14. Следы странников

    Потоки космических лучей достигают окрестности Земли и те, которым “повезёт” пробиться через магнитное поле, достигают атмосферы. И здесь они не пропадают бесследно… Помните, у С.Лема: “В космосе ничего не пропадает”. Ну что же, давайте посмотрим, так ли это.

14.1. Атмосферный след странников – климат сегодня

    Взаимодействуя с атмосферой, космические лучи теряют свою энергию – почти 95%. Зададимся вопросом, какова доля этих потерь среди потерь энергии других видов излучений, падающих на Землю. Каковы эти виды излучений? В основном – это солнечная радиация. В таблице 14.1 вы можете видеть основные виды солнечной радиации и их поверхностную энергию (энергию, падающую на единицу поверхности атмосферы).

Таблица 14.1. Основные виды солнечной радиации и космических лучей

    Мы видим, что СКЛ и ГКЛ среди прочих видов космических излучений несут ничтожную долю энергии. Поэтому возникает естественный вопрос, способны ли космические лучи повлиять каким-либо образом на атмосферные процессы? Оказывается – да. Несмотря на их очень малую “энергетику”, они, как мы сейчас увидим, играют очень существенную роль в развитии ряда атмосферных явлений, которые могут приводить и к климатическим изменениям.
    Каким образом вообще можно “нащупать” связь между таким сравнительно “маломощным” агентом космической среды, каким является поток космических лучей и атмосферными явлениями? Обратим внимание на то, что изменения общей радиации Солнца (см. таблицу 14.1) очень малы – не более 0.1%. Это удивительно, но факт: несмотря на существенные изменения солнечной активности в течение 11-летнего цикла и других более длительных циклов и более коротких, общий поток солнечного излучения остаётся постоянным! Однако мы уже видели, что изменения ГКЛ в течение 11-летнего цикла, весьма значительны: ГКЛ подвергаются мощной солнечной модуляции (см. рис. 13.1), поток СКЛ и релятивистских электронов также изменяется с течением солнечного цикла, но более сложным образом, чем ГКЛ (рис.14.1). Вывод напрашивается сам собой: надо попытаться обнаружить 11-летнюю цикличность (или более долгопериодную) в атмосферных процессах и сравнить её с солнечной.
    Такие попытки были сделаны, и они обнадёживающие. Взгляните на рис. 14.2. На нём приведены изменения числа солнечных пятен (W), индекс, описывающий изменения геомагнитной активности аа (этот индекс пропорционален частоте магнитных бурь), а также изменение глобальной температуры атмосферы Земли (Т) за более, чем 100-летний период.

Рис. 14.1. Изменение потоков релятивистских электронов, высыпающихся из радиационных поясов, и солнечных космических лучей с изменением солнечной активности

Рис. 14.2. Долговременные изменения солнечной, геомагнитной активности и глобальной температуры на Земле. Положительный тренд солнечной активности приводит к отрицательному тренду (ослаблению) потоков ГКЛ (см. гл. 13) и, возможно, к глобальному потеплению на Земле

   Наличие связи между изменением солнечной и геомагнитной активности с изменением температуры атмосферы очевидна – за последнее столетие наша температура не только немного подросла (на ~0.5^о) в соответствии с длиннопериодным трендом усиления активности Солнца. Иногда также удаётся проследить отдельные, “кратковременные” изменения температуры, явно связанные либо ослаблением, либо с усилением солнечной активности.

Рис. 14.3. Потери энергии в атмосфере различных компонент космического излучения: ГКЛ, релятивистских электронов и ультрафиолета. На высотах от ~20 до ~90 км ионизацию атмосферы создают электроны, а на меньших высотах - ГКЛ. Верхние слои атмосферы ионизируются в основном за счёт ультрафиолета

