1. КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА КАК ПРОДУКТ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

 

1.1. ПОНЯТИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ

Обычная погода характеризуется параметрами нижнего слоя атмосферы - температурой, влажностью, давлением, облачностью, воздушными потоками, атмосферными осадками и пр. В отличие от обычной погоды, космическая характеризуется параметрами геокосмоса, к которым относят параметры верхних слоев атмосферы - ионосферы и магнитосферы, а также околоземного и околосолнечного космического пространства и самого Солнца.

Факторов, характеризующих состояние данных объектов, достаточно много, однако для целей идентификации состояния космической погоды используется только те, которые связаны с возможным прямым или опосредованным воздействием геокосмоса на био- и техносферу. Полный перечень данных факторов будет приведен в конце настоящей главы после описания схемы генерации космической погоды.

 

Замечание. Сущестуют и другие определения космической погоды, большинство из которых сводит ее к системе неких абстрактных солнечно-земных связей. Однако, по мнению автора настоящего обзора, такого рода определения необоснованно широки и недостаточно конкретны, в отличие от определения, базирующегося на сложившейся системе значимых для техно- и биосферы параметров геокосмоса, и привносят в конкретику прикладной науки философский аспект, что затрудняет понимание ее сути и проблематики.

 

1.2. СОЛНЦЕ КАК ГЕНЕРАТОР КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ

Главным генератором космической погоды является Солнце. Оно состоит, в основном, из водорода, который является источником его энергии. В центре Солнца находится его ядро, в котором при температуре порядка 15 миллионов градусов идет термоядерная реакция с формированием из ядер атомов водорода ядер атомов гелия и выделением тепловой энергии. Далее следуют области, переносящие тепловую энергию ядра к нижнему слою солнечной атмосферы - фотосфере, где она преобразуется в электромагнитное излучение. Над фотосферой расположена хромосфера, излучающая намного меньше энергии, а над ней - солнечная корона. Последняя является источником корпускулярного излучения в виде потоков заряженных частиц, формирующих солнечный ветер.

солнце как генератор космической погоды

Рис.1.1. Солнце как генератор космической погоды

 

Электромагнитное излучение и частицы корпускулярного излучения достигают орбиты Земли, где взаимодействуют с верхними слоями земной атмосферы, вызывая эффекты, значимые для технических и биологических объектов, находящихся как на Земле, так и на околоземных орбитах. Они также могут оказывать прямое воздействие на технические и биологические объекты в околоземном и околосолнечном космическом пространстве.

 

1.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА

Электромагнитное излучение является основным носителем солнечной энергии. Его спектр весьма широк - от радиоволн до рентгеновского излучения, при этом его основная часть лежит ниже границы ионизирующих излучений. Она почти полностью поглощается нижними слоями атмосферы и земной поверхностью, а также растениями в процессе фотосинтеза. Эта часть имеет прямое отношение к погоде и климату, но не относится к факторам космической погоды, хотя и позволяет наблюдать солнечные пятна, число и структура которых являются индикатором уровня солнечной активности. В то же время, излучения верхнего участка спектра - ультрафиолетовое и рентгеновское, являющиеся ионизирующими, почти полностью поглощаются верхними слоями атмосферы, вызывая их ионизацию и являясь, таким образом, причиной образования ионосферы и изменения ее параметров, тем самым влияя на распространение радиоволн. Поэтому данные виды излучения входят в перечень факторов космической погоды. Кроме того, их фоновые уровни служат показателями уровня солнечной активности, а вспышки сигнализируют о выбросах солнечного вещества, что используется для прогнозирования параметров космической погоды, связанных с солнечным ветром.

 

Замечание. Мощность электромагнитного излучения Солнца, приходящаяся на единицу поверхности сферы на орбите Земли, называется солнечной постоянной. Она равна в среднем 1361,5 Вт/м2 и незначительно изменяется как при перемещении Земли по орбите за счет изменения расстояния до Солнца, что является причиной различия среднесезонных температур в северном и южном полушариях, так и при изменении солнечной активности за счет изменения мощности самого излучения, что является причиной изменения среднегодовых температур. Указанные вариации солнечной постоянной включают и вариации фоновых уровней ультрафиолетового и рентгеновского излучений, что влечет сезонные и многолетние вариации параметров ионосферы, и, соответственно, условий распространения радиоволн.

 

Радиоизлучение Солнца не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на объекты, находящиеся в сфере воздействия космической погоды. Однако его интенсивность, в частности, на длине волны 10.7 см, коррелирует с общим уровнем солнечной активности и используется в качестве одного из его индикаторов наряду с числом и конфигурацией солнечных пятен и ультрафиолетовым индексом.

электромагнитное излучение солнца и космическая погода

Рис.1.2. Электромагнитное излучение Солнца и космическая погода.

 

 

1.4. КОРПУСКУЛЯРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА - СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

Корпускулярное излучение Солнца, получившее название солнечного ветра, образовано истекающими из солнечной короны продуктами ионизации водорода и гелия, а также других элементов солнечного вещества. Его главными компонентами являются свободные электроны и протоны, в меньшей степени в нем представлены альфа-частицы (ядра атомов гелия) и совсем в малой степени ионы более тяжелых элементов.

Солнечный ветер имеет весьма сложную структуру, изменяющуюся во времени. В нем присутствуют многие, характерные для плазмы, термо- и гидродинамические процессы, в т.ч. ударные волны. Его основными параметрами являются средняя скорость, плотность и температура, а также параметры образующих его потоков электронов, протонов и ионов. Являясь по своей сути совоупностью движущихся зарядов, солнечный ветер по законам электродинамики создает собственное, «вмороженное» в него, магнитное поле, именуемое межпланетным, которое также имеет сложную динамическую структуру.

Достигая Земли, солнечный ветер обтекает ее, отклоняясь геомагнитным полем и формируя магнитосферу. Однако при определенных параметрах межпланетного магнитного поля электроны и протоны высоких энергий могут проникать внутрь магнитосферы и далее «высыпаться» в ионосферу. В результате этого в магнитосфере возникают низкочастотные магнитные пульсации, накладывающиеся на геомагнитное поле, которые могут негативно воздействовать на технические и биологические объекты, а параметры ионосферы резко изменяются, соответственно изменяются условия распространения радиоволн. Таким образом, солнечный ветер является еще одним фактором космической погоды, при этом порождаемое солнечным ветром межпланетное магнитное поле, учитывая его особую роль в создании условий для проникновения частиц в магнитосферу, обычно выделяют в отдельный фактор. Высыпание высокоэнергичных протонов из магнитосферы в ионосферу также часто выделяют в отдельный фактор, именуемый протонным событием, поскольку он может вызывать весьма значительные изменения параметров распространения радиоволн, сопоставимые с изменениями от солнечных вспышек.

корпускулярное излучение солнца и космическая погода

Рис.1.2. Корпускулярное излучение Солнца и космическая погода.

 

Надо также особо отметить, что солнечный ветер может оказывать прямое кинетическое воздействие на космические аппараты, изменяя траекторию их движения.

 

1.5. ГАЛАКТИЧЕСКИЕ И ВНЕГАЛАКТИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Наша и другие галактики представляют скопления звезд, которые, как и наше Солнце, являются источниками электромагнитного и корпускулярного излучений. В той или иной степени эти излучения доходят до орбиты Земли и могут воздействовать на околоземное космическоей пространство и верхние слои атмосферы. Кроме того, в межзвездном пространстве находится распределенная (диффузная) материя - межзвездные газ и пыль, газопылевые и планетарные туманности, потоки частиц и пр., которые сами по себе или под воздействием внешних излучений могут являться источниками электромагнитного и корпускулярного излучения. К указанным излучениям относятся:

Галактическое и внегалактическое рентегеновское излучение и его вспышки.

