Давление солнечного ветра



Постоянный радиальный поток плазмы солн. короны в межпланетное пр-во. Поток энергии, идущий из недр Солнца, нагревает плазму короны до 1,5- 2 млн. К. Пост. нагрев не уравновешивается потерей энергии за счёт излучения, т. к. плотность короны мала. Избыточную энергию в значит. степени уносят ч-цы С. в. (=1027-1029 эрг/с). Корона, т. о., не находится в гидростатич. равновесии, она непрерывно расширяется. По составу С. в. не отличается от плазмы короны (С. в. содержит гл. обр. протоны, эл-ны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа). У основания короны (в 10 тыс. км от фотосферы Солнца) ч-цы имеют радиальную скорость порядка сотен м/с, на расстоянии неск. солн. радиусов она достигает скорости звука в плазме (100 -150 км/с), у орбиты Земли скорость протонов составляет 300-750 км/с, а их пространств. концентрация — от неск. ч-ц до неск. десятков ч-ц в 1 см3. При помощи межпланетных косм. станций установлено, что вплоть до орбиты Сатурна плотность потока ч-ц С.


убывает по закону (r0/r)2, где r — расстояние от Солнца, r0 — исходный уровень. С. в. уносит с собой петли силовых линий солн. магн. поля, к-рые образуют межпланетное магн. поле. Сочетание радиального движения ч-ц С. в. с вращением Солнца придаёт этим линиям форму спиралей. Крупномасштабная структура магн. поля в окрестностях Солнца имеет вид секторов, в к-рых поле направлено от Солнца или к нему. Размер полости, занятой С. в., точно не известен (радиус её, по-видимому, не меньше 100 а. е.). У границ этой полости динамич. давление С. в. должно уравновешиваться давлением межзвёздного газа, галактич. магн. поля и галактич. косм. лучей. В окрестностях Земли столкновение потока ч-ц С. в. с геомагн. полем порождает стационарную ударную волну перед земной магнитосферой (со стороны Солнца, рис.).

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

Вз-ствие солнечного ветра с магнитосферой Земли: 1 — силовые линии магн. поля Солнца; 2 — ударная волна; 3 — магнитосфера Земли; 4 — граница магнитосферы; 5 — орбита Земли; 6 — траектория ч-цы солнечного ветра. С. в. как бы обтекает магнитосферу, ограничивая её протяжённость в пр-ве. Изменения интенсивности С. в., связанные со вспышками на Солнце, явл. осн. причиной возмущений геомагн. поля и магнитосферы (магн. бурь). За год Солнце теряет с С. в. =2X10-14 часть своей массы Mсолн.


тественно считать, что истечение в-ва, подобное С. в., существует и у др. звёзд (<звёздный ветер>). Он должен быть особенно интенсивным у массивных звёзд (с массой = неск. дес. Mсолн) и с высокой темп-рой поверхности (= 30-50 тыс. К) и у звёзд с протяжённой атмосферой (красных гигантов), т. к. в первом случае ч-цы сильно развитой звёздной короны обладают достаточно высокой энергией, чтобы преодолеть притяжение звезды, а во втором — низка параболич. скорость (скорость ускользания; (см. КОСМИЧЕСКИЕ СКОРОСТИ)). Значит. потери массы со звёздным ветром (= 10-6 Мсолн/год и больше) могут существенно влиять на эволюцию звёзд. В свою очередь звёздный ветер создаёт в межзвёздной среде <пузыри> горячего газа — источники рентг. излучения.

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР
Непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий Солнечнуюсистему до гелиоцентрич. расстояний R ~ 100 а. е. С. в. образуется пригазодинамич. расширении солнечной короны (см. Солнце )в межпланетноепространство. При высоких темп-pax, к-рые существуют в солнечной короне(8050-8.jpg1,5*109 К), давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление веществакороны, и корона расширяется.

Первые свидетельства существования пост. потока плазмы от Солнца полученыЛ. Бирманом (L. Biermann) в 1950-х гг.


