Возможный механизм влияния межпланетной среды на суточное вращение Земли

В свете проблемы солнечной обусловленности некоторых геофизических процессов, в частности особенностей суточного вращения Земли, которые будут рассмотрены в гл. 4, представляет интерес оценить, способна ли переменная часть солнечного корпускулярного излучения обеспечить наблюдаемые нерегулярные вариации продолжительности суток.

Если обратиться к данным рис. 1.9, то в качестве характерной скорости нерегулярных изменений продолжительности суток от года к году можно принять величину dP/dt = ОД мс/год. Этому значению dP/dt соответствует ускорение в суточном вращении Земли dPl/dt = 2,5 • 10-21с-2 и скорость изменения энергии вращения Земли 1,5 • 1013 Дж/с.

Мощность спокойного солнечного ветра с параметрами V = 400 км/с и пр = 8 см-3, поступающая на лобовую поверхность магнитосферы, согласно (3.8) имеет такой же порядок величины и в состоянии обеспечить наблюдаемые вариации dPl/dt по энергии. Однако, как показано в [112], возникающий при этом момент силы на два порядка меньше требуемого вращательного момента. Ранее аналогичный вывод был сделан в [258]. Обсуждению этой проблемы посвящен раздел 5.1 в [91], где поддержано неоднократно высказанное ранее предположение об опосредованном влиянии межпланетной среды (и солнечной активности в целом) на суточное вращение Земли.

Возможный физический механизм такого влияния рассмотрел П.Ф. Крымский [108]. Поскольку расчеты П.Ф. Крымского в определенной степени можно рассматривать в качестве физического обоснования представленных в [75-84; 91-95] статистических связей между вариациями 5Р, секторной структуры ММП и скорости солнечного ветра V, остановимся на результатах работы [108] подробнее.

Основная идея П.Ф. Крымского заключается в том, что в выражении для внешней силы, действующей на систему «атмосфера - Земля», следует рассматривать не расстояние до вечерней (или утренней) магнитопаузы, которое порядка ЮР (R - радиус Земли), а расстояние вдоль хвоста магнитосферы, т. е. L~( 102 — 103)Р. Другими словами, наличие у магнитосферы длинного хвоста позволяет интегрировать энергию по большому объему и фокусировать ее в авроральные области Земли.

В результате взаимодействия замагниченного солнечного ветра с магнитосферой в плазменном слое возникает с утра на вечер ток Холла /я, подпитываемый энергией солнечного ветра:

где он - проводимость Холла в плазменном слое, V - скорость солнечного ветра, Bmz - нормальная к плазменному слою компонента геомагнитного поля, ^ = 0,1 — феноменологический коэффициент проникновения в плазменный слой межпланетного электрического поля, Bz - вертикальная компонента ММП, ^ - поперечный размер плазменного слоя, L - длина плазменного слоя, с - скорость света и Ga~3 — 10 - число Гартмана. В этом разделе, как и в работе [108], использована гауссова система единиц.

Кроме того, Ву-компонента ММП обусловливает генерацию электрического поля, перпендикулярного плазменному слою, что, в свою очередь, приводит к появлению тока, направленного к Земле (в северном полушарии при Ву > 0) или от Земли (в северном полушарии при Ву < 0)

где в дополнение к введенным обозначениям: оР - продольная проводимость плазменного слоя, а = arctg(/?mz/??mx), ось ОХ направлена к Земле.

Суммарный ток 1Р = 1Н + 1В замыкается в Е-области ионосферы током Педерсена. Положим, как в [108], он = 5 • 104 с-1, оР = 107 с-1, а = 5°, Bmz = 2 • 10-5 Гс, Bz = 3 • 10”5 Гс и Ву = 10”5 Гс. Тогда отношение /я//р будет лежать в пределах (0,03ч-0,3) в зависимости от значения числа Гартмана. Основной вклад вносит ток, обусловленный не Bz, а Ву - компонентой ММП, поэтому в дальнейших оценках ток Холла учитывать не будем.

Полагая также, что V = 400 км/с, %,= 30R, L = 100/?, получаем согласно (3.10) оценку тока Педерсена /Р = 1Н + 1В « 1В « 5 • 108 А. Вопрос о существовании токов такой силы в высокоширотной ионосфере остается пока открытым, поскольку геомагнитных вариаций соответствующей интенсивности не наблюдается. С другой стороны, общий ток в магнито- сферном хвосте может в принципе превышать 108 А [192]. В [108] отмечено, что магнитные возмущения от тока 1Р могут быть малыми вследствие компенсации эффектов от продольных токов и токов замыкания.

Ток Педерсена приводит к появлению азимутальной компоненты силы Ампера в ионосфере

где Яг = 0,6 Гс - геомагнитное поле, Lt - проекция на ионосферу плазменного слоя. Предположим, что эта сила с плечом

где h = 100 км и 0 = 25°, приводит к изменению суточного вращения Земли согласно уравнению

где С « 8 • 1044 г • см2 - полярный момент инерции Земли. С учетом /Р = 1В « 5 • 108 А и (3.10) имеем

или

т. е. получается ускорение того же порядка, что возникают при нерегулярных вариациях продолжительности суток от года к году.

Таким образом, получается, что если в ?-слое ионосферы под воздействием солнечного ветра и ММП могут возникать полоидальные токи интенсивности порядка 108 А и если бы плечо силы Ампера FA было бы «жестким», то с позиции оценок работы [108] проблема физической связи солнечной активности и нерегулярных вариаций суточного вращения была бы решена. Однако если величина 1Р может быть и достигает 108 А, то условие «жесткости» плеча силы FA абсолютно неприемлемо хотя бы из-за значительной омической диссипации в ионосфере. Поэтому в [108] предложен некоторый механизм передачи накапливаемой в магнитосферном хвосте энергии к поверхности Земли через атмосферу. Подразумевается, что движение ионосферной плазмы в Е-области под действием силы FA увлекает нейтральную атмосферу, генерирует атмосферные вихри восточного и западного направлений, один из которых (в зависимости от знака Ву и от полушария Земли) опускается вниз, а другой поднимается вверх. Интенсивности вихрей различны в разных полушариях, а также летом и зимой. Наличие пространственной и временной асимметрии и приводит к тому, что в зависимости от изменений ММП и солнечного ветра атмосфера либо подкручивается, либо притормаживается и передает свой вращательный импульс твердой Земле. Оценки возникающих при этом дополнительных скоростей атмосферных течений не противоречат наблюдательным данным. По- видимому, важную роль в транспортировке вниз атмосферного вихря играет градиент давления, возникающий в результате разогрева верхней атмосферы во время магнитосферно-ионосферных возмущений. Характерное время переноса вихря вниз, как отмечено в [108], около двух месяцев.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >