Солнце и электромагнитные возмущения Земли

Нас постоянно пугают магнитными бурями. с периодически   возбуждённым Солнцем связано много факторов. Но если бы дело было только в нём. В СМИ сейчас все, даже не сильные  геомагнитные возмущения* (1) принято называть магнитными бурями. Немало фейков про грядущие «страшные» магнитные бури в новостных сообщениях в Гугле. А за весь январь 2024 были только две слабых магнитных бури 1-го и 22-го.
Однако, магнитная буря — земное последствие взрывной солнечной непогоды,  начинается от 5 баллов Кр индекса, предложенного  Бартельсомом в 1938 году. И это явление от дрожания и пульсирования  магнитной оболочки Земли может быть действительно опасным для живого и техники.

Теперь немного о магнитном поле Земли.
Его силовая характеристика  — магнитная индукция, которую в околоземном пространстве называют ещё и напряжённостью (поскольку в вакууме напряжённость и индукция по величине  совпадают).
Напряжённость магнитного поля Земли  оценивается в теслах (нТл, 1 нанотесла, или Гаус — одна миллиардная от Тл) и зависит от географического положения.   На экваторе она около 34000 нТл, у магнитных полюсов около 66000 нТл. В некоторых районах магнитных аномалий — материковых, локальных и местных, напряжённость может быть выше.
Например, на Байкале существуют локальные магнитные аномалии  с отклонением в 400 нТл. В междуречье Енисея и Лены есть точки с напряженностью магнитного поля до 60 тыс. нТл. В районе Курской магнитной аномалии поле в 100 — 150 (200) тыс. нТл, это более чем в два раза выше среднего  планетарного значения.
Интересно, что на  дневной стороне Земли сила магнитного поля больше, чем на ночной на 200 нТл.
(Приводимые здесь и далее  цифровые данные могут отличаться в зависимости от разных источников).

При сильных ударах солнечной материи по магнитосфере Земли возникают «мгновенные сильнейшие возмущения движения электромагнитных полей, … когда стрелка  компаса начинает метаться из стороны в сторону» (А.Чижевский)*(2).
Можно представить — что происходит в эти моменты с человеком!

Обычный компас - не самый чувствительный прибор, - но тем не менее, его стрелка фиксирует и мгновенные, и суточные, и годовые колебания по величине и отклонения магнитных линий. В этом можно убедиться, понаблюдав за его показаниями дома в разных местах квартиры в разное время.
Компас появился в Китае в третьем тысячелетии до н.э., а в Европе намного позже.  В нём использовался магнетит, природный магнитный минерал. По сему можно судить, что в древности люди знали, кроме звёзд и планет и о солнечных возмущениях.
У древних не было современных измерительных приборов, к тому же они не могли видеть, что происходило на солнце, мощных телескопов не было. Но сильные  возмущения чувствовали и фиксировали. Ведь человек не только мыслитель — он обладатель комплекса разных чувствительных приборов.

Люди древнего мира знали многое, и планеты и звёзды, и про них.
Издавна было  известно, что Солнце, планеты и люди взаимосвязаны. И даже небольшая Луна значительно влияет на нас отдалениями-приближениями и положениями к Солнцу. Но понятие «магнитные бури» возникло только с развитием науки и техники.

Геомагнитные возмущения оцениваются К индексами,  основной - планетарный индекс Кр. Его определяют в баллах от 1 до 9 по данным обсерваторий мира за каждые три часа, с точкой отсчёта времени по Гринвичу. (Это можно видеть на сайте SpaceWeatherLife, задержка обновлений 15 -20 минут).  При его определении берутся максимальные значения из трёх векторных компонент  магнитного поля Земли: Н, D и Z (одного из вариантов  представления вектора геомагнитной индукции F).  Это амплитуды векторов по направлениям, измеряются в нТл: H —  на Север; D —  на Восток; Z — вертикальная компонента. Величины их во много раз  меньше напряжённости магнитного поля Земли, которая составляет, как сказано ранее,  30 — 60 тысяч нТл. И чем ближе к земле — тем напряжённость выше.