анализу сил, действующих на плазменныехвосты комет. В 1957 Ю. Паркер (Е. Parker), анализируя условия равновесиявещества короны, показал, что корона не может находиться в условиях гидростатич. <равновесия, как это раньше предполагалось, а должна расширяться, и эторасширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгонукоронального вещества до сверхзвуковых скоростей (см. ниже). Впервые потокплазмы солнечного происхождения был зарегистрирован на советском космич. <аппарате <Луна-2> в 1959. Существование пост. истечения плазмы из Солнцабыло 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 разделитьна два класса: медленные — со скоростью 8050-9.jpg 300 км/с и быстрые — со скоростью 600-700 км/с. Быстрые потоки исходятиз областей солнечной короны, где структура магн. поля близка к радиальной. <Часть этих областей являются корональными дырами. М едленные потокиС. 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


< /td>

Табл. 2.- Относительный химический состав солнечного ветра


Помимо осн. составляющих С. в.- протонов и электронов, в его составетакже обнаружены 8050-10.jpg -частицы, <высокоионизов. ионы кислорода, кремния, серы, железа (рис. 1). При анализегазов, захваченных в экспонированных на Луне фольгах, найдены атомы Neи Аг. Ср. относительный хим. состав С. в. приведён в табл. 2. Ионизац. <состояние вещества С. в. соответствует тому уровню в короне, где времярекомбинации мало по сравнению со временем расширения


8050-11.jpg Измерения ионизац. темп-ры ионов С. в. позволяют определять электроннуютемп-ру солнечной короны.

В С. в. наблюдаются разл. типы волн: ленгмюровские, вистлеры, ионно-звуковые, <магнитозвуковые, альвеновские и др. (см. Волны в плазме). Частьволн альвеновского типа генерируется на Солнце, часть — возбуждается вмежпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения ф-ции распределениячастиц от максвелловской и в совокупности с воздействием магн. поля наплазму приводит к тому, что С. в. ведёт себя как сплошная среда. Волныальвеновского типа играют большую роль в ускорении малых составляющих С. <в. и в формировании ф-ции распределения протонов. В С. в. наблюдаются такжеконтактные и вращательные разрывы, характерные для замагниченной плазмы.
8050-12.jpg

Рис. 1. Массовый спектр солнечного ветра. По горизонтальной оси -отношение массы частицы к её заряду, по вертикальной — число частиц, зарегистрированныхв энергетическом окне прибора за 10 с. Цифры со значком <+> обозначаютзаряд иона.

Поток С. в. является сверхзвуковым по отношению к скоростям тех типовволн, к-рые обеспечивают эфф. передачу энергии в С. в. (альвеновские, звуковыеи магнитозвуковые волны). Альвеновское и звуковое Маха число С. в. <на орбите Земли


8050-13.jpg7. При обтекании С. в. препятствий, способных эффективно отклонять его(магн. поля Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна или проводящие ионосферыВенеры и, по-видимому, Марса), образуется отошедшая головная ударная волна. <С. в. тормозится и разогревается на фронте ударной волны, что позволяетему обтекать препятствие. При этом в С. в. формируется полость - магнитосфера(собственная или индуцированная), форма и размеры к-рой определяются балансомдавления магн. поля планеты и давления обтекающего потока плазмы (см. МагнитосфераЗемли, Магнитосферы планет). В случае взаимодействия С. в. с непроводящимтелом (напр., Луна) ударная волна не возникает. Поток плазмы поглощаетсяповерхностью, а за телом образуется полость, постепенно заполняемая плазмойС. в.

На стационарный процесс истечения плазмы короны накладываются нестационарныепроцессы, связанные со вспышками на Солнце. При сильных вспышкахпроисходит 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. Магнитныевариации).


8050-14.jpg

Рис. 2. Распространение межпланетной ударней волны и выброса от солнечнойвспышки. Стрелками показано направление движения плазмы солнечного ветра, <линии без подписи - силовые линии магнитного поля.

8050-15.jpg

Рис. 3. Типы решений уравнения расширения короны. Скорость и расстояниенормированы на критическую скорость v к и критическое расстояниеR 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. Решения1 и 2 соответствуют малым скоростям в основании короны. Выбор между этимидвумя решениями определяется условиями на бесконечности. Решение 1 соответствуетмалым скоростям расширения короны и даёт большие значения давления на бесконечности, <т. е. встречается с теми же трудностями, что и модель статич. короны. Решение2 соответствует переходу скорости расширения через значения скорости звука(v к )на нек-ром критич. расстоянии R к и последующемурасширению со сверхзвуковой скоростью. Это решение даёт исчезающе малоезначение давления на бесконечности, что позволяет согласовать его с малымдавлением межзвёздной среды. Течение этого типа Ю. Паркер назвал С. в. <Критич. точка находится над поверхностью Солнца, если темп-ра короны меньшенек-рого критич. значения


8050-16.jpg 8050-17.jpg, где m — масса протона,8050-18.jpg — показатель адиабаты,8050-19.jpg — масса Солнца. На рис. 4 показано изменение скорости расширения с гелиоцентрич. <расстоянием в зависимости от темп-ры изотермич. изотропной короны. Последующиемодели С. в. учитывают вариации корональной темп-ры с расстоянием, двухжидкостныйхарактер среды (электронный и протонный газы), теплопроводность, вязкость, <несферич. характер расширения.
8050-20.jpg

Рис. 4. Профили скорости солнечного ветра для модели изотер> мическойкороны при различных значениях корональной температуры.