Источниками данного излучения являются звездные объекты определенных классов, а также межзвездная материя. Интенсивность этого излучения, как фонового (диффузного), так и вспышек, мала по сравнению с интенсивностью рентгеновского излучения Солнца, поэтому оно не оказывает значимого в контексте космической погоды воздействия на верхние слои атмосферы и околоземное космическое пространство, но играет важную роль в астрономии.

Галактическое и внегалактическое гамма-излучение и его вспышки.

Данное излучение носит характер кратковременных (единицы и доли секунд) вспышек, источники которых расположены равномерно на небесной сфере. Природа этих источников и их локализация до конца не выяснены. Энергия квантов этого излучения на орбите Земли очень высока - от десятков мегаэлектрон-вольт до сотен гигаэлектрон-вольт. Однако вследствие малой длительности и невысокой частоты (около 1 вспышки в сутки) их энергетическое воздействие на верхние слои атмосферы и околоземное космическое пространство незначительно и данное излучение не относят к факторам космической погоды. Исключение могли бы составить сверхмощные гамма-всплески, которые способны кратковременно значимо изменить параметры ионизации ионосферы и даже достигнуть поверхности Земли. Такой всплеск, достигший Земли 27 апреля 2004 года, смог вызвать крактовременное изменение параметров резонанса Шумана (см. Вариации параметров резонанса Шумана), однако он оказался единственным за всю историю наблюдений.

Галактическоие и внегалактические космические лучи.

Данный вид космического излучения представляет собой совокупность потоков протонов и других частиц сверхвысоких энергий (до 10^15 эВ). Они образуются различными механизмами в недрах галактик, в т.ч. нашей, и ускоряются внутригалактическими полями до околосветовых скоростей. Достигая околосолнечного космического пространства, они взаимодействуют с солнечным ветром, как отражаясь им, так и в определенной степени интегрируясь в него, изменяя таким образом его параметры. Однако идентифицировать компоненту данных лучей в солнечном ветре достаточно сложно. По этой причине данное излучение, хотя оно и оказывает в составе солнечного ветра значимое воздействие на верхние слои атмосферы Земли, а также учитывая его постоянство, в самостоятельный фактор космической погоды обычно не выделяют.

 

1.6. ПЕРЕЧЕНЬ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ

Таким образом, полный сводный перечень факторов космической погоды влючает:

 

А. Факторы воздействия на среды и объекты:

  • фоновое рентгеновское излучение Солнца;
  • вспышки рентгеновского излучения Солнца;
  • фоновое ультрафиолетовое излучение Солнца;
  • вспышки ультрафиолетового излучения Солнца;
  • солнечный ветер;
  • межпланетное магнитное поле;
  • пульсации геомагнитного поля.

B. Факторы - индикаторы солнечной активности:

  • солнечные пятна;
  • радиоизлучение Солнца;

В качестве индикаторов солнечной активности могут также использоваться фоновые рентгеновское и ультрафиолетовое излучения.

 

Более подробно перечисленные факторы, их параметры, методы измерения и системы их мониторинга будут рассмотрены в последующих главах и приложениях.

 

Замечание 1. Иногда к категории космической погоды относят вызываемые факторами группы А такие атмосферные явления, как свечение атмосферы и полярные сияния, характерные для высоких широт. Однако в настоящем обзоре они как самостоятельные общесистемные факторы не рассматриваются, хотя и будут кратко рассмотрены как разновидности ионосферных реакций на космическую погоду.

 

Замечание 2. Не относится к категории космической погоды такой популярный феномен как Резонанс Шумана, который, хотя и коррелирует с уровнем солнечной активности и параметрами факторов космической погоды, но все же считается особым самостоятельным природным явлением.

 

1.7. ИСТОЧНИКИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

1. Основные факторы космической погоды
2. An Introduction to Space Weather and the Space Weather Prediction Center

* * * * *

 

 

Опубликовано 27.10.2020. Последнее изменение 27.10.2020.

© Janto 2020 Все права защищены