СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР И МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ
Karl T. Thurber, Ir. (W8FX).
(Окончание. Начало в N3/2001)
Астрономы отслеживают солнечные циклы начиная с 1755 г. Двадцать третий по счету, 11-летний солнечный цикл достигнет своего максимума, скорее всего, в то время, когда этот номер журнала уже выйдет в свет (об этом мы узнаем только тогда, когда само событие уже произойдет; заранее точно предсказать момент достижения максимума невозможно). Чтобы помочь вам наилучшим образом использовать этот солнечный максимум, продолжим исследование солнечных связей между Солнцем и Землей и их влияния на радиосвязь.
А начнем мы с рассмотрения геомагнитных возмущений и бурь, которые могут быть вызваны сильными всплесками солнечного ветра. Когда всплеск солнечного ветра (чаще всего связанный с солнечными вспышками и извержениями корональ-ных масс) достигает Земли, наблюдаются изменения магнитосферы, а геомагнитное поле Земли сильно флуктуирует. Длительные периоды геомагнитной активности, известные как геомагнитные бури (сильные возмущения магнитного поля Земли), могут продолжаться несколько дней. Влияние этих бурь на распространение радиоволн зависит от мощности солнечного потока и величины возмущений геомагнитного поля.
Во время таких мощных геомагнитных бурь токи в магнитосфере быстро изменяются в ответ на изменения солнечного ветра. Эти токи генерируют свои собственные магнитные поля, которые складываются с магнитным полем Земли и приводят к возникновению "геомагнитно индуцированных" всплесков токов в почве, газопроводах, силовых и телефонных линиях. Их влияние может чувствоваться и в системах беспроволочных и спутниковых коммуникаций; с ростом концентрации частиц солнечного ветра в космическом пространстве эти линии буквально "разъедаются" (корродиру-ют). Возможны также и различные биологические эффекты, в частности, очень важные для космонавтов, находящихся на орбите.
Так как обычно солнечная активность спадает медленнее чем нарастает, вероятность возникновения сильных магнитных бурь и связанных с ними земных "фейерверков" будет высока в течение нескольких лет — примерно до 2005 года.
Возрастание солнечной активности приводит ко многим эффектам, поэтому ионосферное распространение может испытывать различные кратковременные возмущения. Во время некоторых геомагнитных бурь, называемых ионосферными, может происходить разрушение ионосферы, что приводит к различным эффектам. Как правило, затрагивается распространение коротких волн через ионосферную область F(на высоте около 300 км). Эти возмущения нарушают электронную конфигурацию ионосферы и вызывают ухудшение или даже полное исчезновение прохождения радиоволн.
Во время солнечных рентгеновских вспышек прежде всего страдают более низкие частоты и больше всего затрагиваются сигналы, трасса которых пролегает по дневной стороне.
Однако в некоторых обстоятельствах высокая солнечная активность может улучшить связь на КВ. Как правило, чем выше солнечная активность, тем лучше условия на высокочастотных любительских КВ-ди-апазонах, лежащих выше 14 МГц, а также на УКВ. Если Вы услышите предупреждение о солнечном возмущении от станции WWV или WWVH NIST (NIST — NationalInstitute ofStandards and Technology), попытайтесь использовать более высокочастотный диапазон.
Геомагнитные возмущения, приводящие к возникновению авроры, могут фактически улучшить распространение на высокочастотных КВ-диапазонах. Наряду с видимой авророй, может возникать и т.н. радиоав-рора. Это своего рода флуоресценция ионосферного слоя Е, которая приводит к возникновению тенденции отражения радиосигналов на частотах примерно выше 20 МГц. Для радиолюбителей и других пользователей ВЧ-спектра радиоволн особенно интересно в авроральных эффектах то, что они могут временно улучшить условия распространения. Особенно заметно авро-ральное распространение через слой Е на любительских диапазонах 28, 50 МГц и (иногда) на 144 МГц. Обычно это явление можно использовать в северных областях во время уменьшения авроральной активности. Условия распространения радиоволн похожи на "Sporadic-E", но иногда имеют "глухой" звук. Эффект чаще всего заметен на восточно-западных трассах на расстояниях примерно до 2300 км. Авроральное "открытие" слоя Е обычно продолжается час ил и два.
Слежение за солнечной динамикой и ее прогнозирование. Астрономы наблюдают за динамикой Солнца уже примерно 250 лет. В наше время главные измеряемые параметры — это число солнечных пятен и солнечный поток, тогда как ранее при наблюдениях за солнечной активностью подсчитывалось только число солнечных пятен. Уже много лет известно, что условия распространения радиоволн зависят от солнечных пятен и их размеров, причем при увеличении потока ионизирующего излучения растет как поглощение сигнала, так и MUF (Maximum Usable Frequency — максимально применимая частота). Число солнечных пятен и солнечный поток используются в качестве косвенных характеристик этого излучения.