С. в. обеспечивает осн. отток тепловой энергии короны, т. к. теплопередачав хромосферу, эл.-магн. излучение короны и электронная теплопроводностьС. в. недостаточны для установления теплового баланса короны. Электроннаятеплопроводность 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. Вмороженныев 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 термодинамикеС. в. и в динамике взаимодействий С. в. с телами Солнечной системы, а такжепотоков С. в. между собой. Комбинация расширения С. в. с вращением Солнцаприводит к тому, что магн. силовые линии, вмороженные в С. в., имеют форму, <близкую к спирали Архимеда (рис. 5). Радиальная BR иазимутальная 8050-21.jpg компоненты магн. поля по-разному изменяются с расстоянием вблизи плоскостиэклиптики:
8050-24.jpg

где 8050-25.jpg — угл. скорость вращения Солнца, и — радиальная компонента скоростиС. в., индекс 0 соответствует исходному уровню. На расстоянии орбиты Землиугол 8050-26.jpg между направлением магн. поля и R порядка 45°. При больших Л магн. <поле почти перпендикулярно R.
8050-22.jpg

Рис. 5. Форма силовой линии межпланетного магнитного поля. 8050-23.jpg — угловая скорость вращения Солнца, и — радиальная компонента скоростиплазмы, R — гелиоцентрическое расстояние.

С. в., возникающий над областями Солнца с разл. ориентацией магн. поля, <образует потоки с различно ориентированным ММП. Разделение наблюдаемойкрупномасштабной структуры С. в. на чётное число секторов с разл. направлениемрадиального компонента ММП наз. межпланетной секторной структурой. ХарактеристикиС. в. (скорость, темп-pa, концентрация частиц и др.) также в ср. закономерноизменяются в сечении каждого сектора, что связано с существованием внутрисектора быстрого потока С. в. Границы секторов обычно располагаются внутримедленного потока С. в. Чаще всего наблюдаются 2 или 4 сектора, вращающихсявместе с Солнцем. Эта структура, образующаяся при вытягивании С. в. крупномасштабногомагн. поля короны, может наблюдаться в течение неск. оборотов Солнца. Секторнаяструктура ММП - следствие существования токового слоя (ТС) в межпланетнойсреде, к-рый вращается вместе с Солнцем. ТС создаёт скачок магн. поля -радиальные компоненты ММП имеют разные знаки по разные стороны ТС. ЭтотТС, предсказанный X. Альвеном (Н. Alfven), проходит через те участки солнечнойкороны, к-рые связаны с активными областями на Солнце, и разделяет указанныеобласти с разл. знаками радиальной компоненты солнечного магн. поля. ТС располагается приблизительно в плоскости солнечного экватора и имеет складчатуюструктуру. Вращение Солнца приводит к закручиванию складок ТС в спирали(рис. 6). Находясь вблизи плоскости эклиптики, наблюдатель оказываетсято выше, то ниже ТС, благодаря чему попадает в секторы с разными знакамирадиальной компоненты ММП.

Вблизи Солнца в С. в. существуют долготные и широтные градиенты скорости, <обусловленные разностью скоростей быстрых и медленных потоков. По мереудаления от Солнца и укручения границы между потоками в С. в. возникаютрадиальные градиенты скорости, к-рые приводят к образованию бесстолкновителъныхударных волн (рис. 7). Сначала образуется ударная волна, распространяющаясявперёд от границы секторов (прямая ударная волна), а затем образуется обратнаяударная волна, распространяющаяся к Солнцу.
8050-27.jpg

Рис. 6. Форма гелио-сферного токового слоя. Пересечение его с плоскостьюэклиптики (наклонённой к экватору Солнца под углом ~ 7°) даёт наблюдаемую секторную структуру межпланетного магнитного поля.
8050-28.jpg

Рис. 7. Структура сектора межпланетного магнитного поля. Короткиестрелки показывают направление течения плазмы солнечного ветра, линии сострелками — силовые линии магнитного поля, штрихпунктир — границы сектора(пересечение плоскости рисунка с токовым слоем).