    Какой физический механизм может быть ответственен за такую связь?
    Прежде чем перейти к описанию этого механизма, обратимся к рис. 14.3, на котором изображена структура верхних слоёв атмосферы и скорость потерь энергии различных компонент космического излучения: ГКЛ, релятивистских электронов радиационных поясов и ультрафиолета Солнца. Потери энергии частицами, проникающими в атмосферу, связаны с ионизацией частиц – превращением нейтральных атомов и молекул воздуха в заряжённые. Расчётные значения плотности потоков этих ионов также представлены на этом рисунке. Как мы увидим ниже, именно ионизация воздуха играет большую роль в искомой связи между космическими лучами и атмосферными явлениями.
    Что же нам говорят кривые, изображённые на рис. 14.3? Первое: ультрафиолет Солнца ионизирует атмосферу лишь на больших высотах, а ГКЛ – основной фактор, приводящий к ионизации атмосферы на малых высотах (менее 20 км) как во время максимума, так и во время минимума солнечной активности. Ну, а в промежутке, высотах (~ 20-90 км), – релятивистские электроны, высыпающиеся из радиационного пояса в атмосферу, создают основную долю ионизированного воздуха. А теперь вспомним: где, на каких высотах сверкают молнии? Не выше нескольких километров над Землей. Вот к ним мы сейчас и обратимся.

Рис. 14.4. Изменения потоков космических лучей и концентрации ионов в атмосфере в зависимости от высоты доказывают, что ионизация на малых высотах создаётся частицами ГКЛ

Рис. 14.5. Изменения потока космических лучей и облачного покрова Земли

Рис. 14.6. Изменение ионизации воздуха и частоты молний

14.2. Гром и молнии странников

Грозы – одно из самых захватывающих природных явлений. Подсчитано, что в течение суток наблюдается сотня тысяч гроз на нашей планете. Энерговыделения возникающих молниевых разрядов ~5^.10¹⁹ Джоулей в сутки. Энергия же атмосферного циклона составляет всего 2% от этой величины, поэтому есть смысл рассматривать прямую физическую связь этих явлений. Ну, а молнии? Что заставляет “разряжаться” грозовые облака?
    Одна из идей, активно разрабатываемая в настоящее время, состоит в том, что именно космические лучи и являются тем “спусковым крючком”, который заставляет грозовые облака выстреливать молниевые разряды как в сторону поверхности Земли, так в
других направлениях. Теперь вспомним про широкие атмосферные ливни: максимум генерации вторичных частиц в ливне приходится на высоты ~15-20 км. А частицы с энергией в ПэВ-ной области достигают высот в несколько километров. Распределение частиц ливня по высоте характеризуется их высотным ходом (рис. 14.4). Кривая ионизации воздуха ведёт себя аналогичным образом. Поэтому, есть смысл подозревать ГКЛ в качестве главного “виновника” ионизации атмосферы на этих высотах. Ну, а далее…
    Далее процесс выглядит следующим образом…
    Грозовые облака образуются в месте разделения атмосферных фронтов воздушных масс с различной температурой. Они заряжены. Источником их заряда являются космические лучи, ионизирующие воздух. Однако помимо космических лучей естественная радиоактивность создаёт свой вклад в ионизацию воздуха. Образовавшиеся ионы “прилипают” к аэрозолям воздуха и вместе с ними циркулируют вверх, обрастая всё новыми и новыми ионами. Постепенно образуются капли, туман и, наконец, облака. Экспериментальные данные (см. рис. 14.5), пожалуй, в пользу этой модели.
    Одна из теорий, приобретающая всё большую и большую популярность (А. Гуревич и др.), свидетельствует в пользу того, что именно космические лучи ШАЛ и являются тем спусковым крючком, который вызывает появление молнии. Вторичные частицы ШАЛ, попавшие в район скопления грозовых облаков, вызывают локальную ионизацию, своего рода проводящий столб воздуха, вдоль которого и начинается разряд грозовых туч, несущих могучие электрические заряды.
    Действительно, существуют данные, свидетельствующие о высокой корреляции плотности ионизации воздуха и облачнго покрова Земли. Чем больше облаков, тем более вероятным становится проявление грозовой активности и молниевых разрядов. На рис. 14.6 показаны результаты, свидетельствующие в пользу рассматриваемой гипотезы: частота молний действительно коррелирует с изменением ионизации воздуха. Как мы видим из этих данных, ионизация воздуха и рост числа молниевых разрядов совпали с наступлением минимума цикла солнечной активности в 1995-1997 гг., когда поток ГКЛ достиг своей максимальной величины.
   Становится понятным и наблюдающийся положительный тренд (см. рис. 14.2) глобальной температуры, связанный с многолетним уменьшением потока космических лучей (он уменьшается на несколько сотых процентов в год). Таким образом, наблюдающееся в последнюю сотню лет совсем небольшое, но заметное потепление на 0.5^о скорее всего связано не с увеличением энергии, созданной самим человеком, а вполне естественной причиной – ослаблением потока космических лучей, падающих на Землю.
    Если у вышеприведённой модели так много сторонников, как, впрочем, и противников, то её развитие выглядит и впрямь неожиданным….Но… вспомните слова Луи де Бройля: “Прогресс науки постоянно тормозится тираническим влиянием некоторых концепций, которые, в конце концов, стали считаться догмами”.