С 1999 года возмущения оценивают и по G-шкале, но только как магнитные бури, где  G-индекс соответствует индексу Kp минус 4; то есть, G1 соответствует Kp=5, начальной магнитной буре.
Кр индексы сводятся воедино в Международном центре Де Бильт (Нидерланды),  связанном с Постоян­ной Службой геомагнитных индексов в Гёттингене (ФРГ).  
За  данными можно наблюдать на сайте Магнитные бури сегодня и завтра в Гёттингене (Нижняя Саксония, Германия). (voshod-solnca.ru).

Стоит обратить внимание, что местные значения Кр могут отличаться. Так 31.12.23 индекс Кр был: в Москве, Спб и Волгограде с 6 до 9 часов = 3, с 9 до 12 = 2; а в Новосибирске и Красноярске по-другому:  с 6 до 9 = 2, а с 9 до 12 Кр = 3 (время по Гринвичу).
1 декабря 2023 года по ТВ объявили о самой сильной в мире магнитной буре года (по данным немецкого центра геонаук среднее максимальное значение планетарного индекса было 6,667), а по информации российской геофизической обсерватории «Борок»* (3) (Ярославская область)  были периоды: 4-6, 21-22 ноября  с пиками в 6 баллов, 26 — всплеск в 7 баллов, а 5 ноября в 8 и даже 9 баллов, что есть абсолютный максимум значения всемирно принятого К индекса.
Мы, россияне, ожидаем геовозмущения по прогнозам наиболее популярного источника «Гисметео».  Но прогнозы, естественно, по ряду причин не всегда сбываются. Да и его фактические данные далеко не всегда соответствуют данным международного центра.

За 2023 год отмечено быстрое возрастание  активности Солнца. И по предварительным данным лаборатории солнечной астрономии ИКИ РАН и ИСЗФ СО РАН в текущем солнечном цикле крупные события ещё предстоят,  всё более вероятным становится выход Солнца на максимум уже в первой половине предстоящего 2024 года.

Русский и советский учёный А. Л. Чижевский ещё в начале 20-го века изучил и на основании многих международных исследований описал связи Солнца с происходящими на Земле извержениями вулканов и землетрясениями, колебаниями климата, частотой и интенсивностью гроз, осадками, давлением воздуха, с болезнями, эпидемиями, смертями,  самочувствием, здоровьем, с социальными потрясениями и войнами. Взять хотя бы один пример, важный для нас - две революции 1905 и 1917 года пришлись на годы максимальной солнечной активности.
С  Солнцем, электричеством и магнетизмом в биомире Земли связано множество  явлений как рождаемость, урожайность,   размножаемость животных, время прилёта птиц, даже количество и качество вина и многое другое.
Много космических проблем выявилось и с техникой. Особенно со спутников.

Об особенностях космоса, влияющего на землян, говорят как о космической погоде. Основными её факторами, действующими на пространство жизни, считаются: потоки заряженных частиц от Солнца и из космоса,  солнечные и космические лучи, гравитация.
Кроме прямого влияния космоса и Солнца следует учесть как следствие процессы на нашей планете: геомагнитные возмущения, возмущения ионосферы,  внутриземные, поверхностные и атмосферные процессы, атмосферное электричество.

Но всё-таки главный творец всего происходящего на Земле и вокруг неё —  Солнце.  Примерно раз в 11 лет его активность максимальна, хотя продолжительность цикла может варьироваться от 7 до 17 лет.  Самый бурное время цикла активности с частыми и интенсивными магнитными бурями составляет 2-3 года. 
Есть и более длительные циклы. Имеет значение и период вращения Солнца вокруг своей оси (оборот за 27 дней). И приближение Земли к нему. По сообщению  пресс-службы Московского планетария 4 января 2024 года Земля была в перигелии — самой ближайшей к Солнцу точке своей орбиты, и диск Солнца выглядел на 3% крупнее, чем в начале июля.

