Магнитный щит Земли

Как Земля сдерживает ветер Солнца и что делает солнечная буря

Шаг за шагом

Земля — магнит

Расплавленное железо, бурлящее во внешнем ядре Земли, создаёт магнитное поле. У поверхности оно примерно в сто раз слабее магнита на холодильнике, но простирается далеко в космос. Его полюса отстоят примерно на 9° от оси, вокруг которой вращается Земля.

Почти на полпути к центру Земли находится внешнее ядро — океан жидкого железа, раскалённого до тысяч градусов. Тепло, поднимающееся снизу, заставляет его бурлить, а вращение Земли закручивает течения в спирали. Движущееся железо несёт электрические токи, токи создают магнитное поле, а поле поддерживает токи: это природное динамо, работающее уже миллиарды лет.

Линии показывают форму поля: стрелка компаса выстраивается вдоль них. Они выходят из Земли в Южном полушарии и входят обратно у севера, поэтому полюс, на который указывает компас, строго говоря, — южный магнитный полюс.

Магнитные полюса блуждают, а в среднем раз в несколько сотен тысяч лет поле переворачивается: север и юг меняются местами. Последний переворот был около 780 000 лет назад. Остывая, лава запоминает направление поля, так что древние породы ведут дневник каждого переворота.

Ветер Солнца

Внешняя атмосфера Солнца, корона, в сотни раз горячее его видимой поверхности — настолько, что тяготение Солнца не может её удержать. Она утекает в космос во все стороны: это солнечный ветер. Юджин Паркер предсказал его в 1958 году, а через несколько лет космические аппараты это подтвердили.

Ветер — это плазма: газ настолько горячий, что его атомы распались на заряженные частицы, в основном протоны и электроны. Он чрезвычайно разрежён — всего несколько частиц в объёме кусочка сахара, пустее лучшего вакуума, полученного в лаборатории. И всё же он не стихает никогда и разносит магнитное поле Солнца по всей Солнечной системе.

Заряженные частицы не могут легко пересекать линии магнитного поля — вместо этого они закручиваются вокруг них. Поэтому поле Земли работает как щит, уводящий ветер в обход планеты. У Марса такого глобального поля нет, и за миллиарды лет солнечный ветер сорвал с него большую часть воздуха.

Щит

Солнечный ветер быстрее любой волны, которая могла бы опередить его и предупредить о препятствии. Поэтому он не может плавно обогнуть Землю: на головной ударной волне он резко тормозит и нагревается, как волна, вздымающаяся перед носом идущего судна.

За ударной волной замедленный ветер обтекает магнитопаузу, где его напор уравновешен давлением поля Земли. Это граница магнитосферы, магнитного пузыря Земли: внутри хозяйничает поле Земли, снаружи — ветер Солнца.

Пузырь сплюснут со стороны Солнца и далеко вытянут позади, как ветроуказатель. Его размер меняется вместе с ветром: когда ветер дует сильнее, магнитопауза прижимается ближе к Земле. В космосе обе границы невидимы; здесь они нарисованы светящимися пеленами.

Хвост дальше Луны

На ночной стороне солнечный ветер вытягивает поле Земли в длинный хвост — магнитный хвост. Точной его длины не знает никто. Космические аппараты находили его далеко за Луной, и, возможно, он тянется больше чем на 15 расстояний до Луны.

Посередине хвоста проходит плазменный слой — слой горячих заряженных частиц. Выше и ниже него линии поля направлены в противоположные стороны, натянуты, как резинки, и копят энергию солнечного ветра. Когда они резко сокращаются, эта энергия зажигает полярные сияния — это покажет один из следующих шагов.

Луна проводит в хвосте около шести дней в месяц — от трёх дней до полнолуния до трёх дней после. Там она укрыта от солнечного ветра, а японский аппарат «Кагуя» обнаружил, что на неё попадает кислород из верхних слоёв земной атмосферы.

Радиационные пояса

Заряженная частица закручивается вокруг линии магнитного поля. У полюсов, где линии сгущаются и поле становится сильнее, спираль сжимается, пока частица не повернёт назад, как отразившись от зеркала. Так она за секунду или меньше отскакивает от полюса к полюсу, одновременно дрейфуя вокруг всей Земли, и может оставаться в ловушке годами.

Во внутреннем поясе в основном протоны огромной энергии, и он почти не меняется. Внешний состоит в основном из электронов и меняется постоянно: солнечная буря может опустошить или наполнить его за несколько часов.