14.3. Климат до нашей эры и спиральные рукава Галактики

    Итак, oписанная выше модель демонстрирует, что космические лучи – немаловажный фактор земной погоды. Если это так, то история космических лучей в прошлом и в будущем может помочь установить тенденции в изменении климата на Земле. Отмеченная выше (см. рис. 14.2) связь между отрицательным трендом космических лучей и глобальным потеплением в этом смысле – обнадёживающий факт.
   Идея ещё более смелой “продвинутой” гипотезы принадлежит А. Нею, высказанной им в 1959 г., и недавно развитой Н. Шавивом. Её суть – в установлении генетической связи между вариациями космических лучей и глобальными изменениями климата на Земле.

Рис. 14.7. Схема, иллюстрирующая взаимосвязь изменения потока космических лучей, связанного с попаданием Земли в спиральные рукава Галактики, с изменением глобальной температуры нашей планеты

    Суть её в следующем.
   Наша Галактика состоит из спиральных рукавов (рис. 1.6), в которых плотность звёзд больше и, следовательно, поток космических лучей также должен быть несколько больше, чем вне их. Это, кстати, показано по относительной концентрации изотопов калия в найденных железных метеоритах. Этим способом было определено, что каждые 130-150 миллионов лет поток космических лучей в Солнечной системе увеличивается в 2.5 раза. Солнечная система, двигаясь в Галактике, пересекает спиральный рукав каждые ~130 миллионов лет. Частота взрывов сверхновых в рукавах ожидается тоже выше, чем вне их. Поэтому следует ожидать появления климатической “волны” с периодом 130-150 миллионов лет в связи с вариациями потока космических лучей. Как это определить? Это тоже можно сделать по изотопному методу (с помощью изотопов кислорода). Результат? Данные по вариациям космических лучей и изменению температуры совпали. Прохождение Земли через спиральные рукава Галактики приводит к охлаждению нашей планеты – ледниковым периодам. Неправда ли, заманчивая физическая модель для климатологов? (см. рис. 14.7). Только, если отойти от догм.
    В целом, если эта модель верна, она делает космические лучи “ответственным фактором” за климатические изменения на разных шкалах времени. На разных масштабах времени они выступают в качестве либо доминирующего фактора (скажем, при создании облачного покрова или гроз) или вторичного, например, при формировании климатических изменений, связанных с 11-летними циклами солнечной активности и сопутствующей модуляцией ГКЛ, а также, при прохождении Солнечной системы через спиральные рукава Галактики.

14.4. Солнечная бомбардировка атмосферы

    Солнечные частицы время от времени бомбардируют Землю (см. главу 13). Особенно их много попадает в полярные шапки. Эти частицы проникают в атмосферу не столь глубоко, как ГКЛ, - всего до высот ~30-90 км. Именно на этих высотах следует ожидать повышенной ионизации воздуха. Есть ли связь между возрастанием потоков СКЛ и арктическими явлениями?
    Исследования в этом направлении ведутся, и первые результаты указывают на наличие такой связи. Существует достоверный факт усиления циклонов в районе Гренландии с возрастанием потоков СКЛ с энергией более десятков МэВ. Само усиление циклонов связывается с температурными контрастами в обширных районах верхней атмосферы, возникшей вследствие образования здесь облачности, регулирующий уход излучения как от Земли, так и от атмосферы. Формирование же облачности коррелирует с ионизацией атмосферы (см. рис. 14.5), ответственность за которую несут и СКЛ.
    Другим наблюдательным фактом в пользу данной модели может служить понижение уровня осадков во время Форбуш-понижений космических лучей. Опять-таки и здесь, вслед за уменьшением интенсивности космических лучей после прихода ударной волны понижается степень облачности и, в результате, уровень осадков. С другой стороны, наблюдается увеличение уровня осадков после мощных солнечных вспышек, генерирующих ГэВ-ные протоны.
   Другим примером глобальных атмосферных процессов, ответственность за которые несут космические лучи, является озоносфера Земли. Озон – молекула кислорода, состоящая из трёх атомов кислорода – О_3. Не надо путать его с обычной кислородной молекулой О₂. В отличие от обычного кислорода, озон обладает резким запахом. Отсюда его название.
   Этот слой предохраняет живые организмы на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Озонный слой над Землей расположен на высотах от 10 до 50 км с максимумом в области 20-25 км и является очень подвижной атмосферной субстанцией. Причины изменения концентрации озона над Землей широко обсуждаются. В качестве одной из таких причин называется техногенная – струи реактивных лайнеров, летающих на больших высотах, или выбросы фреона в атмосферу. Что касается фреона, то в ряде стран запретили выпуск бытовых холодильников с фреоном. Где здесь больше недобросовестной конкуренции между производителями холодильников, а где реально существующей и научно-обоснованной модели, предстоит ещё окончательно разобраться…
   А тем не менее, существуют объективные научные результаты в пользу “космических” причин вариаций озонного слоя Земли.
   Опять-таки, к числу таких космических факторов относятся ГКЛ, СКЛ и релятивистские частицы – электроны, высыпающиеся из радиационных поясов.
    Известно, что ионизация атомов азота (N) и кислорода (О) воздуха заряженными частицами – космическими лучами приводит к химическим реакциям между ионами и молекулами воздуха, которые, в свою очередь, образуют озоноактивные соединения типа NO и ОН, которые разрушают молекулы озона. Именно эти озоноактивные соединения влияют на глобальное распределение озона в атмосфере.
    Такая модель изменения концентрации озона поддаётся расчёту. В качестве её входных параметров надо взять энергетические спектры ГКЛ, СКЛ и других частиц и… запустить их в известную химическую среду атмосферы.
    В результате можно получить скорости ионообразования в зависимости от географической точки наблюдения и высоты над Землей.
    Безусловно, “запускать” частицы надо, зная пространственное распределение их потоков, которое зависит от жёсткости геомагнитного обрезания. Так, для ГКЛ и СКЛ следует ожидать увеличения скорости ионизации по мере продвижения к высоким широтам. С другой стороны, широтная вариация изменяется и с высотой по мере ослабления магнитного поля. Солнечная активность в свою очередь накладывает свой отпечаток на временную картину изменений потоков космических лучей. В результате обнаруживается как широтная зависимость для распределения озона, так и его солнечно-циклическая вариация в полярных шапках, связанная с 11-летней модуляцией потока ГКЛ.
    Гораздо более заметный эффект на озоносферу Земли производят частицы солнечных вспышек, достигающие атмосферы. Такие события не часты. В годы максимума солнечной активности наблюдается до ~10 событий в год с максимальной энергией частиц более 10 МэВ. В годы минимума – не более одного в год. Чем больше энергия частиц, тем глубже проникают они в атмосферу. Таким образом, мощные вспышки оказывают влияние на процессы озонообразования в верхней атмосфере, которые по величине своего эффекта могут превышать вариации концентрации озона, связанные с изменением потока ГКЛ.
   Однако существует ещё один источник изменения концентрации озона –высыпающиеся из радиационных поясов релятивистские электроны– спорадические потоки частиц, длительностью до нескольких часов. Обычно они появляющиеся во время магнитных возмущений. Замечено, что их всплески в радиационных поясах связаны с увеличением скорости солнечного ветра. Воздействие релятивистских электронов на озон может временами превышать эффект солнечных вспышек.
   ГКЛ проникают глубже в атмосферу, чем все остальные компоненты космической радиации, поэтому их эффект будет наблюдаться на более низких высотах.