Главным источником геомагнитных возмущений является извержение плазмы (ионизированного газа), которая распространяются в космосе в виде так называемого солнечного ветра*(4),  и оно часто совмещается с солнечными вспышками — излучениями.
Одни учёные рассматривают вспышки и извержения плазмы раздельно. Другие исходящее от Солнца и из космоса считают как один поток и называют его радиацией.
Понятие «солнечная радиация»*(5),  отличается от бытового понятия радиации, - это то что исходит с Солнца в космос и на Землю через солнечные ветра и волны от вспышек: потоки плазмы, высокоэнергетических частиц и атомов и молекул веществ и волновое электромагнитное излучение.

Солнечные ветры - это облака высокоэнергетичной раскалённой намагниченной плазмы, главным образом состоящей из ионизированного водорода и гелия. В ней есть ещё кислород, углерод, железо, неон, магний и другие элементы и заряженные частицы. (Ветра из Солнца исходят постоянно, но отличаются энергетической силой).
Потоки ионов, электронов, протонов и других частиц летят из корональных дыр в виде конуса, угловые размеры которого зависят от мощности потока.

Солнечная вспышка - это внезапное, мощное локализованное  электромагнитное излучение взрывного типа, часто сопровождаемое и извержением плазмы.
Вспышки классифицируются как классы A, B, C, M или X в соответствии с пиковым потоком (и измеряются в ваттах на квадратный метр, Вт/м2) — инф. SpaceWeatherLife.
Вспышки класса М — средней силы, выше их только вспышки класса Х.
Если вспышка Х произойдёт вблизи центра обращенного к Земле солнечного диска, она может вызвать сильный и продолжительный шторм солнечной радиации и привести к серьезным (G4) или экстремальным (G5) геомагнитным бурям (SpaceWeatherLife).
И даже «мелкие» постоянно происходящие нановспышки по силе подобны взрывам нескольких десятков водородных бомб каждая (В.Сурдин).
12 января 2024 г.  была зарегистрирована вспышка M1.0  продолжительностью семь минут, а самая мощная вспышка 2023 года уровня Х5.0  была 31 декабря.

Солнечное излучение*(6),  после вспышки или извержения массы достигает Земли, сильно ослабленное атмосферой, за время чуть более 8 минут. Ею оно частично гасятся. Но самые высокочастотные лучи доходят до нас и проникают даже сквозь стены.   
Вещество с Солнца после выброса достигает Земли позже, за несколько дней, от 1,5 до 4, в зависимости от скоростей (мощности) солнечного ветра (от 400 км/с при относительно спокойном состоянии Солнца до 1000 км/с и больше во время сильных взрывных процессов). Наталкиваясь на магнитное поле Земли, солнечный ветер деформирует его, возмущает, но до поверхности Земли не доходит.
В пространство Земли помимо солнечных выбросов, приходит ещё и космическое вещество с излучением *(7).

Солнечные ветра и излучения наталкиваются на две защитные оболочки Земли: электромагнитное поле и атмосферу *(8). Электромагнитное поле Земли, или по-другому магнитосфера, существует  из-за  вращения жидкого слоя ядра Земли  в основном из железа и никеля. Магнитосфера - не круглая. С солнечной стороны она сплюснута давлением солнечных ветров в среднем до 70 тыс км до Земли.  При мощных потоках сжатие больше. Так  при сильной буре  6 ноября 2001  граница магнитосферы приблизилась к Земле до 25 тыс. км. На ночной стороне она удлинённая, заходящая далеко в космос.
Магнитные полюса Земли с географическими не совпадают: географический северный полюс — как магнитный —  он южный; ось магнитосферы наклонена к оси вращения Земли на 11 градусов (полюса медленно перемещаются по окружности).

