Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы Страница 12

Рис. 5. Соприкосновение семейств одинаково направленных магнитных силовых линий. Пересоединение невозможно

Мы получаем четкое «правило отбора» ситуаций: если сблизились в потоке или как–нибудь еще семейства противоположно направленных линий, допустимо возникновение «тетивы» и появление дополнительного выброса вещества из Х‑точки, если линии одинакового направления — ничего особенного не произойдет, пересоединение «запрещено».

Чтобы сработал пункт «два», необходимо нарушение «вмороженности» силовых линий: как в примере с клейстером — нельзя считать нити вклеенными, когда их разрезают и перевязывают по–другому. Как обеспечить выполнение пункта «два»? Исследователи видят разные пути. Одни представляют себе дело таким образом, что вблизи точки X подключается некоторый процесс (например, возникает неустойчивость), благодаря которому плазма вблизи самой Х‑точки теряет свою идеальность. Другие исходят из изначальной неидеальности потока и стараются выявить такие сближающие потоки, чтобы эта изначальная неидеальность нужным образом проявила себя в области сближения. Конкретные представления о пересоединении разнообразны, как поэтические вариации на тему «соловей и роза». Но тема одна: это «раз — два — три».

Астрофизики, интересуясь движением космической плазмы, обсуждали возможности и последствия пересоединения магнитных силовых линий еще до появления гипотезы Данжи. И вот что замечательно. Все сказанное здесь об Х‑точках — не упрощенный показ результатов строгого анализа и убедительных расчетов. Несколько приведенных здесь наглядных соображений об Х‑точках — это практически все, чем располагал Данжи. И располагают сейчас его последователи. И можете располагать вы, читатель, если захотите расшифровать многообразие космических явлений. Проведем же такую расшифровку вместе.

Данжи предположил, что силовые линии собственного дипольного магнитного поля Земли, того поля, что создано глубинными токами внутри нашей планеты, пересоединяются в космосе с теми силовыми линиями, которые приносит с собой к Земле хороший проводник — плазма солнечного ветра. С этих пор название «Х‑точка», отражающее всего лишь вид магнитного поля вблизи нее, вполне можно считать символическим: это то неизвестное, о котором космофизики ведут самые напряженные споры.

Во времена, когда вышла работа Данжи, знания о ближнем космосе были скудны. Знали, что есть радиационные пояса. Советские космические зонды, запущенные в 1959–1961 годах, обнаружили потоки плазмы от Солнца.

Но не было ясно, эпизодическое это явление или постоянно существующий солнечный ветер.

Гипотеза Данжи уверенно предсказывала еще не открытые черты околоземного пространства.

Хвост магнитосферы. Согласно Данжи, у магнитосферы должен существовать очень длинный хвост. Действительно, если на Землю набегает поток солнечной плазмы — солнечный ветер, то магнитное поле, которое он несет с собой, приходит в соприкосновение с магнитным полем токов, текущих в глубине ее, — с дипольным магнитным полем. Временами должны образовываться Х‑точки, в которых допустимо пересоединение силовых линий соприкасающихся полей. Получившиеся при пересоединении силовые линии одним «концом» уходят в Землю, другим — в солнечный ветер. Поток солнечного ветра относит проходящую по нему часть силовой линии далеко в противосолнечную, ночную сторону Земли (рис. 6). Пересоединению должны подвергнуться в первую очередь периферийные магнитные силовые линии дипольного поля, пересекающие поверхность планеты вблизи магнитного полюса, высокоширотные. Две пряди таких линий из Южного и Северного полушарий тянутся далеко в межпланетное пространство. Это и есть хвост магнитосферы.

Рис. 6. Круговорот вещества в магнитосфере Земли (широкие стрелки указывают направление движения) и пересоединение силовых линий в дневной и ночной Лоточках по гипотезе Данжи

Как мы видели раньше, вытянутость магнитосферы в ночную сторону можно понять и без привлечения гипотезы Данжи, просто как след в потоке за обтекаемым препятствием. Однако объяснить «невероятную» длину этой вытянутости — хвоста — без обращения к гипотезе Данжи современная наука не может.

Хвост магнитосферы — явление уникальное: это самый длинный след за препятствием в потоке из числа известных науке (необыкновенно велико отношение его длины к размерам головной части). Причем речь идет о длине хвоста, известной на сегодняшний день; какая она на самом деле, мы пока не знаем, так далеко еще не залетали космические корабли.

(Иногда необычную вытянутость хвоста магнитосферы объясняют существованием поперек него электрического тока: известно, что между противоположно направленными семействами магнитных силовых линий всегда течет ток, в данном случае два таких семейства представляют собой «пряди» Северного и Южного полушарий. Но это все равно, что объяснять существование курицы существованием яйца. Мы имеем здесь дело с отражением все того же дуализма полей и частиц — магнитного поля и частиц, носителей тока. И вопрос о длине хвоста — двух прядей силовых линий магнитного поля — заменяется вопросом о необыкновенной длине слоя с током между ними.)

Круговорот вещества в околоземном пространстве. Из гипотезы Данжи следует также, что в магнитосфере должен идти постоянный круговорот вещества, при котором с ночной стороны плазма движется на дневную и обратно. В самом деле, если бы только шло пересоединение на дневной стороне магнитосферы, то число хвостовых силовых линий все время увеличивалось бы, а дипольных — уменьшалось. Такого постоянного увеличения — уменьшения не наблюдается. Данжи объяснил это тем, что в хвосте магнитосферы, вблизи плоскости экватора (то есть там, где соприкасаются противоположно направленные хвостовые линии из Южного и Северного полушарий), могут также образовываться Х‑точки, в которых идет пересоединение (см. рис. 6). При этом со стороны Земли появляются «замкнутые», уходящие обоими «концами» внутрь планеты силовые линии, они похожи на дипольные, только более вытянуты. Однако этот вид сохраняется недолго: силовые линии сокращаются, как резинки, и вытянутость исчезает.

Обратим внимание на концы силовых линий, которые пересекают поверхность Земли. Если бы не было слоя нейтральной атмосферы, то силовая линия из магнитосферной плазмы прямо переходила бы в Землю. А поверхность Земли — достаточно хороший проводник, и к ней можно отнести все наши рассуждения о «вмороженности» силовых линий. Так что без атмосферы «земной конец» силовой линии был бы «вморожен» в твердую Землю и двигаться бы не мог. Присутствие плохого проводника, атмосферы, разбивает эту связанность, и магнитосферный участок силовой линии может двигаться, так сказать, сам по себе. Другими словами, плазма, находящаяся на нем, не ощущает присутствия проводящей Земли. Если мы проследим за его «подножием», местом, где силовая линия выходит из нейтральной атмосферы в Южном полушарии или входит в нее в Северном, то увидим, что оно движется по небосводу. Сначала, когда силовая линия пересоединилась на дневной стороне с линией межпланетного магнитного поля, это подножие начинает «отплывать» в ночную сторону Земли, поскольку вся силовая линия с находящейся на ней магнитосферной плазмой сносится потоком ветра в противосолнечную, ночную, сторону. Там силовая линия пересоединяется снова, уже в хвостовой Х‑точке, и подножие вместе со всем магнитосферным участком силовой линии идет назад, на дневную сторону: ведь из ночной, хвостовой Х‑точки будут поступать новые «замкнутые», похожие на дипольные силовые линии, которых там накопилось «слишком много» — столько, что пучки их, стремясь расшириться, вызывают движение силовых линий и «примороженного» к ним вещества туда, где таких линий в «недостатке», то есть на дневную сторону. На дневной стороне магнитосферы наша силовая линия рано или поздно пересоединится с магнитным полем солнечного ветра, и все повторится снова.

Впоследствии этот круговорот вещества в магнитосфере был обнаружен и получил название магнитосферной конвекции плазмы. Это «вечное движение» — примечательная черта околоземного пространства, и мы увидим далее, что с ним связаны многие интересные явления.

Правда, для объяснения этого круговорота можно и не обращаться к гипотезе Данжи. Представим себе, как мы уже делали, магнитосферу просто полостью в потоке солнечного ветра, обтекающего препятствие — Землю с ее собственным магнитным полем. Предположим, что солнечный ветер увлекает соприкасающуюся с ним разреженную плазму наружных областей магнитосферы благодаря действию на границе некоторых гипотетических сил вязкости. Скапливающаяся на ночной стороне магнитосферы плазма будет возвращаться по внутренним областям магнитосферы снова на дневную сторону. Силовые линии магнитного поля во всей магнитосфере остаются при этом похожими на дипольные (в том отношении, что все они уходят под поверхность Земли). Этот механизм конвекции был предложен Аксфордом и Хайнсом немного раньше, чем Данжи предложил свой вариант объяснения конвекции. В космофизике представления о магнитосфере называют моделями. О модели, использованной Аксфордом и Хайнсом, обычно говорят как о закрытой. Этим подчеркивают отсутствие в ней открытых силовых линий, уходящих одним концом в Землю, а другим — в солнечный ветер. Напротив, модель Данжи называют открытой. В современной космофизике в работе находятся обе модели магнитосферы и обе считаются классическими.