Тайны будущего. Прогнозы на XXI век

ЗЕМЛЯ

Земля образовалась из того вещества, которое было выброшено из Солнца? Поэтому имеет смысл начать историю Земли с самого начала — с момента образования Солнца. Солнце в его нынешнем виде образовалось 6–7 млрд. лет назад. Земля же образовалась примерно 4,6 млрд. лет назад. Звезда — Солнце — с самого начала была не такой, как сейчас. Каждая звезда рождается, живет и умирает. Наше современное Солнце — это определенный этап в развитии жизни звезд.

Каждая звезда образуется из газового облака, которое под действием собственной гравитации постепенно сжимается. По мере сжатия плотность вещества увеличивается. Когда она достигает определенной критической величины, то начинается дробление (фрагментация) единого облака. Каждая часть раздробленного облака сжимается — и из нее образуется звезда.

Основной характеристикой, от которой зависит дробление первоначального облака, является плотность вещества в облаке. Если радиус облака уменьшится в два раза, то плотность вещества увеличится в 8 раз. Первоначальное облако, из которого впоследствии образовалась наша Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные части, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.

Облака-протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — протозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 °C. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон — протонные реакции), и протозвезда перестает сжиматься. Это значит, что протозвезда превратилась в звезду.

Энергия звезды, благодаря которой поддерживаются высокие температуры в ее недрах, черпается из термоядерного синтеза. В этих термоядерных реакциях четыре протона путем разных преобразований соединяются так, что образуют ядро гелия (альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов). При превращении одних частиц в другие часть их массы превращается в энергию. Поэтому можно оценить запасы атомной энергии звезды.

Дальнейшая эволюция звезды определяется, главным образом, ее массой. Чем больше масса звезды, тем больше энергия, которая может выделиться внутри звезды в процессе термоядерных реакций, тем больше горючего содержится внутри такой звезды. Казалось бы, что такая звезда должна жить (светиться) дольше. Но это не так. Чем массивнее звезда, тем больше она излучает энергии в космическое пространство. Если массу звезды увеличить в три раза, то ее расход энергии на излучение (светимость) увеличится в девять раз. Поэтому с увеличением массы звезды продолжительность ее жизни резко уменьшается. Так например, горючего для ядерного реактора внутри Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет. Около пяти миллиардов лет это горючее уже расходуется. Но если масса звезды в 50 раз превышает массу Солнца, то ее горючего хватит всего на несколько миллионов лет!

Когда в процессе термоядерных реакций в ядре звезды израсходуется весь водород (он превращается в гелий), то термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают идти в слое вокруг ядра. Светимость звезды на этом этапе увеличивается. Звезда как будто разбухает. Но температура поверхностных слоев звезды уменьшается, поскольку размеры ее увеличились. Поэтому она начинает светиться не голубым, а красным цветом. Такую звезду называют красным гигантом. Дальше звезда эволюционизирует следующим образом. Поскольку в ядре не идут термоядерные реакции и не выделяется тепло, то она постепенно сжимается под действием сил гравитации. В результате сжатия ядра увеличивается его температура. Она достигает 100–150 млн. градусов. При столь высокой температуре гелий становится источником тепла: идут термоядерные реакции, в результате которых ядра гелия превращаются в ядра углерода. Давление внутри ядра звезды увеличивается, поэтому сжатие прекращается. Светимость звезды на этом этапе увеличивается из-за выделения энергии из ядра. В результате увеличивается и поверхностная температура звезды.

Но когда-то кончается и гелий. Причем значительно быстрее, чем кончился водород. Когда это произойдет, то звезда теряет свои наружные слои. Они расширяются и отделяются от ядра звезды. Эти слои впоследствии наблюдаются как планетарная туманность. После этого момента события будут развиваться по одному из трех вариантов (сценариев). Какой из вариантов реализуется, это зависит только от массы звезды. Если масса звезды меньше 1,2 массы теперешнего Солнца, то вещество звезды под действием гравитационного сжатия уплотняется таким образом, что его плотность достигает 10 тысяч тонн в кубическом сантиметре. При такой огромной плотности атомы разрушаются. После этого сжатие звезды прекращается, так как ему начинает противодействовать сила упругости образованного очень плотного газа. Такая звезда (ее называют «мертвой») является белым карликом. Напомним, что до того, как звезда превратится в белого карлика, она на некоторое время становится красным гигантом. Затем белый карлик в течение нескольких миллиардов лет остывает и в конце концов превращается в черного карлика, то есть в тело, которое уже не излучает. Звезда умирает и перестает излучать. Специалисты часто ее называют «трупом». Во Вселенной имеется бесконечное количество кладбищ звезд, превратившихся в черных карликов. Эта судьба ждет и наше Солнце, которое когда-то было красным гигантом. Но оно сбросило лишнее вещество — из него образовались планеты нашей системы, в том числе и Земля. Что происходит со звездами, масса которых больше 1,2 массы Солнца, мы подробно описали в книге «Внеземные цивилизации» (ЭКИЗ, 1993). Здесь только скажем, что те из звезд, масса которых больше 1,2, но меньше 10 масс Солнца, в конце концов превращаются в нейтронные звезды. Это очень уникальные объекты. Плотность вещества такой звезды равна плотности вещества внутри атомного ядра! Получить такое вещество на Земле невозможно. Если же масса звезды превышает 10 масс Солнца, то она превращается в черную дыру, радиус которой равен всего 1–3 км. Так сильно ужимается (и уплотняется) вещество столь массивной и первоначально огромной звезды.

Но вернемся к Солнцу. Предшественник Солнца, красный гигант, сбросил с себя вещество, которое состояло в значительной мере из тяжелых химических элементов. Этот сброс происходит в виде взрыва. После того, как красный гигант сбрасывает свою шубу, он превращается в сверхновую звезду. Ученые слово «звезда» опускают и говорят просто «сверхновая». Таким образом, наше Солнце после стадии красного гиганта превратилось в сверхновую звезду. Но при этом в околосолнечное пространство оно сбросило лишнее вещество, из которого и образовались планеты Солнечной системы. Это происходило так.

Спустя несколько сотен миллионов лет околосолнечное облако сброшенного Солнцем вещества стало постепенно остывать. При этом в нем стали появляться твердые частицы пыли. Все частицы облака находились в движении вокруг Солнца и постепенно стали двигаться в экваториальной плоскости Солнца, образуя своего рода диск. Это были струи твердых частиц и газов, занимающие пространство в форме диска и движущиеся вокруг Солнца. По законам движения происходила сортировка частиц по их величине и плотности: чем ближе к Солнцу, тем большую плотность приобретало вещество. Поэтому планеты земной группы, которые находятся ближе к Солнцу, чем остальные, образовались из более плотного вещества. Поэтому они и меньше по размерам. Это — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Более далекие планеты образовались из летучих элементов и более легких газов, поэтому они и по размерам больше. Это — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Примерно 5 млрд. лет назад «вырисовался» зародыш Земли. Но процесс ее формирования продолжался в течение примерно еще одного миллиарда лет. Только после этого Земля стала постепенно остывать и превратилась в холодное безжизненное скопление космического вещества. Но спустя сотни миллионов лет это остывшее вещество вновь стало разогреваться, но уже по другим причинам. Энергия для этого поступала от ударов космических тел, а также вследствие радиоактивного распада химических элементов. Расплавилось ли при этом земное вещество полностью или только частично, сказать трудно. Ясно одно, что жидкое (или частично жидкое) вещество Земли получило возможность под действием силы притяжения перераспределиться по плотности вещества, по его удельному весу. При этом самое плотное вещество, состоящее из тяжелых элементов и соединений, стремилось к центру Земли. Во внутреннем составе Земли преобладает железо (35 %); за ним идет кислород (30 %), далее следуют кремний (15 %) и магний (12 %). Вещество Земли содержит значительное количество радиоактивного вещества, при распаде которого выделяется тепло. Этого тепла достаточно для того, чтобы поднять температуру в самой середине Земли до 6000 °C. Под действием сил тяжести и тепла сформировалась и структура Земли: в ее сердцевине находится ядро, которое окружено мантией. Снаружи мантию покрывает земная кора.

Ядро Земли состоит из двух частей — внутренней и внешней. Внешняя граница земного ядра находится на глубине 2900 км. Ниже этой границы (то есть в ядре) плотность вещества увеличивается скачком на 80 %. Внешняя часть ядра является жидкой. Внутренняя часть ядра состоит из железоникелевого сплава и ведет себя как твердое тело. Давление в центре ядра, а значит и в центре Земли, достигает 3 млн. атмосфер. Температура там достигает 10 000 °C. Во внутренней части ядра сосредоточено только 1,7 % всей массы Земли. Более массивной является внешняя часть ядра. Она содержит почти треть всей массы Земли. Но плотность вещества во внешней части ядра значительно меньше, чем во внутренней, поскольку оно разбавлено легкой серой. Ее там содержится до 14 %.

Полагают, что сразу после образования Земли ее ядро было целиком расплавленным. Затем оно постепенно стало остывать, и на сегодняшний день расплавлена только его внешняя часть. Любопытно, что внешняя граница ядра не является идеальным шаром. Это слой со своеобразным рельефом, толщина которого в разных местах разная — от 150 до 350 км.

Ядро Земли окружено мантией. Она простирается от 30–50 до 2 900 км в глубину. Порода мантии содержит в себе 80 % оливина (Mg, Fe)₂[SiO₄] и 20 % пироксена (Mg, Fe)₂[Si₂O₆]. Эту породу называют перидотитом. Она представляет собой зеленоватые минералы, силикаты магния и железа.

В мантии также высокая температура. Поэтому глубинные породы расплавляются и превращаются в магму. Эта магма по трещинам прорывается наверх в виде лавы. Собственно, Земля на 82 % состоит из мантии. Она, естественно, неоднородна. Ученые делят ее на верхнюю и нижнюю. Но самым важным элементом, прослойкой мантии является слой в верхней мантии, в котором породы находятся в частично расплавленном состоянии. Расплав составляет всего 1–3 %. Но этого достаточно, чтобы обеспечивать весьма своеобразную динамику всей вышележащей части Земли. Из-за слабого расплава вещества в этом слое он был назван «астеносферой» («астенос» — слабый). Это слаборасплавленное вещество не является жидкостью, и течь оно не может. Но оно служит своего рода «смазкой», по которой перемещаются жесткие литосферные плиты, которые образуют верхнюю твердую оболочку Земли. Эта оболочка и называется «литосферой» (от греческого «литос» — камень).

Земная кора имеет разную толщину на материках и под океанами. Она толще всего там, где вздымаются могучие горные хребты. Океаническая кора тоньше континентальной. Состав их также различен. Океаническая кора состоит из двух слоев — базальтового и осадочного. Базальты — это темно-зеленая или даже черная силикатная порода, которая содержит кальций, натрий, магний и железо (а иногда и алюминий). Океаническая кора выделяется из самого верхнего слоя мантии, который под дном океана находится на глубине всего 10–50 км. Там, в верхнем слое мантии, порода находится в расплавленном состоянии и оттуда по трещинам поступает наверх, где и застывает, образуя базальтовый слой океанической коры.

Земная кора на континентах образуется по-иному. Она состоит из нескольких слоев. Самый верхний ее слой сложен песчаниками, глинами и известняками; следующий слой (которого нет в океанической коре) образован гранитами и метаморфическими породами, которые изменились под влиянием высокой температуры и давления. Это и есть основной слой земной коры континентов. Кроме этого основного слоя в земной коре имеются осадочные породы — песчаники, глина, базальты. Базальты и подобные им породы составляют нижнюю часть континентальной коры. Континентальная кора образовалась давно, более 3 млрд. лет. Океаническая кора возникла по геологическим понятиям только что, всего 150–170 млн. лет.

Все вещество Земли находится в непрерывном движении. Так, любой участок литосферы постоянно перемещается по горизонтам. Конечно, мы этого не замечаем, поскольку перемещение составляет всего несколько десятков сантиметров в год. Но за геологические отрезки времени это перемещение достигает многих тысяч километров. Посмотрите на глобус или карту и мысленно или на рисунке сдвиньте Америку к Африке. Они очень хорошо стыкуются. Это проделал в середине XIX века Антонио Снидер. Он совместил берега Атлантического океана и получил один огромный континент. На эту мысль его натолкнуло не только сходство береговых линий Африки и Америки. В руках ученых оказались и другие данные, которые свидетельствовали о полном сходстве ископаемых растений каменноугольного периода палеозойской эры, которые были найдены в Европе и Северной Америке. Значит, ископаемые деревья росли в одном большом лесу, половина которого оказалась в далекой Америке, а другая половина осталась в Европе. Ученый поспешил поделиться своим открытием со всеми и в 1858 году издал книгу «Мироздание и его разоблаченные тайны». Но в эту ошеломляющую (и хорошо аргументированную) новость никто не поверил, и все забылось. И только в 1910–1912 гг. Альфред Вегенер снова поднял этот вопрос. Так появилась идея плавающих («дрейфующих») материков, которая с тех пор и известна как «гипотеза Вегенера». Очередная несправедливость! Вегенер назвал единый континент, который затем распался на части, «единой Землей» («Пангея»). Но почему и как материки дрейфуют, Вегенер и его современники не разгадали. Только к концу 60-х гг. нашего века вопрос стал постепенно проясняться. Суть дела оказалась в следующем.

Раньше считали, что твердая земная кора плавает на расплавленном веществе. Факты такое представление как будто подтверждали. Судите сами. Когда в прошлом веке измерили силу тяжести в Гималаях, то установили, что под огромной массой Гималаев земная кора просела. При этом она погрузилась в слой с более плотным, вязким веществом. Масса вытесненного глубинного вещества, как и полагается по закону Архимеда, равна массе гор.

Другой пример. Во время оледенения в четвертичный период в Скандинавии земная кора прогнулась под тяжестью льда. Со временем лед растаял, и освободившаяся от груза земная кора начала восстанавливать свое прежнее положение. Она начала подниматься — сначала быстро, а затем все медленнее. Этот процесс продолжается и в наше время — земная кора в Скандинавии продолжает всплывать со скоростью один сантиметр в год.

Описанные факты достоверны, но трактовка их неправильная. Под земной корой находится не жидкое вещество, а твердое. И так на протяжении тысяч километров вглубь, вплоть до ядра Земли. Так почему и как плавает земная кора? Она не плавает, а только смещается благодаря слою смазки — астеносфере. Но астеносфера находится не непосредственно под земной корой. Над ней находится и часть мантии. Эту часть мантии и земной коры, то есть все то, что находится над астеносферой, назвали литосферой. Таким образом, плавает земная кора не сама по себе, а вместе с верхней частью мантии. Другими словами, плавает (скользит по слою смазки) литосфера. Толщина литосферы под континентами 150–300 км, а под океаном — от нескольких километров до 90 км. Таким образом, литосфера (в том числе и земная кора) плавает на астеносфере. Она при этом поднимается, опускается и скользит в горизонтальном направлении относительно нижней мантии и ядра Земли. Если бы вся литосфера представляла собой единую жесткую сферу, то скользить она не могла бы, тем более поднимаясь или опускаясь при этом. Но литосфера не есть единое целое. Она расколота на отдельные куски, части, которые называют плитами. Сейчас литосфера Земли состоит из семи больших плит и нескольких более мелких плит.

Литосферные плиты скользят в разных направлениях, наезжая при этом друг на друга. Упираясь друг в друга, они создают напряжения, которые заканчиваются землетрясениями. Если плиты не упираются друг в друга, а расходятся, то напряжение не возникает. Ясно, что во внутренних частях литосферных плит все стабильно, там землетрясений нет. Все землетрясения располагаются вдоль крупных расколов, то есть вдоль границ между плитами, где и создаются напряжения и в конце концов происходит смещение одной плиты относительно другой (рис. 1). В том случае, если плиты расходятся, то во время землетрясений на поверхности появляются глубокие расщелины, которые называют рифтами (от английского riff — трещина, щель). Такие границы удаляющихся друг от друга литосферных плит проходят вдоль подводных срединно-океанических хребтов. Их называют расходящимися или дивергентными (от лат. divergere — обнаруживать расхождение). Там же, где происходит сближение, столкновение плит, вдоль границы между плитами образовались высокие горы, глубоководные желобы и островные дуги. Последние расположены главным образом вокруг Тихого океана. Такие границы между плитами называют сходящимися или конвергентными (от лат. convergere — приближаться, сходиться).

