Солнечный ветер и магнитосфера Земли.
Солнечный ветер (Solar wind ) - поток мегаионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.
Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе такие явления космической погоды, как магнитные бури и полярные сияния.
Не следует путать понятия «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц, долетающий от Солнца до за 2-3 суток) и «солнечный свет» (поток фотонов, долетающий от Солнца до Земли в среднем за 8 минут 17 секунд). В частности, именно эффект давления солнечного света (а не ветра) используется в проектах так называемых солнечных парусов. Форма двигателя для , использующая в качестве источника тяги импульс ионов солнечного ветра - электрический парус.
История
Предположение о существовании постоянного потока частиц, летящих от Солнца, впервые было высказано британским астрономом Ричардом Кэррингтоном. В 1859 году Кэррингтон и Ричард Ходжсон независимо наблюдали то, что впоследствии было названо солнечной вспышкой. На следующий день произошла геомагнитная буря, и Кэррингтон предположил связь между этими явлениями. Позже Джордж Фитцджеральд высказал предположение, что материя периодически ускоряется Солнцем и за несколько дней достигает Земли.
В 1916 году норвежский исследователь Кристиан Биркеланд написал: «С физической точки зрения наиболее вероятно, что солнечные лучи не являются ни положительными ни отрицательными, но и теми и другими вместе». Другими словами, солнечный ветер состоит из отрицательных электронов и положительных ионов.
Три года спустя, в 1919 Фридерик Линдеманн также предположил, что частицы обоих зарядов, протоны и электроны, приходят от Солнца.
В 1930-х годах ученые определили, что температура солнечной короны должна достигать миллиона градусов, поскольку корона остается достаточно яркой при большом удалении от Солнца, что хорошо видно во время солнечных затмений. Позднее спектроскопические наблюдения подтвердили этот вывод. В середине 50-х британский математик и астроном Сидни Чепмен определил свойства газов при таких температурах. Оказалось, что газ становится великолепным проводником тепла и должен рассеивать его в пространство за пределы орбиты Земли. В то же время немецкий ученый Людвиг Бирманн заинтересовался тем фактом, что хвосты комет всегда направлены прочь от Солнца. Бирманн постулировал, что Солнце испускает постоянный поток частиц, которые создают давление на газ, окружающий комету, образуя длинный хвост.
В 1955 году советские астрофизики С. К. Всехсвятский, Г. М. Никольский, Е. А. Пономарев и В. И. Чередниченко показали, что протяженная корона теряет энергию на излучение и может находиться в состоянии гидродинамического равновесия только при специальном распределении мощных внутренних источников энергии. Во всех других случаях должен существовать поток вещества и энергии. Этот процесс служит физическим основанием для важного явления - «динамической короны». Величина потока вещества была оценена из следующих соображений: если бы корона находилась в гидростатическом равновесии, то высоты однородной атмосферы для водорода и железа относились бы как 56/1, то есть ионов железа в дальней короне наблюдаться не должно. Но это не так. Железо светится во всей короне, причем FeXIV наблюдается в более высоких слоях, чем FeX, хотя кинетическая температура там ниже. Силой, поддерживающей ионы во «взвешенном» состоянии, может быть импульс, передаваемый при столкновениях восходящим потоком протонов ионам железа. Из условия баланса этих сил легко найти поток протонов. Он оказался таким же, какой следовал из гидродинамической теории, подтвержденной впоследствии прямыми измерениями. Для 1955 г. это было значительным достижением, но в «динамическую корону» никто тогда не поверил.
Тремя годами позже Юджин Паркер сделал вывод, что горячее течение от Солнца в чепменовской модели и поток частиц, сдувающий кометные хвосты в гипотезе Бирманна - это два проявления одного и того же явления, которое он назвал «солнечным ветром» . Паркер показал, что даже несмотря на то, что солнечная корона сильно притягивается Солнцем, она столь хорошо проводит тепло, что остается горячей на большом расстоянии. Так как с расстоянием от Солнца его притяжение ослабевает, из верхней короны начинается сверхзвуковое истечение вещества в межпланетное пространство. Более того, Паркер был первым, кто указал, что эффект ослабления гравитации имеет то же влияние на гидродинамическое течение, что и сопло Лаваля: оно производит переход течения из дозвуковой в сверхзвуковую фазу.
Теория Паркера была подвергнута жесткой критике. Статья, посланная в 1958 году в Astrophysical Journal, была забракована двумя рецензентами и только благодаря редактору, Субраманьяну Чандрасекару, попала на страницы журнала.
Однако в январе 1959 года первые прямые измерения характеристик солнечного ветра (Константин Грингауз, ИКИ РАН) были проведены советской “Луна-1”, посредством установленных на ней сцинтилляционного счетчика и газового ионизационного детектора. Три года спустя такие же измерения были проведены и американкой Марсией Нейгебауэр по данным станции “Маринер-2”.
Всё же ускорение ветра до высоких скоростей ещё не было понято и не могло быть объяснено из теории Паркера. Первые численные модели солнечного ветра в короне с использованием уравнений магнитной гидродинамики были созданы Пневманом и Кноппом в 1971 г.
В конце 1990-х с помощью Ультрафиолетового коронального спектрометра (Ultraviolet Coronal Spectrometer (UVCS) ) на борту были проведены наблюдения областей возникновения быстрого солнечного ветра на солнечных полюсах. Оказалось, что ускорение ветра много больше, чем предполагалось, исходя из чисто термодинамического расширения. Модель Паркера предсказывала, что скорость ветра становится сверхзвуковой на высоте 4 радиусов Солнца от фотосферы, а наблюдения показали, что этот переход происходит существенно ниже, примерно на высоте 1 радиуса Солнца, подтверждая, что существует дополнительный механизм ускорения солнечного ветра.
Характеристики
Гелиосферный токовый слой - результат влияния вращающегося магнитного поля Солнца на плазму в солнечном ветре.
Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.
Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает реального состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых - уменьшается (FIP-эффект).
Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной активности и его источников. Многолетние наблюдения на орбите Земли (около 150 млн км от Солнца) показали, что солнечный ветер структурирован и обычно делится на спокойный и возмущенный (спорадический и рекуррентный). Спокойные потоки, в зависимости от скорости, делятся на два класса:медленные (примерно 300-500 км/с около орбиты Земли) и быстрые (500-800 км/с около орбиты Земли). Иногда к стационарному ветру относят область гелиосферного токового слоя, который разделяет области различной полярности межпланетного магнитного поля, и по своим характеристикам близок к медленному ветру.
Медленный солнечный ветер
Медленный солнечный ветер порождается «спокойной» частью солнечной короны (областью корональных стримеров) при её газодинамическом расширении: при температуре короны около 2·10 6 К корона не может находиться в условиях гидростатического равновесия, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей. Нагрев солнечной короны до таких температур происходит вследствие конвективной природы теплопереноса в фотосфере Солнца: развитие конвективной турбулентности в плазме сопровождается генерацией интенсивных магнитозвуковых волн; в свою очередь при распространении в направлении уменьшения плотности солнечной атмосферы звуковые волны трансформируются в ударные; ударные волны эффективно поглощаются веществом короны и разогревают её до температуры (1-3)·10 6 К.
Быстрый солнечный ветер
Потоки рекуррентного быстрого солнечного ветра испускаются Солнцем в течение нескольких месяцев и имеют период повторяемости при наблюдениях с Земли в 27 суток (период вращения Солнца). Эти потоки ассоциированы с корональными дырами - областями короны с относительно низкой температурой (примерно 0,8·10 6 К), пониженной плотностью плазмы (всего четверть плотности спокойных областей короны) и радиальным по отношению к Солнцу магнитным полем.
Возмущенные потоки
К возмущенным потокам относят межпланетное проявление корональных выбросов массы (СМЕ), а также области сжатия перед быстрыми СМЕ (называемыми в англоязычной литературе Sheath) и перед быстрыми потоками из корональных дыр (называемыми в англоязычной литературе Corotating interaction region - CIR). Около половины случаев наблюдений Sheath и CIR могут иметь впереди себя межпланетную ударную волну. Именно в возмущенных типах солнечного ветра межпланетное магнитное поле может отклоняться от плоскости эклиптики и содержать южную компоненту поля, которая приводит ко многим эффектам космической погоды (геомагнитной активности, включая магнитные бури). Ранее предполагалось, что возмущенные спорадические потоки вызываются солнечными вспышками, однако в настоящее время считается, что спорадические потоки в солнечном ветре обусловлены корональными выбросами. Вместе с тем следует отметить, что и солнечные вспышки, и корональные выбросы связаны с одними и теми же источниками энергии на Солнце и между ними существует статистическая зависимость.
По времени наблюдения различных крупномасштабных типов солнечного ветра быстрые и медленные потоки составляют около 53 %, гелиосферный токовый слой 6 %, CIR - 10 %, CME - 22 %, Sheath - 9 %, и соотношение между временем наблюдения различных типов сильно изменяется в цикле солнечной активности.
Феномены, порождаемые солнечным ветром
Благодаря высокой проводимости плазмы солнечного ветра магнитное поле Солнца оказывается вмороженным в истекающие потоки ветра и наблюдается в межпланетной среде в виде межпланетного магнитного поля.
Солнечный ветер образует границу гелиосферы, благодаря чему препятствует проникновению в . Магнитное поле солнечного ветра значительно ослабляет приходящие извне галактические космические лучи. Локальное повышение межпланетного магнитного поля приводит к краткосрочным понижениям космических лучей, Форбуш-понижениям, а крупномасштабные уменьшения поля приводят к их долгосрочным возрастаниям. Так в 2009 году, в период затянувшегося минимума солнечной активности, интенсивность излучения вблизи Земли выросла на 19 % относительно всех наблюдаемых ранее максимумов.
Солнечный ветер порождает на Солнечной системы, обладающих магнитным полем, такие явления, как магнитосфера, полярные сияния и радиационные пояса планет.
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР - непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий Солнечную систему до гелиоцентрич. расстояний R ~ 100 а. е. С. в. образуется при газодинамич. расширении солнечной короны (см. Солнце )в межпланетное пространство. При высоких темп-pax, к-рые существуют в солнечной короне (1,5*10 9 К), давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление вещества короны, и корона расширяется.
Первые свидетельства существования пост. потока плазмы от Солнца получены Л. Бирманом (L. Biermann) в 1950-х гг. по анализу сил, действующих на плазменные хвосты комет. В 1957 Ю. Паркер (Е. Parker), анализируя условия равновесия вещества короны, показал, что корона не может находиться в условиях гидростатич. равновесия, как это раньше предполагалось, а должна расширяться, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей (см. ниже). Впервые поток плазмы солнечного происхождения был зарегистрирован на советском космич. аппарате «Луна-2» в 1959. Существование пост. истечения плазмы из Солнца было доказано в результате многомесячных измерений на амер. космич. аппарате «Маринер-2» в 1962.
Ср. характеристики С. в. приведены в табл. 1. Потоки С. в. можно разделить на два класса: медленные - со скоростью 300 км/с и быстрые - со скоростью 600-700 км/с. Быстрые потоки исходят из областей солнечной короны, где структура магн. поля близка к радиальной. Часть этих областей являются корональными дырами . Медленные потоки С. в. связаны, по-видимому, с областями короны, в к-рых имеется значит, тангенциальный компонент магн. поля.
Табл. 1.- Средние характеристики солнечного ветра на орбите Земли
|
Скорость |
|
|
Концентрация протонов |
|
|
Температура протонов |
|
|
Температура электронов |
|
|
Напряжённость магнитного поля |
|
|
Плотность потока питонов.... |
2,4*10 8 см -2 *c -1 |
|
Плотность потока кинетической энергии |
0,3 эрг*см -2 *с -1 |
Табл. 2.-Относительный химический состав солнечного ветра
|
Относительное содержание |
|
|
Относительное содержание |
|
Помимо осн. составляющих С. в.- протонов и электронов, в его составе
также обнаружены-частицы,
высокоионизов. ионы кислорода, кремния, серы, железа (рис. 1). При анализе
газов, захваченных в экспонированных на Луне фольгах, найдены атомы Ne
и Аг. Ср. относительный хим. состав С. в. приведён в табл. 2. Ионизац.
состояние вещества С. в. соответствует тому уровню в короне, где время
рекомбинации мало по сравнению со временем расширения
Измерения ионизац. темп-ры ионов С. в. позволяют определять электронную
темп-ру солнечной короны.
В С. в. наблюдаются разл. типы волн: ленгмюровские, вистлеры, ионно-звуковые,
магнитозвуковые, альвеновские и др. (см. Волны в плазме
).Часть
волн альвеновского типа генерируется на Солнце, часть - возбуждается в
межпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения ф-ции распределения
частиц от максвелловской и в совокупности с воздействием магн. поля на
плазму приводит к тому, что С. в. ведёт себя как сплошная среда. Волны
альвеновского типа играют большую роль в ускорении малых составляющих С.
в. и в формировании ф-ции распределения протонов. В С. в. наблюдаются также
контактные и вращательные разрывы, характерные для замагниченной плазмы.
Рис. 1. Массовый спектр солнечного ветра. По горизонтальной оси - отношение массы частицы к её заряду, по вертикальной - число частиц, зарегистрированных в энергетическом окне прибора за 10 с. Цифры со значком «+» обозначают заряд иона .
Поток С. в. является сверхзвуковым по отношению к скоростям тех типов волн, к-рые обеспечивают эфф. передачу энергии в С. в. (альвеновские, звуковые и магнитозвуковые волны). Альвеновское и звуковое Маха число С .в. на орбите Земли 7. При обтекании С. в. препятствий, способных эффективно отклонять его (магн. поля Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна или проводящие ионосферы Венеры и, по-видимому, Марса), образуется отошедшая головная ударная волна. С. в. тормозится и разогревается на фронте ударной волны, что позволяет ему обтекать препятствие. При этом в С. в. формируется полость - магнитосфера (собственная или индуцированная), форма и размеры к-рой определяются балансом давления магн. поля планеты и давления обтекающего потока плазмы (см. Магнитосфера Земли, Магнитосферы планет) . В случае взаимодействия С. в. с непроводящим телом (напр., Луна) ударная волна не возникает. Поток плазмы поглощается поверхностью, а за телом образуется полость, постепенно заполняемая плазмой С. в.
На стационарный процесс истечения плазмы короны накладываются нестационарные
процессы, связанные со вспышками на Солнце
. При сильных вспышках
происходит выброс вещества из ниж. областей короны в межпланетную среду.
При этом также образуется ударная волна (рис. 2), к-рая постепенно замедляется,
распространяясь в плазме С. в. Приход ударной волны к Земле вызывает сжатие
магнитосферы, после к-рого обычно начинается развитие магн. бури (см. Магнитные
вариации)
.
Рис. 2. Распространение межпланетной ударней волны и выброса от солнечной вспышки. Стрелками показано направление движения плазмы солнечного ветра, линии без подписи - силовые линии магнитного поля .
Рис. 3. Типы решений уравнения расширения короны. Скорость и расстояние нормированы на критическую скорость v к и критическое расстояние R к. Решение 2 соответствует солнечному ветру .
Расширение солнечной короны описывается системой ур-ний сохранения массы,
момента кол-ва движения и уравнения энергии. Решения, отвечающие разл.
характеру изменения скорости с расстоянием, показаны на рис. 3. Решения
1 и 2 соответствуют малым скоростям в основании короны. Выбор между этими
двумя решениями определяется условиями на бесконечности. Решение 1 соответствует
малым скоростям расширения короны и даёт большие значения давления на бесконечности,
т. е. встречается с теми же трудностями, что и модель статич. короны. Решение
2 соответствует переходу скорости расширения через значения скорости звука
(v к
)на нек-ром критич. расстоянии R к и последующему
расширению со сверхзвуковой скоростью. Это решение даёт исчезающе малое
значение давления на бесконечности, что позволяет согласовать его с малым
давлением межзвёздной среды. Течение этого типа Ю. Паркер назвал С. в.
Критич. точка находится над поверхностью Солнца, если темп-ра короны меньше
нек-рого критич. значения
, где m - масса протона,
- показатель адиабаты,
- масса Солнца. На рис. 4 показано изменение скорости расширения с гелиоцентрич.
расстоянием в зависимости от темп-ры изотермич. изотропной короны. Последующие
модели С. в. учитывают вариации корональной темп-ры с расстоянием, двухжидкостный
характер среды (электронный и протонный газы), теплопроводность, вязкость,
несферич. характер расширения.
Рис. 4. Профили скорости солнечного ветра для модели изотер» мической короны при различных значениях корональной температуры .
С. в. обеспечивает осн. отток тепловой энергии короны, т. к. теплопередача в хромосферу, эл--магн. излучение короны и электронная теплопроводность С. в. недостаточны для установления теплового баланса короны. Электронная теплопроводность обеспечивает медленное убывание темп-ры С. в. с расстоянием. С. в. не играет сколько-нибудь заметной роли в энергетике Солнца в целом, т. к. поток энергии, уносимый им, составляет ~10 -7 светимости Солнца.
С. в. уносит с собой в межпланетную среду корональное магн. поле. Вмороженные
в плазму силовые линии этого поля образуют межпланетное магн. поле (ММП).
Хотя напряжённость ММП невелика и плотность его энергии составляет ок.
1% от плотности кинетич. энергии С. в., оно играет большую роль в термодинамике
С. в. и в динамике взаимодействий С. в. с телами Солнечной системы, а также
потоков С. в. между собой. Комбинация расширения С. в. с вращением Солнца
приводит к тому, что магн. силовые линии, вмороженные в С. в., имеют форму,
близкую к спирали Архимеда (рис. 5). Радиальная B R
и
азимутальная
компоненты магн. поля по-разному изменяются с расстоянием вблизи плоскости
эклиптики:
где
- угл. скорость вращения Солнца, и
- радиальная компонента скорости
С. в., индекс 0 соответствует исходному уровню. На расстоянии орбиты Земли
угол
между направлением магн. поля и R
порядка 45°. При больших Л магн.
поле почти перпендикулярно R.
Рис. 5. Форма силовой линии межпланетного магнитного поля. - угловая скорость вращения Солнца, и - радиальная компонента скорости плазмы, R - гелиоцентрическое расстояние .
С. в., возникающий над областями Солнца с разл. ориентацией магн. поля, образует потоки с различно ориентированным ММП. Разделение наблюдаемой крупномасштабной структуры С. в. на чётное число секторов с разл. направлением радиального компонента ММП наз. межпланетной секторной структурой. Характеристики С. в. (скорость, темп-pa, концентрация частиц и др.) также в ср. закономерно изменяются в сечении каждого сектора, что связано с существованием внутри сектора быстрого потока С. в. Границы секторов обычно располагаются внутри медленного потока С. в. Чаще всего наблюдаются 2 или 4 сектора, вращающихся вместе с Солнцем. Эта структура, образующаяся при вытягивании С. в. крупномасштабного магн. поля короны, может наблюдаться в течение неск. оборотов Солнца. Секторная структура ММП - следствие существования токового слоя (ТС) в межпланетной среде, к-рый вращается вместе с Солнцем. ТС создаёт скачок магн. поля - радиальные компоненты ММП имеют разные знаки по разные стороны ТС. Этот ТС, предсказанный X. Альвеном (Н. Alfven), проходит через те участки солнечной короны, к-рые связаны с активными областями на Солнце, и разделяет указанные области с разл. знаками радиальной компоненты солнечного магн. поля. ТС располагается приблизительно в плоскости солнечного экватора и имеет складчатую структуру. Вращение Солнца приводит к закручиванию складок ТС в спирали (рис. 6). Находясь вблизи плоскости эклиптики, наблюдатель оказывается то выше, то ниже ТС, благодаря чему попадает в секторы с разными знаками радиальной компоненты ММП.
Вблизи Солнца в С. в. существуют долготные и широтные градиенты скорости,
обусловленные разностью скоростей быстрых и медленных потоков. По мере
удаления от Солнца и укручения границы между потоками в С. в. возникают
радиальные градиенты скорости, к-рые приводят к образованию бесстолкновителъных
ударных волн
(рис. 7). Сначала образуется ударная волна, распространяющаяся
вперёд от границы секторов (прямая ударная волна), а затем образуется обратная
ударная волна, распространяющаяся к Солнцу.
Рис. 6. Форма гелио-сферного токового слоя. Пересечение его с плоскостью
эклиптики (наклонённой к экватору Солнца под углом ~ 7°) даёт наблюдаемую
секторную структуру межпланетного магнитного поля
.
Рис. 7. Структура сектора межпланетного магнитного поля. Короткие стрелки показывают направление течения плазмы солнечного ветра, линии со стрелками - силовые линии магнитного поля, штрихпунктир - границы сектора (пересечение плоскости рисунка с токовым слоем) .
Т. к. скорость ударной волны меньше скорости С. в., плазма увлекает обратную ударную волну в направлении от Солнца. Ударные волны вблизи границ секторов образуются на расстояниях ~1 а. е. и прослеживаются до расстояний в неск. а. е. Эти ударные волны, так же как и межпланетные ударные волны от вспышек на Солнце и околопланетные ударные волны, ускоряют частицы и являются, т. о., источником энергичных частиц.
С. в. простирается до расстояний ~100 а. е., где давление межзвёздной среды уравновешивает динамич. давление С. в. Полость, заметаемая С. в. в межзвёздной среде, образует гелиосферу (см. Межпланетная среда ).Расширяющийся С. в. вместе с вмороженным в него магн. полем препятствует проникновению в Солнечную систему галактич. космич. лучей малых энергий и приводит к вариациям космич. лучей больших энергий. Явление, аналогичное С. в., обнаружено и у нек-рых др. звёзд (см. Звёздный ветер ).
Лит.: Паркер Е. Н., Динамические процессы в межпланетной среде, пер. с англ., М., 1965; Б р а н д т Д ж., Солнечный ветер, пер. с англ., М., 1973; Хундхаузен А., Расширение короны и солнечный ветер, пер. с англ., М., 1976. О. Л. Вайсберг .
Может достигать значений до 1,1 миллиона градусов по Цельсию. Поэтому, имея такую температуру, частицы двигаются очень быстро. Гравитация Солнца не может удержать их — и они покидают звезду.
Активность Солнца меняется в течение 11-летнего цикла. При этом количество солнечных пятен, уровни радиации и масса выброшенного в космос материала меняются. И эти изменения влияют на свойства солнечного ветра — его магнитное поле, скорость, температуру и плотность. Поэтому солнечный ветер может иметь разные характеристики. Они зависят от того, где конкретно находился его источник на Солнце. И еще они зависят от того, насколько быстро вращалась эта область.
Скорость солнечного ветра выше скорости движения вещества корональных отверстий. И достигает 800 километров в секунду. Эти отверстия возникают на полюсах Солнца и в его низких широтах. Они приобретают наибольшие размеры в те периоды, когда активность на Солнце минимальна. Температуры вещества, переносимого солнечным ветром, могут достигать 800 000 C.
В поясе коронального стримера, расположенного вокруг экватора, солнечный ветер движется медленнее — около 300 км. в секунду. Установлено, что температура вещества, перемещающегося в медленном солнечном ветре достигает 1,6 млн. C.
Солнце и его атмосфера состоят из плазмы и смеси положительно и отрицательно заряженных частиц. Они имеют чрезвычайно высокие температуры. Поэтому материя постоянно покидает Солнце, уносимая солнечным ветром.
Воздействие на Землю
Когда солнечный ветер покидает Солнце, он несет заряженные частицы и магнитные поля. Излучаемые во всех направлениях частицы солнечного ветра постоянно воздействует на нашу планету. Этот процесс вызывает интересные эффекты.
Если материал, переносимый солнечным ветром, достигнет поверхности планеты, он нанесет серьезный ущерб любой форме жизни, которая существует на . Поэтому магнитное поле Земли служит щитом, перенаправляя траектории солнечных частиц вокруг планеты. Заряженные частицы как бы «стекают» за ее пределами. Воздействие солнечного ветра изменяет магнитное поле Земли таким образом, что оно деформируется и растягивается на ночной стороне нашей планеты.
Иногда Солнце выбрасывает большие объемы плазмы, известные как выбросы корональной массы (CME), или солнечные бури. Чаще всего это происходит в период активного периода солнечного цикла, известного как солнечный максимум. CME имеют более сильный эффект, чем стандартный солнечный ветер.
Некоторые тела Солнечной системы, как и Земля, экранированы магнитным полем. Но многие из них такой защиты не имеют. Спутник нашей Земли — не имеет никакой защиты для своей поверхности. Поэтому испытывает максимальное воздействие солнечного ветра. У Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, есть магнитное поле. Оно защищает планету от обычного стандартного ветра, однако оно не способно противостоять более мощным вспышкам, таким как CME.
Когда высоко — и низкоскоростные потоки солнечного ветра взаимодействуют друг с другом, они создают плотные области, известные как области с вращающимся взаимодействием (CIR). Именно эти области вызывают геомагнитные бури при столкновении с земной атмосферой.
Солнечный ветер и заряженные частицы, которые он несет, могут влиять на спутники Земли и Глобальные системы позиционирования (GPS). Мощные всплески могут повредить спутники или вызвать ошибки определений координат при использовании сигналов GPS в десятки метров.
Солнечный ветер достигает всех планет в . Миссия NASA New Horizons обнаружила его, когда путешествовала между и .
Изучение солнечного ветра
Ученым известно о существовании солнечного ветра с 1950-х годов. Но несмотря на его серьезное воздействие на Землю и космонавтов, ученые все еще не знают многих его характеристик. Несколько космических миссий, совершенных в последние десятилетия, пытались объяснить эту тайну.
Запущенная в космос 6 октября 1990 года миссия NASA Ulysses изучала Солнце на разных его широтах. Она измеряла различные свойства солнечного ветра в течение более чем десяти лет.
Миссия Advanced Composition Explorer () имела орбиту, связанную с одной из особых точек, находящихся между Землей и Солнцем. Она известна как точка Лагранжа. В этой области гравитационные силы от Солнца и Земли имеют одинаковое значение. И это позволяет спутнику иметь стабильную орбиту. Начатый в 1997 году эксперимент ACE изучает солнечный ветер и обеспечивает измерения постоянного потока частиц в реальном масштабе времени.
