувствительных орбитальных обсерваторий, но для Земли 1 эрг на квадратный сантиметр – очень маленькая энергия, которая не могла серьезно повлиять на какие-либо протекающие на нашей планете процессы (хотя изменение ионизации верхних слоев атмосферы было отмечено) и, тем более, угрожать жизни на планете (www.astronet.ru -.

23.02.2005).

Кроме того, в последнее время популярным стало обсуждение глобального воздействия на биосферу в различные геологические периоды потока космических лучей больших энергий и гамма-излучения, образованного при взрывах близких сверхновых (Кочаров, 2002; Benitez et al., 2002). В свое время этот вопрос поднимался еще И.С.

Шкловским (1976).

Так, ряд авторов считает, что причиной массового вымирания, произошедшего примерно 450 млн. лет назад - в конце Ордовикского периода, - был мощный гаммавсплеск, вызванной взрывом сверхновой в относительной близости от Солнечной системы. Тогда по данным палеобиологии исчезли приблизительно 60% видов морских беспозвоночных (News.Battery.ru – 18.04.2005).

Современные модели гамма-всплесков утверждают (Thomas B. C. et al., 2004), что за последний миллиард лет Земля могла быть облучена гамма-всплеском, произошедшим в нашей Галактике, с расстояния не более 2 кпк. Эффект подобного облучения был исследован в двумерной модели атмосферы. При всплеске с экспозицией 100 кДж/м длительностью 10 секунд содержание озона в среднем уменьшалось на 35% (в некоторых областях на 55%). Начальный уровень озона восстановился примерно через 5 лет.

Недавно была высказана простая и красивая идея (Smith et al., 2003): атмосферы Земли и Марса задерживают основную часть жесткого излучения от различных космических источников (в первую очередь от Солнца). Однако заметная доля энергии этих частиц может быть переизлучена вторичными электронами в результате процессов комптоновского рассеяния и рентгеновского фотопоглощения в биологически и химически активное ультрафиолетовое излучение (рис. 3.8). Доля переизлученной энергии может достигать 1% даже с учетом воздействия озонового слоя, т.е. солнечные вспышки оказывали на первичные земные организмы гораздо более сильное мутационное воздействие, чем считалось ранее Рис. 3.8. Образование УФ-радиации под действием жестких космических излучений В подтверждение этому в последнее время были получены данные, что при достижении рентгеновских вспышек Солнца марсианских окрестностей, они заставляют ионосферу планеты вырабатывать дополнительные ионы и электроны (www.spacenews.ru.

– 23.02.2006).

Это еще раз подтверждает предположение, что потоки ионизирующих излучений, включающих космические лучи и электромагнитные излучения могли играть важную роль в становлении климата Земли и образовании и эволюции на ней биологической жизни.

3.1.3. Природа процессов в биосфере, вызванных космическими воздействиями Все основные исследования природы процессов, возникающих в биосфере в результате космических воздействий тем или иным образом связаны с воздействиями Солнца.

Поскольку гелиофизические факторы влияют на ход важных и широко распространенных физико-химических процессов (в частности, протекающих в водных растворах), они должны воздействовать на многие стороны биологических явлений, что находит отражение в соответствующих изменениях показателей жизнедеятельности большинства живых организмов (Горшков, 1995).

Для спорадических возмущений солнечного происхождения (вспышек, внезапных магнитных бурь и т.д.) дело обстоит так, как будто в среде обитания появляется какой-то сигнал, на который реагирует организм. Свойства этого сигнала таковы, что он сопутствует и вспышкам, и магнитным бурям, возрастает с возрастанием географической широты, имеет сезонную зависимость (Владимирский, Кисловский, 1982).

Вместе с тем, природа физического механизма воздействия солнечной активности на биосферу до сих пор не раскрыта. Используя опыт космических исследований можно совершить прорыв в понимании физического механизма воздействия солнечной активности (трансформированной в ОКП) на земные явления и процессы (ИвановХолодный, 2000).

В биосфере Земли последствия взаимодействия связаны с динамикой популяций животных, эпидемий, эпизоотий, количеством сердечно-сосудистых заболеваний.

Основным агентом-переносчиком перепадов космической погоды в биосферу, который сейчас не вызывает сомнений, являются электромагнитные поля низких и крайне низких частот. Особенно важны здесь квазипериодические вариации параметров этих полей с периодами, близкими к периодам важнейших биологических ритмов (Владимирский, 2004).

Перепады напряженности низкочастотных колебаний электромагнитного поля Земли, от спокойного к возмущенному весьма велики. К тому же, в этой области частот находится и «окно прозрачности» ионосферы. В этом диапазоне регистрируются короткопериодические колебания магнитного поля Земли – микропульсации. Они подразделяются на два класса: почти синусоидальные Pc и широкополосные Pi. Их важным свойством является зависимость амплитуды от широты: с увеличением широты и приближением к зоне максимальной повторяемости полярных сияний амплитуда колебаний растет (причем, обратно пропорционально частоте колебаний). Кроме того, микропульсации Pc обладают высокой проникающей способностью, а микропульсации Pi возникают не только во время магнитных бурь, но и в период развития солнечных вспышек одновременно с внезапным атмосферным возмущением. Спектр частот геомагнитных пульсаций заключен в пределах от 10-5 до 102 Гц с амплитудами 10-3 - 10- Э. Некоторые типы пульсаций отмечаются одновременно на всем земном шаре. Иногда пульсации имеют региональный характер (Ларин, 2001).

Со стороны более высоких частот, чем у микропульсаций, ионосфера непрозрачна.

Уровень напряженности геомагнитного поля здесь определяется на средних широтах атмосфериками, на высоких – УНЧ излучением магнитосферы, которое частично приходит из ионосферы. Существование постоянного фона атмосфериков связано с распространяющимся на большие расстояния излучением разрядов молний (максимум частот около 10 кГц). Эффекты сверхдальнего распространения радиоволн на этих частотах обусловлены наличием своеобразного волновода, образованного двумя проводящими поверхностями – ионосферой и поверхностью Земли. Благодаря ему же излучение электрических разрядов от центров грозовой активности в экваториальной зоне может фиксироваться в любой точке земной поверхности на средних широтах.

Со стороны более низких частот к полосе микропульсаций примыкают области периодических и циклических вариаций геомагнитного поля, связанные частично с собственными колебаниями Земли, а также частично с собственными колебаниями Солнца с периодом 2 часа 40 мин.

Есть основания считать, что высокочастотная область биоэффективных частот (~ГГц) обусловлена преимущественно вынужденным резонансом микромасштабных структур организма (ионы, аминокислоты, мембраны и т.п.), а низкочастотная (ОНЧ-УНЧ диапазон) – параметрическим резонансом крупномасштабных систем (сердце, мозг, кровеносная система и т.п.). Биоэффективные частоты определяются собственными частотами соответствующих систем организма и могут быть вычислены при знании масштабных факторов и характерных скоростей в рассматриваемой системе. Сравнение вычисленных биоэффективных частот с экспериментально выявленными показывают их хорошее соответствие друг другу (Хабарова, 2004).

Частоты биоритмов человеческого организма лежат, главным образом, в инфразвуковой и суперинфразвуковой области (Мазур, Иванов, 2004). Ритмы головного мозга:

-ритм имеет период ~0,07 с, - 0,03 с, - 0,3 с. Период глотательных движений составляет ~4 с, цикл сердечной деятельности – 0,8 с, период вдоха-выдоха – около 6 с, период, соответствующий частоте распространения нервных импульсов – около 0,02 с, средний период изменения биотоков в мышцах – 0,03 с.