Литосферные плиты могут не только сходиться или расходиться, но и скользить друг относительно друга вдоль линии разлома. При таком смещении плит движение переносится от одной активной зоны к другой. Происходящие при этом землетрясения сопровождаются сдвигом пород параллельно разлому.

Литосферные плиты различаются и составом пород, из которых они состоят. Толщина их также различна. Под океаном литосфера намного тоньше, чем под континентами и под шельфами (обширными мелководьями). Имеются плиты целиком океанические — тонкие. Есть и комбинированные, состоящие из континентальной и океанической частей. Толстые литосферные плиты менее подвижны, что естественно. Океанические плиты наиболее подвижны.

Что заставляет плиты двигаться? Вещество мантии, которое находится под плитами, совершает круговое (конвективное) движение. При этом движении в одних местах, где сходятся кольца конвекции, вещество движется вверх, а в других — вниз. Там, где оно движется вверх и образует восходящий поток, и литосфера испытывает давление снизу. Она приподнимается и раздвигается в стороны. Происходит раскол литосферы (под океаном она тонкая) с одновременным ее подъемом вдоль линии раскола. Так образуются срединно-океанические хребты с расщелинами — рифтами. В этих местах по трещинам изливаются базальтовые лавы. Магма, заполнившая трещину, в конце концов застывает. Так образуется кристаллическая горная порода. Это показано на рис. 2. Таким образом, с одной стороны, две половины срединно-океанического хребта расходятся в стороны со скоростью от нескольких миллиметров до 18 см в год. С другой стороны, образующаяся при этом щель (которая непрерывно растет) заполняется веществом, которое выходит из глубины. Так в этом месте раскола образуется новая океаническая кора. В результате океаническое дно как будто растягивается, расширяется. Специалисты этот процесс назвали английским словом спрединг (развертывание, расстилание).

Но литосфера не может только разрастаться. Это было бы возможным, если бы увеличивались размеры Земли. А «если в одном месте прибудет, то в другом месте убудет»? Другими словами, должны существовать места, где литосфера сокращается. Это может происходить разными способами. Часть литосферы может поглощаться (утопать в жидком веществе мантии), сокращаться за счет смятия в складки или надвигаться одним участком на другой. Легко сообразить, что это происходит в тех местах, где движение мантийного вещества на стыке двух конвективных ячеек направлено вниз. В этих местах океаническая литосфера пододвигается под встречную плиту. Далее она потоками вещества мантии затягивается на глубину, где при высоких давлениях вещество плиты существенно уплотняется. Став тяжелее, этот кусок литосферы сам тонет в вязкой астеносфере. Он опускается на поверхность нижней мантии. Таким путем литосфера может затянуться очень глубоко. Например, под Камчаткой она упала на глубину более 1000 км, где она и затерялась. Ясно, что в таких местах на дне океана образуются глубоководные желоба, глубина которых может достигать 10 км. Так, самый глубокий такой желоб — Марианский в Тихом океане — достигает глубины 11 км. В таком желобе имеется прямой доступ к жидкому веществу мантии. Поэтому рядом с желобом обычно цепочкой выстраиваются действующие вулканы. Примером тому могут служить вулканы Курильской островной дуги и Камчатки. Они располагаются рядом с Курило-Камчатским желобом. Вулканы образуются над тем местом, где литосфера, которая наклонно уходит на глубину, начинает плавиться при высоком давлении и температуре. Погружение литосферы происходит со скоростью от 1 до 12 см в год.

Таким образом, вырисовывается такая картина. Литосферные плиты расходятся вдоль срединно-океанических хребтов и движутся к глубоководным желобам, где они уходят на глубину и там поглощаются. Но на плитах находятся континенты. Они вынуждены дрейфовать вместе с плитами. Если при этом сталкиваются два континента, то происходит нагромождение таких гор, как Альпы, Гималаи, Памир.

Таким образом, океаническая литосфера рождается в зонах расхождения. Континентальная литосфера наращивается по толщине в зонах столкновения. В тех и других зонах располагается большинство подводных и наземных вулканов. В этих местах поднимаются горячие растворы, которые несут с собой металлы. Поэтому здесь образуются рудные месторождения.

Очень важен кругооборот вещества в результате описанных процессов. Он состоит в том, что океаническая кора погружается и возвращается в мантию, она уносит туда с собой морские отложения, которые накопились на дне. В них содержатся и горные породы органического происхождения. Так в мантию Земли попадают не только элементы воздуха и воды, но и животные и растения оказывают влияние на ее состав до глубин в сотни и даже тысячи километров. Положение тех и других зон не является неизменным. Но неизменно движется, циркулирует, конвектирует вещество Земли. В расщелинах на дне океана изливается не только базальтовая лава. Здесь имеется множество горячих источников минерализованной воды. Вода богата медью, цинком, марганцем. Температура воды достигает 330 °C. Это так называемые гидротермы. Соединения химических элементов из раствора источников образуют на дне наросты, столбы и трубы. Высота их достигает 27 м. По этим трубам продолжает подниматься горячий раствор. При этом труба как будто дымится, поскольку на выходе из нее из раствора выделяются мелкие частицы минералов. Поэтому эти трубы назвали черными курильщиками (рис. 3). Вокруг них образуются отложения, которые богаты металлами. Там же образуются и железомарганцевые шары — конкреции. Вокруг них кипит подводная жизнь. Здесь имеются не только бактерии и черви, но и моллюски и даже крабы. Любопытно, что с течением времени в описанных выше процессах земная кора утолщается. Это происходит потому, что когда образовавшаяся земная кора начинает отодвигаться от линии разлома, то под ней застывает и содержимое магматического очага. Так в нижней части океанической коры образуются горные кристаллические породы. В результате толщина коры может достигать 7 км. На подошву коры снизу нарастают самые тугоплавкие минералы астеносферы, которые остались после выделения базальтовой массы. Поэтому чем древнее океаническая кора, тем больше тяжелых (богатых железом) пород мантии успевают нарасти к ней снизу. В тех местах, где дно океана формировалось еще в юрский период, толщина дна достигает 70–80 км. Это в 10 раз больше толщины земной коры.

Поскольку прилипают тяжелые породы, то со временем средняя плотность литосферы растет. Это значит, что становясь тяжелее, литосфера все больше и больше утопает в вязкой астеносфере. Раз дно океана опускается, то глубина океана увеличивается. По глубине океана можно рассчитать время образования его дна. Ясно, что чем дальше от срединно-океанического хребта, тем дно древнее. Но базальтовая кора нарастает и сверху. На ней отлагаются морские осадки. Их толщина в самых древних частях океана может достигать 1 км. У окраин континентов она во много раз больше.

Таким образом, со временем океаническая литосфера становится толще и тяжелее. Такая тяжелая плита при столкновении с другой плитой (более легкой) пододвигается под нее и исчезает в глубине. Поэтому неудивительно, что чем древнее дно океана, тем меньше его сохранилось. Здесь также действует закон старения и смерти. Поскольку вся литосфера (и океаническая также) находится в непрерывном движении, то через какое-то время океаническая литосфера доберется до берегов океана. Это время составляет не более 180 млн. лет. Его легко рассчитать, если известна скорость движения и расстояние. Поэтому океаническая литосфера возраста, превышающего 180 миллионов лет (это юрский период), вся погибла, утонула в астеносфере. От нее остались только отдельные куски, клинья, которые оказались включенными в складчатые горные пояса на краях континентов. Таким образом, все дно океана очень молодо. Его возраст 180 млн. лет и менее. По сравнению с возрастом Земли (4,6 млрд. лет) это очень мало. Поэтому основная информация о геологических процессах хранится главным образом в континентальной земной коре.

Рассмотрим подробнее, что происходит, когда сталкиваются литосферные плиты. В том случае, когда сходятся океаническая и континентальная плиты, более тяжелая океаническая плита непременно уходит под континентальную. Если встречаются две океанические плиты, то вниз уходит более тяжелая, а это значит более древняя. Океаническая литосфера начинает погружаться в глубоководном желобе. В начале этого погружения литосферная плита уходит вниз полого. Но по мере погружения породы уплотняются под действием высокого давления. Становясь тяжелее, плита начинает быстро тонуть в астеносфере. При этом она перегибается и уходит вниз под крутым углом (почти вертикально). Когда она оказывается в более плотной мантии, то ее стремительное погружение замедляется и она постепенно переходит в режим горизонтального движения.

Уход в глубины астеносферы литосферной плиты сопровождается серией землетрясений. Первые очаги землетрясений появляются в океане под склоном желоба. В этом месте плита перегибается перед тем, как она уйдет в мантию. На внешней стороне изгиба плита растягивается и трескается. Но самое большое число землетрясений происходит там, где океаническая литосфера упирается в другую плиту. При этом океаническая плита уходит вниз под встречную плиту. На границе плит происходят землетрясения. В направлении пододвигания океанической плиты под встречную происходит скол пород. В тех местах, где океаническая плита уходит на глубину более 100 км, землетрясений становится меньше. При этом очаги землетрясений располагаются внутри опускающейся плиты. Причиной этого служит нагревание, а значит, и расширение горных пород. Опускаясь еще ниже, в область высокого давления, они сжимаются. В этих условиях минералы, из которых состоит порода, переходят в другое состояние — с более плотной структурой, при которой атомы упакованы более плотно. Постепенно погружающаяся плита становится неспособной вызывать землетрясения, поскольку она сильно разогревается и уже не может расколоться. Это происходит на разных глубинах — от нескольких десятков километров до 700 км. Описанный выше процесс позволяет правильно разобраться в порядке возникновения землетрясений.

Наклонные зоны, которые глубоко проникают в мантию Земли, связаны не только с землетрясениями. Над ними рядом с глубоководными желобами располагаются цепи действующих вулканов. Такие цепи вулканов простираются на многие тысячи километров вокруг Тихого океана. Они образуют «огненное кольцо». Происхождение этих вулканов таково. Когда океаническая плита погружается и попадает в область высокого давления и высокой температуры, то на глубинах 100–200 км из нее выделяются так называемые флюиды и определенное количество расплавленного вещества. Эти вещества направляются вверх. У нижней границы земной коры, а также внутри нее образуются очаги магмы. Эта магма и прорывается к земной поверхности в виде вулканической лавы. Такова физическая природа практически всех вулканов на островных дугах Земли. Такая же природа и вулканов на краю Южно-Американского континента, а также в цепях вулканов Анд, которые простираются на тысячи километров.

Возникновение вулкана происходит в строго определенное время — когда плита окажется на некоторой определенной глубине. Правило таково: чем круче наклонена зона пододвигания одной плиты под другую, тем ближе к желобу располагается цепь вулканов.

Может произойти и столкновение континентов, когда сходятся литосферные плиты. Специалисты это явление называют коллизией. Это особый случай, при котором ни одна из плит не заталкивается внутрь, в мантию. Этому мешает легкая гранитная облицовка континентальных литосферных плит. Поэтому происходит отслаивание пород огромными пластинами. Этот «материал» нагромождается у поверхности в виде горных сооружений. Так произошло образование Гималаев и Тибетского нагорья. Это произошло в ходе столкновения Индостана с южным краем Евразийского континента. Это столкновение продолжается до сих пор, хотя оно началось 45–50 млн. лет назад. При этом легкие породы верхов континентальной литосферы скучиваются близ поверхности земли. При этом вся остальная тяжелая часть литосферы круто погружается в астеносферу. Горы Большого Кавказа также образовались в результате столкновения двух континентальных литосферных плит. Примерно 10–11 млн. лет назад единый Африкано-Аравийский континент раскололся вдоль огромной трещины — рифта. С этого момента Аравия стала удаляться от Африки, направляясь на север. При этом движении она еще вращается против часовой стрелки. Так мощная Аравийская литосферная плита сдавливала более мягкие и податливые толщи пород, которые накопились в бывшем океане Тетис, а также в его окраинных морях. Эти сжатые породы и образовали ряд горных хребтов разной высоты и очень сложного внутреннего строения. При сжатии различные породы не только сжимаются в складки, но и наползают друг на друга. Так образуются тектонические покровы.

У северной окраины грандиозного Кавказского горного пояса (в Предкавказье) располагаются равнинные участки. Они принадлежат прочной Скифской плите. Южнее находятся вытянутые вдоль широты (с запада на восток) горы Большого Кавказа. Их высота достигает 5 км. Здесь же располагаются узкие впадины Закавказья. Рядом располагаются горные цепи Малого Кавказа (в Грузии, Армении, Восточной Турции и Западном Иране). Южнее от них находятся равнины Аравии. Они принадлежат Аравийской литосферной плите. Кавказские горы образовались в тисках двух прочных плит — Аравийской и Скифской. Самые высокие горы образовались там, где Аравийская плита твердым клином сильно сдавила податливые отложения. Восточнее и западнее этого места горы значительно ниже.

Образованный таким путем горный пояс находится под огромным давлением. Поэтому он расколот протяженными диагональными разломами. Это сдвиги, вдоль которых отдельные части горного пояса скользят друг по другу. Эти смещения и являются причиной сильнейших землетрясений. Последние из них произошли в Армении (1988 г.) и в Турции (1991 г.). Под горы Кавказа с юга пододвигается монолитная и прочная Закавказская литосферная плита. Поэтому южный склон Большого Кавказа узкий и очень крутой, а северный — широкий и пологий. На южном склоне отложения смяты в очень сложные складки. Они опрокинутые и надвинутые и как будто наползающие друг на друга и на массив. В результате пододвигания южной Закавказской плиты горы Большого Кавказа асимметричны. Их главный хребет располагается ближе к югу.

В результате столкновения континентальных литосферных плит образовались и высочайшие горы Европы — Альпы. Здесь «работали» две плиты — Адриатическая и Средне-Европейская. Они не только столкнулись, но и надвинулись друг на друга. Так же образовались и Карпаты. Величайший горный узел Памира, Каракорума, Гиндукуша, Гималаев и Тибетского плато возник в результате столкновения Индостанской плиты с Евразийской. Этот процесс начался 10–15 млн. лет назад и продолжается и сейчас. Индостанская литосферная плита и сейчас перемещается в северном направлении, оказывая огромное давление на горные породы.

Кордильеры Северной Америки и Анды Южной Америки образовались при столкновении океанической и континентальной плит. Мы уже говорили, что вначале мезозойской эры все материки составляли единый суперматерик — Пангею. Со временем начался распад Пангеи на отдельные крупные литосферные плиты. Так возник Атлантический океан. Он расширялся в обе стороны от протяженного срединно-океанического хребта. Такая же зона расширения имеется и на востоке Тихого океана. От нее материал океанической коры движется в обе стороны. Континенты Северной и Южной Америки с прилегающими участками дна Атлантического океана смещаются на запад, навстречу Тихоокеанской плите. Океаническая плита, как более тяжелая, пододвигается под континентальную. Это и привело к образованию гор, которые представляют собой не что иное, как нагромождение друг на друга горных пород. В результате в земной коре образуются складки, а по западной окраине Северной и Южной Америки растут горы.

Любопытно происхождение цепочек давно остывших вулканов, которые простираются на тысячи километров. Каждая такая цепочка (гряда) выстроена строго закономерно: чем дальше от начальной точки гряды, тем моложе вулкан. Такое впечатление, что некто «поджигал» эти вулканы в строгой последовательности. Как будто он двигался вдоль гряды с факелом и зажигал вулканы один за другим. Ученые показали, что так оно и было. Только этот «некто» двигался не рядом с вулканами, а под ними — под литосферой, в мантии. Этим «некто» была мантийная струя. Она и двигалась от одного места к следующему, и так создавалась длинная гряда вулканов. Новый вулкан зажигался тогда, когда предшествующие уже успели потухнуть. Уточним только, что двигалась не мантийная струя под литосферой и земной корой, а литосфера двигалась над струей. К тому же мантийная струя работала не всегда достаточно интенсивно. Так и образовались длинные цепи мертвых вулканов. Добавим только, что место выхода на поверхность Земли мантийной струи называют «горячей точкой». Кстати, зная возраст давно потухших вулканов и расстояние между ними, можно определить скорость движения мантийной струи, а точнее скорость смещения литосферной плиты по отношению к глубоким недрам Земли. Конечно, точность такого определения скорости невелика, но других возможностей пока что нет. А скорости смещения литосферных плит, определенные этим методом, очень правдоподобны. Так, по гряде вулканов Гавайского хребта получена скорость движения литосферной плиты, равная 10 см в год. По различным цепочкам мертвых вулканов специалисты прослеживают смешение литосферных плит за десятки миллионов лет. Особенно важно иметь информацию о движении разных литосферных плит в одно и то же время. Этот метод позволяет получить такую информацию. Определяют не только величину скорости, но и ее направление. Специалисты при этом наткнулись на моменты в геологической истории Земли, когда направление скорости смещения литосферных плит резко менялось. Такие явления (переломные моменты) наступали одновременно для разных плит. То есть происходили некие процессы глобального характера.

Анализ скоростей смещения литосферных плит показал, что плиты более охотно движутся на запад. Если вспомнить, что Земля вращается с запада на восток, то это станет понятным. В сущности, происходит небольшое общее проворачивание на запад всей литосферы Земли относительно нижней мантии и ядра. Почему же происходит отставание литосферы при вращении Земли вокруг своей оси (отставание относительно более глубоких оболочек)? Дело в том, что сила притяжения Луны вызывает приливные волны в атмосфере, гидросфере и литосфере. Конечно, эти волны в литосфере (земной коре) значительно слабее, нежели в океанах и в атмосфере. Но тем не менее, хотя они и явным образом незаметны, они отражаются на движениях литосферных плит. Когда приливная волна образуется в литосфере, то литосфера сопротивляется изгибу. Именно это порождает силы приливного торможения. Именно под действием этих сил при вращении Земли вокруг собственной оси литосфера несколько отстает от вращения более глубоких слоев Земли. Это замедление во вращении земной коры и всей литосферы проявляется и в дрейфе зон расхождения (спрединга). Зоны пододвигания литосферных плит (зоны субдукции) также дрейфуют на запад, хотя и с другими скоростями. Таким образом, те и другие зоны совершают сложные движения: на их расхождения и пододвигания накладывается западный дрейф. Если литосферная плита одним своим концом глубоко уходит вниз, в мантию, и оказывается в наклонном положении, то она оказывается достаточно хорошо застабилизированной. Она как будто находится на мантийном якоре. На движении такой плиты меньше сказывается западный дрейф, она «старается» прокручиваться вместе с нижележащей мантией. Примером таких устойчивых зон служат зоны субдукции (пододвигания) на западе Тихого океана (под островными дугами и желобами на востоке Азии и Австралии), которые круто уходят вниз. Поэтому они глубоко «заякорены» в мантии.

Западный дрейф литосферы можно наблюдать воочию. Вернее, не сам дрейф, а его последствия. Одно из таких последствий — асимметрия Тихого океана. Он с одной стороны обрамляется гирляндами островных дуг, а с другой — берегами континентов.

В результате западного дрейфа произошло и надвигание Северной Америки на Восточно-Тихоокеанское поднятие. Именно это оказало сильное влияние на горообразование и вулканизм в Кордильерах.

В заключение скажем несколько слов о последствиях смещения литосферных плит. Если океаническая плита подползает под континентальную, то это может означать конец континента. Под японские острова с востока, со стороны Тихого океана подползают две океанические литосферные плиты. Обе они находятся очень близко к островам. Это навело на мысль создателей фильма «Гибель Японии» проиллюстрировать то, что неизбежно когда-то произойдет. К счастью, плиты смещаются со скоростью 10 см в год. Поэтому это произойдет через многие миллионы лет. Но произойдет.

СОЛНЦЕ

Космос бесконечен. Но тот космос, о котором чаще всего мы говорим, — это околосолнечное пространство. Ученые его называют гелиосферой («гелио» — Солнце). Это пространство принадлежит Солнцу потому, что оно его заполняет своей плазмой — потоками заряженных и нейтральных частиц. Собственно, это корона Солнца. Мы — дети Солнца и живем в короне Солнца. Все в нашей жизни зависит от Солнца.

Но Солнце является не только источником жизни, но и источником смерти. Собственно, жизнь в околосолнечном пространстве (гелиосфере) возможна только там, где магнитное поле защищает живые существа от солнечной радиации. Земля имеет магнитное поле, магнитную защиту, поэтому на ней и возникла жизнь. Луна магнитного поля не имеет и там нет жизни.

Магнитное поле защищает от одного вида солнечной радиации — заряженных частиц. Их движение направляется магнитным полем. Но имеется и другая солнечная радиация, губительная для жизни, — ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. От них нас защищает атмосфера, в частности озонный слой. Разрушая его, мы подставляем себя под эту радиацию. А это причина раковых заболеваний, катаракт и многого другого. Таким образом, жизнь на Земле, в нашем земном доме, возможна потому, что он устроен по-особому, и, конечно, потому, что есть Солнце. Рассмотрим это подробнее.

Биологическая жизнь на Земле возникла примерно 0,5 млрд. лет назад. Это стало возможным прежде всего благодаря солнечному излучению. За все это время энергия излучения Солнца изменялась незначительно, не более чем в два раза. Если бы эти изменения были более существенными, они отразились бы на земных процессах настолько сильно, что последствия мы обнаружили бы даже в наше время по ископаемым остаткам.

Человек не мог не оценить роль Солнца в его жизни. Он поклонялся Солнцу, понимая, что от него зависит не только его благополучие, но и сама жизнь. И, конечно, он с тревогой ждал нового появления Солнца после его заката. Но древнего человека успокаивала мысль, что Солнце непременно появится снова, что в свое время Солнце поймали в ловушку и заставили исправно исполнять свои обязанности на небе. Так, в многочисленных легендах первобытных народов говорится о том, что до этого Солнце двигалось на небе произвольно.

Особенно тревожило исчезновение Солнца, которое, как мы понимаем, могло происходить во время солнечных затмений, плохой погоды или появления облаков пыли и вулканического пепла. Не понимая истинных причин исчезновения Солнца, наши предки связывали его с разными мотивами. В одних легендах Солнце похищают и заточают в тюрьму, в других — Солнце само исчезает умышленно, чтобы наказать людей за зло, которое они творят на Земле. В египетских легендах ночной путь Солнца представлялся очень драматичным — оно должно каждую ночь проплывать через пещеры внутри Земли, сражаясь с демонами и дикими чудовищами, которые каждый раз пытаются его задержать.

Люди, жившие вблизи полярного круга или за ним (например, эскимосы), наблюдали Солнце или в течение целых суток, или большую их часть. Это было в полярный день. В полярную ночь Солнце надолго скрывалось от них. Они считали, что Солнце в полярный день просто плавает вокруг северного горизонта, и даже тогда, когда его не видно, находится не очень далеко. Об этом говорили северные сияния, которые, по мнению эскимосов, представляли собой отражение солнечных лучей.

Но Солнцу не только поклонялись, за ним наблюдали, пытались понять законы, которым оно подчиняется. Так, древние вавилоняне и халдеи производили многочисленные наблюдения, определяли положение звезд, движение Солнца и планет. Уже с 747 г. до н. э. они составляли таблицы лунных и солнечных затмений. Возможно, они даже могли предсказывать время наступления затмений.

Позднее древние греки пошли значительно дальше, около 434 г. до н. э. Анаксагор высказал мысль, что Солнце представляет собой массу раскаленного камня. За это он был изгнан из Афин. Фалес Милетский предсказал солнечное затмение еще в VI в. до н. э. Он знал, что Луна имеет шарообразную форму, а лунный свет не что иное, как отраженный солнечный свет. Продолжатель Фалеса Пифагор и его ученики разработали модель Солнечной системы, в которой Земля и другие планеты двигались вокруг некоторого центрального тела, которое, правда, отождествлялось не с Солнцем (как это есть на самом деле), а с неким «центральным огнем», который остается невидимым. Но уже в III в. до н. э. Аристарх четко сформулировал, что все планеты, в том числе и Земля, движутся именно вокруг Солнца. Поразительно, что эта истина была повторно возвращена людям Коперником в 1543 г. Аристарх решил также вопрос, почему день сменяется ночью. Он понял, что это происходит вследствие вращения шарообразной Земли вокруг своей оси. Но отцом современной астрономии считают не Аристарха, а Гиппарха, жившего во II в. до н. э. Он измерил (естественно, приближенно) диаметр земного шара, расстояние до Луны и ее объем. Гиппарх объяснил истинную причину солнечных затмений. Он разработал метод определения расстояния до Солнца. Метод сам по себе был правильным, но достижимая точность измерений в то время была недостаточной, чтобы получить правильные величины. Расстояние от Земли до Солнца, определенное Гиппархом, оставалось без изменений вплоть до 1620 г. Последующие изменения этой величины были фактически произвольными. Так, Кеплер в 1620 г. увеличил данные Гиппархом величины размеров Солнца и расстояния от Земли до Солнца в три раза. Никаких явных оснований для этого не было. После этого эти величины увеличивались столь же произвольно еще несколько раз. И только в 1672 г. астроном Кассини установил минимальное расстояние от Земли до Солнца. Эта величина была правильной. Она отличается от современной всего на 10 %. Это было подтверждено наблюдениями за Венерой, когда она проходила по диску Солнца. Смысл этих наблюдений состоит в следующем.

Речь идет именно о Венере не случайно. Наблюдениями было установлено, что угол между лучом зрения на Солнце и на Венеру не превышает 45°. Из равнобедренного треугольника Земля — Венера — Солнце можно без труда установить, что его боковая сторона (то есть расстояние Земля — Венера или Венера — Солнце) равна 0,7 расстояния от Земли до Солнца. Значит, если измерить расстояние от Земли до Венеры, то можно определить и расстояние от Земли до Солнца. Расстояние от Земли до Венеры можно определить так. Когда Венера находится точно между Землей и Солнцем, то мы ее «видим» на диске Солнца. В этом случае определить расстояние до Венеры можно точно так же, как определяют расстояние до объекта, находящегося на земле за каким-то непреодолимым препятствием (озером, рекой). Для этого из двух пунктов проводят измерения углов между лучом зрения на объект и линией, соединяющей точки наблюдения. Зная три элемента треугольника (основание и два прилегающих к нему угла), можно определить все другие его элементы, а значит, и истинное расстояние до объекта. Значит, чтобы определить расстояние до Венеры, надо вести наблюдения за ней из двух по возможности сильно удаленных пунктов. Чем больше эта удаленность, тем выше точность в измерении расстояния.

Зная точно одно расстояние (например, от Земли до Венеры), можно определить все остальные размеры Солнечной системы. Дело в том, что наблюдение углов позволяет составить точную схему системы. Остается только установить ее масштаб. А для этого достаточно знать точно одно расстояние. Удобное положение Венера занимает не часто. Это имело место в последнее время в 1874 и 1882 гг., и в ближайшем будущем это снова произойдет 8 июня 2004 г. и 6 июня 2012 г. Но в принципе, кроме Венеры, можно использовать и положение других планет, например Марса или астероида Эроса.

Мы видим светящийся диск Солнца. Почему он светится? Тот свет, который мы видим, зарождается в центральной части Солнца, которую называют ядром. Там идут ядерные реакции, в которых ядра водорода преобразуются в ядра гелия. При этом излучаются кванты с очень высокой энергией. Такое излучение называют гамма-излучением.

Это гамма-излучение из ядра Солнца пробирается к его поверхности очень медленно. На своем пути оно встречает атомы, которые его поглощают. Но эти атомы тут же вновь излучают кванты. Но энергия их меньше энергии поглощенных квантов. Так на пути к поверхности Солнца кванты света многократно поглощаются и вновь переизлучаются. Поэтому они постепенно теряют свою энергию. Это значит, что частота излучения за время его выхода из ядра Солнца на его поверхность уменьшается. Когда излучение выходит наружу, оно становится видимым. Его мы и воспринимаем как Солнце.

Наблюдая с Земли Солнце, мы не видим, что видимый свет исходит не из поверхности, а из слоя определенной толщины. Этот слой называют фотосферой, то есть сферой света. Толщина фотосферы около 300 км.

Энергия из солнечного ядра к его поверхности переносится не только излучением. Имеется и другой способ передачи энергии от очень сильно нагретого слоя в недрах Солнца (несколько миллионов градусов) к относительно холодной его внешней части (всего 6000 градусов). Один из маститых ученых-специалистов по Солнцу сказал, что в данном случае происходит то же, что и в накаленной сковородке с овсяной кашей. Говоря проще, происходит кипение. В сущности, происходит перемешивание, благодаря которому тепло переносится от более горячих областей к менее горячим. Ученые такое перемешивание называют конвекцией.

Под видимой поверхностью Солнца находится слой солнечного газа, который кипит. Эту зону называют зоной конвекции, перемешивания солнечного вещества. Собственно, это перемешивание можно частично наблюдать с помощью телескопов. Когда горячие струи солнечного газа поднимаются к солнечной поверхности, их верхушки видны как более яркие участки фотосферы. Они горячее, поэтому и ярче. Те газы, которые успели охладиться, более темные. Они опускаются вниз. Яркие области в фотосфере имеют размеры около 700 км. Их называют гранулами. Гранулы прямо на глазах возникают и в течение нескольких минут исчезают.

Солнце не ограничивается тем ярким диском, который мы видим. Во время солнечных затмений, когда свет солнечного диска не режет нам глаза, можно видеть свечение за пределами диска. Это говорит о том, что Солнце имеет свою атмосферу.

Самую нижнюю часть солнечной атмосферы назвали хромосферой, то есть окрашенной сферой. Причиной этого послужила красно-оранжевая окраска газа. Здесь преобладает водород, а он светится красным светом. Плотность газа здесь очень малая, в сотни раз меньше плотности воздуха вблизи поверхности Земли.

Красно-оранжевый цвет хромосферы придает ей очень экзотический вид. Если наблюдать хромосферу в телескоп, то можно увидеть картину, которую сравнивают с горящей прерией. Языки красного пламени то и дело взметаются над поверхностью. Чем выше в атмосфере, тем солнечный газ более подвижен.

Выше хромосферы находится корона Солнца. Она непостоянна. Плотность вещества в короне очень малая — в миллиарды раз меньше плотности воздуха вблизи Земли. Температура газа в короне достигает миллиона градусов.

Поскольку фотосферу Солнца, то есть его видимую поверхность, человек мог наблюдать с Земли с самого начала своего существования, и без всяких приборов и инструментов, то неудивительно, что самые ранние сведения о Солнце — это сведения о фотосфере. На Солнце человек заметил пятна. Описания пятен на Солнце содержатся в древних китайских летописях, арабских и армянских хрониках, в русских летописях. Так, в Никоновской летописи за 1371–1372 гг. читаем: «…бысть знамение на Солнце, места черные на Солнце, аки гвозди… Сухомень бысть велика, и зной и жар много, яко устрашились и вострепетали людем, реки много пересохше, и озера и болота, леса и боры горяху, и земля горяше. И бысть страх и трепет на всех чеповецах, и бысть тогда дорогонь велика и глад великий по всей земле…» Теперь мы знаем на основании научных данных, что в это время был наиболее интенсивный период в активности Солнца за все время с 684 г. до н. э. и до наших дней. Но мы еще должны разобраться в том, что такое солнечная активность.

Солнечные пятна наблюдались далеко не всегда. Поэтому об этих редких событиях и записывали в хрониках и летописях. Правда, не только поэтому, а и потому, что эти периоды представлялись зловещими, они как будто предвещали большие беды, как это мы читаем в Никоновской летописи. Ясно, что без телескопов, невооруженным глазом люди могли наблюдать только выдающиеся образования на Солнце. Пятна меньших размеров оставались незамеченными.

Положение в корне изменилось с появлением первого телескопа (подзорной трубы). Наблюдения солнечных пятен в телескопы началось в начале XVII в. Их проводили практически одновременно итальянец Галилео Галилей, голландец Иоганн Фабрициус и немецкий профессор-иезуит Христофор Шейнер. Уже в 1611 г. появилась отдельная книга о солнечных пятнах. Ее написал Иоганн Фабрициус. В этой книге сообщались очень важные факты. Оказалось, что пятно со временем смещается на видимом диске Солнца, оно постепенно сдвигается к западному краю диска и затем исчезает за ним. Через определенное время (примерно две недели) то же самое пятно появится снова, но на противоположном, восточном, краю диска. Значит, мы видим то же самое пятно Солнца потому, что само Солнце вращается. Так еще в начале XVII в. было установлено, что Солнце вращается вокруг своей оси.