Космические аппараты NASA STEREO-A и STEREO-B изучают края Солнца с разных сторон, чтобы увидеть, как рождается солнечный ветер. По данным NASA , STEREO представила «уникальный и революционный взгляд на систему Земля — Солнце».
Новые миссии
NASA планирует запуск новой миссии по изучению Солнца. Она дает ученым надежду узнать еще больше о природе Солнца и солнечного ветра. Солнечный зонд NASA Parker , планируемый к запуску (успешно запущен 12.08.2018 — Navigator ) летом 2018 года, будет работать таким образом, чтобы буквально «коснуться Солнца». Спустя несколько лет полета на орбите, близкой к нашей звезде, зонд впервые в истории погрузится в корону Солнца. Это будет сделано для того, чтобы получить комбинацию фантастических изображений и измерений. Эксперимент продвинет вперед наше понимание природы солнечной короны, и улучшит понимание происхождения и эволюции солнечного ветра.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
В конце 40-х годов американский астроном С. Форбуш обнаружил непонятное явление. Измеряя интенсивность космических лучей, Форбуш заметил, что она значительно снижается при возрастании солнечной активности и совсем резко падает во время магнитных бурь.
Это представлялось довольно странным. Скорее, можно было ожидать обратного. Ведь Солнце само является поставщиком космических лучей. Поэтому, казалось бы, чем выше активность нашего дневного светила, тем больше частиц оно должно выбрасывать в окружающее пространство.
Оставалось предположить, что возрастание солнечной активности влияет на земное магнитное поле таким образом, что оно начинает отклонять частицы космических лучей - отбрасывать их. Путь к Земле как бы запирается.
Объяснение казалось логичным. Но, увы, как выяснилось вскоре, оно было явно недостаточным. Подсчеты, проделанные физиками, неопровержимо свидетельствовали о том, что изменение физических условий только в непосредственной близости от Земли не может вызвать эффекта такого масштаба, какой наблюдается в действительности. Очевидно, должны существовать и какие-то другие силы, препятствующие проникновению космических лучей в солнечную систему, и притом такие, которые возрастают с увеличением солнечной активности.
Тогда-то и возникло предположение, что виновниками загадочного эффекта являются потоки заряженных частиц, вырывающиеся с поверхности Солнца и пронизывающие пространство солнечной системы. Этот своеобразный «солнечный ветер» и очищает межпланетную среду, «выметая» из нее частицы космических лучей.
В пользу подобной гипотезы говорили также явления, наблюдающиеся в кометах. Как известно, кометные хвосты всегда направлены от Солнца. Вначале это обстоятельство связывали со световым давлением солнечных лучей. Однако в середине текущего столетия было установлено, что лишь световое давление не может вызывать всех явлений, происходящих в кометах. Расчеты показали, что для образования и наблюдаемого отклонения кометных хвостов необходимо воздействие не только фотонов, но и частиц вещества. Кстати, такие частицы могли бы возбуждать происходящее в кометных хвостах свечение ионов.
Собственно говоря, о том, что Солнце выбрасывает потоки заряженных частиц - корпускул, было известно и до этого. Однако предполагалось, что такие потоки носят эпизодический характер. Их возникновение астрономы связывали с появлением вспышек и пятен. Но кометные хвосты направлены в противоположную от Солнца сторону всегда, а не только в периоды усиления солнечной активности. Значит, и корпускулярная радиация, заполняющая пространство солнечной системы, должна существовать постоянно. Она усиливается с возрастанием солнечной активности, но существует всегда.
Таким образом, околосолнечное пространство непрерывно обдувается солнечным ветром. Из чего же состоит этот ветер и при каких условиях он возникает?
Познакомимся с самым внешним слоем солнечной атмосферы - «короной». Эта часть атмосферы нашего дневного светила необычайно разрежена. Даже в непосредственной близости от Солнца ее плотность составляет всего около одной стомиллионной доли плотности земной атмосферы. Это значит, что в каждом кубическом сантиметре околосолнечного пространства содержится всего несколько сотен миллионов частиц короны. Но так называемая «кинетическая температура» короны, определяемая по скорости движения частиц, весьма велика. Она достигает миллиона градусов. Поэтому корональный газ полностью ионизован и представляет собой смесь протонов, ионов различных элементов и свободных электронов.
Недавно появилось сообщение о том, что в составе солнечного ветра обнаружено присутствие ионов гелия. Это обстоятельство проливает спет на тот механизм, с помощью которого происходит выброс заряженных
частиц с поверхности Солнца. Если бы солнечный ветер состоял только из электронов и протонов, то еще можно было бы предполагать, что он образуется за счет чисто тепловых процессов и представляет собой нечто вроде пара, образующегося над поверхностью кипящей воды. Однако ядра атомов гелия в четыре раза тяжелее протонов и поэтому маловероятно, чтобы они могли выбрасываться вследствие испарения. Скорее всего образование солнечного ветра связано с действием магнитных сил. Улетая от Солнца, облака плазмы как бы уносят с собой и магнитные поля. Именно эти поля и служат тем своеобразным «цементом», который «скрепляет» воедино частицы с различными массами и зарядами.
Наблюдения и вычисления, проведенные астрономами, показали, что по мере удаления от Солнца плотность короны постепенно уменьшается. Но, оказывается, в районе орбиты Земли она еще заметно отличается от нуля. В этой области солнечной системы на каждый кубический сантиметр пространства приходится от ста до тысячи корональных частиц. Другими словами, наша планета находится внутри солнечной атмосферы и, если хотите, мы вправе называть себя не только жителями Земли, но и жителями атмосферы Солнца.
