big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Полярные сияния и магнитные бури

Уже в XVII в. было установлено, что наша Земля представляет собой как бы большой магнит, ось намагниченности которого не совпадает с осью ее вращения. На поверхности Земли и вблизи неё, как и около любого магнита, существует магнитное поле, которое проще всего можно обнаружить при помощи магнитной стрелки. В любом месте магнитная стрелка устанавливается под действием земного магнитного поля всегда в определенном направлении: одним своим концом она направлена приблизительно к северу, другим - к югу. На этом свойстве магнитной стрелки основано устройство всем известного компаса, изобретенного в Китае не менее чем за 1000 лет до н. э.

Положение магнитной стрелки определяет направление так называемого магнитного меридиана. Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от географического меридиана, называется магнитным склонением.

Изучение магнитного склонения, которое меняется от одного места к другому, имеет большое практическое значений для мореплавания, авиации и артиллерии, поскольку знание склонения дает возможность сразу же определить направление географического меридиана, а следовательно, и иметь точное представление о курсе корабля или направлении стрельбы.

Если магнитную стрелку подвесить на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то стрелка расположится не горизонтально, а под некоторым углом к горизонту. Угол этот называется углом наклонения. Если передвигаться вдоль магнитного меридиана от экватора к северу, то угол наклонения увеличивается. В некоторой точке северного полушария Земли стрелка займет вертикальное положение: здесь угол наклонения равен 90°.

Эта точка на земной поверхности называется магнитным полюсом, или полюсом наклонения. Так как этот полюс расположен вблизи северного географического полюса, то условились для удобства называть его северным (он расположен на 74° северной широты и 100° западной долготы). В южном полушарии тоже имеется точка, в которой угол наклонения равен 90°;

Силовые линии магнитного поля Земли и магнитные полюсы наклонения

это — южный магнитный полюс. Все магнитные меридианы сходятся в магнитных полюсах Земли, поэтому склонение на самом полюсе становится неопределенным. Около экватора магнитная стрелка принимает горизонтальное направление (магнитное наклонение равно нулю). Линия, вдоль которой стрелка располагается горизонтально, называется магнитным экватором; с географическим экватором он не совпадает.

Рис. 9 иллюстрирует форму магнитных силовых линий, вдоль которых располагается магнитная стрелка. На магнитных полюсах, где наклонение равно 90°, магнитные силовые линии имеют вертикальное направление.

Из теории земного магнетизма следует, что, кроме полюсов наклонения, должны существовать еще осевые магнитные полюсы; они расположены между географическим полюсом и магнитным полюсом наклонения, примерно посредине. Дело в том, что, по современным представлениям, большая часть магнетизма Земли связана с ее внутренним ядром. Магнитное поле, создаваемое этой частью, имеет такой вид, как если бы Земля была намагничена одно родно. Кроме того, имеется еще неоднородная часть магнитного поля, связанная с магнитными массами, по-разному распределенными в верхних слоях земной коры. По мере удаления от поверхности Земли магнитное поле уменьшается, причем неоднородная его часть, уменьшается быстрее, чем однородная, вследствие чего вдали от Земли мы будем иметь дело только с полем однородного намагничения. Магнитная ось однородного намагничения не проходит через центр Земли и наклонена под углом в 12° к оси ее вращения. Она пересекает земную поверхность в двух точках, получивших на звание осевых полюсов, или полюсов однородного намагничения. Иногда их называют геомагнитными полюсами. Се верный геомагнитный полюс имеет координаты: 78,6° северной широты и 70° западной долготы (на 1945 г.). Угол, составляющий дополнение до 90° углового расстояния от данной точки до геомагнитного полюса, называется геомагнитной широтой. Вокруг геомагнитных полюсов и центрируются изохазмы. Осевые геомагнитные полюсы играют важную роль при исследовании полярных сияний. Расположение магнитного, осевого и географического полюсов показано на карте изохазм.

Магнитное поле Земли, обусловленное магнетизмом самого земного шара, называется постоянным магнитным полем. Хотя это поле называется постоянным, оно, как установлено многолетними наблюдениями, медленно меняется из года в год с периодом в несколько столетий. Эти медленные изменения постоянного магнитного поля Земли называются вековыми вариациями.

Если внимательно следить за магнитной стрелкой в течение некоторого времени, можно заметить, что положение ее несколько меняется: в продолжение суток она испытывает плавные и правильные колебания вокруг среднего положения. Это периодическое явление носит название суточных спокойных вариаций земного магнитного поля.

Если наблюдать за стрелкой в продолжение более длительного промежутка времени, то может оказаться, что стрелка в некоторые дни начинает вдруг сильно отклоняться от своего среднего положения, совершая резкие беспорядочные колебания. Эти нарушения продолжаются в течение нескольких часов, а иногда и дней. Затем стрелка успокаивается, и все идет обычным порядком. Подобное поведение стрелки указывает, что в это время магнитное поле Земли испытывает резкие и сильные неправильные колебания, получившие название магнитных бурь, или возмущений. Они были обнаружены еще на заре развития магнитных исследований, когда единственным магнитным инструментом была магнитная стрелка.

