Земля в Солнечной системе

 

Земля в Солнечной системе

Как известно, в нашей Галактике – в этом скоплении почти 100 млрд звезд – Солнце является желтым карликом. Солнце движется по эллиптической орбите вокруг центральных масс Галактики с периодом около (200±20) млн лет. Вокруг Солнца обращаются девять больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Обращение планет вокруг Солнца происходит в том же направлении, что и вращение самого Солнца вокруг своего центра. Все планеты, кроме Венеры и Урана, вращаются вокруг своих центров в том же направлении. Аналогично обращаются вокруг своих планет и большинство их естественных спутников.

Практически вся масса Солнечной системы (99,9%) сосредоточена в Солнце, а 98% момента количества движения отражаются в орбитальном движении планет.

По физическим свойствам планеты подразделяются на земную группу, к которой относят Меркурий, Венеру, Землю, Марс и, возможно, Плутон; и на группу Юпитера: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Группа разделена поясом астероидов – малых планет, размером от одного до 100 км, обращающихся вокруг Солнца, как и все планеты, по эллиптической орбите. Предполагают, что астероиды – протопланетные тела, которые не смогли объединиться из-за гравитационного влияния Юпитера.

Средние плотности планет земной группы – от 3,9 г/см³ для Марса до 5,6 г/см³ для Меркурия (для Земли – 5,516) – существенно больше плотностей планет группы Юпитера (от 0,7 для Сатурна до 2,1 г/см³ для Нептуна). Зато число спутников у последних от 2 до 13 превосходит число спутников у планет земной группы (один у Земли и два у Марса). Планеты земной группы состоят из силикатов и железа, а группы Юпитера – из водорода и гелия с примесью воды, метана, аммиака и др.

Особенностью протекания процессов на Солнце, отражающихся на эволюции Земли, является процесс пятнообразования, которые представляют собой выход трубок магнитных силовых линий. Напряженность магнитного поля в крупных пятнах около 240 кА/м. Период пятнообразования равен 22 года. Солнечную радиацию разделяют на электромагнитные волны (ультрафиолетовые лучи, видимый свет и радиоволны) и поток заряженных частиц. Последний, называемый солнечным ветром, со скоростью 400 км/с несется в том числе на Землю, увлекая солнечное магнитное поле, которое вблизи Земли достигает несколько единиц нанотесла. Поток этой плазмы Земля встречает своей магнитосферой, которая имеет следующую структуру (рис.1).

Как известно, основная часть геомагнитного поля может быть представлена дипольным полем.

Диполь, при отсутствии внешних воздействий должен создавать в околоземном пространстве семейство замкнутых на полюсах силовых магнитных линий, точнее силовых поверхностей.

Однако существование солнечного ветра (а также космических заряженных частиц) заставляет геомагнитное поле перестроиться в такую структуру - магнитосферу, которая бы препятствовала проникновению солнечного ветра в атмосферу Земли. В связи с этим область замкнутых магнитных силовых поверхностей распространяется до 65 - 90 тыс. км на солнечной стороне Земли. Эту зону называют магнитопаузой. Магнитопауза является наружной границей магнитосферы Земли, напряженность магнитного поля в ней 100 - 200 нТл. Далее магнитные силовые поверхности перестраиваются в квазипараболоид с вершиной в сторону Солнца и хвостом (шлейфом) на ночную сторону. На солнечной стороне геомагнитные силовые линии поджаты  (сплющены) к Земле, а на ночной стороне они вытянуты на несколько миллионов километров.

 На высотах более 90 - 100 тыс. км от Земли геомагнитное поле встречает солнечный ветер, движущийся со сверхзвуковой скоростью и обладающий  напряженностью 5 - 10 нТл. Образуется ударный фронт, на границе которого давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля:  основная часть заряженных частиц огибает квазипараболическую магнитную силовую поверхность ударного фронта, но некоторым плазменным частицам удается проникнуть в магнитную полость между ударным фронтом и наружной границей магнитосферы – магнитопаузой. Магнитопауза – это замкнутая на полюсах силовая поверхность. Проникшие в магнитную  полость заряженные частицы не могут проникнуть через магнитопаузу: они скатываются к магнитным полюсам, которые представляют собой магнитные щели. Через эти щели заряженные частицы солнечного ветра проникают в атмосферу Земли, где и вызывают магнитные бури и полярные сияния.

Предполагается, что начало магнитной бури связано с моментом формирования ударного фронта. Интенсивность магнитных бурь   составляет сотни и тысячи нанотесла.

Магнитные бури возникают практически одновременно (различия в 1-2 минуты) на всем земном шаре и протекают более или менее одинаково. Продолжительность колеблется от двух до трех суток, с наибольшей интенсивностью в первые часы. Различают бури с внезапным и постепенным началом. Внезапное увеличение магнитного поля на сотни нанотесла фиксируется на всех мировых магнитных обсерваториях в пределах 1-2 минут. Во втором случае начало бури на разных обсерваториях может отличаться на десятки минут.

Из-за резких колебаний амплитуды и периодов магнитной бури, в особенности в начальной фазе, структура магнитной бури очень сложная. Но четко прослеживается следующая закономерность: вначале магнитное поле , как правило, резко возрастает  и в течение 1-3 часов достигает своего максимума (от нескольких сотен до 1000-3000 нТл, чаще до 100-300 нТл), затем поле сначала резко падает, а через 2-3 ч. начинает медленно уменьшаться до своего минимума (через 8-10 ч.), после чего идет относительно спокойное повышение поля до нормального уровня в течение 1-3 суток. Период развития бури от момента падения поля до его восстановления называют главной фазой магнитной бури.

По своей интенсивности (амплитуде) магнитные бури подразделяют на умеренные (до 200 нТл), большие (200 - 400  нТл) и очень большие (свыше 400 нТл). Частота появления магнитных бурь очень хорошо коррелирует с числом солнечных пятен по 11-летнему циклу: чем выше солнечная активность, тем чаще возникают магнитные бури. Бури имеют тенденцию чаще появляются в периоды равноденствий. Замечено, что бури возникают спустя 2 дня после хромосферной вспышки Солнца. Частота больших и очень больших бурь приурочивается к периодам максимальной солнечной деятельности. Существует повторяемость активности магнитных бурь через 27 дней, соответствующих периоду вращения верхних слоев Солнца вокруг оси.

Эти данные свидетельствуют, что магнитные бури своим происхождением обязаны хромосферным вспышкам в областях солнечных пятен: хромосфера в эти периоды выбрасывает мощный корпускулярный поток заряженных частиц в виде плазмы. При этом создаются местные магнитные поля, сквозь которые проходит плазма. Двигаясь, плазма увлекает, растягивает силовые линии этого магнитного поля, образуя  солнечный ветер.

Взаимодействие Земли со своим спутником – Луной – приводит к так называемому приливному трению, в результате которого Земля замедляет свое вращение, а Луна отодвигается от Земли.  На рис.2а приведен график изменения среднегодовой продолжительности суток с 1900 г. по 1966 г.,  а на рис 2б – график изменения числа дней в году за последние 500 млн. лет. Заметим, что вращение Земли имеет вековое замедление, равное  – 5×10^-22с^-2.