Естественные вариации параметров околоземной среды.

Характеристики всех областей околоземного пространства претерпевают значительные изменения, связанные с изменениями солнечной и геомагнитной активности. Температура верхней атмосферы может меняться в 3–4 раза, при этом изменения плотности и давления достигают 2–3 порядков величины. Таков же приблизительно диапазон вариаций концентрации заряженных частиц в ионосфере на фиксированной высоте. Значительно изменяются потоки заряженных частиц в радиационных поясах Земли, электрические токи, текущие в ионосферной и магнитосферной плазме, положения границ магнитосферы и отдельных структурных образований внутри нее. Во время очень мощных солнечных вспышек удаление магнитопаузы от Земли на дневной стороне может уменьшаться с 10 до 4-5 радиусов Земли, а плазмопауза в зависимости от уровня геомагнитной активности перемещается в пределах 3-6 радиусов Земли.

Происходящие изменения определяются внешними воздействиями на магнитосферу Земли, универсальной мерой которых могут служить энергетические характеристики процессов воздействия. Главной составляющей потока энергии, приходящего в околоземное пространство, является солнечное электромагнитное излучение. Распределение освещенности, создаваемой Солнцем на внешней границе атмосферы Земли по диапазонам длин волн, приведено в табл. 1.

Видно, что 90.5% энергии электромагнитного излучения Солнца приходится на видимый и инфракрасный диапазон. Излучение в этих диапазонах участвует в обеспечении теплового баланса земной поверхности и нижней атмосферы. На ультрафиолетовый и рентгеновский диапазон приходится 9.5% энергии излучения Солнца, это излучение поглощается в слоях выше тропосферы.

При анализе воздействий на ОЗКП важны именно те сравнительно слабые потоки энергии, которые поглощаются в верхней атмосфере и магнитосфере. Усредненные по времени и относительные амплитуды вариаций разных энергетических потоков в ОЗКП приведены в табл. 5. Поток энергии ультрафиолетового солнечного излучения с λ < 120 нм, поглощаемый в верхней атмосфере, намного превосходит другие потоки. Поток энергии рентгеновского излучения Солнца с λ < 2, 5 нм, испытывающий очень значительные вариации в зависимости от уровня солнечной активности, сопоставим с энергией Солнечного ветра. Усредненный по времени поток энергии Солнечных космических лучей весьма мал, но во время вспышек он может увеличиваться на 4 порядка. Плотность потока энергии галактических космических лучей на два порядка меньше по сравнению с Солнечным ветром.

Поток плазмы Солнечного ветра несет магнитное поле ~ (5 - 50)*10^-4 Гс, захваченное на Солнце и «вмороженное» в плазму. Это поле является основной составляющей межпланетного магнитного поля. Из-за вращения Солнца магнитное поле имеет характерную искривленную секторную структуру с противоположными знаками в соседних секторах, рис. 11. Поле, направленное от Солнца, считается положительным, а к Солнцу – отрицательным. Если вблизи границы магнитосферы вектор межпланетного магнитного поля имеет значительную составляющую, направленную противоположно геомагнитным силовым линиям, происходит их пересоединение с межпланетным полем. Это деформирует магнитосферу и меняет условия проникновения в нее плазмы Солнечного ветра.

С межпланетным магнитным полем связана модуляция потока галактических космических лучей в противофазе с изменениями солнечной активности на протяжении 11-летнего цикла. Амплитуда модуляции составляет 30%. При повышении Солнечной активности усиливается межпланетное магнитное поле и происходит вытеснение галактических космических лучей из Солнечной системы. При уменьшении Солнечной активности происходит ослабление воздействия межпланетного магнитного поля на галактические космические лучи. Подобный эффект, но несколько меньшей амплитуды, наблюдается и при одиночных солнечных вспышках.

Корональные выбросы массы из Солнца – это замагниченные плазменные облака, спорадически выбрасываемые из солнечной короны. Частота их появления коррелирует с солнечной активностью, хотя корональные выбросы происходят не только во время вспышек на Солнце. Корональные выбросы вызывают значительные возмущения магнитосферы вплоть до возникновения сильных магнитных бурь.

При увеличении потока галактических космических лучей прозрачность атмосферы снижается, а при уменьшении – возрастает. Соответственно изменяется тепловой баланс земной поверхности и атмосферы, и происходит перестройка циркуляционных процессов в тропосфере. Следовательно, галактические космические лучи влияют на климат на Земле!

Частицы галактических космических лучей, а при солнечных вспышках и солнечные космические лучи, влияют и на состояние озонного слоя. В разрушении атмосферного озона важную роль играет каталитический цикл:

NO + O₃ → NO₂+ O₂,

NO₂ + O → NO+O₂.

При протекании этих реакций содержание NO и NO₂ в атмосфере не изменяется, т.е. окислы азота выполняют только функцию катализаторов. Образование NO и NO₂ на высотах озонного слоя происходит в результате цепочки ионно-молекулярных реакций, начинающихся с ионизации молекул N₂, которая обеспечивается главным образом заряженными частицами, поскольку необходимое для ионизации N₂ солнечное излучение с λ < 800 А поглощается на больших высотах. В полярных областях во время солнечных вспышек неоднократно наблюдалось снижение концентрации озона, достигающее на высотах проникновения Солнечных космических лучей (выше 40-50 км) 20-30%.