Как в геофизических, так и в биологических процессах периоды колебаний менее суток, также как и колебательные процессы в других диапазонах спектра биологических ритмов, могут представлять собой синхронизованные с внешними факторами автоколебания. Основными здесь являются собственные колебания атмосферы-ионосферы (12 часов и гармоники), гравитационные собственные колебания Солнца (существование которых, по мнению некоторых специалистов, еще окончательно не доказано) – 180 мин, 160 мин и 120 мин, близкие к высоким гармоникам суток и собственным сейсмическим колебаниям Земли (60 мин, 44 мин и др.). В среде обитания эти колебания часто присутствуют в микровариациях атмосферного давления и низкочастотных электромагнитных полей. Согласно современным биофизическим представлениям, вариации этих экологических переменных воспринимаются организмами и могут сыграть роль «датчика времени» для некоторых биологических микроритмов. Эти соображения могут быть полезны при интерпретации ряда биологических результатов. Возможно, внутрисуточные периодичности риска заболеваемости соответствуют одному из подобных геофизических ритмов. Период 120 мин найден в активности мелких грызунов, наблюдаемых на обширных территориях. Некоторые биологические микроритмы, вероятно, представляют собой свободные автоколебания, никак не связанные с временной структурой среды обитания. Не исключено, однако, что близость -ритма мозга человека к фундаментальной частоте ионосферного волновода (8 Гц) не является случайной (Владимирский, Конрадов, 2004).

К примеру, в нижней части области Е на высотах 85-95 км в период действия активных метеорных потоков на ночной стороне Земли появляется спорадический слой Es, образованный ионами металлов Mg+, Fe+, Ca+ с примесью Si+, Na+, Al+, Ni+ (ИвановХолодный, 1990; Трухин и др., 2005).

Его параметры следующие. Плотность потока энергии колеблется в пределах 10-5-10Вт/м2. Усредненный период пульсаций 0,02-0,05 Гц (Муртазов, 2004). Можно отметить в связи с этим, что проблема воздействия на биологические организмы инфразвуковых излучений сверхмалой мощности приобретает в последнее время некоторую актуальность (Владимирский, 2004).

Более энергетически заметным является процесс генерации инфразвуковых колебаний в атмосфере как следствие взаимодействия солнечного ветра с плазмой ОКП и атмосферой (Негода, Сорока, 2001; Сорока и др., 2004). Анализ спектров инфразвука показывает наличие частот с периодами характерными для солнечной активности суток, 24 часа, 12 часов. Энергия инфразвука возрастает при падении солнечной активности.

Сценарий связи солнечной активности с инфразвуком в атмосфере сводится к схеме рис.3.9. Изменения солнечной радиации приводят к модуляции галактических космических лучей. Этот модулированный поток при взаимодействии с нижней атмосферой изменяет ее прозрачность путем образования аэрозолей и вариаций малых составляющих атмосферы (NOx, H2O, O3 и др.). Изменения оптической прозрачности приводят к пространственным вариациям поглощения солнечной энергии в атмосфере.

Вследствие этого в различных зонах атмосферы образуются температурные градиенты и тепловые неустойчивости, порождающие инфразвуковые колебания. Образовавшийся инфразвук может влиять на флуктуации интенсивности взаимодействия космических лучей с атмосферными аэрозолями. На рис.3.8 это отображено введением обратной связи.

Инфразвуковые колебания могут усилить модуляцию прозрачности и эффект оптикоакустического преобразования в атмосфере.

Рис. 3.9. Модель образования инфразвуковых акустических колебаний в атмосфере Можно представить несколько схем воздействия солнечной активности на биосферу через компоненты околоземного пространства, как иллюстрацию действия и других источников (рис. 3.10-3.13 - Владимирский, Кисловский, 1982).

Здесь видно, что солнечная активность может оказывать влияние на биосферу не только через возмущения природного геомагнитного поля, но и посредством других физических агентов. Несомненно, определенное значение имеют вариации приземного ультрафиолетового излучения около 290 нм, происходящие вследствие динамических изменений в озоновом слое. Имеются основания предполагать, что солнечная активность оказывает достаточно сильное влияние на биологические организмы и через воздействие на изменения фона инфразвуковых акустических шумов, а также низкочастотных колебаний электрического поля Земли.

Вместе с тем, взаимодействие околоземной среды с солнечным излучением различных видов, другими факторами естественного происхождения происходит в течение всей эволюции Земли. Геофизика не имеет данных о том, что когда-либо ОКП под действием естественных причин полностью изменяло свои свойства и переходило в состояние с совершенно новыми параметрами, резко изменяя свое воздействие на биосферу (Муртазов, 2004б).

