Исследования по солнечно-земной физике в ИКФИА

 

Солнечно-земная физика – это комплекс дисциплин, изучающих связь процессов на Земле с солнечной активностью. Процессы на планете Земля являются отражением состояния сложной динамической системы, зависящей от как от внутренних причин, так и от внешних воздействий. Наибольшее влияние на Землю оказывает ближайшая звезда – Солнце. Это воздействие проявляется по двум каналам: через электромагнитное излучение и через корпускулярные потоки. Первый канал считается определяющим, так как по нему поступает основная доля энергии от Солнца. При этом основной поток излучения, приходящийся на видимый и инфракрасный диапазоны, практически не меняется, вследствие чего получил название «солнечной постоянной». В то же время излучение на ультрафиолетом крае спектра и рентгеновское излучение, отражая активные процессы на Солнце, имеют значительную динамику. Хотя с энергетической точки зрения эти излучения являются существенно более слабыми и, при этом, сильно поглощаются атмосферой, однако они играют важную роль в динамике «космической погоды». Под «космической погодой» понимается состояние околоземного космического пространства – магнитно-плазменной оболочки Земли. Насущная необходимость изучения космической погоды определяется растущим пониманием той роли, которую она может играть в метеорологических процессах в нижней и средней атмосфере, сказываться в надежности функционирования техническим систем на земной поверхности и в космосе, в самочувствии и здоровье людей. Соответственно, солнечно-земная физика изучает физические процессы, происходящие на Солнце, в межпланетной среде и в околоземном космическом пространстве – магнитосфере, ионосфере, а также в атмосфере.

Важным фактором, определяющим состояние космической погоды, являются солнечные корпускулярные потоки, низкоэнергичная часть которых представляет солнечный ветер, а высокоэнергичная - солнечные космические лучи. Солнце постоянно теряет свое вещество виде плазмы, заполняющей все околосолнечное космическое пространство, называемое гелиосферой. Поток плазмы - «солнечный ветер», имеет в среднем скорость около 400 км/c. В периоды активизации солнечных процессов происходят усиленные выбросы плазмы, скорость которой на орбите Земли может доходить до значений 800-900 км/с. Такие выбросы плазмы достигают планеты за 2-3 суток и на Земле разыгрываются магнитные бури.

 

ris-1

Рис. 1. Солнце - солнечный ветер - магнитосфера Земли

На рис.1 схематично показано воздействие солнечного ветра на указанную магнитно-плазменную оболочку Земли – магнитосферу. Магнитное поле Земли заставляет частицы солнечного ветра обтекать магнитосферу, хотя при этом часть силовых линий магнитного поля все-же сносится солнечным ветром в антисолнечном направлении..

 

Но частицы солнечного ветра за счет диффузионных процессов на границе магнитосферы могут постепенно накапливаться в ней – в так называемом «геомагнитном хвосте», и создавая (усиливая) радиационные пояса Земли. Приход к Земле очередного солнечного возмущения, чаще с предваряющей ударной волной, запускает, как правило, взрывной процесс развития комплекса взаимосвязанных явлений в магнитосфере.

 

Рис.2. Строение магнитосферы Земли

Рис.2. Строение магнитосферы Земли

Сложным образом меняется структура магнитного поля, а также токов, текущих в магнитосфере и в ионосфере, происходит инжекция частиц во внутренние области магнитосферы, наблюдаются высыпания частиц из магнитосферы в атмосферу, развиваются различные волновые процессы, приводящие к генерации электромагнитных излучений и волн. Области высыпаний частиц и продольных токов отмечены на рис.2. Вся совокупность процессов обычно объединяется понятиями явлений геомагнитных и авроральных бурь.

Так как магнитосферные возмущения характеризуются глобальными масштабами, то для их изучения с поверхности Земли необходимы пространственно-распределенные сети наблюдательных пунктов. Одна из таких сетей создана в ИКФИА СО РАН, основой которой является наблюдательный комплекс в виде меридиональной цепочки станций, оснащенных разнообразной измерительной аппаратурой (рис.3).