Т. к. скорость ударной волны меньше скорости С. в., плазма увлекаетобратную ударную волну в направлении от Солнца. Ударные волны вблизи границсекторов образуются на расстояниях ~1 а. е. и прослеживаются до расстоянийв неск. а. е. Эти ударные волны, так же как и межпланетные ударные волныот вспышек на Солнце и околопланетные ударные волны, ускоряют частицы иявляются, т. о., источником энергичных частиц.

С. в. простирается до расстояний ~100 а. е., где давление межзвёзднойсреды уравновешивает динамич. давление С. в. Полость, заметаемая С. в. <в межзвёздной среде, образует гелиосферу (см. Межпланетная среда). РасширяющийсяС. в. вместе с вмороженным в него магн. полем препятствует проникновениюв Солнечную систему галактич. космич. лучей малых энергий и приводит квариациям космич. лучей больших энергий. Явление, аналогичное С. в., обнаруженои 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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Радиус Солнца составляет 696 тыс. км, что в 109 раз превышает радиус Земли, причём полярный и экваториальный диаметры различаются не более, чем на 10 км. Соответственно, объём Солнца превышает земной в 1,3 миллиона раз. Масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли. Средняя плотность Солнца невелика — всего 1,4 г/см3, хотя в центре она достигает 150 г/см3. Ежесекундно Солнце излучает 3,84 × 10^26 Дж энергии, что в масс-энергетическом эквиваленте соответствует потере массы 4,26 миллионов тонн в секунду.

Источник: priroda.inc.ru

Повышение скорости солнечного ветра — потока заряженных частиц, исходящих от Солнца — может оказывать непосредственное влияние на погоду, повышая атмосферное давление даже в средних широтах.

Скорость солнечного ветра может варьироваться в широких пределах — от 250 до 800 километров в секунду на границе земной атмосферы. Периоды резкого роста скорости солнечного ветра как правило отмечаются во время высокой солнечной активности.

Поток высокоэнергетических частиц сильно разогревает верхние слои земной атмосферы, так называемую термосферу. Она «разбухает», что может приводить к сходу с орбиты космических аппаратов. В частности, именно из-за роста плотности верхней атмосферы в период повышенной солнечной активности сошли с орбиты советская станция «Салют-7» и американская «Скайлэб». Солнечный ветер также разрушает молекулы озона и вызывает другие химические изменения в верхних слоях атмосферы.

Рост солнечной активности как правило воздействует сильнее всего в регионах, близких к магнитным полюсам, где силовые линии магнитного поля «уходят в землю». Именно здесь наблюдаются полярные сияния, а колебания магнитного поля наиболее сильны и во время магнитных бурь могут приводить к авариям. Ранее было установлено, что солнечная активность влияет на атмосферное давление в приполярных районах.

Хон Ен Чхан из корейского национального университета Кенбук в городе Тэгу и его коллеги решили выяснить, влияют ли колебания скорости солнечного ветра на атмосферное давление на уровне моря на более низких широтах.

«Мы полагаем, что это интересно по двум причинам. Во-первых, если существует статистически значимая связь, это может быть еще одним свидетельством, что различные метеорологические параметры могут реагировать на изменения в межпланетной среде. Во-вторых, что более важно, это может быть очень важным для большинства (метеорологических) моделей», — пишут ученые.

Они проанализировали данные о космической погоде за период с 1986 года до нынешнего времени из базы данных НАСА OMNIWeb и выбрали из них информацию о случаях экстремального повышения скорости солнечного ветра — более 800 километров секунду. Для найденных 12 событий они проанализировали данные об атмосферном давлении со всей сети метеостанций в Южной Корее.

В результате оказалось, что во всех случаях кроме двух (когда на давление влиял тайфун) происходило заметное повышение атмосферного давления. В среднем давление увеличивалось на 2,5 гектопаскаля. Это относительно небольшая величина — всего лишь 1,88 миллиметра ртутного столба.

Вместе с тем, эта добавка может быть критически важной для многих приложений, в частности, для климатических моделей.

Комментируя эту работу, российский ученый Сергей Богачев из Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца Физического института имени Лебедева (ФИАН), отметил, что южнокорейские ученые не описывают механизм, который мог бы приводить к росту давления.

«Мы живем в нейтральной атмосфере, на которую заряженные частицы не влияют напрямую. Возможно, они воздействуют на верхние слои, где находятся ионы, и изменения в этих слоях в свою очередь приводят к росту давления «внизу», — сказал Богачев.

Он отметил, что помимо очевидной пользы для метеорологов, полученные корейскими учеными данные могут принести пользу и фундаментальной физике — нужно будет искать объяснение наблюдаемого эффекта.

Источник: www.SunHome.ru

Общая информация

Скорость солнечного ветра хоть и очень высока, но намного уступает скорости света (в сотни раз), поэтому не стоит путать эти два понятия. Нашей планеты поток достигает дня за 2-3. Состав звёздного ветра Солнца не блещет особым разнообразием: протоны, электроны, ядра гелия, ну и немного иных частиц. А вот масса испускаемых частиц и правда удивительна — порядка миллиона тонн в секунду! Не укладывается в голове, насколько же огромным должно быть Солнце, чтобы испускать миллиарды лет такой поток и по-прежнему светить нам на небосклоне.

Вообще говоря, солнечный ветер довольно изменчив. Благодаря процессам, происходящим внутри звезды, он может обладать различной интенсивность и скоростью. Так, бывает он спокойным и возмущённым.

Спокойные потоки солнечного ветра можно разделить на два типа: медленные и быстрые.

  • Медленные обладают скоростью около 300-500 км/с. Они образуются в спокойных частях короны Солнца.
  • Быстрые потоки имеют скорость от 500 до 800 км/с. Образуются они во многом благодаря существованию корональных дыр на Солнце — участков в солнечной короне, где плотность и температура заметно ниже, нежели на иных участках короны.

Суммарно на долю спокойных потоков приходится 53% времени излучения Солнца.

Возмущённые потоки.
Наиболее частой причиной возмущённых потоков является выброс частиц из солнечной короны (так называемый корональный выброс масс). Интересен тем, что огромные массы плазмы (протоны, электроны и некоторые тяжёлые элементы, вроде гелия и кислорода) испускаются из короны с огромной скоростью, так как вся энергия выброса тратится на ускорение этих частиц. Также потоки такого рода возникают перед быстрыми потоками из корональных дыр. Относят сюда и область сжатия перед быстрыми корональными выбросами.

Влияние солнечного ветра

Солнечный ветер защищает Солнечную систему от попадания в неё межзвёздного газа. Получается так, потому что звёздный ветер создаёт границу гелиосферы, через которую не может пройти газ.

Космические лучи, что попадают в нашу звёздную систему из межгалактического пространства, весьма сильно ослабляются под действием магнитного поля солнечного ветра.

Звёздный ветер Солнца оказывает сильное влияние и на нашу планету (как и на другие планеты системы, обладающие магнитным полем). Этот ветер является причиной возникновения полярного сияния, радиационных поясов планет и магнитосферы.

А возмущённые потоки ветра также способствуют проявлению геомагнитной активности (например, возникновению магнитных бурь).

Источник: naturae.ru

Крах представления о статической солнечной короне.

В течение достаточно длительного времени считалось, что все атмосферы звезд находятся в состоянии гидростатического равновесия, т.е. в состоянии, когда сила гравитационного притяжения данной звезды уравновешивается силой, связанной с градиентом давления (изменением давления в атмосфере звезды на расстоянии r от центра звезды. Математически это равновесие выражается в виде обыкновенного дифференциального уравнения,

где G – гравитационная постоянная, M* – масса звезды, p и r – давление и массовая плотность на некотором расстоянии r от звезды. Выражая массовую плотность из уравнения состояния для идеального газа

р = rRT

через давление и температуру и интегрируя полученное уравнение, получаем так называемую барометрическую формулу (R – газовая постоянная), которая в частном случае постоянной температуры Т имеет вид

где p0 – представляет собой давление у основания атмосферы звезды (при r = r0). Поскольку до работы Паркера считалось, что солнечная атмосфера, так же как и атмосферы других звезд, находится в состоянии гидростатического равновесия, то ее состояние определялось аналогичными формулами. Учитывая необычное и не до конца еще понятое явление резкого возрастания температуры примерно от 10 000 К на поверхности Солнца до 1 000 000 К в солнечной короне, С.Чепмен развил теорию статической солнечной короны, которая должна была плавно переходить в локальную межзвездную среду, окружающую Солнечную систему. Отсюда следовало, что, согласно представлениям С.Чепмена, Земля, совершающая свои обороты вокруг Солнца, погружена в статическую солнечную корону. Эта точка зрения в течение длительного времени разделялась астрофизиками.

Удар по этим уже установившимся представлениям был нанесен Паркером. Он обратил внимание на то, что давление на бесконечности (при r ® Ґ), которое получается из барометрической формулы, по величине почти в 10 раз превосходит давление, которое было принято в то время для локальной межзвездной среды. Чтобы устранить это расхождение Е.Паркер предположил, что солнечная корона не может находиться в гидростатическом равновесии, а должна непрерывно расширяться в окружающую Солнце межпланетную среду, т.е. радиальная скорость V солнечной короны не равна нулю. При этом вместо уравнения гидростатического равновесия он предложил использовать гидродинамическое уравнение движения вида, где МЕ – масса Солнца.

При заданном распределении температуры Т, как функции расстояния от Солнца, решение этого уравнения с использованием барометрической формулы для давления и уравнение сохранения массы в виде

можно трактовать как солнечный ветер и именно при помощи этого решения с переходом от дозвукового течения (при r < r* ) к сверхзвуковому (при r > r*) можно согласовать давление р с давлением в локальной межзвездной среде, а, следовательно, именно это решение, названное солнечным ветром, осуществляется в природе.

Первые прямые измерения параметров межпланетной плазмы, которые проводились на первых космических аппаратах, выходивших в межпланетное космическое пространство, подтвердили правильность идеи Паркера о наличии сверхзвукового солнечного ветра, причем оказалось, что уже в районе орбиты Земли скорость солнечного ветра намного превосходит скорость звука. С тех пор нет сомнения, что представление Чепмена о гидростатическом равновесии солнечной атмосферы ошибочно, а солнечная корона непрерывно расширяется со сверхзвуковой скоростью в межпланетное космическое пространство. Несколько позже астрономические наблюдения показали, что и многие другие звезды обладают «звездными ветрами», аналогичными солнечному ветру.

Несмотря на то, что солнечный ветер предсказан теоретически на основе сферически-симметричной гидродинамической модели, само явление оказалось значительно сложнее.

Какова реальная картина движения солнечного ветра? В течение длительного времени солнечный ветер считался сферически-симметричным, т.е. независимым от солнечных широты и долготы. Поскольку космические аппараты до 1990, когда был запущен космический аппарат «Улисс» (Ulysses), в основном, летали в плоскости эклиптики, то измерения на таких космических аппаратах давали распределения параметров солнечного ветра только в этой плоскости. Расчеты, проводимые по наблюдениям отклонения хвостов комет, указывали на приблизительную независимость параметров солнечного ветра от солнечной широты, однако, этот вывод на основании кометных наблюдений не был достаточно надежен из-за сложностей интерпретации этих наблюдений. Хотя долготная зависимость параметров солнечного ветра измерялась приборами, установленными на космических аппаратах, тем не менее, она была либо незначительной и связывалась с межпланетным магнитным полем солнечного происхождения, либо с кратковременными нестационарными процессами на Солнце (главным образом, с солнечными вспышками).

Измерения параметров плазмы и магнитного поля в плоскости эклиптики показали, что в межпланетном пространстве могут существовать так называемые секторные структуры с различными параметрами солнечного ветра и различным направлением магнитного поля. Такие структуры вращаются вместе с Солнцем и явно указывают на то, что они являются следствием аналогичной структуры в солнечной атмосфере, параметры которой зависят, таким образом, от солнечной долготы. Качественно четырехсекторная структура показана на рис. 1.

Рис. 1. МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ в солнечном ветре в плоскости эклиптики. Схематическая картина отражает возможную четырехсекторную структуру в межпланетной среде.