Шейнер открыл солнечные пятна в 1611 г., а Галилей — годом раньше. Но первым опубликовал свое открытие Фабрициус. Между учеными развернулся спор о природе солнечных пятен. Галилей и Фабрициус считали, что пятна представляет собой образования на самом Солнце. Шейнер отстаивал точку зрения, согласно которой пятно не что иное, как проекция планеты на солнечный диск. Некоторые современные исследователи считают, что точка зрения Шейнера определялась его должностью профессора-иезуита. Так ли это?

Разгадать природу солнечных пятен не удалось ни одному из трех ученых. Предстояло еще многие узнать о них путем многолетних наблюдений, прежде чем природа солнечных пятен стала проясняться. Шейнер проводил наблюдения солнечных пятен вплоть до 1627 г. и результаты своих наблюдений описал в объемном труде. Примерно в это же время (1626 г.) включился в эту работу добровольно и самоотверженно скромный немецкий аптекарь Генрих Швабе. По современной терминологии, наблюдение за Солнцем было хобби Швабе. Ученые называют таких энтузиастов астрономами-любителями. Астрономия очень многим обязана им. Они на свои средства и без всякого за то вознаграждения дали науке очень много полезных (порой незаменимых) наблюдательных данных. Незаменимых потому, что велись эти наблюдения с поразительной настойчивостью и постоянством. Так, начиная с 1726 г. и до своей кончины Генрих Швабе независимо от своего самочувствия направлял свой телескоп на Солнце и вел в журналах детальные записи обо всем увиденном на солнечном диске.

Только после 17 лет наблюдений Г. Швабе решил опубликовать свои результаты. Они состояли в том, что количество пятен на Солнце меняется во времени. Мало того, оно меняется периодически. Так, примерно каждые 10 лет число солнечных пятен достигает максимальной величины, после чего в течение примерно пяти лет постепенно уменьшается, достигая самой малой величины. После этого минимума число пятен снова увеличивается (также на протяжении пяти лет) и достигает своего максимума.

Много лет результаты Швабе оставались незамеченными в ученом мире даже после их опубликования в 1743 г. Только благодаря знаменитому Александру Гумбольту эти результаты стали широко известными. Он описал их в своей книге «Космос», которая вышла в свет спустя 8 лет после публикации самого Г. Швабе. С этого момента начинается новый этап в изучении солнечной активности, который продолжается и в наше время. Он связан неизменно с именем Рудольфа Вольфа.

Р. Вольф был астрономом в Цюрихской обсерватории. Он заинтересовался наблюдениями Г. Швабе и открытой им цикличностью в изменении числа солнечных пятен. Дополнительно к этим данным он взял все другие данные наблюдений за солнечными пятнами, которые к тому времени уже имелись. Мало того, он изучил также описания солнечных пятен, которые имелись в различных хрониках. Результаты своего анализа Вольф обнародовал в 1892 г. Главный из них гласил, что число солнечных пятен на видимом диске Солнца меняется с периодом 11,1 года. Стало очевидным, что проблема не только интересна, но и важна. Став директором Цюрихской обсерватории, Р. Вольф организовал систематические наблюдения (официальные, а не любительские) за солнечными пятнами. Проблема оказалась действительно очень важной. Собственно, это можно было понять уже из того, что в летописях и хрониках периоды, когда на Солнце были видны огромные пятна, совпадали с разительными изменениями в привычном ритме Земли. В эти периоды были потрясающие засухи, землетрясения, извержения вулканов и другие бедствия. Они сопровождались различными эпидемиями и пандемиями, уносящими многие тысячи жизней.

Но Вольф понял актуальность проблемы солнечных пятен не только на основании изучения хроник и летописей. Он, естественно, захотел связать события на Солнце и с явлениями в природе, в окружающем Землю пространстве. Это такие явления, как полярные сияния, свечение атмосферы Земли в высоких широтах и возмущения магнитного поля Земли.

Р. Вольф установил, что имеется связь между этими явлениями и солнечными пятнами. В прошлом столетии, до Вольфа и после него, были установлены многие зависимости от числа солнечных пятен. Так, еще в 1844 г. ученый Гаутьер установил, что температура воздуха у земной поверхности, а также температура воды зависят от числа солнечных пятен. Позднее, в 1872 г. было показано Мелдруном, что от числа солнечных пятен зависит частота бурь, ураганов и смерчей, а также количество осадков. Малпе в 1858 г. обнаружил, что с числом солнечных пятен связаны определенным образом и землетрясения, а Зенгер в 1887 г. опубликовал данные о связи между частотой гроз и числом солнечных пятен.

Ученые вели интенсивные наблюдения за растительным и животным миром. Для установления связи с числом солнечных пятен использовались статистические данные о росте растений и развитии животноводства. Оказалось, что с числом солнечных пятен тесно связано количество добываемого вина (установлено в 1878 г.), толщина годовых колец деревьев (1892 г.), величина улова рыб, а также размножаемость и миграции насекомых. Оказалось, что с числом солнечных пятен связано даже количество скоропостижных смертей. Эта связь была установлена уже в 1910 г. Были установлены и другие зависимости. Перечислять их здесь мы не будем. И из уже сказанного ясно, что солнечные пятна являются неким феноменом, который оказывает влияние на многие процессы как на Земле, так и в околоземном пространстве.

Солнечные пятна по своей структуре напоминают воронки от снарядов. Глубина их примерно 1000–1500 км. Самая глубокая часть пятна (дно или ядро) — самая темная. Ее называют тенью. Тень окружена полутенью. Чем меньше температура солнечного вещества, тем оно темнее. Температура поверхности Солнца равна примерно 6000°. В центральной части пятна она меньше на 1000–1500°. В области полутени, то есть на склонах воронки, температура больше, чем на дне пятна, но меньше, чем вокруг пятна. Размеры среднего пятна сравнимы с размерами нашей Земли.

Мы привели средние характеристики солнечного пятна. На самом деле пятна бывают различные. Наблюдались, например, пятна, размеры которых были в 15–20 раз больше средних, приведенных выше. В поперечнике они достигали 200 тысяч км. Такое разнообразие в солнечных пятнах связано с их развитием, со временем их существования.

Солнечное пятно может существовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Самые маленькие пятна, называемые порами, имеют диаметр, равный нескольким стам километров. А самая большая группа солнечных пятен, которую наблюдали на Солнце в апреле 1977 г., занимала площадь, равную 1500 млрд. квадратных километров! В такую область можно было бы поместить не менее 100 земных шаров. Те пятна, которые наблюдали наши предки невооруженным глазом, должны были иметь в поперечнике не менее 40 000 км. Пятна возникают и исчезают. Пора постепенно превращается в пятно, которое увеличивается. Затем появляется парное пятно, а также другие пятна группы. С течением времени основные пятна группы постепенно удаляются друг от друга. В какой-то момент стадия роста заканчивается. Группа пятен достигает максимальных размеров. После этого начинается распад всей группы и отдельных пятен. Эта стадия всегда более продолжительна, чем стадия роста. Дольше всего противостоит распаду головное пятно. Оно сохраняет правильную форму даже после исчезновения хвостового и других пятен группы.

Чаще всего пятна появляются группами или по крайней мере парами. Бывают большие группы пятен. В них входят кроме больших много мелких пятен. Но основными в группе являются два пятна. Одно из них является головным, а парное ему — хвостовым. Головное пятно то, которое находится в голове движения из-за вращения Солнца. Головное пятно является более устойчивым. Если наблюдается одно пятно, то это значит, что парное ему пятно уже успело разрушиться. Оно всегда более короткоживучее.

Солнечные пятна образуются не по всему солнечному диску. В полярных областях Солнца их практически не наблюдал никто. В редких случаях они появлялись на широтах больше 50°. Эти пятна были очень мелкими и неустойчивыми. Вблизи солнечного экватора в пределах 10-градусной полосы пятна также практически не наблюдаются. Зоны на Солнце, в которых появляются пятна, были названы «королевскими». Солнечные пятна — только «нижний этаж» активной области, которая охватывает по высоте всю солнечную атмосферу. Что же представляет собой «вся постройка»?

Солнечные пятна окружены светлыми волокнистыми образованиями — фотосферными факелами. Они более яркие, поскольку температуры вещества в них выше температуры окружающей их среды. В областях фотосферных факелов имеется довольно сильное магнитное поле и интенсивные движения вещества вдоль силовых линий этого поля.

Факелы в фотосфере продолжаются вверх факельными «площадками», которые пронизывают не только фотосферу, но и хромосферу.

С ростом высоты все «строение» факельных площадок расширяется. Если в фотосфере поперечник его составляет примерно 700 км, то на границе хромосферы с короной он достигает 15 тысяч км.

Факельные площадки зарождаются, растут, распадаются и исчезают. Этот процесс идет согласованно с развитием самих пятен. С появлением солнечных пятен яркость площадок усиливается, особенно вблизи пятен и пор. Растет их площадь. С разрушением пятен факельные площадки становятся менее компактными и контрастными. Они рыхлеют и расползаются в ширину. Через некоторое время они и совсем расплываются.

Каркасом всего этого строения, как и самого солнечного пятна, является магнитное поле. Оно возникает первым, а исчезает последним. Оно сохраняется еще довольно продолжительное время после того, как факельная площадка становится невидимой.

Неотъемлемой, если не самой важной, частью активной области на Солнце являются солнечные вспышки. Момент их появления есть некая кульминация. Собственно, вспышки на Солнца — это мощные ядерные взрывы. Поэтому первое время их так и называли — эрупциями, то есть взрывами. Это название, конечно, больше отражало существо происходящего в активной области.

Солнечная вспышка, как усиление волнового излучения Солнца, длится всего несколько минут. Очень редкие вспышки длятся десятки минут. Во время вспышки усиливается излучение почти во всех диапазонах: от жестких рентгеновских лучей до километровых радиоволн. При этом усиливается и видимое излучение. Область вспышки примерно на 50 % ярче фотосферы. Иногда усиливается и более коротковолновое излучение — гамма-лучи. Общая площадь, занятая вспышкой, может достигать примерно 3600 млн. квадратных километров, а иногда и больше.

Взрыв в солнечной атмосфере приводит к выбросу из нее в межпланетное пространство потоков заряженных частиц. Другими словами, в это время усиливается корпускулярное излучение Солнца. Некоторые выбросы остаются подвешенными в солнечной атмосфере. Они могут существовать несколько минут. Их называют взрывными протуберанцами. Имеются и спокойные протуберанцы (облака плазмы), которые существуют даже несколько месяцев. Структура солнечной атмосферы показана на рис. 4.

Кроме локальных магнитных полей активных областей Солнца, оно, как и Земля, имеет общее магнитное поле. Это поле в сотни и тысячи раз меньше локальных полей, например, полей солнечных пятен. Оно составляет всего около 1 Гс. Это только в два раза больше магнитного поля Земли. Тем не менее общим магнитным полем Солнца нельзя пренебрегать. Оно играет важную роль в движении заряженных частиц от Солнца к Земле.

Силовые линии солнечного магнитного поля выходят из северного полушария и входят в южное. В экваториальной плоскости силовые линии очень сильно вытянуты в направлении от Солнца. Здесь образуется экваториальный нейтральный (в смысле магнитного поля) токовый слой. Он располагается не строго в экваториальной плоскости. Земля при своем движении вокруг Солнца проходит то выше, то ниже нейтрального гофрированного токового слоя (рис. 5).

Когда Земля находится выше, на ее орбите силовые линии направлены от Солнца к Земле. Когда же Земля проходит ниже токового слоя, они направлены к Солнцу. Следовательно, орбита Земли проходит участки, в которых межпланетное магнитное поле направлено попеременно — то от Солнца, то к нему. Другими словами, оно имеет секторную структуру. Те сектора, в пределах которых межпланетное магнитное поле направлено к Солнцу, называются отрицательными и обозначаются знаком «-». Сектора с магнитным полем, направленным от Солнца, называют положительными и обозначают знаком «+» (рис. 6).

За счет того, что Солнце вращается вокруг своей собственной оси, силовые линии его магнитного поля закручиваются и принимают форму спиралей Архимеда. Поэтому, кроме радиальной составляющей межпланетного магнитного поля, имеется и поперечная (азимутальная) его составляющая.

Имеется и третья составляющая межпланетного магнитного поля. Она направлена или вверх или вниз относительно нейтрального токового слоя.

Секторная структура межпланетного магнитного поля сохраняется практически неизменной продолжительное время. Она «жестко» связана с Солнцем. Может наблюдаться от 3 до 6 секторов.

Что же изменяется ритмически (циклически) на Солнце?

Это, прежде всего, число солнечных пятен. Г. Швабе установил, что количество солнечных пятен то увеличивается, то уменьшается. В распоряжении Г. Швабе были данные собственных наблюдений за 17 лет. Рудольф Вольф, профессиональный астроном, впоследствии директор Цюрихской обсерватории, собрал все доступные сведения о числе солнечных пятен. Он проанализировал все данные наблюдений с помощью телескопов. Г. Галилей проводил такие наблюдения, начиная с 1610 г. Но они не были регулярными. Р. Вольф привлек к анализу и сведения о солнечных пятнах, которые содержались в древних летописях и других исторических памятниках.

Р. Вольф не просто подсчитывал число всех пятен на Солнце. Он учитывал, сколько имеется групп солнечных пятен и сколько пятен являются одиночными. Он подсчитывал число групп солнечных пятен и умножал их на десять, а к этому числу прибавлял число единичных пятен. Так получалось некоторое число, которое называют сейчас числом Вольфа.

Число пятен, которое можно наблюдать на видимой части Солнца, зависит от телескопа, с которого ведут наблюдения. Чем сильнее телескоп, тем больше видно на Солнце пятен. Поэтому при подсчете числа солнечных пятен это надо учитывать.

Когда Р. Вольф проанализировал, как меняется введенное им число солнечных пятен от года к году, то получил, что наибольшее число солнечных пятен повторяется через 11,1 лет. Но это в среднем. В отдельных случаях эти периоды сильно отличаются от этой среднем величины (в пределах 7—17 лет). Поэтому надо говорить не о периодическом, а о циклическом изменении солнечной активности. Таким образом, имеется одиннадцатилетний цикл солнечной активности. Продолжительность его может быть как меньше, так и больше 11 лет.

Имеется периодичность не только в числе солнечных пятен, но и в их положении. В течение 11-летнего цикла положение солнечных пятен меняется следующим образом. В начале солнечного цикла, когда солнечных пятен очень мало, они появляются на наибольшем удалении от экватора, то есть на широтах около 30° севернее и южнее солнечного экватора. Затем от года к году они появляются ближе и ближе к экватору и к концу данного цикла солнечные пятна достигают самой меньшей широты. Если это изобразить на рисунке в виде графика, то положение солнечных пятен в продолжение одного 11-летнего солнечного цикла образуют фигуру, напоминающую бабочку. Любопытно, что при минимальном числе солнечных пятен пятна старого цикла появляются на самых меньших широтах (вблизи экватора), а пятна нового цикла — на наибольшем удалении от экватора. Именно по этому признаку можно очень уверенно определить начало нового солнечного цикла.

Каждый солнечный 11-летний цикл имеет свой порядковый номер. Отсчет первого 11-летнего цикла начался с 1755 г. Солнечная активность с 1610 г. показана на рис. 7. Есть еще одна периодичность, которая проявляется на Земле и также связана с солнечными пятнами. Каждое солнечное пятно пронизано магнитным полем. В одних пятнах магнитное поле направлено вниз, внутрь Солнца, а в других — вверх. В парных пятнах магнитное поле единое. Оно выходит из одного пятна и входит в другое.

Когда были проанализированы магнитные поля солнечных пятен, то оказалось, что их направления меняются периодически. Во-первых, в северном и южном полушариях направления магнитных полей противоположны. Во-вторых, с окончанием одного цикла и началом следующего цикла все направления магнитных полей меняются на противоположные. Таким образом, все повторяется не через 11, а через 22 года, то есть через два 11-летних солнечных цикла. Забегая вперед, скажем, что с таким периодом повторяются многие земные процессы (рис. 8).

Были открыты и циклы с большими периодами. В конце прошлого века был установлен солнечный цикл продолжительностью примерно 80 лет. Его назвали вековым. О его существовании на протяжении всей нашей истории свидетельствуют и хроники. Примерно каждые 80–90 лет солнечная активность была особенно высокой.