Экспериментальная база Института включает следующие полигоны и станции:

  • Якутский спектрограф космических лучей,
  • сеть магнитометрических станций на территории Якутии,
  • сеть риометрических станций на территории Якутии,
  • сеть ионосферных станций на территории Якутии,
  • оптический полигон "Маймага",
  • радиофизический полигон "Ойбенкель",
  • Комплексная геофизическая станция в Жиганске,
  • измерительно-наблюдательный комплекс в Полярной геокосмофизической обсерватории в Тикси,
  • станция приема спутниковой информации в Якутске.

 

Karta-Sakha

Рис.3. Расположение  экспериментальных установок института на территории Республике Саха (Якутия)

Цветами обозначены:
голубой – станции космических лучей,
красный – магнитометры,
желтый – риометры,
фиолетовый – ОНЧ-регистраторы,
синий –оптические приборы,
белый – установка широких атмосферных ливней

 

В ИКФИА разработан и создан комплекс экспериментальных установок для исследования космических лучей высоких энергий, включающий большую ионизационную камеру, нейтронные мониторы, систему мюонных телескопов. Непрерывные измерения, ведущиеся на протяжении около 50 лет, позволили во многом понять природу процессов взаимодействия космических лучей с межпланетной средой, установить причины наблюдаемых вариаций интенсивности космических лучей.

Разработаны, созданы и внедрены в практику экспериментального исследования теплового режима и крупномасштабной циркуляции верхней атмосферы спектральные приборы высокой разрешающей способности, чувствительности и надежности в зимних условиях Крайнего Севера. На основе материалов многолетних наблюдений установлены основные особенности картины крупномасштабной циркуляции авроральной и субавроральной термосферы над территорией Восточной Сибири.

Для решения многообразных задач используется созданный экспеpиментальный аппаpатуpный комплекс для многокомпонентных измеpений естественного pадиоизлучения в очень низкочастотном (ОНЧ) диапазоне. Комплексные ОНЧ измерения на меридиональной цепочке подтвердили значительную роль ОНЧ излучений в динамике энергичных частиц радиационных поясов Земли, а долговременные пространственно-разнесенные измерения способствовали установлению пpиpоды pегуляpного шумового фона ОНЧ- излучения, основной вклад в амплитуду которого вносят миpовые очаги гpоз.Особенностью разнесенного комплекса наблюдательных пунктов является его расположение на меридиане с максимальным различием положения географического и геомагнитного полюсов, что проявляется в более яркой выраженности магнитосферных процессов. Проводимые на геомагнитной цепочке исследования позволили получить ряд приоритетных результатов. В частности, на первых этапах изучения особенностей географического распределения и пространственно-временных вариаций полярных сияний был обнаружен т.н. береговой эффект – изгибание полосовых форм сияний вдоль берегов материка и островов, а также эффект «пятнистости», проявляющийся в неоднородности в географическом распределении полярных сияний.

Наблюдательные комплексы в ИКФИА позволяют решать задачи по следующим направлениям исследований по солнечно-земной физике:

  • исследование механизмов генерации и распространения космических лучей в гелиосфере
  • исследование механизмов взаимодействия солнечной плазмы с магнитосферой Земли,
  • комплексное исследование волновой активности в периоды магнитосферных возмущений по данным глобальных геомагнитных наблюдений, оптических и радиофизических измерений на Якутской широтно-долготной сети станций,
  • исследование теплового режима, крупномасштабной циркуляции и волновых возмущений в высокоширотной термосфере и мезосфере,
  • исследование атмосферных электродинамических процессов, их связи с ионосферно-магнитосферными процессами, с солнечной активностью.

Фундаментальные исследования в ИКФИА дополняются и прикладными работами. Изучение проявлений "космической погоды" ведется в тесном сотрудничестве с российскими и зарубежными исследовательскими группами. Экспериментальные данные измерений космических лучей, магнитных вариаций, грозовых разрядов, ионосферных и оптических станций передаются в международные центры обмена научной информацией.