Намагнічений брусок має два магнітних полюси - північний і південний. Магнітне поле такого бруска є дипольним, тобто полем з двома полюсами ("ді" означає два) . Форму його можна побачити за допомогою залізних обпилювань. Силові лінії цього поля проходять так, як орієнтуються тирсу. Кожна опилка є стрілкою компаса. Вона орієнтується вздовж магнітного поля, по дотичній силової лінії магнітного поля.

Земля теж намагнічена. Вона має своє магнітне поле з двома полюсами, навколо глобуса можна створити таке магнітне поле, якщо всередину полюса помістити намагнічений брусок. Але як? Спочатку його треба розмістити вздовж осі обертання Землі. Половина бруска в північній півкулі, а інша половина в південному.

Південний магнітний полюс треба направити до північного географічного полюса. Тоді північний магнітний полюс бруска буде збігатися з південним географічним полюсом.

Після цього треба брусок відхилити від осі обертання Землі на 11°. Треба відхилити його так, щоб він своїм південним магнітним полюсом упирався в місто Тулі (Гренландія). Тоді магнітне поле бруска, "прив'язане" таким чином до Землі, буде схоже на магнітне поле Землі.

Магнітне поле земного диполя однакову з усіх боків: з денний, нічний, ранковою та вечірньою. Воно не залежить від положення Сонця. Над магнітним екватором воно проходить горизонтально. Над магнітними полюсами силові лінії магнітного поля Землі спрямовані вертикально. Прийнято вважати, що магнітне поле спрямоване від північного магнітного полюса до південного. Отже, силові лінії магнітного поля Землі направлені в південній півкулі знизу вгору, а в північному - зверху вниз. Силові лінії, які виходять з північного магнітного полюса (у південній півкулі), входять у південний магнітний полюс в північній півкулі.

Щоб не було плутанини з-за того, що північний магнітний полюс знаходиться в південній півкулі, а південний - у північному, домовилися називати магнітний полюс в північній півкулі північним геомагнітним полюсом. Стрілка компаса повертається на північ своїм північним магнітним полюсом. Це відбувається тому, що на півночі знаходиться південний магнітний полюс. МИ будемо дотримуватися термінології, прийнятої вченими. Будемо вважати, що північний геомагнітний полюс перебуває у північній півкулі (поблизу Тули). Але будемо пам'ятати, що там насправді південний магнітний полюс. Від цього залежить напрям силових ліній магнітного поля.

Дійсно магнітне поле Землі є полем диполя? У принципі так, а в деталях - ні. Ці деталі дуже важливі. Їх вдалося встановити лише порівняно недавно, коли космічні апарати дали змогу вимірювати магнітне поле далеко за межами Землі. Ці вимірювання дозволили встановити, яка насправді форма магнітного поля Землі в деталях.

Виявилося, що магнітне поле Землі з боку Сонця не таке, як з протилежного (нічний) сторони.

В області, що примикає до Землі, магнітне поле є дипольним і не залежить від положення і навіть наявності Сонця. У більш віддаленій від Землі області, на відстанях, більших ніж три радіуса Землі, розходження в магнітних полях дуже істотне. Воно полягає в наступному.

Магнітне поле диполя характеризується "лійками" над магнітними полями. У реального магнітного поля Землі ці воронки знаходяться не над магнітними полюсами, а зміщуються в бік екватора приблизно на 1000 км від полюсів. Крім того, форма магнітних силових ліній на денній стороні дуже сильно відрізняється від такої на нічній стороні. Оскільки це залежить від положення Сонця, то саме Сонце "винна" в цьому відмінність. Як зрозуміти суть цього впливу - впливу Сонця на форму магнітного поля Землі?

Сонячний вітер і магнітосфера Землі

Як Сонце може подіяти на магнітне поле Землі? Абсолютно очевидно, що воно не може діяти на магнітне поле своїм притяганням. Не може діяти на магнітне поле і сонячне світло, а також рентгенівське, інфрачервоне і гамма-випромінювання. Те ж саме відноситься і до радіохвилях, які випромінює Сонце. Вони теж повинні бути виключені з тих факторів, від яких залежить форма магнітного поля Землі. Що ж залишається? Заряджені частинки, які викидаються з атмосфери Сонця і йдуть в міжпланетний простір. Ми вже говорили про цих частинках. Вони володіють різними енергіями, а значить і різними швидкостями. Заряджені частинки з невеликими швидкостями, які безперервно виходять із Сонця у всі країни, які називають сонячним вітром. Потоки високоенергічних заряджених часток, що викидаються з сонячної атмосфери час від часу. Вони володіють великими швидкостями і досягають Землі швидше частинок сонячного вітру.

Можна вважати, що агент, який визначає форму магнітного поля Землі, а точніше деформацію магнітного диполя Землі, знайдений. Це сонячні заряджені частинки. Залишається з'ясувати, як заряджені частинки це роблять. Щоб у цьому розібратися, треба згадати, як заряджені частинки взаємодіють з магнітним полем.

Якщо заряджена частинка рухається в магнітне поле, то її рух залежить від цього поля. Винятком є тільки один випадок - коли заряджена частинка рухається строго уздовж силової лінії магнітного поля. У цьому випадку заряджена частинка не відчуває наявності магнітного поля, вона рухається так, ніби магнітного поля і зовсім немає. Якщо заряджена частинка рухається поперек магнітного поля, то траєкторія змінюється: замість прямої лінії до входження в поле вона стає колом. Чим сильніше магнітне поле, тим менше ця окружність (у тієї ж частинки) . Але з іншого боку, чим більше енергія летить частинки, тим важче магнітному полю зігнути її траєкторію в маленьке коло.

Є деяка умова балансу. Для того, щоб змінити траєкторію заряджених частинок з певною енергією, магнітне поле повинно мати певну величину і бути спрямоване перпендикулярно руху частинок. Якщо ця умова виконується, то заряджені частинки починають обертатися навколо силових ліній. Швидкість їх обертання та радіуси кіл, по яким вони обертаються, залежать від величини магнітного поля і енергії частинок. Позитивно заряджені частинки обертаються в одну сторону, а негативно заряджені - в протилежну. Сонячні заряджені частинки підходять до магнітного поля Землі під різними кутами: і вздовж, і перпендикулярно, і косо. Ті з частинок, які підходять уздовж силових ліній (над магнітними полюсами), повинні безперешкодно проникати всередину магнітної оболонки Землі (магнітосфери) . Ті частинки, які підходять до перпендикулярно силовим лініям, далеко вглиб магнітосфери не пройдуть. Їх траєкторії закручуються навколо силової лінії магнітного поля. Що ж буде з частками, які косо падають на магнітне поле? Це тим більше важливо знати, що таких більшість частинок.

Коли заряджена частинка рухається під деяким кутом (але не прямим) до силової лінії магнітного поля, то це її рух можна розкласти на два: уздовж поля і поперек нього. Власне, в даному випадку ми вектор швидкості частинки розкладаємо на складові - вздовж магнітного поля і поперек нього. Такий рух частинки в магнітному полі стане рухом по спіралі. Частка буде обертатися навколо силової лінії і одночасно зміщатися уздовж силової лінії. Траєкторія частки буде мати форму спіралі.

Радіус цієї спіралі та її крок будуть незмінними в тому випадку, якщо будуть залишатися незмінними енергія частинки і форма і напруженість магнітного поля. Це означає, що силові лінії магнітного поля повинні бути прямими, відстань між якими незмінно в напрямку руху частинки. Це умова однорідності магнітного поля. Але цей випадок однорідного магнітного поля для нас мало цікавий. Адже магнітне поле Землі неоднорідна. Як у цьому випадку будуть рухатися частинки?