Ритмические изменения на Земле позволили открыть солнечные ритмы большей продолжительности. Но о таких ритмах свидетельствует и ход событий в околоземном пространстве. Так, изменение толщины годичных колец долгоживущих деревьев (например, секвойи) проявляет 600-летний цикл. Он несомненно связан с Солнцем. Но такой же цикл был установлен и по наблюдениям комет. Какая тут может быть связь? Она имеется и понять ее можно так.

Чем больше пятен на Солнце, тем больше его активность, тем больше оно выбрасывает в межпланетное пространство солнечного газа. В результате усиливается свечение комет. Поэтому один раз в 600 лет кометы наблюдались чаще.

Имеются и более продолжительные солнечные циклы. Практически не вызывает сомнения существование солнечного цикла продолжительность в 1800 лет. Этот цикл был обнаружен по геологическим, геофизическим и физико-географическим данным. В истории были периоды, когда солнечная активность длительное время находилась на очень низком уровне. Один из таких периодов длился с 1645 по 1716 г. (рис. 9).

В течение 70 лет на Солнце образовалось меньше пятен, чем в течение только одного года при самой низкой активности Солнца. Те немногочисленные пятна, которые все же появились, образовывались только в приэкваториальной полосе. Тем не менее Р. Вольф установил, что и в этот период проявлялся 11-летний цикл солнечной активности.

Этот период сейчас называют минимумом Маундера, по имени английского исследователя, изучавшего его. Сам Маундер писал: «Так же, как в сильно затопленной местности самые возвышающиеся области еще будут поднимать свои головы над паводком, и штиль — здесь, холм, башня или дерево — там, способны дать очертания конфигурации затопленной равнины, годы с пятнами, по-видимому, выделяются как кресты затонувшей кривой пятен». Земные процессы в этот период протекали совсем не так, как до и после него.

Несмотря на то, что в это время не велись регулярные инструментальные наблюдения Солнца, сведения о солнечной активности имеются. И не только в летописях. Их содержит в себе радиоактивный изотоп углерода 14С. Суть дела состоит в следующем.

При высокой солнечной активности межпланетное пространство заполнено более плотным солнечным ветром. При низкой солнечной активности эта плотность меньше. К Земле непрерывно приходят из космоса заряженные частицы высоких энергий. Поскольку они происходят не из Солнца, а пронизывают всю Галактику, их называют галактическими космическими лучами. Чтобы попасть на Землю, эти лучи должны преодолеть межпланетное пространство. Чем больше плотность солнечного ветра, тем сделать это труднее. Поэтому при высокой солнечной активности интенсивность галактических космических лучей на Земле меньше. Под действием галактических космических лучей увеличивалось количество радиоактивного углерода 14С.

Чем можно объяснить существование этого периода? Оказалось, что за некоторое время до столь сильного снижения солнечной активности, в 1642–1644 гг. Солнце вращалось быстрее, чем обычно, чем сейчас. Причем увеличение скорости вращения Солнца вокруг своей оси произошло резко, внезапно.

Солнце вращается вокруг своей оси весьма необычно. Ведь резко увеличилась угловая скорость вращения Солнца только вблизи его экватора. В высоких широтах северного и южного полушарий Солнца оно продолжало вращаться с прежней скоростью. Такое не может произойти с Землей или другой планетой до тех пор, пока она остается единым твердым телом. Но суть дела как раз и состоит в том, что Солнце не является твердым телом. Оно является газовым шаром.

Маундеровский минимум солнечной активности не является единственным. До него наблюдался еще один почти такой же период низкой солнечной активности. Он длился сто лет, от 1450 до 1550 г. До этого также наблюдались периоды очень низкой солнечной активности, которые группировались вблизи таких годов; 400, 750, 1400, 1850 и 3300 гг. до нашей эры. Кроме этих периодов с очень низкой солнечной активностью имели место и периоды с очень высокой солнечной активностью. Мы также живем в период очень высокой солнечной активности. Ведь уже в течение шести 11-летних циклов солнечная активность в максимумах циклов очень высокая.

Периоды очень высокой солнечной активности были и раньше. Например, такой период очень высокой солнечной активности имел место в 1100–1250 гг. Солнечная активность за этот период была измерена с помощью определения количества радиоактивного углерода в древесине.

Поскольку изменение солнечной активности проявляется во многих явлениях на Земле и в околоземном пространстве, то можно по этим явлениям определить солнечную активность. Английский исследователь Дж. Шове собрал все возможные сведения о солнечных пятнах. Использовал он и данные о ритмах земных процессов. Так, Дж. Шове составил изменение солнечной активности за период от 200 лет до н. э. и до наших дней. За это время прошло 198 одиннадцатилетних циклов. Примерно 600 лет тому назад на Земле произошло сильное похолодание. С того времени зеленая страна Гренландия (об этом говорит ее название) постепенно стала страной, покрытой льдами.

Вопросом вопросов солнечной активности является ее причина. Если бы не наблюдалось столь четко выраженной периодичности (цикличности) с разными периодами, то можно было бы успокоить себя тем, что процесс идет в виде отдельных взрывных фаз, что было бы вполне естественным. Но вспомните, как четко меняется каждые 11 лет строй магнитных вихрей (бубликов) в обоих полушариях. 11 лет силовые линии в них направлены в одну сторону, еще 11 — в противоположную, затем все повторяется, то есть все повторяется через 22 года. А регулярное сползание солнечных пятен с широт 25°—30° на широты 8°—12°! Ведь это происходит очень регулярно и неизменно. По широте, на которой появляются солнечные пятна, можно уверенно говорить, на какой стадии, фазе солнечного цикла мы находимся сейчас. Недаром наиболее точно определяется продолжительность солнечного 11-летнего цикла именно по широтному смещению областей, где образуются солнечные пятна. Так что же командует всей технологией рождения солнечных пятен, а значит, и всей солнечной активности? Кстати, к перечисленным выше неординарным свойствам надо причислить тот факт, что солнечные пятна не образуются в высоких широтах, а только в двух широтных зонах между 30° и 80° северного и южного полушарий Солнца.

Все эти факты наводят на мысль, что образование пятен связано с движением Солнца. Но говорить о движении Солнца отдельно от других тел солнечной системы нельзя. Ведь все они завязаны в единое целое, недаром они составляют «систему».

Более глубоко это можно понять на более простом примере системы физических маятников. Пусть мы вначале имеем один физический маятник, представляющий собой подвешенный на нитке (или стержне) грузик. Если раскачать этот грузик и отпустить, то он будет какое-то время раскачиваться с определенным периодом. Через какое-то время из-за потерь кинетической энергии на преодоление сил трения размах колебаний будет становиться все меньше и меньше и наконец — маятник перестанет раскачиваться. Далее потери энергии на преодоление силы трения рассматривать не будем: нам нужен пример, близкий к движению планет. Усложним пример. Возьмем два маятника с разными длинами (то есть с равными собственными периодами колебания). Затем соединим их подвесы резинкой или пружинкой. Раскачаем один из них и будем наблюдать, как будет себя вести второй маятник, находящийся вначале в неподвижном состоянии. Вскоре мы убедимся, что он также начнет постепенно раскачиваться: часть энергии первого маятника через резинку передается второму и заставляет его раскачиваться. Но теряя свою энергию, первый маятник будет продолжать колебания все с меньшим размахом. Когда он отдаст всю свою энергию, он остановится. Зато в это время второй маятник будет колебаться с максимальным размахом. Получается, что они поменялись местами в смысле своих колебаний. Далее все повторится: энергия от второго маятника будет благодаря существующей связи между ними передаваться к первому. И так без конца (если нет потерь энергии на преодоление сил трения).

Основной вывод из этого бесхитростного эксперимента состоит в том, что колебания двух маятников, связанных между собой, не являются независимыми, а представляют собой колебательную систему, единое целое. Чтобы приблизиться к нашей солнечной системе, нам надо мысленной эксперимент усложнить. Например, возьмем столько же маятников, сколько имеется планет. Подвесим их к одному и тому же месту (Солнцу) и начнем их раскачивать с самого начала произвольным образом. Не забудем все их соединить соответствующими резинками или пружинами. Ими реально служат силы притяжения планет между собой: каждая планета притягивается не только Солнцем, но и каждой другой планетой. Ясно, что соединенные таким образом колеблющиеся маятники представляют собой единую колебательную систему, ни один из маятников не может совершать колебания, не считаясь с колебаниями всех других маятников. Все это абсолютно справедливо и для нашей Солнечной системы. Если такая колебательная система, состоящая из маятников, не теряет энергию на преодоление сил трения, то она через строго определенное время придет в такое состояние, когда перетек энергии через связи будет установившимся. Система придет в такое состояние, при котором каждый маятник будет колебаться со своей неизменной частотой. Причем связь между этими частотами всегда во всех установившихся колебательных системах очень простая. Такая система является синхронной. Когда частоты системы установились, они являются резонансными. Расчеты показывают, что Солнечная система почти полностью достигла резонансного состояния. Частоты ее планет и спутников отличаются всего на полтора процента от идеально резонансных. В резонансной колебательной системе частоты колебаний являются соизмеримыми. Частоты колебаний отдельных маятников (планет) или равны друг другу, или кратные, или же находятся в рациональных отношениях. Так, например, удвоенная частота Юпитера равна упятеренной частоте Сатурна. Это справедливо и для спутников. Так, сумма частоты спутника Юпитера Ио и удвоенной частоты спутника Ганимеда равна утроенной частоте спутника Европы.

Резонансный режим Солнечной системы проявляется не только в соизмеримом состоянии частот. Кроме резонансных частот имеются и резонансные фазы этой колебательной системы. Как это понимать? Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одной плоскости — плоскости эклиптики. Каждая планета, делая один оборот вокруг Солнца, проходит угол в 360°. Если она проходит пол-оборота, то этот угол равен 180°. Этот угол, проходимый планетой, и является фазой, стадией ее колебательного движения. Но поскольку речь идет не о разных независимых планетах, а о единой колебательной системе, то фазы всех планет надо отсчитывать от одного и того же значения. Так как планеты вращаются вокруг Солнца, то этот отсчет надо связывать с Солнцем. Допустим, все планеты выстроились на одной линии, но на разных удалениях от Солнца. Здесь их фаза равна нулю. Пусть это направление соответствует нулевой долготе Солнца, так называемой гелиоцентрической долготе. После этого всем планетам дан старт. Фаза каждой из них стала увеличиваться по-разному, в зависимости от величины скорости их обращения вокруг Солнца. Ровно через 179 лет ситуация повторится: все планеты снова выстроятся в одну линию. Последний раз такое событие наблюдалось в 1982 г. Так вот, оказывается, что имеются определенные фазы, то есть направления, которые были также названы резонансными. Эти направления соответствуют определенным солнечным долготам. Чем эти фазы знаменательны? Тем, что в этих направлениях процессы на Солнце (оно также входит в единую колебательную резонансную систему) наиболее неустойчивы. Значит, на этих долготах в солнечной атмосфере, фотосфере и конвективной зоне процессы, вызванные неустойчивостями, должны развиваться более активно. Как же на самом деле? Ученые в течение многих лет обсуждают проблему активных долгот на Солнце. Суть этих долгот состоит в том, что в определенных долготных интервалах солнечные пятна (а значит и все строение активной области) образуются чаще, чем на других долготах. На активных долготах чаще образуются активные области, чаще происходят взрывы — солнечные вспышки. Отсюда больше выбрасывается в межпланетное пространство, а значит и к Земле, заряженных частиц и волнового излучения. Но оказалось, что активные долготы на Солнце, хотя и весьма стабильны даже в течение десятилетий, все же совершают как бы колебательные движения в ту и другую сторону. Это значит, что резонансные фазы, которые соответствуют активным долготам на Солнце, меняются со временем. Собственно, так и должно быть в колебательной системе, которая еще до конца не зволюционизировала.

Естественно, всех на Земле интересует, какие события, изменения произойдут в близком и далеком будущем в атмосфере, гидросфере, как изменится погода, климат, урожайность и т. д. и т. п. Этот интерес не является праздным, он естественен, поскольку от всех этих условий зависит наша жизнь и жизнь наших внуков. Человеку надо научиться предсказывать, прогнозировать наступление этих периодов, чтобы правильнее, надежнее организовать производство, сельское хозяйство и всю свою жизнь. Наконец, это нужно для того, чтобы понять прошлое, так как жизнь людей и все, что происходило на нашей планете в прошлые века и тысячелетия, определялось также и условиями в космосе, на Солнце и в межпланетном пространстве.

Таким образом, вопрос резонансных фаз или активных долгот не является чисто умозрительным. Он самым тесным образом связан с возможностью прогнозирования тех процессов на Солнце, которые оказывают влияние на нашу жизнь.

О том, что именно планеты оказывают влияние на процессы в солнечной атмосфере, догадался еще Р. Вольф. На это были веские основания. Например, продолжительность солнечного цикла оказалась равной периоду обращения Юпитера. Исследования влияния планет на солнечную активность проводились активно до половины нынешнего столетия. Затем часть ученых начала отдавать предпочтение поискам причин солнечной активности внутри самого Солнца. Отношение к влиянию планет в какой-то мере стали путать с астрологией. К сожалению, у части недальновидных специалистов такое отношение к проблеме осталось до сих пор. Они готовы зачеркнуть целый этап в решении данной проблемы, который длился несколько десятилетий. Так, Ю. И. Витинский пишет: «Однако все эти работы дали гораздо больше для развития математики, чем для изучения солнечной активности». Несомненно, прав Л. И. Мирошниченко, сказав, что «до сих пор не предложено никакого механизма внутрисолнечного происхождения, объясняющего сложный квазипериодический и многочастотный характер солнечной активности». Однако уже в 60-е гг. исследования влияния планет на солнечную активность стали вновь развиваться. Кроме изложенных выше результатов по изучению Солнечной системы как резонансной колебательной системы, широко изучалось влияние геометрического положения планет. Суть дела здесь состоит в следующем. Каждое тело имеет свой центр тяжести. Он имеет ясный физический смысл. Например, если подвесить тело за центр тяжести, то оно вращаться не будет. Если имеется два тела, то можно определить их единый центр тяжести. При этом они не должны смещаться друг относительно друга. Конечно, если их взаимное расположение меняется, то меняется и положение центра тяжести этих двух тел. То же самое справедливо и для системы нескольких тел, например, Солнечной системы. Солнце намного тяжелее всех планет, взятых вместе. В нем содержится 99 % всей массы Солнечной системы.

Если планеты распределены в плоскости эклиптики (вокруг Солнца) «равномерно», то центр тяжести Солнца почти совпадает с центром тяжести всей Солнечной системы. «Почти» — потому, что добиться полной равномерности нельзя. Если же планеты с большими массами (планеты-гиганты) выстроятся в один ряд по одну сторону от Солнца, то центр тяжести Солнца сместится относительно центра тяжести всей Солнечной системы. Величина этого смещения может достигать 2,19 радиуса Солнца. Это существенно изменит характер движения самого Солнца. Кроме того, что оно вращается вокруг своей оси, оно обязано совершать обороты вокруг общего центра масс всей системы, в которую оно входит. Это дополнительное движение служит толчком к возникновению различного рода неустойчивостей в солнечной плазме, что в конечном счете приведет к усилению солнечной активности. Ясно, что здесь важна не сама скорость, а изменение ее во времени, то есть периоды наибольшего замедления или ускорения (рис. 10).

Можно сделать такой простой чисто иллюстративный расчет. Будем считать, что имеются только две планеты, движущиеся по своим орбитам с равномерными, но разными скоростями. Далее рассчитаем те моменты, когда они «соединятся», то есть выйдут на одно и то же направление, проходящее через Солнце. Так можно рассчитать ситуацию (время соединения и относительную угловую скорость одной планеты относительно другой) для различных пар планет, например, Сатурн — Юпитер, Сатурн — Уран, Нептун — Уран, Нептун — Плутон. Тогда получим интервалы времени, через которые происходит соединение указанных пар планет, соответственно равные 19, 858, 45, 365, 171, 428 и 481, 233 гг. Указанные четыре периода еще не являются периодами солнечной активности. Из приведенного выше периода, равного 171,4 г., можно определить продолжительность солнечного цикла в 86 лет. Это вековой цикл. Для того, чтобы получить циклы продолжительностью в 11 и 22 гг., надо рассчитать соединения Юпитера, Сатурна и Урана, а также учесть приливные воздействия на солнечную атмосферу планет земной группы. С приливами все мы хорошо знакомы на примере морских приливов. Может не все знают, что имеются также атмосферные приливы. Вся они возникают под действием сил притяжения Солнца и Луны. Естественно ожидать, что и Земля (а также другие планеты) будут оказывать приливное действие на вещество Солнца. Но поскольку масса Земли небольшая, то и результат будет не столь заметный, как при действии солнечных приливов на Земле. Приливы, вызываемые планетами, вызывают колебания фотосферы Солнца всего на 1 см по высоте. Конечно, это мало для того, чтобы ждать от этих приливов заметных последствий. Но приливная сила может служить в качестве спускового механизма. Для этого ей не обязательно надо быть большой. Необходимо также иметь в виду, что чем выше над фотосферой, тем размах приливных колебаний солнечного газа становится больше. В настоящее время специалисты сходится на том, что приливные колебания солнечного газа, вызываемые планетами, должны быть учтены при описании солнечной активности и физики Солнца вообще.