Во время магнитных бурь магнитное поле Земли колеблется в пределах нескольких процентов своей величины. Магнитное склонение в такие периоды в средних широтах изменяется на 1—2°, а в высоких широтах изменения склонения могут быть больше 10°.

Принципиальная схема магнитографа

Во время дрейфа экспедиционного судна «Фрам» 24 июня 1894 г. была отмечена магнитная буря, когда амплитуда склонения доходила до 26°. Энергия магнитных бурь может быть весьма значительной. Во время таких бурь в земной коре и в длинных проводах могут возникать по индукции электрические токи, часто вызывающие нарушение работы телеграфа.

Быстро изменяющаяся часть магнитного поля (включая сюда и суточные спокойные вариации) называется переменным магнитным полем.

Для систематического изучения вариаций магнитного поля Земли существуют магнитные обсерватории. Применяемые в обсерваториях самопишущие приборы для регистрации вариаций магнитного поля Земли называются магнитографами, а сама запись, осуществляемая фотографическим способом,— магнитограммой. На рис. 10 изображен принцип действия магнитографа; он весьма прост: к подвешенной на нити магнитной стрелке прикреплено зеркальце, на которое направлен пучок света; свет отражается от зеркальца и попадает на вращающийся барабан с фотографической пленкой. Когда магнитное поле спокойно, световой зайчик, отраженный от зеркальца стрелки, будет писать плавную линию. Во время же магнитной бури стрелка придет в беспорядочное движение, и зайчик, повторяя ее движение, запишет на фотографической бумаге беспорядочные колебания.

Магнитная буря 25-26 января 1938 г., когда наблюдалось яркое полярное сияние

На рис. 11 приведена магнитограмма магнитной обсерватории острова Диксона за 25—26 января 1938 г. По горизонтальной линии отложено время, а по вертикали — величина колебаний магнитной силы. Буква D обозначает склонение, Н и Z — горизонтальную и вертикальную составляющие магнитной силы; Do, Но и Zo — линии, образуемые неподвижным зеркалом, не связанным с магнитом; от них отсчитывается положение зайчика, отраженного от зеркала магнита. Как видно из записи, сначала магнитное поле имело плавный ход. В 11 ч. 50 м. (по гринвичскому, или мировому, времени) внезапно началась сильная магнитная буря. Запись на магнитограмме далеко вышла за пределы ленты и сильно запутана.

Изменения магнитного поля Земли во время бурь настолько различны, что за весь период, в течение которого обсерваториями ведется регистрация магнитных вариаций (более 100 лет), не было двух совершенно одинаковых магнитных бурь.

Распределение числа магнитных бурь и их интенсивности в зависимости от широты места показывает, что количество и интенсивность

Положение проекций дуг сияний на земной поверхности

бурь возрастают от низких широт к высоким, с максимумом в зоне полярных сияний. К полюсам интенсивность возмущения убывает, но все же остается значительной. Таким образом, географическое распределение магнитных бурь в среднем оказывается аналогичным распределению полярных сияний, что, несомненно, указывает на связь между этими явлениями.

Но связь между полярными сияниями и магнитным полем Земли этим не ограничивается. Уже давно было замечено, что дуги полярных сияний протягиваются обычно с востока на запад, т. е. примерно в направлении, перпендикулярном геомагнитным меридианам, а лучи сияний располагаются в направлении силовых линий земного магнитного поля. Параллельные лучи, образующие корону, будут, в силу перспективы, сходиться в магнитном зените, т. е. в точке, где силовые линии для данного места, проектируясь на небесной сфере, кажутся сходящимися, подобно кажущемуся схождению параллельных рельсов железнодорожного пути. Иначе говоря, ориентирование определенных форм полярных сияний обусловлено силовыми линиями земного магнитного поля.

На рис.12 изображено положение проекций дуг на земной поверхности, определенных по одновременным снимкам из двух или нескольких пунктов; из него видно, что дуги близко следуют геомагнитным широтам θ (они проведены на рисунке пунктирными линиями и представляют собой линии равного углового расстояния от геомагнитного осевого полюса). По этому рисунку можно судить о длине дуг. Отмечен случай, когда длина одной дуги была более 2500 км.

Наблюдения за полярными сияниями и магнитными бурями показали, что они вызываются какой-то одной причиной, поскольку они часто появляются одновременно. Такое совпадение между полярными сияниями и магнитными бурями было обнаружено нашими поморами еще в начале XVIII в. Русские поморы были отважными и искусными мореходами. Наблюдая за поведением магнитной стрелки компаса во время своих плаваний на «кочах» до Новой Земли и Шпицбергена, они заметили, что «на пазорях матка дурит» (матка — русское название компаса). После более подробных исследований связи между полярными сияниями и магнитными бурями стало известно, что чем сильнее сияние, тем больше возмущение.

С магнитными возмущениями наиболее тесно связаны лучистые и движущиеся формы сияний. Слабые нелучистые формы сияний проходят часто без заметных магнитных возмущений. Это, несомненно, указывает на некоторое различие в характере тех физических процессов, которые происходят при возникновении двух основных форм сияний.