Магнитосфера Земли очень подвижна и изменчива: колеблется, вибрирует, пульсирует, изменяет направление силовых линий. Она и генерирует магнитные бури. Особенно значимы влияния её быстрых и сильных  изменений.
Её поле  варьируется и во времени, и в пространстве: есть материковые, локальные и местные отклонения.
Это вариации — переменные составляющие магнитного поля с отклонениями от среднего уровня.
Диапазон вариаций при геомагнитных возмущениях примерно от 100 до 1000 нТл, так что изменение  силы магнитного поля Земли мизерное. Однако и небольшие отклонения в 1 - 3 % оказывают значительное влияние на среду.  При магнитных бурях, кроме амплитуды магнитного поля,  имеют значение и другие факторы, о которых позже.

Мощные потоки солнечного ветра, движущиеся в сторону Земли, огибают её вдоль магнитных силовых линий, прорываются к радиационным поясам, наполняют их   протонами и электронами, и эти магнитные ловушки длительно их удерживают, пока те не рассеются или не потеряют энергию при столкновении с воздухом.
Радиационный пояс является главным средством  защиты Земли в магнитосферой.  Открыли его в пятидесятых годах прошлого века со спутников в связи с обнаружением на их орбитах (от 160 до 2000 км и гораздо выше) опасной радиации.

Радиационный пояс можно представить как две разноуровневые оболочки магнитного поля Земли, как два пояса:  внутренний и внешний, охватывающие Землю со всех сторон, кроме приполярных областей.  Внешний пояс, с электронами, — на высоте 10 -15 тыс. км в  в полярных (приполюсовых) зонах, южной и северной. Внутренний - с протонами и электронами - на высоте 500 -1000 км в экваториальной зоне.
Это - магнитные ловушки, и частицы, захваченные ими, летают спиралеобразно со скоростью близкой к скорости света  вдоль силовых линий Земли от одного магнитного полюса к другому с периодичностью в 0,1 — 1 секунду и образуют мерцающие поля -  геомагнитные пульсации.

При  спокойной и слабовозмущенной магнитосфере геомагнитные пульсации составляют весьма незначительную долю от средних значений индукции геомагнитного поля Земли - от сотых до десятых долей процента, хотя при сильных магнитных бурях могут доходить до единиц процентов и достигать сотен нТл ( janto.ru).
Пульсации являются причиной возникновения, кроме пульсирующих полярных сияний,  электрических токов в технических и биологических средах. В.Сурдин в своих лекциях приводит пример выхода из строя из-за них в середине 19 века телеграфов, а в двадцать первом - электросетей в Квебеке.

Пульсации с резкими перепадами и быстрыми повторениями, меняющиеся по величине в течение от нескольких минут до нескольких часов за сутки, возбуждают в проводящих средах, в т.ч. технических и биологических, токи и потому способны оказывать негативное воздействие на организм человека и особенно опасны для протяженных линий электропередач. На большой длине этих линий могут наводиться значительные переменные и постоянные ЭДС (электродвижущие силы), которые способны привести к полной потере работоспособности энергосистем. Такое происходило в Канаде в августе 1972 года  и в Швеции в октябре 2003 года. ЭДС  наводятся и в ионосфере, нарушая радиосвязь.
Очень велико значение системы ионосферы в отделении космоса от атмосферы, которой мы дышим.  Совсем недавно японцы определили её роль даже в усилении действия магнитных бурь. А управление её возмущением, что стало реально возможно, позволяет создавать катаклизмы на Земле. Более детально о ней в сноске 8) и в последующих публикациях.

Значительная часть плазмы от общего  потока солнечного ветра устремляется к магнитным полюсам Земли. У них магнитное поле слабое (его сила нулевая).  Прорывается в атмосферу, и в ионосфере возникают электрические токи —  видны  полярные сияния. 
«Полярное сияние происходит из-за того, что частицы солнечного ветра сталкиваются с верхней атмосферой Земли. Это приводит к возбуждению атомов и молекул газов, входящих в её состав. Они начинают излучать» (сотрудник Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН).  Там они и гасятся.
Полярные сияния чаще всего наблюдаются за Полярным кругом; северное сияние — над Арктикой и южное  — над Антарктикой. Однако при сильных магнитных бурях сияния видны и значительно южнее, даже в Московской области и ниже. 
Так 5 ноября 2023 года наблюдалось редкое явление — полярное сияние красного цвета - на Кубани, в Крыму и в Ростовской области. В девятнадцатом веке полярное сияние видели даже на Кубе (В.Сурдин).
Другой источник сияний — это попавшие  в радиационный пояс Земли протоны и электроны, галактические космические лучи,  солнечные лучи и частицы солнечного ветра.


Резюме

Наиболее сильные электромагнитные возмущения, возникающие на Земле в ответ на выбросы с Солнца энергии в её сторону во время его повышенной активности, - это магнитные бури.
Особенно ощутимы их сила и быстрота изменений.

В земном пространстве при магнитных бурях:
меняется величина и направление геомагнитной напряжённости;
от пульсаций магнитного поля в технических и биологических объектах возникают нежелательные электрические токи;
до поверхности Земли доходят опасные излучения;
возбуждается ионосфера;
возникают вредные для человека инфразвуковые колебания воздуха;
и побочные явления.
Всё это оказывает нежелательное влияние на самочувствие и здоровье и на работу технических объектов и устройств.

О неблагоприятных воздействиях магнитных бурь и геомагнитных возмущений на человека в следующих публикациях.


Сноски

1)   Геомагнитными возмущениями называются любые отклонения элементов геомагнитного поля от уровня, характеризующегося его спокойным состоянием. Амплитуда этих отклонений поля Земли может быть от единиц до тысяч нТл, а длительность – от секунд до нескольких суток. 

2) Александр Леонидович Чижевский (1897-1964) советский учёный и биофизик, бывший представителем течения естественнонаучного направления русского космизма, основанного на теории единства космоса, природы, человека, Основатель геобиологии.
Основной концептуальной проблемой для него было определение того, как космос, в целом, и, особенно, солнце, влияет на жизнь на земле, в целом, и на жизнь человека и общества, в частности.
В 1918 году он защитил в МГУ докторскую диссертацию.
В 1938 году издал в Париже на французском монографию «Земное эхо солнечных бурь», в СССР на русском она появилась только в 1973 году.

3) На ГО (геофизическая обсерватория) “Борок” в непрерывном режиме проводятся все виды геомагнитных наблюдений, включая измерение ультранизкочастотных пульсаций геомагнитного поля, геомагнитных вариаций, главных компонент магнитного поля Земли, а также абсолютные магнитные измерения. При этом производится непрерывная цифровая регистрация и архивация.

4)  Радиация космическая - это гамма- и рентгеновские лучи (электромагнитные волны), бета-частицы (электроны и их античастицы, позитроны), альфа-частицы (ядра атомов гелия), нейтроны, протоны (ядра атома водорода) и более тяжелые ядра атомов от Солнца и из космоса.
Её электромагнитная фотонная составляющая  распространяется  со скоростью света и проникает в земную атмосферу.  Существует также корпускулярная часть солнечной радиации, состоящая преимущественно из протонов, движущихся в солнечном ветре со скоростями 300—1200 км/с.

Фотон — фундаментальная безмассовая частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света),  частица электромагнитных волн.
Волны материальны и являются центральной частью теории квантовой механики.
Протон - стабильная субатомная частица с положительным электрическим зарядом. Его масса в 1836 раз больше массы электрона.  Протоны имеют высокую энергию и могут проникать сквозь различные барьеры, включая человеческую кожу. Они наиболее опасны для космонавтов.
Электрон -  субатомная частица с отрицательным электрическим зарядом. 
Субатомные частицы обладают свойствами как частиц, так и волн. И  движутся почти со скоростью света.