Намагниченный брусок имеет два магнитных полюса — северный и южный. Магнитное поле такого бруска является дипольным, то есть полем с двумя полюсами («ди» означает два). Форму его можно увидеть с помощью железных опилок. Силовые линии этого поля проходят так, как ориентируются опилки. Каждая опилка является стрелкой компаса. Она ориентируется вдоль магнитного поля, по касательной силовой линии магнитного поля.

Земля тоже намагничена. Она имеет свое магнитное поле с двумя полюсами, вокруг глобуса можно создать такое магнитное поле, если внутрь полюса поместить намагниченный брусок. Но как? Вначале его надо разместить вдоль оси вращения Земли. Половина бруска в северном полушарии, а другая половина в южном.

Южный магнитный полюс надо направить к северному географическому полюсу. Тогда северный магнитный полюс бруска будет совпадать с южным географическим полюсом.

После этого надо брусок отклонить от оси вращения Земли на 11°. Надо отклонить его так, чтобы он своим южным магнитным полюсом упирался в город Туле (Гренландия). Тогда магнитное поле бруска, «привязанное» таким образом к Земле, будет похоже на магнитное поле Земли.

Магнитное поле земного диполя одинаковое со всех сторон: с дневной, ночной, утренней и вечерней. Оно не зависит от положения Солнца. Над магнитным экватором оно проходит горизонтально. Над магнитными полюсами силовые линии магнитного поля Земли направлены вертикально. Принято считать, что магнитное поле направлено от северного магнитного полюса к южному. Значит, силовые линии магнитного поля Земли направлены в южном полушарии снизу вверх, а в северном — сверху вниз. Силовые линии, выходящие из северного магнитного полюса (в южном полушарии), входят в южный магнитный полюс в северном полушарии.

Чтобы не было путаницы из-за того, что северный магнитный полюс находится в южном полушарии, а южный — в северном, договорились называть магнитный полюс в северном полушарии северным геомагнитным полюсом. Стрелка компаса поворачивается на север своим северным магнитным полюсом. Это и происходит потому, что на севере находится южный магнитный полюс. МЫ будем придерживаться терминологии, принятой учеными. Будем считать, что северный геомагнитный полюс находится в северном полушарии (вблизи Туле). Но будем помнить, что там на самом деле южный магнитный полюс. От этого зависит направление силовых линий магнитного поля.

Действительно ли магнитное поле Земли является полем диполя? В принципе да, а в деталях — нет. Эти детали тем не менее очень важны. Их удалось установить только сравнительно недавно, когда космические аппараты позволили измерять магнитное поле далеко за пределами Земли. Эти измерения позволили установить, какова на самом деле форма магнитного поля Земли в деталях.

Оказалось, что магнитное поле Земли со стороны Солнца не такое, как с противоположной (ночной) стороны.

В области, примыкающей к Земле, магнитное поле является дипольным и не зависит от положения и даже наличия Солнца. В более удаленной от Земли области, на расстояниях, больших чем три радиуса Земли, различие в магнитных полях очень существенное. Оно состоит в следующем.

Магнитное поле диполя характеризуется «воронками» над магнитными полями. У реального магнитного поля Земли эти воронки находятся не над магнитными полюсами, а смещаются в сторону экватора примерно на 1000 км от полюсов. Кроме того, форма магнитных силовых линий на дневной стороне очень сильно отличается от таковой на ночной стороне. Поскольку это зависит от положения Солнца, то именно Солнце «виновато» в этом различии. Как понять суть этого влияния — влияния Солнца на форму магнитного поля Земли?

Как Солнце может подействовать на магнитное поле Земли? Совершенно очевидно, что оно не может действовать на магнитное поле своим притяжением. Не может действовать на магнитное поле и солнечный свет, а также рентгеновское, инфракрасное и гамма-излучение. То же самое относится и к радиоволнам, которые излучает Солнце. Они тоже должны быть исключены из тех факторов, от которых зависит форма магнитного поля Земли. Что же остается? Заряженные частицы, которые выбрасываются из атмосферы Солнца и уходят в межпланетное пространство. Мы уже говорили об этих частицах. Они обладают различными энергиями, а значит и разными скоростями. Заряженные частицы с небольшими скоростями, которые непрерывно исходят из Солнца во все страны, называют солнечным ветром. Потоки высокоэнергичных заряженных частиц выбрасываются из солнечной атмосферы время от времени. Они обладают большими скоростями и достигают Земли быстрее частиц солнечного ветра.

Можно считать, что агент, который определяет форму магнитного поля Земли, а точнее деформацию магнитного диполя Земли, найден. Это солнечные заряженные частицы. Остается выяснить, как заряженные частицы это делают. Чтобы в этом разобраться, надо вспомнить, как заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем.

Если заряженная частица движется в магнитное поле, то ее движение зависит от этого поля. Исключением является только один случай — когда заряженная частица движется строго вдоль силовой линии магнитного поля. В этом случае заряженная частица не чувствует наличия магнитного поля, она движется так, как будто магнитного поля и вовсе нет. Если заряженная частица движется поперек магнитного поля, то траектория меняется: вместо прямой линии до вхождения в поле она становится окружностью. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше эта окружность (у той же частицы). Но с другой стороны, чем больше энергия летящей частицы, тем труднее магнитному полю согнуть ее траекторию в маленькую окружность.

Имеется некоторое условие баланса. Для того, чтобы изменить траекторию заряженных частиц с определенной энергией, магнитное поле должно иметь определенную величину и быть направлено перпендикулярно движению частиц. Если это условие выполняется, то заряженные частицы начинают вращаться вокруг силовых линий. Скорость их вращения и радиусы окружностей, по которым они вращаются, зависят от величины магнитного поля и энергии частиц. Положительно заряженные частицы вращаются в одну сторону, а отрицательно заряженные — в противоположную. Солнечные заряженные частицы подходят к магнитному полю Земли под разными углами: и продольно, и перпендикулярно, и косо. Те из частиц, которые подходят вдоль силовых линий (над магнитными полюсами), должны беспрепятственно проникать внутрь магнитной оболочки Земли (магнитосферы). Те частицы, которые подходят к силовым линиям перпендикулярно, далеко вглубь магнитосферы не пройдут. Их траектории закручиваются вокруг силовой линии магнитного поля. Что же будет с частицами, которые косо падают на магнитное поле? Это тем более важно знать, что таких частиц большинство.

Когда заряженная частица движется под некоторым углом (но не прямым) к силовой линии магнитного поля, то это ее движение можно разложить на два: вдоль поля и поперек него. Собственно, в данном случае мы вектор скорости частицы раскладываем на составляющие — вдоль магнитного поля и поперек него. Движение такой частицы в магнитном поле станет движением по спирали. Частица будет вращаться вокруг силовой линии и одновременно смещаться вдоль силовой линии. Траектория частицы будет иметь форму спирали.

Радиус этой спирали и ее шаг будут неизменными в том случае, если будут оставаться неизменными энергия частицы и форма и напряженность магнитного поля. Это значит, что силовые линии магнитного поля должны быть прямыми, расстояние между которыми неизменно в направлении движения частицы. Это условие однородности магнитного поля. Но этот случай однородного магнитного поля для нас мало интересен. Ведь магнитное поле Земли неоднородно. Как в этом случае будут двигаться частицы?

Если силовые линии магнитного поля сходятся, то есть частица, двигаясь по спирали, продвигается во все более сильное магнитное поле, то ее продвижение в это поле постепенно замедляется. Магнитное поле противодействует продвижению частицы. Оно беспрепятственно пропускает частицу внутрь только в том случае, если она движется строго вдоль силовой линии магнитного поля. Двигаясь по спирали в сторону более сильного магнитного поля, заряженная частица на каком-то расстоянии перестает углубляться. После этого момента она постепенно (тоже по спирали) движется в противоположную сторону. Магнитное поле выталкивает заряженную частицу в сторону более слабого поля.

Магнитное поле Земли неоднородно. Это видно по форме силовых линий. По мере движения от экватора к полюсам вдоль силовых линий видно, что они сгущаются все больше и больше. Это значит, что магнитное поле увеличивается. В таком магнитном поле, которое увеличивается в обоих направлениях от экватора, заряженная частица оказывается пойманной, захваченной. Вращаясь по спиралям, заряженные частицы движутся в таком поле последовательно, отражаясь от более сильного поля попеременно то в южном, то в северном полушарии. При этом заряженные частицы находятся выше земной атмосферы. Такие заряженные частицы действительно были измерены в магнитосфере Земли. Их назвали поясами радиации.

Как деформируется магнитное поле Земли солнечными частицами? Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то они могут это поле деформировать. Поток заряженных частиц, пролетающий от Солнца, взаимодействует с самыми внешними силовыми линиями магнитосферы Земли. Концы силовых линий остаются на прежнем месте, в Земле. А сами линии «выворачиваются» и вытягиваются потоком заряженных частиц на ночную сторону. Они прикрывают магнитные полюса, и воронки над полюсами исчезают. Зато образуются новые воронки на полуденном меридиане. Новые воронки удалены от полюсов примерно на 1000 км.

Очень важно, что эти воронки могут смещаться. Чем сильнее энергия солнечного потока заряженных частиц, тем больше силовых линий он выворачивает с дневной стороны на ночную. Тем больше воронка удаляется от полюса.

Под действием солнечных заряженных частиц с дневной стороны магнитосфера Земли ограничена определенным расстоянием от поверхности Земли. Когда Солнце спокойно, это расстояние равно примерно десяти земным радиусам. Во время солнечных бурь поток солнечных частиц усиливается и поджимает магнитосферу с солнечной стороны ближе к Земле. В это время воронки смещаются еще дальше от полюса. При очень сильных солнечных бурях магнитосфера на дневной стороне может быть сжата до трех земных радиусов. Тогда воронки смещаются от полюса.

Под действием солнечных заряженных частиц меняется не только положение воронок, которые у диполя находятся над полюсами.

Воронки не только смещаются по направлению к экватору. Они при этом меняют свою форму. Каждая воронка при этом превращается в сплюснутую воронку-щель, в форме подковы. Она охватывает определенную область на дневной стороне магнитосферы.

Ночная часть магнитосферы мало похожа на дневную. Если на дневной стороне магнитное поле Земли простирается максимум на расстояние в десять земных радиусов, то на ночной стороне оно имеется на огромном расстоянии, равном ста радиусам Земли и более. Силовые линии магнитного поля Земли вытягиваются в направлении движения солнечных частиц, то есть от Земли. Так образуется шлейф силовых линий магнитосферы Земли. Специалисты его называют хвостом магнитосферы (рис. 11).

Заряженные частицы беспрепятственно движутся вдоль силовых линий магнитного поля. Это значит, что солнечные заряженные частицы через воронки на дневной стороне могут проникать сквозь магнитосферу к Земле, к ее атмосфере. Но внутри магнитосферы находятся заряженные частицы, которые там захвачены. В хвосте магнитосферы также имеются заряженные частицы. Они отсюда движутся вдоль силовых линий магнитного поля. Куда они попадут? Можно проследить, что они попадут в Арктику и Антарктику.

Если проследить за путем заряженных частиц на дневной и ночной сторонах магнитосферы, то окажется, что они приходят как раз в то кольцо (овал), которое светится полярным сиянием. Это что, случайность или закономерность?

АТМОСФЕРА

Некоторые античные философы считали, что воздух является первичным элементом или основной субстанцией. Они полагали, что он не разделяется на более простые составляющие. Так, древнегреческий философ Эмпедокл учил, что Вселенная состоит из четырех элементов — воды, земли, огня и воздуха.

В XVII в. английский естествоиспытатель Джон Миов опытным путем пришел к выводу, что одна из частей воздуха поддерживает горение и жизнь. Ее он назвал «горючим воздухом».

Кислород был выделен спустя сто лет после открытия Миовом «горючего воздуха». Его выделили одновременно в Англии (Джозеф Пристли) и в Германии (Карл Шееле). Пристли нагревал ртуть на воздухе до тех пор, пока она не превращалась в красный порошок. При дальнейшем нагревании этого порошка из него выделялся газ, который поддерживал горение лучше, чем обычный воздух. Этот газ и оказался кислородом.

Азот был открыт следующим образом. В 1752 г. Джозеф Блэк в опытах выделил из воздуха вещество, которое он назвал «связанным воздухом». Спустя двадцать лет Даниэль Резерфорд при изучении свойств газа, образованного после сгорания древесного угля, открыл азот (удушливый газ).

Нейтральный газ аргон, который составляет 1 % всего объема воздуха, был выделен в 1894 г. Аргон выделили Джон Рэлей и Ульям Рамзай. Затем были выделены также гелий, неон, криптон, ксенон и водород.

На сегодняшний день установлено, что воздух состоит из следующих составляющих (цифры обозначают объем в процентах): Азот (78,084); Кислород (20,946); Аргон (0,934); Углекислый газ (0,033); Неон (0,000018); Гелий (0,00000524); Метан (0,000002); Криптон (0,00000114); Водород (0,0000005); Окислы азота (0,0000005); Ксенон (0,000000087) (рис. 12).

Воздух содержит также целый ряд примесей, находящихся в твердом и жидком состоянии. Все они естественного или искусственного происхождения, имеют весьма различный химический состав, размеры, форму и физические свойства. Эти частицы называются «аэрозолями». Особенно большое количество аэрозолей промышленного происхождения содержится в атмосфере больших городов. Там в одном кубическом сантиметре содержатся тысячи и даже сотни тысяч частиц. Общеизвестно, что над промышленными городами в атмосфере нередко «висят» десятки тысяч тонн сажи и пыли.

Кроме аэрозолей, в атмосфере содержатся крупные частицы пыли и воды, ледяные кристаллы. Все эти примеси играют весьма важную роль в атмосферных процессах или в формировании погоды. Частицы воды, например, служат ядрами, на которых начинается конденсация водяного пара в атмосфере. Поэтому они необходимы для образования тумана, облаков и в конце концов элементов осадков (капель дождя, снежинок и т. д.).

Наличие аэрозолей в атмосфере делает ее менее прозрачной, мутной. Через нее труднее проходит солнечное излучение. Аэрозоли малых размеров сохраняются в атмосфере очень долго. За это время они успевают переноситься воздушными течениями на огромные расстояния. В условиях более сильного перемешивания атмосферы аэрозоли забираются на большие высоты и опускаются, когда процесс перемешивания замедляется. Поэтому ночью, когда атмосферный газ перемешивается менее эффективно, слой аэрозолей находится ниже, чем днем. Процесс распределения аэрозолей по высоте и вообще в пространстве сложен и определяется многими факторами.

Основными составляющими атмосферы, являющимися примесями с малым содержанием, являются сернистый газ (О), окис-лы азота, аммиак (Н), метан (СН), угарный газ (СО), озон, а также различные органические соединения. Несмотря на то, что этих примесей относительно всей массы воздуха немного, они очень существенно могут влиять на условия на Земле. Так, например, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере от 0,029 в 1900 г. до 0,0334 % в 1979 г. привело к заметному увеличению средней температуры атмосферы в приземном слое. Если увеличение содержания углекислого газа будет продолжаться и дальше, то из-за роста температуры может создаться критическая ситуация вследствие таяния льдов Гренландии и Антарктиды. В результате сильно повысится уровень Мирового океана и многие прибрежные города на земном шаре окажутся под водой.

Углекислый газ поглощает и переизлучает часть инфракрасного излучения, которое испускается земной поверхностью. Если его станет больше, то Земля будет продолжать поглощать то же самое количество солнечного излучения, а излучать в окружающую среду будет меньше. Значит, ее температура повысится.

Пыль и другие частицы, которые попадают в атмосферу при извержении вулканов и от других источников загрязнения, также способны повлиять на температуру земной поверхности и приземного слоя воздуха. Чем их больше, тем они сильнее задерживают солнечное излучение и тем самым приводят к уменьшению температуры планеты.

Бытует представление, что очень полезно «подышать озоном». Поэтому многих удивит, что озон является ядом в том случае, если его содержится в воздухе больше определенной (очень малой!) его части. Озон образуется в приземном слое воздуха в результате деятельности промышленности и автотранспорта. Окислы азота и несгоревшие углеводороды газов, взаимодействуя под влиянием солнечного излучения, создают густую дымку (фотохимический смог). В одном кубическом метре этого смога содержится до 1 мг озона. Этот смог опасен. Он поражает растительность, раздражает дыхательные пути и слизистую оболочку глаз, отрицательно влияет на земную флору и фауну. К сожалению, в настоящее время «озонный смог» наблюдается во многих крупных городах мира.

В природе происходит бесконечно повторяющийся круговорот веществ. В нем участвуют и составляющие воздуха — азот, кислород и углекислый газ. Когда азот находится в газообразном состоянии, он является мимически инертным газом. Но в соединениях, которые называют нитратами, он играет важную роль в обмене веществ в животном и растительном мире. Нитраты создаются растениями, бактерии которых захватывают свободный азот из воздуха. Животные, питаясь растениями, потребляют нитраты. Зеленые растения извлекают углекислый газ из воздуха и с помощью фотосинтеза освобождают кислород. Оценки показывают, что вся растительность земного шара использует за год около 550 млрд. тонн углекислого газа. При этом они освобождают кислород в количестве примерно 400 млрд. т. Углекислый газ поступает в атмосферу, когда растения сгорают или гниют, когда дышат люди и животные, когда испаряются минеральные источники и извергаются вулканы. Продолжительность полного цикла для каждого газа разная. Так, углекислому газу требуется в среднем от одного до трех лет, кислороду — три тысячи лет, а азоту — все сто миллионов лет.

Чем выше в горы мы поднимаемся, тем становится холоднее. Если же мы поднимемся на самолете на высоту в 9 км, то там (за бортом) температура вообще упадет до минус 40–50 °C. Что же выше? До каких пор температура будет уменьшаться по мере нашего подъема вверх? Ясно, что для дальнейшего подъема нам придется пересесть из самолета в ракету. Но при этом надо не забыть прихватить термометр для измерения температуры воздуха. Будем совершать наш подъем на ракете в средней полосе летом, когда температура воздуха на Земле достигает +27 °C. Мы выбрали такую температуру не только потому, что она реальна в этих условиях, но и потому, что она соответствует круглому числу градусов по шкале Кельвина, а именно 300°К. Это не принципиально, просто более удобно. По мере нашего подъема на каждый километр температура уменьшается на 6,5°. Вдруг на высоте около 12–13 км температура перестает уменьшаться. Это мы достигли нижней части озонного слоя, этого запасника тепла в атмосфере. Здесь и находится озонопауза. Эта область атмосферы, в которой температура падает с высотой, была названа тропосферой. Слово «тропо» означает изменчивый. Это относится к температуре.

Высотный ход температуры атмосферы исследовался задолго до изобретения ракет и самолетов. Изучение температуры атмосферы началось в середине XVIII в. Для этого поднимали термометры на воздушных змеях. В конце XVIII в. термометры стали поднимать на воздушных шарах. И это было очень даже эффективно. Так, хорошо известный физик и химик Жозеф Гей-Люссак в 1804 г. совершил два подъема на воздушном шаре. Во втором подъеме он достиг высоты 7 км. Эти подъемы были очень информативны. Ученый не только измерял температуру воздуха на разных высотах, но и его влажность, а также забирал пробы воздуха на разные уровнях. Анализ этих проб воздуха и позволил впервые заключить, что на этих высотах состав воздуха остается постоянным. С увеличением высоты уменьшается только его плотность.

В том же 1804 г. полет на воздушном шаре совершил русский академик Я. Д. Захаров.

В дальнейшем эти исследования проводились регулярно. Особенно массовыми они стали во второй половине XIX в. Была достигнута рекордная высота — 11,2 км. Это сделал английский метеоролог Джеймс Глайшер. На воздушном шаре с целью исследования атмосферы в 1887 г. поднялся великий русский химик Д. И. Менделеев. Таким образом, с помощью шаров-зондов удалось «прощупать» всю тропосферу.

Выше 11 км стали поднимать на высотных баллонах приборы, которые могли проводить измерения температуры (и других параметров) атмосферного газа без участия человека. Такой прибор был изобретен в 1892 г. Г. Эрмитом и Ж. Безансоном и был назван метеографом. Именно с помощью метеографа в 1928 г. и было обнаружено Л. Бортом, что выше 12 км температура не уменьшается. В такой результат никто не хотел верить — слишком уж парадоксальным он казался. Поэтому решили, что измерения являются ошибочными. Но когда такой же результат показали метеографы в сотнях полетов высотных баллонов, деваться было некуда, — в него поверили. Пришлось признать наличие в атмосфере выше тропосферы слоя, в котором высотный профиль температуры испытывает обращение, то есть инверсию. Поэтому он был назван слоем с инверсией.

Еще в первых измерениях с помощью метеографов было установлено, что тропосфера на разных широтах имеет разную протяженность по высоте (от 8 до 12 км).

Будем продолжать подъем вверх дальше. От 12 до 20 км температура практически не меняется с высотой. Говорят, что этот слой изотермический, то есть слой с постоянной температурой («изо» значит «равный», «одинаковый»). От 20 до 47 км температура с ростом высоты увеличивается. Если в тропосфере перепад температуры по высоте был положительным, то на этих высотах он отрицателен. Выше 47 км (до 51 км) температура снова остается неизменной. Это второй изотермический слой. Вся область от 12 до 51 км названа стратосферой («страто» — «слоистый»). Стратосфера на верхней границе заканчивается стратопаузой. Температура на стратопаузе достигает приблизительно 10–20 °C.

Если к тропосферному воздуху добавить тот, что находится в стратосфере, то получим 99 % всего воздуха. Выше 51 км находится только около 1 % всего воздуха.

Выше стратопаузы располагается еще одна (промежуточная) сфера. Она названа мезосферой («мезос» — «промежуточный»). Здесь снова температура уменьшается с высотой (как и в тропосфере). Мезосфера простирается до высоты 86 км. В верхней части мезосферы (на мезопаузе) температура уменьшается до минус 75–90 °C.

На мезопаузе высотный профиль температуры снова ломается. Выше мезопаузы температура увеличивается с высотой (как и в стратосфере). Эта часть атмосферы названа термосферой («термо» — «тепло»). В термосфере температура достигает многих сотен градусов (рис. 13).

Значит ли это, что попав туда, мы с нашей ракетой попадем в ад? Отнюдь нет! Здесь настолько глубокий вакуум, что понятие температуры приобретает смысл, отличный от принятого нами в ежедневной жизни. Находясь в обычных условиях (на земной поверхности), мы температурой измеряем степень нагретости тела. В случае газа это значит, что чем выше температура газа, тем больше скорости его молекул. Другими словами, чем быстрее движутся частицы газа, тем больше температура. Говорить о температуре одной частицы нельзя. Можно говорить только о температуре всего газа. Частицы газа должны сталкиваться и обмениваться друг с другом энергией (как бильярдные шары). Чем меньше плотность газа, тем реже сталкиваются частицы, из которых он состоит. На уровне моря молекулы воздуха сталкиваются друг с другом так часто, что между столкновениями молекула пролетает всего несколько миллионных долей сантиметра. Этот путь называется длиной свободного пробега частицы. На высоте 100 км длина свободного пробега частиц достигает одного метра, а в термосфере на высоте 300 км — до 10 км. Поэтому в термосфере надо говорить не просто о температуре, а о кинетической температуре частиц. Она измеряется кинетической энергией частиц, их скоростью. Кинетическая энергия частиц в термосфере очень велика, поэтому высока их кинетическая температура. Но эту высокую температуру мы, оказавшись там, были бы не в состоянии почувствовать, поскольку плотность газа ничтожно мала. Более того, та часть нашего тела, на которую не падали бы солнечные лучи, испытывала бы ледяной холод (несмотря на то, что там кинетическая температура достигает многих сотен градусов).

Выше термосферы имеется еще одна сфера — экзосфера («зкзо» — «внешняя»). Эта область атмосферы названа так потому, что находящиеся здесь частицы могут иметь скорости, которые больше первой космической скорости (11,2 км/с). При таких скоростях частицы преодолевают силу земного притяжения и уносятся за пределы земной атмосферы.

На Крайнем Севере их называют северными сияниями. В южном полушарии — южными. Поскольку и северные, и южные сияния появляются в полярных широтах, те и другие называют полярными.

Сияние трудно описать. Его надо видеть. Но чтобы дать о нем представление, приведем несколько описаний, которые даны ученым, путешественником, художником.

С. А. Черноус — ученый, изучающий полярные сияния на Кольском полуострове, так описывает сияния: «…полнеба затянуто бледной дымкой, сквозь которую видны звезды. Медленно из этого легкого тумана возникают очертания гигантской дуги — арки, концы ее уходят за горизонт. Внезапно — как порывом ветра — тронуло дугу: в ней появились складки и петли, словно холодная горная река извивается по небу. Еще мгновение — и длинные вертикальные нити-лучи помчались вдоль дуги. Они дрожат, пляшут, кружатся, и над головой повисает настоящая корона. Вдруг все небо взрывается, цветные брызги света рассыпаются во все стороны. Уцелевшие части дуги полощутся как знамена. Вокруг спирали, ленты, факелы, струи… Постепенно их поглощает полярная ночь, а небосвод становится похож на огромным черный ковер, покрытый мерцающими цветами-пятнами… Тем временем на горизонте показались новые дуги…»

Г. А. Ушаков, русский исследователь Северной Земли, в книге «По нехоженой земле» приводит следующее описание полярного сияния: «Небо пылало. Бесконечная прозрачная вуаль покрыла весь небосвод. Какая-то неведомая сила колебала ее. Вся она горела нежным лиловым светом. Кое-где показывались яркие вспышки и тут же бледнели, как будто на мгновение рождались и рассеивались облака, сотканные из одного света. Сквозь вуаль ярко светят звезды. Вдруг вуаль исчезла. В нескольких местах еще раз вспыхнули лиловые облака. Какую-то долю секунды казалось, что сияние погасло. Но вот длинные лучи, местами собранные в яркие пучки, затрепетали бледно-зеленым светом. Вот они сорвались с места и со всех сторон, быстрые как молнии, метнулись к зениту. На мгновение в вышине образовали огромный сплошной венец, затрепетали и потухли…. Неведомая сила выбросила целый сноп лучей, похожих на полураскрытый веер. Нежнейшие оттенки цветов — красного, малинового, желтого и зеленого — раскрашивали его. Лучи каждое мгновение тоже меняли свою окраску. Один какую-то долю секунды был малиновым, потом стал пурпурным, вдруг окрасился в нежно-желтый цвет, сейчас же перешедший в фосфорически-зеленый. Уследить за сменой окраски было невозможно. Около четверти часа продолжалась эта непередаваемая по красоте игра света».

Художник Г. Н. Гамон-Гаман в 1936–1939 гг. работал вблизи Мурманска. Он описывает свои впечатления от полярных сияний так: «Однажды мне посчастливилось наблюдать здесь одно из самых замечательных полярных сияний и пережить незабываемые минуты. Это было в ночь на 29 октября 1937 г. Я бродил по снежной долине между валунами. Над горизонтом вдоль Баренцева моря тянулись подобно амфитеатру Кольские фиорды, скалы которых в ночное время особенно грозно вырисовываются своими черными силуэтами. Неожиданно на северо-востоке над обширным темным, но прозрачным куполом неба появилась небольшая светящаяся туманность. Пока она постепенно усиливалась, в некоторых местах неба возникали новые световые пятна. Вскоре они приняли форму лучей, все сильнее и сильнее вырастающих из одного туманного центра. И вот началась феерия: разноцветные лучи, как стрелы, вылетали из зенита и как бы во взаимной борьбе догоняли и тушили друг друга и вновь появлялись на другом месте неба, вспыхивая с еще большей силой и снова разлетаясь цветными зигзагами по всему пространству северо-восточного участка неба. Внезапно все это гигантское дрожащее море красок тускнело, и в нем появлялись провалы темно-фиолетового и синего тона.

Небо стало темным, но из пустой тьмы вскоре засветило ярким ореолом сияние светло-изумрудного тона, занимая еще большее пространство на небосводе и переходя в могучий, широкий огромный поток света. Все небо вспыхнуло раскаленным огнем. Вихри, брызги огня, дрожащие снопы, трепещущие искры, огненные столбы, танец блестящих стрел. Заструился разноцветный туман, напоминающий не то какое-то огненное чудовище, не то крылья из огня и перламутровой пыли. Вся эта масса многоцветия и блеска соединилась в один огромный небесный пожар… Да, это был небесный пожар холодного огня. Наконец это бурное сцепление, этот магический хаос огненного потока световой материи затих. Еще мгновение, и все потухло… И снова открылись зенитные ворота, и все новые и новые формы небесного фейерверка начали низвергаться среди неба, как будто их кто-то черпал из бездонного цветного блеска.

А в это время внизу, у земли, огненные языки, казалось, заходили за вершины гор и холмов, и отраженные многоцветные огни бегали по оголенным от снега валунам. Причудливые тени, передвигающиеся на освещенном фоне снега, казалось, писали какие-то таинственные знаки на никому неизвестном языке.

Но как красиво заканчивалось это зрелище! На небосводе засветился громадный веер — источник спектральных чудес, который нежно переливался неуловимой гаммой красок, и спокойно и медленно, теряя свою интенсивность, слабел и исчезал. Цепи скал над фиордами стали еще черней и угрюмей… А небо продолжало светиться постоянным неполярным сиянием.

Много раз впоследствии долгими полярными ночами я наблюдал полярные сияния, стараясь проникнуть в тайну последовательности и чередований всех бесчисленных форм этого исключительного явления природы.

Но слишком многочисленны и бесконечно разнообразны в своей многоцветности и конфигурации были каждый раз наблюдаемые мною сияния, чтобы я мог установить какую-нибудь закономерность в процессе сочетаний красок и форм, в непрерывной смене их на небосводе. Да и те изобразительные средства, которые доступны человеку — слова, кисть художника и в особенности фото, — слишком слабы, чтобы полностью передать впечатления от этого явления».

У каждого, кто наблюдал полярные сияния, возникает один и тот же, главный вопрос: что это такое?

Коренные жители Европейского Крайнего Севера называли сияния «лисьим огнем». Полагали, что лиса махнула своим хвостом по снегу и пошли искры вверх, огнем разгорелись. Индейцы Северной Америки считали, что сияния — это отблески далеких костров. Туземцы Новой Зеландии называют полярные сияния большим костром (таху — нуи-а-ранги). Арабский посол, прибывший к царю славян, Ахманд ибн Фарлан наблюдал полярное сияние на Севере, которое он описал так: «Я поднял голову, и вот облако, красное, как огонь, находилось близ меня. Из него исходили шум и голоса, в нем были видны как бы люди и кони, в руках этих фигур были луки, копья и мечи; я различал и представлял их себе. И вот показалось другое подобное облако, в котором я также видел людей с оружием и копьями, и оно устремилось на первое, подобно тому, как один полк конницы нападает на другой. Мы испугались этого и стали покорно молиться богу, а жители страны издевались над нами и удивлялась нашему действию…»

Викинги Скандинавии считали, что сияния — это блеск одежды богинь-воительниц — валькирий, которые пролетают на своих конях по небу. Валькирии спешат подарить храбрейшим победу, а павших в бою унести.

М. В. Ломоносов задавал вопрос: «Что такое сияние» в стихах:

В своем трактате М. В. Ломоносов так отвечает на эти вопросы: «Весьма вероятно, что северное сияние рождается от происходящей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезания, движения, цвета и вида, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются». Сияния показаны на рис. 14–21.

Как рождаются сияния? Чтобы ответить на этот вопрос, проследим, что происходит, когда заряженная частица (электрон, протон) пролетает через атмосферу. Частица сталкивается с атомами и молекулами. Столкновение есть столкновение. Оно заканчивается аварией. В ней разрушается атом или молекула. Сама частица остается прежней, меняется только ее энергия и направление движения. Что-то подобное происходит с налетающим бильярдным шаром.