При этом наземные телескопы обнаруживают общее магнитное поле на поверхности Солнца. Его средняя величина оценивается в 1 Гс, хотя в отдельных фотосферных образованиях, например, в солнечных пятнах магнитное поле может быть на порядки величины больше. Поскольку плазма является хорошим проводником электричества, то солнечные магнитные поля так или иначе взаимодействуют с солнечным ветром вследствие появления пондеромоторной силы j ґ B. Эта сила мала в радиальном направлении, т.е. она практически не влияет на распределение радиальной компоненты солнечного ветра, однако ее проекция на перпендикулярное к радиальному направление приводит к появлению у солнечного ветра тангенциальной компоненты скорости. Хотя эта компонента почти на два порядка меньше радиальной, она играет существенную роль в выносе из Солнца момента количества движения. Астрофизики предполагают, что последнее обстоятельство может играть существенную роль в эволюции не только Солнца, но и у других звезд, у которых обнаружен звездный ветер. В частности, для объяснения резкого уменьшения угловой скорости звезд позднего спектрального класса часто привлекается гипотеза о передаче ими вращательного момента образующимся вокруг них планетам. Рассмотренный механизм потери углового момента Солнца путем истечения из него плазмы в присутствии магнитного поля открывает возможность пересмотра этой гипотезы.

Измерения среднего магнитного поля не только в районе орбиты Земли, но и на больших гелиоцентрических расстояниях (например, на космических аппаратах «Вояджер 1 и 2» и «Пионер 10 и 11») показали, что в плоскости эклиптики, почти совпадающей с плоскостью солнечного экватора, его величина и направление хорошо описывается формулами

полученными Паркером. В этих формулах, описывающих так называемую паркеровскую спираль Архимеда, величины Br , Bj – радиальная и азимутальная компоненты вектора магнитной индукции соответственно, W – угловая скорость вращения Солнца, V – радиальная компонента солнечного ветра, индекс «0» относится к точке солнечной короны, в которой величина магнитного поля известна.

Запуск Европейским космическим агентством в октябре 1990 космического аппарата «Улисс», траектория которого была рассчитана таким образом, что в настоящее время он вращается вокруг Солнца в плоскости, перпендикулярной плоскости эклиптики, полностью изменил представления о том, что солнечный ветер сферически симметричен. На рис. 2 представлены измеренные на аппарате «Улисс» распределения радиальной скорости и плотности протонов солнечного ветра как функции солнечной широты.

Рис. 2. ЗАВИСИМОСТЬ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ и плотности протонов солнечного ветра от солнечной широты, измеренная на космическом аппарате «Улисс».

Из этого рисунка видна сильная широтная зависимость параметров солнечного ветра. Оказалось, что скорость солнечного ветра возрастает, а плотность протонов уменьшается с гелиографической широтой. И если в плоскости эклиптики радиальная скорость в среднем ~ 450 км/cек, а плотность протонов ~15 см–3, то, например, на 75° солнечной широты эти величины ~700км/сек и ~5 см–3 соответственно. Зависимость параметров солнечного ветра от широты менее выражена в периоды минимума солнечной активности.

Нестационарные процессы в солнечном ветре.

Модель, предложенная Паркером, предполагает сферическую симметрию солнечного ветра и независимость его параметров от времени (стационарность рассматриваемого явления). Однако процессы, происходящие на Солнце, вообще говоря, не являются стационарными, а следовательно, и солнечный ветер не является стационарным. Характерные времена изменения параметров имеют самые различные масштабы. В частности, имеют место изменения параметров солнечного ветра, связанные с 11-летним циклом солнечной активности. На рис. 3 показано измеренное при помощи космических аппаратов IMP-8 и Voyager-2 среднее (за 300 дней) динамическое давление солнечного ветра (r V2 ) в районе орбиты Земли (на 1 АЕ) в течение одного 11-летнего солнечного цикла солнечной активности (верхняя часть рисунка). На нижней части рис. 3 изображено изменение числа солнечных пятен за время с 1978 по 1991 (максимальное число соответствует максимуму солнечной активности). Видно, что параметры солнечного ветра существенно меняются за характерное время порядка 11-лет. При этом измерения на космическом аппарате «Улисс» показали, что такие изменения происходят не только в плоскости эклиптики, но и на других гелиографических широтах (на полюсах динамическое давление солнечного ветра несколько выше, чем на экваторе).

Рис. 4. ИЗМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ в солнечном ветре в течение цикла солнечной активности, измеренное в районе орбиты Земли при помощи космического аппарата IMP-8 и Voyager-2 (верхний рисунок).ИЗМЕНЕНИЕ ЧИСЛА СОЛНЕЧНЫХ ПЯТЕН за то же время – большее число пятен характеризует большую солнечную активность (нижний рисунок)