Якщо силові лінії магнітного поля сходяться, тобто частинка, рухаючись по спіралі, рухається у все більш сильне магнітне поле, то її просування в це поле поступово сповільнюється. Магнітне поле протидіє просування частинки. Воно безперешкодно пропускає частку всередину тільки в тому випадку, якщо вона рухається строго уздовж силової лінії магнітного поля. Рухаючись по спіралі в сторону більш сильного магнітного поля, заряджена частинка на якійсь відстані перестає заглиблюватися. Після цього моменту вона поступово (теж по спіралі) рухається в протилежну сторону. Магнітне поле виштовхує заряджену частинку в бік більш слабкого поля.

Магнітне поле Землі неоднорідна. Це видно по формі силових ліній. По мірі руху від екватора до полюсів уздовж силових ліній видно, що вони збираються все більше і більше. Це означає, що магнітне поле збільшується. У такому магнітному полі, яке збільшується в обох напрямках від екватора, заряджена частинка виявляється спійманої, захопленої. Обертаючись по спіралях, заряджені частинки рухаються в такому полі послідовно, відбиваючись від більш сильного поля поперемінно то в південному, то в північній півкулі. При цьому заряджені частинки знаходяться вище земної атмосфери. Такі заряджені частинки дійсно були виміряні в магнітосфері Землі. Їх назвали поясами радіації.

Як деформується магнітне поле Землі сонячними частинками? Оскільки заряджені частинки взаємодіють з магнітним полем, то вони можуть це поле деформувати. Потік заряджених частинок, що пролітає від Сонця, взаємодіє з самими зовнішніми силовими лініями магнітосфери Землі. Кінці силових ліній залишаються на колишньому місці, в Землі. А самі лінії "вивертаються" і витягиваются потоком заряджених частинок на нічну сторону. Вони прикривають магнітні полюси, і вирви над полюсами зникають. Зате утворюються нові воронки на полуденному меридіані. Нові воронки віддалені від полюсів приблизно на 1000 км.

Дуже важливо, що ці воронки можуть зміщуватися. Чим сильніша енергія сонячного потоку заряджених частинок, тим більше силових ліній він вивертає з денною боку на нічну. Тим більше воронка віддаляється від полюса.

Під дією сонячних заряджених частинок з денною боку магнітосфера Землі обмежена певним відстанню від поверхні Землі. Коли Сонце спокійно, це відстань дорівнює приблизно десяти земних радіусах. Під час сонячних бурь потік сонячних частинок посилюється і підтискає магнітосферу з сонячної сторони ближче до Землі. В цей час воронки зміщуються ще далі від полюсу. При дуже сильних сонячних бурях магнітосфера на денній стороні може бути стиснута до трьох земних радіусів. Тоді воронки зміщуються від полюса.

Під дією сонячних заряджених частинок змінюється не тільки положення воронок, які у диполя знаходяться над полюсами.

Воронки не тільки зміщуються у напрямку до екватора. Вони при цьому змінюють свою форму. Кожна воронка при цьому перетворюється в сплюснутий воронку-щілина, у формі підкови. Вона охоплює певну область магнітосфери на денній стороні.

Нічна частину магнітосфери мало схожа на денну. Якщо на денній стороні магнітне поле Землі простягається максимум на відстань у десять земних радіусів, то на нічній стороні воно є на величезній відстані, що дорівнює ста радіусів Землі і більше. Силові лінії магнітного поля Землі витягуються в напрямку руху сонячних частинок, тобто від Землі. Так утворюється шлейф силових ліній магнітосфери Землі. Фахівці його називають хвостом магнітосфери.

Заряджені частинки безперешкодно рухаються уздовж силових ліній магнітного поля. Це означає, що заряджені сонячні частинки через воронки на денній стороні можуть проникати крізь магнітосферу Землі, до її атмосфері. Але всередині магнітосфери знаходяться заряджені частинки, які там захоплено. У хвості магнітосфери також є заряджені частинки. Вони звідси рухаються уздовж силових ліній магнітного поля. Куди вони потраплять? Можна простежити, що вони потраплять в Арктику й Антарктику.

Якщо простежити за шляхом заряджених частинок на денний і нічний сторонах магнітосфери, то виявиться, що вони приходять як раз в той кільце (овал) , яке світиться полярним сяйвом. Що це, випадковість чи закономірність?