Что может произойти с атомом или молекулой при налете заряженной частицы? При тех энергиях, которые имеют налетающие заряженные частицы, ядро атомов остается невредимым. Меняется только судьба орбитальных электронов.

Пролетающая заряженная частица при столкновении с атомом может выбить из атома один из орбитальных электронов. Легче всего выбить из атома самый внешний орбитальный электрон. Для этого требуется затратить меньше энергии, чем для обрыва электронов из других орбит. Атом, от которого оторван орбитальный электрон, заряжен положительно. Пока атом был целым, этот заряд компенсировался этим электроном. Такой атом называется ионом, положительным ионом. Поэтому весь этот процесс был назван ионизацией, то есть процессом создания ионов.

Пролетающие через атмосферу заряженные частицы теряют свою энергию на образование ионов. Оторванные от атомов электроны остаются свободными. Но кроме этого заряженные частицы при взаимодействии с атомами и молекулами вызывают их свечение. Это свечение и является полярным сиянием. Как это происходит?

Налетающая заряженная частица не обязательно отрывает электрон из атома. Для этого ей может не хватить энергии. Она может отдать электрону только небольшую долю энергии. Ее недостаточно, чтобы электрон освободился из атома. Но полученную энергию электрон не может удержать долго. Каждый электрон на каждом своем месте в атоме может обладать только определенной энергией. Поэтому полученную энергию орбитальный электрон должен практически незамедлительно отдать. Если атом часто сталкивается с другими атомами (как в обычном комнатном воздухе), то эту излишнюю энергию электрон отдает другим атомам. Но высоко в атмосфере плотность воздуха очень мала. Там отдать быстро таким путем лишнюю энергию трудно. Поэтому электрон, владеющий этой энергией, освобождается от нее, излучая квант (порцию) света.

При этом все должно быть точно, «как в аптеке». Электрон может принять на время только строго определенную долю энергии. Он должен, если он хочет остаться на прежнем месте, оставить себе только строго определенную энергию. Поэтому он излучает строго определенную порцию энергии. Энергия кванта излучения определяется его частотой, длиной волны. Видимое излучение с разными длинами волн воспринимается нашим глазом как излучение разных цветов.

Атомы кислорода в этом плане отличаются от атомов азота и от атомов любых других химических элементов. Это значит, что на отрыв электронов от атомов различных химических элементов требуется затратить разное количество энергии. Электроны, которые приняли дополнительную энергию, но остаются внутри атома на своей орбите, называют возбужденными. Такое название отвечает существу дела. Но когда возбужденный электрон внутри атома кислорода возвращается в свое основное стабильное состояние, то он излучает кванты света одного цвета (одной частоты, а значит и энергии). Если это происходит с электронами внутри атома азота, то излучаются кванты света другого цвета. Поэтому мы и наблюдаем полярные сияния различных цветов. Подведем итог тому, что нам стало известно о полярных сияниях.

Прежде всего, полярные сияния — это свечение атмосферного газа под действием потоков заряженных частиц. Они наблюдаются там, где имеются такие потоки. Земля и ее атмосфера защищены от потоков солнечных заряженных частиц магнитным полем Земли. Но эта защита не везде надежна. Структура магнитосферы Земли формируется под действием этих потоков. Имеются области в магнитосфере, через которые заряженные частицы все же проникают в атмосферу Земли. Здесь они вызывают полярные сияния. Значит, места, где видны полярные сияния, определяются структурой магнитной оболочки Земли в данный момент. Но поскольку северная часть магнитосферы точно такая же, как и южная, то южные и северные сияния происходят в строго симметричных относительно экватора местах.

Магнитная оболочка Земли меняется непрерывно. Она такова, каковы потоки заряженных частиц, приходящих от Солнца. Эти потоки меняются с изменением солнечной активности. Меняются размеры магнитосферы. Меняется и ее форма. Смещаются и те области, в которых заряженные частицы могут проникнуть к атмосфере Земли. Это значит, что меняются места, где видны полярные сияния.

Если сияния видны в Египте, то это значит, что щели в магнитосфере сместились от полюсов даже сюда. Это могло произойти только в том случае, если магнитосфера была необычайно сильно сжата потоками солнечных частиц. Они должны быть очень-очень большими. Именно в таких случаях, то есть при чрезвычайно высокой солнечной активности, сияния можно было видеть даже в Египте. 8 марта 1970 г. полярные сияния наблюдались в Москве и Ленинграде. Этот случай был необычным. Солнечная активность была очень высокая. Магнитосфера Земли с дневной стороны была ужата потоками солнечных частиц на две трети. Когда же были видны сияния в Египте, ситуация в космосе была чрезвычайная. Мощные потоки солнечных заряженных частиц поджимали магнитосферу почти к самой ее атмосфере! Неудивительно, что эти периоды на века запомнились всем. Менялись все условия на Земле, менялся климат, просыпались вулканы, происходили землетрясения и т. д. Поэтому люди и боялись полярных сияний.

Петр Первый наблюдал полярные сияния 3 октября 1722 г. под Астраханью. Он так записал об этом в своем походном журнале: «Когда смерклось… явилась якобы заря, которою многие чаяли, но потом стала подниматься на горизонт… но только гораздо краснее, так как пожар издали без пламени видится великой. Казалось, якобы по берегам с той стороны камыш горел».

Хроники сообщают, что в 1111 г. русские князья пошли в поход на половцев. Но войско их было малочисленным. Половцы имели большой перевес в численности. Но вдруг половецкие воины дрогнули в ужасе и отступили. Те из них, кто был полонен, объяснили свое поражение так: «Как можно было с вами бороться, когда над вами ездили в светлых бронях и помогали вам!» Помогало русским воинам северное сияние.

Где же все-таки чаще всего видны полярные сияния? Всегда считалось, что чем дальше на север, тем сияний больше. Но когда стали наблюдать за сияниями специально из многих мест, то оказалось, что это не совсем так. Непосредственно вокруг полюса сияния наблюдаются значительно реже, чем на широте Норильска и Мурманска.

Наблюдения за сияниями с поверхности Земли, а также с помощью искусственных спутников Земли показали, что сияния чаще всего видны в кольце, которое удалено от полюса примерно на полторы тысячи километров. Это огненное кольцо несколько сдвинуто, его центр смещен от полюса в сторону полночи. Значит, оно ближе к полюсу днем и дальше от него ночью. День и ночь «ходит» за Солнцем. Так же поворачивается и огненное кольцо, в котором видны полярные сияния.

Одно такое кольцо (а точнее, овал) имеется над Арктикой. Другое — над Антарктикой. Расположены они симметрично относительно экватора Земли, Но очень любопытно, что и полюса и экватор надо брать не обычные, географические, которые нанесены на глобусе. В данном случае надо брать магнитные полюса и магнитный экватор.

Заряженные частицы, которые достигают земной атмосферы, создают в ней ионы. Они заряжены положительно: от атома или молекулы отрывается по одному орбитальному электрону. Тут же находятся и оторванные электроны.

Но ионизацию атмосферного газа производят не только заряженные частицы, но и волновое излучение Солнца. Способность волнового излучения проводить ионизацию зависит от энергии квантов этого излучения или, другими словами, от его частоты. Излучение с разными частотами ионизуют атомы и молекулы разных химических элементов, которые входят в состав атмосферы.

Созданные солнечным волновым излучением ионы и электроны определенное время остаются неизменными. Время их существования ученые называют временем их жизни. Но через какое-то время при столкновениях они вновь объединяются в нейтральные атомы и молекулы. Время их жизни отсчитывается от момента их образования в акте ионизации до момента их объединения в атомы и молекулы. Этот процесс специалисты назвали рекомбинацией. Чем чаще сталкиваются частицы, тем вероятнее, что они исчезнут в процессах рекомбинации, а точнее превратятся в нейтральные атомы и молекулы. Это значит, что чем ниже в атмосфере, тем меньше времени живут ионы и свободные электроны.

Сфера ионов и электронов (ионосфера) образуется не во всей атмосфере, а только на определенных высотах. Падая сверху на атмосферу, солнечное излучение (как волновое, так и корпускулярное), постепенно углубляясь в атмосферу, теряет свою энергию. При этом теряется и его способность проводить ионизацию. Поэтому ниже 100 км ионизация, создаваемая волновым излучением Солнца, в сотни раз меньше, чем на высотах 300–350 км. Ниже 50 км эта ионизация пренебрежимо мала. Таким образом, можно считать, что ионосфера простирается от высоты 50 км и заканчивается на высоте 1000 км. Это цифры приблизительные. Солнечное излучение, которое создает ионосферу, меняется со временем суток, с сезоном, с широтой данного места. Поэтому и ионосфера зависит также от этих факторов. Поскольку в каждой точке земного шара солнечное излучение практически непрерывно меняется, то и ионосфера вокруг всей Земли меняется также непрерывно. Естественно, дирижером всех этих изменений является Солнце.

В средних и низких широтах, куда солнечные заряженные частицы не вторгаются, ионосфера создается только волновым излучением. В высоких широтах, в овалах полярных сияний ионосфера создается и заряженными частицами. Здесь в продолжение длинной полярной ночи атмосфера месяцами не освещается солнечным светом. Поэтому в полярную ночь основным агентом, который создает здесь ионосферу, являются заряженные частицы. Потоки этих частиц одновременно и создают ионосферу и полярные сияния. Поэтому в овалах полярных сияний имеется наибольшее количество ионов и свободных электронов.

Атмосферный газ находится в непрерывном движении. Чем выше, тем скорости этого движения, то есть скорости ветров, больше. У поверхности Земли скорость ветра, равная десяткам метров в секунду, считается очень большой. На высоте 100 км и выше такая скорость считается просто мизерной. Там скорости ветров измеряются сотнями метров в секунду.

Атомы и молекулы атмосферного газа непрерывно сталкиваются с ионами. Поэтому если находятся в движении одни, то со временем приходят в движение и другие. Так что ионосфера, как и атмосфера, находится в непрерывном движении. За время своей жизни образованные ионы и электроны успевают уйти достаточно далеко от места своего образования.

Обычный воздух не проводит электрический ток. Это и хорошо. Если бы воздух проводил электрический ток, то пользоваться электричеством в технике и быту было бы намного сложнее. Например, любую розетку, в которую попадает воздух, закорачивало бы.

Но если в воздухе создается много ионов и свободных электронов, то он может стать проводником электрического тика. Ведь при этом появятся носители электрических зарядов, без которых не может быть электрического тока. Чтобы возник электрический ток, недостаточно носителей электрических зарядов. Надо еще чтобы действовали силы, заставляющие электрические заряды двигаться. Ведь ток является упорядоченным движением электрических зарядов. Если положительных и отрицательных электрических зарядов, которые движутся вместе, одинаковое количество, то тока не возникнет. Дело в том, что суммарный электрический заряд движущихся частиц равен нулю. Поэтому и ток равен нулю.

В воздухе всегда имеются заряженные частицы — ионы и электроны. Но в разных местах, и особенно на разных высотах, их разное количество. То количество ионов, которое имеется в приземном воздухе, недостаточно для возникновения тока. Но в особых условиях это возможно. Например, во время грозы. Молния как раз и является импульсом электрического тока. Прежде, чем он возникнет, создаются заряженные частицы, образуя своего рода коридор, по которому затем проходит импульс электрического тока.

Чем выше, тем плотность воздуха меньше. Число заряженных частиц, наоборот, с высотой увеличивается, особенно выше 50 км, в ионосфере. Ионы и электроны в ионосфере находятся в непрерывном движении. Но не везде это движение является электрическим током.

Больше всего положительных ионов и электронов находится на высотах 250–350 км. Здесь количество электронов может достигать одного миллиона штук в одном кубическом сантиметре. Точно столько же и положительных ионов. Поскольку положительные ионы и отрицательно заряженные электроны притягиваются друг к другу, то они не могут уйти далеко друг от друга. Если взять какой-либо объем (даже очень небольшой), то весь газ в нем является электрически нейтральным. Каждый положительный заряд иона компенсируется отрицательным зарядом электрона такой же величины. Такой газ называют плазмой. Поскольку свойства такого газа очень сильно отличаются от обычного, то его считают четвертым состоянием вещества.

Собственно, ионосфера и является плазмой. Плазма может состоять только из ионов и электронов. Тогда ее называют полностью ионизованной. Если кроме ионов и электронов имеются и нейтральные атомы и молекулы, не ионизованные, то ее называют частично ионизованной. Такой частично ионизованной плазмой является ионосфера Земли.

Отличия плазмы от обычного газа особенно разительны в том случае, если плазма находится в магнитном поле. На обычный газ магнитное поле не оказывает никакого влияния. Он движется точно так же, как и в отсутствие магнитного поля. Совсем другое дело плазма. Она состоит из электрически заряженных частиц. А каждая заряженная частица взаимодействует с магнитным полем. Поэтому характер ее движения в присутствии магнитного поля меняется. Как именно?

Под действием силы гравитационного притяжения любая частица в атмосфере будет стремиться падать на Землю, то есть двигаться вертикально вниз. Но если это заряженная частица, то под действием магнитного поля и силы гравитации она будет двигаться не вниз, а горизонтально. Это очень любопытно. Рассмотрим это подробнее.

Если заряженная частица движется поперек магнитного поля, то на нее действует сила (сила Лоренца), которая заставляет частицу двигаться по окружности вокруг силовой линии. С этим мы уже знакомы. При таком движении вокруг силовых линий магнитного поля частицу будет сносить от данной силовой линии в сторону, поперек нее. Это движение называют дрейфом. Если сила, действующая на частицу, направлена вниз, магнитное поле горизонтально и направлено с юга на север, то дрейф заряженной частицы под действием силы гравитации будет проходить в направлении восток — запад. Электроны дрейфуют на восток, а положительные ионы — на запад. Такой результат действия силы гравитации.

Электрические токи в ионосфере текут только там, где электроны и ионы могут двигаться по-разному. Это происходит под действием силы гравитации. В месте падения заряженных частиц вниз они, двигаясь горизонтально, создают электрические токи.

Поскольку кроме заряженных частиц в ионосфере имеются и нейтральные атомы и молекулы, то они мешают заряженным частицам двигаться. При столкновениях заряженных частиц с нейтральными их энергия теряется: передается нейтральным частицам. Эффект такой передачи зависит от массы сталкивающихся частиц. Если массы сталкивающихся частиц одинаковы, то энергия одной частицы может целиком перейти к другой при их столкновении. Если частица с малой массой сталкивается с другой, масса которой в сотни и тысячи раз больше, то энергия передается очень неэффективно. Нельзя, ударяя песчинкой о каменную глыбу, передать ей всю энергию песчинки. Песчинками в ионосфере являются электроны. Они в тысячи раз легче ионов, атомов и молекул. Поэтому условия их движения не такие, как у ионов.

В ионосфере текут электрические токи. Это стало ясно еще в прошлом веке. Дело в том, что эти токи чувствуются на больших удалениях от них. Как известно, каждый электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Это поле можно зарегистрировать далеко от тока. Когда в прошлом веке измеряли магнитное поле приборами, установленными на поверхности Земли, то пришли к выводу, что где-то высоко в атмосфере должен течь электрический ток. Так впервые ученые пришли к выводу, что в атмосфере Земли должен существовать слой, проводящий электрический ток, то есть ионосфера. Токи в ионосфере текут на высотах 100–110 км. Чем больше там заряженных частиц, тем дольше проводимость плазмы, тем сильнее токи. В высоких широтах, где вторгающиеся потоки заряженных частиц производят ионизацию, проводимость ионосферы выше. Поэтому в овалах полярных сияний (огненных кольцах) текут особенно сильные токи. Общая их сила составляет несколько сот ампер!

Сила этих токов зависит от ионизации атмосферного газа, а она зависит от потоков, которые ее производят. Потоки заряженных частиц меняются в зависимости от изменения солнечной активности. Поэтому, в конце концов, сила ионосферных токов в высоких широтах зависит от солнечной активности. В то же время эти токи создают вокруг себя магнитное поле, которое измеряется приборами, установленными как на Земле, так и на ракетах и спутниках. Поэтому наблюдается такая связь: чем выше солнечная активность, тем больше меняется магнитное поле Земли, тем больше его возмущенность. Точно так же меняется и количество полярных сияний. Это показано на рис. 3.