Изменения параметров солнечного ветра могут происходить и на гораздо меньших временных масштабах. Так, например, вспышки на Солнце и разные скорости истечения плазмы из разных областей солнечной короны приводят к тому, что в межпланетном пространстве образуются межпланетные ударные волны, которые характеризуются резким скачком скорости, плотности, давления, температуры. Качественно механизм их образования показан на рис. 4. Когда быстрый поток какого-либо газа (например, солнечной плазмы) догоняет более медленный, то в месте их соприкосновения возникает произвольный разрыв параметров газа, на котором не выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии. Такой разрыв не может существовать в природе и распадается, в частности, на две ударные волны (на них законы сохранения массы импульса и энергии приводят к так называемым соотношениям Гюгонио) и тангенциальный разрыв (те же законы сохранения приводят к тому, что на нем давление и нормальная компонента скорости должны быть непрерывны). На рис. 4 этот процесс показан в упрощенной форме сферически симметричной вспышки. Здесь надо отметить, что такие структуры, состоящие из впереди идущей ударной волны (forward shock), тангенциального разрыва и второй ударной волны (reverse shock) движутся от Солнца таким образом, что forward shock движется со скоростью, большей скорости солнечного ветра, reverse shock движется от Солнца со скоростью несколько меньшей скорости солнечного ветра, а скорость тангенциального разрыва равна скорости солнечного ветра. Такие структуры регулярно регистрируются приборами, установленными на космических аппаратах.

Нестационарность солнечного ветра может проявляться и на гораздо меньших временных интервалах, связанных, например, с так называемой «плазменной турбулентностью», однако эти процессы достаточно сложны.

Рис. 5. КАЧЕСТВЕННАЯ КАРТИНА СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ, возникающего от воздействия на спокойный солнечный ветер высокоскоростного потока плазмы от Солнца, который может образоваться в результате солнечной вспышки. Тангенциальный разрыв отделяет спокойный солнечный ветер, возмущенный впереди идущей ударной волны, от вспышечной плазмы, возмущенной сзади идущей ударной волной.

Об изменении параметров солнечного ветра с расстоянием от солнца.

Изменение скорости солнечного ветра с расстоянием от Солнца определяется двумя силами: силой солнечной гравитации и силой, связанной с изменением давления (градиентом давления). Поскольку сила гравитации убывает как квадрат расстояния от Солнца, то на больших гелиоцентрических расстояниях ее влияние несущественно. Расчеты показывают, что уже на орбите Земли ее влиянием, также как и влиянием градиента давления, можно пренебречь. Следовательно, скорость солнечного ветра можно считать почти постоянной. При этом она существенно превосходит скорость звука (течение гиперзвуковое). Тогда из приведенного выше гидродинамического уравнения для солнечной короны следует, что плотность r убывает как 1/r2. Американские космические аппараты «Вояджер 1 и 2», «Пионер 10 и 11», запущенные в середине 1970-ых и сейчас находящиеся на расстояниях от Солнца в несколько десятков астрономических единиц, подтвердили эти представления о параметрах солнечного ветра. Они подтвердили также и предсказанную теоретически паркеровскую спираль Архимеда для межпланетного магнитного поля. Однако температура не следует адиабатическому закону охлаждения при расширении солнечной короны. На очень больших расстояниях от Солнца солнечный ветер имеет даже тенденцию к разогреву. Такой разогрев может быть обусловлен двумя причинами: диссипацией энергии, связанной с плазменной турбулентностью, и влиянием нейтральных атомов водорода, проникающих в солнечный ветер из межзвездной среды, окружающей солнечную систему. Вторая причина приводит и к некоторому торможению солнечного ветра на больших гелиоцентрических расстояниях, обнаруженная на вышеупомянутых космических аппаратах.

Заключение.

Таким образом, солнечный ветер – это физическое явление, которое представляет не только чисто академический интерес, связанный с изучением процессов в плазме, находящейся в естественных условиях космического пространства, но и фактор, который необходимо учитывать при изучении процессов, происходящих в окрестности Земли, поскольку эти процессы в той или иной степени оказывают влияние на нашу жизнь. В частности, высокоскоростные потоки солнечного ветра, обтекая магнитосферу Земли, влияют на ее строение, а нестационарные процессы на Солнце (например, вспышки) могут приводить к магнитным бурям, нарушающим радиосвязь и влияющим на самочувствие метеочувствительных людей. Поскольку солнечный ветер зарождается в солнечной короне, то его свойства в районе орбиты Земли являются хорошим индикатором для изучения важных для практической деятельности человека солнечно-земных связей. Однако это уже другая область научных исследований, которой мы не будем касаться в настоящей статье.

Владимир Баранов

Источник: www.krugosvet.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.