Если вблизи Солнца корона более или менее стабильна, то по мере увеличения расстояния она стремится расшириться в пространство. И чем дальше от Солнца, тем выше скорость этого расширения. Согласно расчетам американского астронома Э. Паркера, уже па расстоянии 10 млн. км корональные частицы движутся со скоростями, превосходящими скорость звука. И но мере дальнейшего удаления от Солнца и ослабления силы солнечного притяжения эти скорости возрастают еще в несколько раз.
Таким образом, напрашивается вывод о том, что солнечная корона - это и есть солнечный ветер, обдувающий пространство нашей планетной системы.
Эти теоретические выводы были полностью подтверждены измерениями па космических ракетах и искусственных спутниках Земли. Оказалось, что солнечный ветер существует всегда и вблизи Земли «дует» со скоростью около 400 км\сек. С увеличением солнечной активности скорость эта возрастает.
Как далеко дует солнечный ветер? Вопрос этот представляет значительный интерес, однако для получения соответствующих экспериментальных данных необходимо осуществить зондирование космическими аппаратами внешней части солнечной системы. Пока же это не сделано, приходится довольствоваться теоретическими соображениями.
Однако однозначного ответа получить не удается. В зависимости от исходных предпосылок расчеты приводят к различным результатам. В одном случае получается, что солнечный ветер затихает уже в районе орбиты Сатурна, в другом, - что он существует еще на очень большом расстоянии за орбитой последней планеты Плутона. Но это лишь теоретически крайние пределы возможного распространения солнечного ветра. Указать точную границу могут лишь наблюдения.
Наиболее достоверными были бы, как мы уже отмечали, данные космических зондов. Но в принципе возможны и некоторые косвенные наблюдения. В частности, было замечено, что после каждого очередного спада солнечной активности соответствующее возрастание интенсивности космических лучей высоких энергий, т. е. лучей, приходящих в солнечную систему извне, происходит с запозданием примерно на шесть месяцев. Видимо, это и есть как раз тот срок, который необходим, чтобы очередное изменение мощности солнечного ветра дошло до границы его распространения. Так как средняя скорость распространения солнечного ветра составляет около 2,5 астрономической единицы (1 астрономическая единица = 150 млн. км-среднему расстоянию Земли от Солнца) в сутки, то это дает расстояние около 40-45 астрономических единиц. Другими словами, солнечный ветер иссякает где-то в районе орбиты Плутона.
Солнечный ветер
- непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий собой Солнечную систему до гелиоцентрич. расстояний ~100 а.е. С.в. образуется при газодинамич. расширении в межпланетное пространство. При высоких темп-рах, к-рые существуют в солнечной короне ( К), давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление вещества короны, и корона расширяется.Первые свидетельства существования постоянного потока плазмы от Солнца получены Л. Бирманом (ФРГ) в 1950-х гг. по анализу сил, действующих на плазменные хвосты комет. В 1957 г. Ю. Паркер (США), анализируя условия равновесия вещества короны, показал, что корона не может находится в условиях гидростатич. равновесия, как это раньше предполагалось, а должна расширятся, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей.
Средние характеристики С.в. приведены в табл. 1. Впервые поток плазмы солнечного происхождения был зарегистрирован на второй советской космич. ракете "Луна-2" в 1959 г. Существование постоянного истечения плазмы из Солнца было доказано в реузльтате многомесячных измерений на амер. АМС "Маринер-2" в 1962 г.
Таблица 1. Средние характеристики солнечного ветра на орбите Земли
| Скорость | 400 км/с |
| Плотность протонов | 6 см -3 |
| Температура протонов | К |
| Температура электронов | К |
| Напряженность магнитного поля | Э |
| Плотность потока протонов | см -2 с -1 |
| Плотность потока кинетической энергии | 0,3 эргсм -2 с -1 |
Потоки С.в. можно разделить на два класса: медленные - со скоростью км/с и быстрые - со скоростью 600-700 км/с. Быстрые потоки исходят из тех областей короны, где магнитное поле близко к радиальному. Часть этих областей явл. . Медленные потоки С.в. связаны, по-видимому, с областями короны, где имеется значит. тангенсальный компонент магн. поля.
Помимо основных составляющих С.в. - протонов и электронов, в его составе также обнаружена -частицы, высокоионизованные ионы кислорода, кремния, серы, железа (рис. 1). При анализе газов, захваченных в экспонированных на Луне фольгах, найдены атомы Ne и Ar. Средний хим. состав С.в. приведен в табл. 2.Таблица 2. Относительный химический состав солнечного ветра
| Элемент | Относительное содержание |
| H | 0,96 |
| 3 He | |
| 4 He | 0,04 |
| O | |
| Ne | |
| Si | |
| Ar | |
| Fe |
Ионизац. состояние вещества С.в. соответствует тому уровню в короне, где время рекомбинации становится малым по сравнению со временем расширения, т.е. на расстоянии . Измерения ионизац. темп-ры ионов С.в. позволяют определять электронную темп-ру солнечной короны.