Рис. 14.8. Изменение концентрации озона после вспышки 14 июля 2000 г.: наиболее обширные и значительные изменения концентрации озона (формирование озонной дыры) через ~40-50 дней после вторжения солнечных частиц

    Солнечные протоны влияют на разрушение в стратосфере и мезосфере. Здесь же своё разрушительное действие оказывают и релятивистские электроны.
    Каков же эффект бомбардировки космическими частицами озонового слоя?
    Форбуш-понижение космических лучей вызывает увеличение концентрации озона на ~10%. Что же касается СКЛ,то можно привести следующие примеры.
    В сентябре-октябре 1989 г., при одной из наиболее мощных вспышек прошлого столетия, понижение концентрации озона в высокоширотных областях Арктики и Антарктики достигло ~20%. Данные спутника UARS по измерению концентрации озона после сильной вспышки 14 июля 2000 г. (рис. 14.8) также показало образование большой “озоновой дыры” после вторжения солнечных протонов.
    Становится понятным, что космические частицы, наряду с солнечным ультрафиолетом и антропогенным воздействием (тот же фреон) на атмосферу, являются источником изменения озонного слоя Земли и, как показывают модельные оценки и наблюдения, – весьма существенным.

14.5. Салют космическим лучам

    Заканчивая эту главу, хотелось бы остановиться ещё на одном атмосферном явлении, обнаруженном недавно с борта космических кораблей. Это – свечение атмосферы в её верхних слоях – кратковременные всплески в ультрафиолете или в красном свете. Они разнообразны по форме и поэтому получили различные названия – спрайтов – эльфов и голубых джетов. Но есть у них общее название – транзиентные световые явления.
   Вслед за их обнаружением появилась и модель, позволяющая понять их суть. И здесь вновь не обошлось без космических лучей.

Рис. 14.9. Механизм формирования транзиентных атмосферных явлений при молниевом разряде. Лавина убегающих электронов, ускоренная электрическим полем, создаёт атмосферный пробой выше грозовой облачности, вызывая кратковременное свечение атмосферы – спрайты

    Во всём “виноваты” молнии и грозы. Оказалось, что в районе скопления грозовых облаков, где атмосферные электрические поля чрезвычайно велики, создаются условия для ускорения электронов окружающей среды. Более того, показано, что этот процесс носит лавинообразный характер. Электроны, стремясь покинуть область молниевых разрядов, становятся “убегающими”. Их энергия может достигать 1 МэВ и более. Получается, что грозовая активность действует как импульсный ускоритель электронов длительностью импульсов в наносекунды. Именно они и создают светящиеся разряды – электрические пробои воздуха – над грозовыми облаками, получившие название фей, проказников и голубых джетов ( рис.14.9).
    Длительность самих оптических разрядов – от десятков до сотен миллисекунд, происходят они на высотах от 25 до 100 км и, возможно, несколько выше. Горизонтальный их размер – 10-50 км, а занимаемый ими общий объём – более тысячи км³. Транзиентные оптические явления не надо путать с полярными сияниями. Это совершенно особый класс атмосферных явлений.
    На рис. 14.10 вы можете видеть пространственное распределение таких транзиентных световых явлений, наблюдавшихся недавно, в феврале 2005 г., с борта спутника “Университетский-Татьяна” с помощью ультрафиолетового детектора. Все наблюдавшиеся всплески ультрафиолета длительностью в миллисекунды и мощностью до 10 Джоулей (!) были расположены вблизи экваториальной плоскости. Именно здесь и располагалась область интенсивной облачности.

Рис. 14.10. Пространственное распределение всплесков ультрафиолетового свечения по наблюдениям на спутнике “Университетский-Татьяна” и облачный покров в феврале 2005 г

    Так причём же здесь космические лучи? Оказывается, именно они создают “стартовые” условия для молниевых разрядов, а электроны ШАЛ являются исходными частицами для формирования лавин убегающих электронов, выстреливаемых из грозовых облаков (см. рис. 14.9).
     Атмосферные разряды могут возникнуть на разных высотах. Отсюда появление красных спрайтов или голубых джетов: в зависимости от высоты, из-за разного состава атмосферы, разряд будет вызывать различное свечение. Помимо оптического свечения из области пробоя “вырывается” и гамма-излучение. Такие всплески гамма-квантов, идущие от Земли, действительно наблюдались на космической обсерватории “Compton”, а совсем недавно, на спутнике RHESSY.
    Так Земля “салютует” космическим лучам, вторгшимся в её атмосферу. Но наша планета является, как теперь это понятно, и сама источником космических лучей: электроны достаточно высоких энергий – 1 МэВ и более, а также гамма-кванты могут вырваться из атмосферы и уйти в космическое пространство.