Одновременно обнаружился и другой интересный факт: чем сильнее магнитная буря, тем в более южных широтах возникает полярное

Географическая распространённость полярного сияния 4 февраля 1872 г.

сияние. Магнитные бури малой интенсивности обычно ограничиваются полярными областями и не ощущаются в более южных широтах. Такие бури называются полярными. Интенсивные же магнитные бури охватывают весь земной шар, и существенные изменения магнитного поля наблюдаются на всех широтах. Такие бури называются

Положение точек сияний в ночь с 23 на 24 марта и с 24 на 25 марта 1933 г.

мировыми. Они-то и сопровождаются сияниями в умеренных и южных широтах. Так, например, во время мировой магнитной бури 25—26 января 1938 г. наблюдалось очень яркое полярное сияние, которое было видно в таких южных пунктах, как Алма-Ата, Севастополь, а также на севере Африки. Область видимости сияния, наблюдавшегося во время мировой магнитной бури в конце августа и начале сентября 1859 г., распространялась почти на всё северное полушарие до 20° северной широты. 4 февраля 1872 г. полярное сияние было видно в Египте, Индии и Гватемале. Географическая распространенность этого исключительного сияния представлена на рис. 13. На рис. 14 и 15 приведено географическое распределение положений отдельных точек сияний, находившихся в зените, определенных

Положение точек сияний в ночь с 1 на 2 мая 1933 г.

по одновременным фотографиям из разных пунктов Норвегии, для дней с различной степенью магнитной возмущенности.

На рис. 14 изображено положение точек сияний в ночь с 23 на 24 марта и в ночь с 24 на 25 марта 1933 г. На рис. 15 изображено положение точек сияний в ночь с 1 на 2 мая, когда наблюдалось самое сильное полярное сияние за 1932—1933 гг., которое распространялось далеко к югу. Сияние сопровождалось большим магнитным возмущением. Из сравнения рисунков видно, что сияние в ночь c l на 2 мая распространялось южнее, чем в две мартовские ночи.

Если в две ночи марта точки сияния располагались в пределах θ = 19—28°, то в ночь с 1 на 2 мая они располагались в пределах θ = 24 — 32°, т. е. гораздо южнее.

Суточный ход частоты появления и интенсивности полярных сияний на о-ве Уединения в 1936-1937 гг.

Суточный ход частоты появления полярных сияний в Годхообе и Кингуа-Фиорде

Связь сияний с магнитными возмущениями проявляется также в суточном ходе обоих явлений. Всем, кто долго наблюдал полярные сияния, хорошо известно, что в течение суток они появляются не равномерно. В высоких широтах сияния чаще всего бывают около полуночи, достигая в это время и наибольшей интенсивности. В средних широтах они чаще всего наблюдаются в первой половине ночи с максимумом в 20—22 часа по местному времени. В это же время наступает обычно и максимум магнитных возмущений, что, несомненно, указывает на связь между обоими явлениями. В дневное (светлое) время сияния не видны. Однако обнаружено, что в период полярной ночи, когда утром и днем достаточно темно, что позволяет заметить даже слабые сияния, они встречаются реже, будучи в то же время менее интенсивными.

На рис. 16 для примера приведен суточный ход частоты появлений сияний и их интенсивности на острове Уединения, расположенном

Суточный ход частоты появления полярных сияний на мысе Деннисон

Суточный ход магнитной возмущённости на обсерватории бухты Тихой

вблизи зоны сияний. Внутри зоны в суточном ходе частоты появления сияний наблюдается два максимума: один в вечерние часы, другой в ранние утренние. Последний уже заметен и на острове Уединения; он быстро растет по мере продвижения к осевому полюсу.

Станция Годхооб, Кингуа-Фиорд (северное полушарие) и Мыс Деннисон (южное полушарие) расположены внутри зоны сияний. Как видно из рис. 17 и 18, на этих станциях, помимо ночного максимума, сильно развиты утренние максимумы, особенно для корональных форм сияний, которые видны над головой наблюдателя, вблизи зенита. Аналогичная зависимость от широты наблюдается и в суточном ходе магнитных возмущений. На станциях вне зоны сияний в суточном ходе магнитной возмущенности наблюдается вечерний максимум. На станциях внутри зоны два максимума: утренний и вечерний, причем утренний максимум может быть больше вечер него. Суточный ход магнитной возмущенности в бухте Тихой (Земля Франца-Иосифа) приведена на рис. 19.

Распределение сияний в течение года также зависит от широты места. Для умеренных широт сезонный ход имеет два максимума, приходящихся на равноденственные месяцы (сентябрь и март) и минимум — на лето и середину зимы.

По мере продвижения в высокие широты частота появления сияний в зимние месяцы становится вначале сравнимой, а затем даже больше частоты появления их в равноденственные максимумы, в результате чего в годовом ходе сияний в высоких широтах будет выделяться только один максимум, примерно в декабре — январе.

Аналогичную зависимость от широты места обнаруживает также сезонный ход магнитной возмущенности, что опять-таки свидетельствует о тесной связи между полярными сияниями и магнитными возмущениями.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.