С.в. уносит с собой в межпланетную среду корональное магн. поле. Вмороженные в плазму силовые линии этого поля образуют межпланетное магн. поле (ММП). Хотя напряженность ММП невелика и плотность его энергии составляет ок. 1% от кинетич. энергии С.в., оно играет большую роль в термодинамике С.в. и в динамике взаимодействий С.в. с телами Солнечной системы и потоков С.в. между собой. Комбинация расширения С.в. с вращением Солнца приводит к тому, что магн. силовые лионии, вмороженные в С.в., имеют форму, близкую к спиралям Архимеда (рис. 2). Радиальный и азимутальный компонент магн. поля вблизи плоскости эклиптики изменяются с расстоянием:,
где R - гелиоцентрич. расстояние, - угловая скорость вращения Солнца, u R - радиальный компонент скорости С.в., индекс "0" соответствует исходному уровню. На расстоянии орбиты Земли угол между направлениями магн. поля и направлением на Солнце , на больших гелиоцентрич. расстояниях ММП почти перпендикулярно направлению на Солнце.
С.в., возникающий над областями Солнца с различной ориентацией магн. поля, образует потоки в различно ориентированными ММП - т.н. межпланетного магнитного поля.
В С.в. наблюдаются различные типы волн: ленгмюровские, вистлеры, ионнозвуковые, магнитозвуковые, и др. (см. ). Часть волн генерируется на Солнце, часть возбуждается в межпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения функции распределения частиц от максвелловской и приводит к тому, что С.в. ведет себя как сплошная среда. Волны альвеновского типа играют большую роль в ускорении малых составляющих С.в. и в формировании функции распределения протонов. В С.в. наблюдаются также контактные и вращательные разрывы, харатерные для замагниченной плазмы.
Поток С.в. явл. сверхзвуковым по отношению к скорости тех типов волн, к-рые обеспечивают эффективную передачу энергии в С.в. (альвеновские, звуковые и магнитозвуковые волны), альвеновские и звуковые числа Маха С.в. на орбите Земли . При обтрекании С.в. препятствий, способных эффективно отклонять С.в. (магн. поля Меркурия, Земли, Юпитера, Стаурна или проводящие ионосферы Венеры и, по-видимому, Марса), образуется головная отошедшая ударная волна. С.в. тормозится и разогревается на фронте ударной волны, что позволяет ему обтекать препятствие. При этом в С.в. формируется полость - магнитосфера (собственная или индуцированная), форма и размер к-рой определяется балансом давлентия магн. поля планеты и давления обтекающего потока плазмы (см. ). Слой разогретой плазмы между ударной волной и обтекаемым препятствием наз. переходной областью. Темп-ры ионов на фронте ударной волны могут увеличиваться в 10-20 раз, электронов - в 1,5-2 раза. Ударная волна явл. , термализация потока к-ой обеспечивается коллективными плазменными процессами. Толщина фронта ударной волны ~100 км и определяется скоростью нарастания (магнитозвуковой и/или нижнегибридной) при взаимодействии набегающего потока и части потока ионов, отраженного от фронта. В случае взаимодействия С.в. с непроводящим телом (Луна) ударная волна не возникает: поток плазмы поглощается поверхностью, а за телом образуется постепенно заполняемая плазмой С.в. полость.На стационарный процесс истечения плазмы короны накладываются нестационарные процессы, связанные со . При сильных солнечных вспышках происходит выброс вещества из нижних областей короны в межпланетную среду. При этом также образуется ударная волна (рис. 3), к-рая постепенно замедляется при движении через плазму С.в. Приход ударной волны к Земле проводит к сжатию магнитосферы, после к-рого обычно начинается развитие магн. бури.
Ур-ние, описывающее расширение солнечной короны, можно получить из системы ур-ний сохранения массы и момента количества движения. Решения этого ур-ния, описывающие различный характер изменения скорости с расстоянием, показаны на рис. 4. Решения 1 и 2 соответствуют малым скоростям в основании короны. Выбор между этими двумя решениями определяется условиями на бесконечности. Решение 1 соответствует малым скоростям расширения короны ("солнечный бриз", по Дж. Чемберлену, США) и дает большие значения давления на бесконечности, т.е. встречается с теми же трудностями, что и модель статич. короны. Решение 2 соответствует переходу скорости расширения через значение скорости звука (v K ) на нек-ром критич. расстоянии R K и последующему расширению со сверхзвуковой скоростью. Это решение дает исчезающе малое значение давления на бесконечности, что позволяет согласовать его с малым давлением межзвездной среды. Течение этого типа Паркер назвал солнечным ветром. Критич. точка находится над поверхностью Солнца, если темп-ра короны меньше нек-рого критич. значения , где m - масса протона, - показатель адиабаты. На рис. 5 показано изменение скорости расширения с гелиоцентрич. расстоянием в зависимости от темп-ры изотермич. изотропной короны. Последующие модели С.в. учитывают вариации корональной темп-ры с расстоянием, двухжидкостный хапрактер среды (электронный и протонный газы), теплопроводность, вязкость, несферический характер расширения. Подход к веществу С.в. как к сплошной среде оправдывается наличием ММП и коллективным характером взаимодействия плазмы С.в., обусловленным различного типа неустойчивостями. С.в. обеспечивает осн. отток тепловой энергии короны, т.к. теплопередача в хромосферу, электромагнит. излучение сильно ионизованного вещества короны и электронная теплопроводность С.в. недостаточны для установления термич. баланса короны. Электронная теплопроводность обеспечивает медленное убывание темп-ры С.в. с расстоянием. С.в. не играет сколько-нибудь заметной роли в энергетике Солнца в целом, т.к. поток энергии, уносимый им составляет ~ 10 -8
Loading...