Таким образом, основными причинами, которые могут необратимо вывести ОКП из состояния динамического равновесия, могут стать техногенные воздействия. При этом следует иметь в виду, что их уровень постоянно нарастает и прямо зависит от экспоненциального роста потребления энергии человечеством.

Рис. 3.10. Воздействие солнечной активности на биосферу через сверхнизкочастотные колебания электромагнитного поля Рис. 3.11. Воздействие солнечной активности на биосферу при деградации озонового слоя и увеличении интенсивности ультрафиолетовой Рис. 3.12. Воздействие солнечной активности на биосферу Рис. 3.13. Воздействие солнечной активности на растительные организмы при проникновении к поверхности электрического поля 3.2. Техногенное воздействие на физическое состояние ОКП 3.2.1. Общая характеристика антропогенных воздействий на состояние ОКП Весьма серьезным фактором заражения ОКП являлись не так давно испытания ядерного оружия. C 1945 по 1961 гг. в атмосфере взорвано более 400 ядерных зарядов общей мощностью до 550 Мт. Этим самым в атмосферу поднято 12 т радиоактивных продуктов, что вызвало сильнейшие геомагнитные возмущения и привело к почти необратимым изменениям в ионосфере, резко повысило ее радиоактивность (Дмитриев, 1995). Реальность воздействия таких испытаний на состояние озонового слоя была подтверждена наблюдениями содержания озона в начале 60-х гг. XX в., когда ядерные взрывы проводились регулярно.

В то время в результате взрывов ядерных устройств в космосе возник квазистационарный пояс из электронов малых энергий, просуществовавший более 10 лет.

Эффекты уменьшения содержания озона в верхней атмосфере после взрывов отмечались в течение нескольких лет.

Техногенное электромагнитное излучение является одним из видов глобального воздействия на ОКП, загрязняющим атмосферу и определяющим «космическую погоду»

(Климов и др., 2000; Дмитриев, 1995). Основное воздействие на ОКП связано с потреблением человечеством электроэнергии: работой ЛЭП, крупных предприятий с большим энергопотреблением, радио- и телесвязи. Например, гармонические волны от ЛЭП могут создавать на определенных силовых линиях магнитного поля Земли «сток»

низкоэнергичных частиц. Он образует заметную асимметрию в распределении электронов с энергией 2.5 кэВ в интервале долгот 50-110 з.д. над крупными промышленными объектами с развитыми энергетическими сетями (Климов и др., 2000). Электромагнитное излучение проводов ЛЭП, генерируемое стекающими частицами, варьируется в зависимости от дней недели и времени суток. Так называемый эффект уикенда (более равномерное распределение токов на Земле в конце недели и резкое возрастание их в понедельник в районах ЛЭП и крупных промышленных центров) наблюдается в виде вариаций техногенного электромагнитного поля даже в районе геостационарной орбиты.

Излучение высоковольтных ЛЭП приводит к изменениям в ионосфере: в атмосферу проникают энергичные электроны из радиационных поясов, создавая новые зоны ионизации.

Естественное излучение в окрестностях Земли складывается из ряда компонентов:

радиоизлучения атмосферных электрических помех, теплового радиоизлучения Земли, космического радиоизлучения, радиоизлучения Солнца и планет. В XX в. мощность техногенного радиоизлучения Земли значительно превзошла ее естественное радиоизлучение и стало самым заметным в Солнечной системе в полосе частот, больших 30 МГц (излучения на более низких частотах эффективно экранируются ионосферой).

Только в США работают более 20 млн. передатчиков (Дмитриев, 1995).

Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению принципа суперпозиции и возникновению «Люксембург-Горьковского эффекта» - кроссмодуляции.

Нагрев ионосферы в поле мощной радиоволны может вызвать параметрическую неустойчивость в ионосфере, что приводит к аномально большому поглощению радиоволн и расслоению плазмы. В области резонанса 0 H образуются сильно вытянутые вдоль H неоднородности ионосферы с продольным масштабом 1 км, поперечником 0,5 – 100 м, в принципе перспективные для дальней УКВ-связи (Прохоров, 1983).