5) Солнечный ветер представляет собой быстрый поток горячей порядка ста тысяч градусов намагниченной плазмы  с заряженными частицами, уходящий от Солнца во всех направлениях. Подавляющая его часть -  ионизированный водород (отдельные протоны, их большинство,  и электроны), и менее 10% - ионизированный гелий.  В солнечном ветре присутствуют  литий, бериллий, углерод, кислород, азот, кремний и другие тяжелые элементы, вплоть до железа.
Солнечные частицы, входя в пространство Земли, охлаждаются примерно до 10 тысяч градусов.

Магнитное поле  солнечного ветра в тысячи раз слабее поля Земли. Но оно значительно ослабляет приходящие извне космические лучи. Так в 2009 году, в период затянувшегося минимума солнечной активности, интенсивность излучения вблизи Земли  относительно всех наблюдаемых ранее максимумов выросла на 19 %  (Информация СпбГосуниверситета).

6)  Космическое излучение в районе Солнечной системы  состоит  из;
протонов – 91%; ;-частиц – 6,6%; электронов – 1,5%; ядер других более тяжелых элементов – менее 1%;  рентгеновских и гамма–лучей космического происхождения;  солнечного излучения.
Спектр электромагнитного излучения Солнца состоит в основном из излучений ультравысоких частот, его диапазоны в длинах волн, в нанометрах (наноме;тр — одна миллиардной части метра).
< 150 нм — ионизирующее излучение, рентгеновское и гамма-излучение;
150-400 нм — ультрафиолетовое излучение, частоты от 7,6·1014Гц до 5·1016Гц;
400-800 нм — видимый свет;
800-1000 нм — инфракрасное излучение;
> 1000 нм — дальнее инфракрасное излучение, за ним сверхвысокие частоты (СВЧ) и радиодиапазон ( вплоть до 100 м ).
(В интернете есть конверторы длины волн в частоты).
На долю оптического излучения приходится около 50% энергии всего электромагнитного излучения Солнца, на долю инфракрасного - около 40%, на долю ультрафиолетового - около 9%. 1%  делится между радио-, рентгеновским и гамма-излучением.

7) В 2023 году (после обработки данных в 2023 году это стало открытием года) в атмосфере был обнаружен «широкий атмосферный ливень» (ШАЛ) - лавинообразное преобразование молекул атмосферы от воздействия чрезвычайно мощных, прежде не известных электрически заряженных частиц, не понятно откуда пришедшего излучения.  Открытая не известная прежде элементарная частица получила название Аматерасу.
Исследования ШАЛ велись у нас с 1958 года.

8) Атмосфера, в основном, газовая оболочка,  начинается с экзосферы (её границы 2 —  10 тыс. км). На высоте около 2 —3,5 тыс. км она заполнена редкими частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода и пылевидными частицами кометного и метеорного происхождения. 
В атмосфере, кроме воздушной, есть две защитных зоны против солнечных и космических заряженных частиц и  излучений — ионосфера и озоновый слой.   

Ионосфера,     электрически заряженный слой атмосферы  с электронами и ионами и смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота и кислорода), находится на высотах от 50–70 км до не­сколь­ких де­сят­ков ты­сяч ки­ло­мет­ров. Её состояние сильно влияет на различные гео- и биопроцессы, всего весомее  - на радиосвязь.
У ионосферы постоянный энергетический обмен с радиационными поясами: частицы поясов затрачивают энергию в ионизационных процессах, а ионосфера пополняет радиационные пояса заряженными частицами и влияет на  геомагнитное поле.

Ниже ионосферы,  на высоте от 11 до 50 км  - озоновый слой, который защищает Землю от жесткого ультрафиолетового излучения.
И ещё ниже — плотные слои с воздухом, состоящим  на 78 %  из азота, 21 % - кислорода, 0,9%  аргона, 0,03 % углекислого газа и из небольших количеств других газов. А что выше 100 км - условно считается космосом, хотя переход атмосферы  в межпланетное пространство постепенный, с высоты 500—1000 км от поверхности Земли.