В качестве приближенного показателя общей солнечной активности используется международное число солнечных пятен ISN (International Sunspot Number). ISNвычисляется по сложной формуле, учитывающей не только число солнечных пятен, но и такие факторы как группировка пятен и их размер. Числа ISN изменяются примерно от нуля в минимуме солнечной активности до чисел, гораздо больших 200, в пике солнечной активности. В большинстве математических моделей распространения радиоволн необходимо указывать, какие числа солнечных пятен будут использоваться. Кроме того, можно использовать для расчетов данные о солнечном потоке.
Обычно используются данные о шумовом солнечном потоке (или просто "солнечном потоке") на частоте 288 ГГц (10,7 см), как наиболее надежная мера радиошумов, идущих от Солнца. Солнечный поток изменяется примерно от 60 до 300.
Несмотря на то что мы используем в качестве меры активности как число солнечных пятен, так и солнечный поток, между ними нет точной математической связи — особенно, если мы будем использовать ежедневные данные. Но если приводить усреднение за 12 месяцев (сглаженные числа солнечных пятен, SSN — Smoothed Sunspot Number), между ними обнаруживается очень сильная корреляция (чтобы иметь представление о цифрах, отметим, что солнечный поток 100 примерно равен 48 SSN, а если SSNравно 200, то солнечный поток примерно равен 242).
До сих пор мы говорили о солнечном потоке и числе солнечных пятен самих по себе. Однако для нас гораздо важнее возможность предсказаний солнечной активности и ее влияния на Землю. К сожалению, такие предсказания все еще не могут быть отнесены к разделу точных наук.
Работы по улучшению надежности прогнозирования ведутся, в основном, в двух направлениях. Во-первых, это поиск корреляций между явлениями на Солнце и на Земле. Это мы делаем уже давно; однако до сих пор такие корреляции оказываются довольно грубыми и нуждаются в уточнениях. И, во-вторых, более амбициозная область исследований — построение адекватной модели солнечно-земных связей, которая включала бы невероятно сложные машитогидродинамические взаимодействия и не менее сложные вопросы физики Солнца, межпланетной среды и магнитосферы Земли.
Предсказания ионосферных бурь.
Ионосферные бури вызываются различными процессами на Солнце, такими как солнечные вспышки, корональные дыры и ко-рональные извержения масс. Бури длятся от нескольких часов до нескольких дней и иногда повторяются с периодом 27,5 дней, равным периоду собственного вращения Солнца.
И хотя ионосферные бури предсказывать очень трудно, они наблюдаются вместе с геомагнитными бурями, так что возмущения геомагнитного поля являются индикатором ионосферных возмущений. Сила бури отмечается индексами А и К, которые указываются в радиовещательных сигналах геофизической тревоги Geoalert, передаваемых станциями WWV и WWVH, принадлежащими Национальному институту стандартов и технологий (NIST) в г. Боулдер, шт. Колорадо. Радиостанция WWVрасполагается в окрестностях Форт-Коллинза (Ft. Collins), а радиостанция WWVH — в Кауаи, Гавайи. Обе станции осуществляют непрерывное вещание на частотах 2,5; 5; 10 и 15 МГц; кроме того, WWVвещает и на 20 МГц. Станции передают время в речевом и цифровом режимах, стандартные частоты и временные интервалы, коррекцию астрономического времени, геофизические (солнечно-земное пространство) сигналы тревоги (Geoalert), информацию об условиях распространения радиоволн и сообщения для глобальной системы навигации (GPS). Информация обновляется каждые три часа и передается станцией WVWна 18-й минуте каждого часа, а станцией WWVH — на 45-й минуте каждого часа.
В общем случае, с ростом активности геомагнитного поля уменьшается MUFи возрастает поглощение радиоволн. Ионосферные и магнитные возмущения могут сопровождаться видимой авророй.
Индекс К представляет собой результат трехчасовых магнитометрологических измерений интенсивности и направления геомагнитного поля и сравнения их с этими же характеристиками в геомагнитно "спокойных" условиях. Измерения индекса К осуществляются во многих местах земного шара и тщательно согласуются с геомагнитными характеристиками места, в котором проводятся измерения. Индексы К станции Боулдер (Boulder) измеряются по шкале от О до 9.
Индекс А дает усредненную меру геомагнитной активности, полученную из ряда физических измерений. Индекс А дает долговременную картину геомагнитной активности. Он выводится из индексов К и принимает значения от 0 до 400.
Предсказания солнечных циклов. Довольно проблематично решение такой задачи как долговременные предсказания, например, времени окончания одного цикла и начала следующего, прогнозирование условий на следующий год и т.п. Для прогнозирования используются сложные методы и изощренная техника.
Как мы уже видели, высокий уровень геомагнитной активности приводит, как правило, к ослаблению способностей ионосферы передавать КВ-радиосигналы. Естественно, поэтому, что эти вопросы представляют интерес для пользователей данной частью радиочастотного спектра.
Многие организации принимают участие в предсказаниях солнечных циклов и в мониторинге солнечной активности. Например, солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO) — это реализованный совместный проект Европейского космического Агентства (ESA) и Национального управления по океану и атмосфере (NOAA). Эта космическая станция — наиболее претенциозный проект, позволяющий осуществлять непрерывное наблюдение за Солнцем. Реализация проекта позволяет лучше понять взаимодействия между Солнцем и Землей, включая солнечный ветер.
Удобный "взгляд" на Солнце и его гелио-сферу (область в пространстве, занятую газообразными истечениями и магнитным полем Солнца) обеспечивается удобством позиции, выбранной для космической станции SOHO. Она расположена в точке, которую ученые называют "лагранжевой точкой L1". Это одна из пяти особых точек вокруг Земли, в которой находящееся в ней тело не испытывает возмущений в движении со стороны гравитационного поля Земли. Все предыдущие солнечные обсерватории просто вращались вокруг Земли, а поэтому наблюдения за Солнцем периодически прерывались, когда наша планета "затемняла" Солнце. В случае с SOHO такого не происходит.
Имея большой набор инструментов на борту, SOHO помогает ученым решать самые озадачивающие проблемы структуры Солнца, включая разогрев короны, ускорение солнечного ветра и физические условия внутри Солнца. Стоивший один миллиард долларов спутник наблюдает за Солнцем с 1996 года, и результаты этих наблюдений просто великолепны — были переданы сотни тысяч замечательных изображений солнечных извержений и сделано около дюжины важных открытий. Возможности наблюдения и предсказания мощных солнечных бурь у астрономов значительно возросли.
24 июня 1998 г. многие ученые были в панике. Станция SOHO замолчала и казалась потерянной для дальнейших наблюдений. Однако вскоре контакт со спутником был восстановлен; станция была обнаружена с помощью мощного ВЧ-луча, направленного самым большим в мире 1000-футовым радиотелескопом в Аресибо, Пуэрто-Рико. После длительных маневров, длившихся несколько месяцев, станция снова была в исправности и в хорошем состоянии. С тех пор она резко увеличила наши знания по физике Солнца — были открыты и картографированы плазменные реки на Солнце, индуцированные вспышками "солнцетрясения", корональные извержения масс и свыше 50 околосолнечных комет. Кроме того, SOHO недавно помогло точно локализовать те участки на краях яче-истообразных магнитных областей атмосферы Солнца, в которых зарождается солнечный ветер.
Солнечные, геомагнитные и ионосферные данные в Интернет. Огромное число данных об солнечной, геомагнитной и ионосферной активностях и об условиях распространения можно найти во "Всемирной паутине" (World Wide Web). Большинство Web-сайтов спонсируются хорошо известными академическими, педагогическими и правительственными организациями. Вот некоторые из организаций, сайты которых стоит посетить:
- Космический центр SEC (Space Environment Center) NOAA, являющийся частью Департамента торговли США, спонсирует очень обширный и поддерживаемый в хорошем состоянии сайт, который находится по адресу:
http://www.sel.noaa.gov/sec.home.htmb
- Национальный центр геофизических данных NGDC (National Geophysical DataCenter) NOAA распространяет бюллетень солнечных и геомагнитных индексов и предоставляет превосходный доступ к геофизическим данным и архивной информации, которую можно найти на
http://www.ngdc.noaa.gov
- Информационное агентство по солнечно-земным связям STD (Solar Terrestrial Dispatch), управляемое университетом г.Летбридж (провинция Альберта, Канада), предоставляет обильную информацию о состоянии Солнца и его влияние на Землю. Посетите страницу
http://solar.uleth.ca/solar/main.html
- служба IPS Radio and Space Serviceавстралийского правительства имеет Австралийский центр прогнозирования состояния космоса (Australian Space Forecast Center), который гордится своей информационной базой "on-line" по солнечно-земным связям, прогнозированию состояния космического пространства и условий распространения радиоволн. Данные содержатся на
http://www.ips.gov.au
- страничка "Aurora" спонсируется Мичиганским технологическим университетом. На ней имеются информация и изображения, относящиеся к Северному полушарию. .Адрес странички:
http://www.geo.mtu.edu/weather/aurora
- Web-сайт'"kangaroo Tabor Software", спонсируемый Icim Tabor (KU5S), содержит некоторые программы и предназначен тем, кто интересуется прогнозированием текущего и будущего состояния Солнца и,условий распространения радиоволн: Он вклк> чает такие инструменты, как Active Beacon Wizard++ и WinCAPWizard 2. В любом случае посетите сайт
http://www.taborsoft.com
CQ, NN 8-9/2000.
Перевод А.Бельского. Печатается с сокращениями.