Первый американский спутник «Эксплорер-1» нёс счётчик радиации, построенный командой Джеймса Ван Аллена. На большой высоте он не считал вообще ничего — бессмыслица, пока «Эксплорер-3» не показал причину: излучение было таким сильным, что счётчик захлёбывался.

Если звук включён, вы слышите пояса: радиоволны, записанные зондами НАСА «Ван Аллен». Их частоты совпадают с частотами звуков, которые мы слышим, поэтому динамик может воспроизвести их напрямую. Такие волны разгоняют одни электроны и сбрасывают другие вниз, в атмосферу.

Солнечная буря

Солнечные пятна — более тёмные и холодные участки, где магнитное поле Солнца, спутанное и закрученное, прорывается сквозь его поверхность. Когда закрученное поле резко переходит в более простую форму, оно выбрасывает огромную энергию: вспышку света и рентгеновских лучей и часто облако газа со своим магнитным полем, выброшенное в космос, — корональный выброс массы.

Свет вспышки доходит до Земли примерно за восемь минут; облаку нужно от одного до четырёх дней. Телескопы, следящие за Солнцем, предупреждают за несколько дней, но насколько облако сильно на самом деле, становится ясно, лишь когда оно проходит мимо аппаратов, стоящих в четыре раза дальше Луны, — меньше чем за час до того, как оно дойдёт до нас.

В мае 2024 года группа пятен AR 3664 была шире Земли более чем в 15 раз — её можно было увидеть без телескопа через очки для наблюдения затмений. Солнце было близко к пику своего 11-летнего цикла, и 8 и 9 мая группа выбрасывала к Земле облако за облаком.

Сжатие

Важнее всего, куда направлено собственное поле облака. Со стороны Солнца поле Земли направлено на север. Когда поле облака направлено на юг, они противоположны и могут соединиться — как разноимённые полюса двух магнитов, которые притягиваются друг к другу. Щит раскрывается: силовые линии Земли цепляются за ветер, и он тащит их через полюса в хвост, накачивая энергию.

Облако с полем, направленным на север, в основном проскальзывает мимо, и даже быстрое наносит мало вреда. Поэтому прогнозисты не могут сказать, насколько сильной будет буря, пока облако не дойдёт до поджидающих его аппаратов.

Северные и южные сияния

Накопленная в хвосте энергия там не остаётся. Натянутые линии поля, как катапульта, сокращаются к Земле и швыряют электроны вдоль поля. Линии опускаются у полюсов, поэтому электроны бьют в верхние слои воздуха кольцом вокруг каждого магнитного полюса: это овал сияний, который светится здесь.

Когда электрон ударяет атом кислорода или молекулу азота, он отдаёт им лишнюю энергию, и она выходит обратно светом одного точного цвета — так светится неоновая вывеска. Кислород даёт зелёный. Выше, где воздух разрежён сильнее всего, он светится красным: этому красному свету нужно почти две минуты, чтобы выйти, а ниже столкновение отняло бы энергию раньше. Азот светится синим и фиолетовым.

Сияния на севере и на юге горят одновременно, почти как зеркальные отражения друг друга. Они бывают и на других планетах с магнитным полем: сияния Юпитера больше всей Земли.

Буря мая 2024 года

Это была сильнейшая буря с 2003 года. Сияния видели вдали от полюсов — в Мексике, Индии и Намибии, а в июне спутник НАСА CIRBE обнаружил два новых пояса частиц, оставленных ею между поясами Ван Аллена.

По мере того как буря вкачивала энергию, кольца света расползлись далеко к экватору, и миллионы людей впервые увидели полярное сияние. Камеры телефонов уловили больше, чем глаза: они фиксируют бледные красные и розовые оттенки, которые ночью мы почти не видим.

Космические бури добираются и до нашей техники. Координаты GPS смещались, и тракторы со спутниковым управлением сбивались с рядов в разгар весеннего сева в Северной Америке. Нагретая верхняя атмосфера разбухла и тормозила низколетящие спутники, и тысячам из них пришлось включать двигатели, чтобы удержаться на орбите.

Буря оставила после себя и нечто новое. В июне спутник НАСА CIRBE размером с обувную коробку нашёл между поясами Ван Аллена два новых пояса, в одном из которых были протоны — такого состава раньше не видели. Электронный пояс рассеялся примерно через три месяца; другой продержался гораздо дольше.

И всё же это была не самая сильная буря из записанных. В 1859 году Кэррингтонское событие зажгло сияния вплоть до тропиков и заставило искрить телеграфные провода. Такая буря сегодня могла бы натворить куда больше бед, поэтому за Солнцем следят круглые сутки.