Потоки сонячної енергії. Де стихає сонячний вітер

Міністерство освіти республіки Білорусь

сонячний вітер

Виконав:

учень 11 «Д» класу

Чаплинський Віктор Сергійович

Перевірив:

вчитель з фізики

Симонович Н. Н.

Борисов 2004 р.

Вступ.

Минуло 40 років з того часу, як американський фізик Є.Паркер теоретично передбачив явище, яке отримало назву "сонячний вітер" і яке через кілька років було підтверджено експериментально групою радянського вченого К. Грінгауза за допомогою приладів, встановлених на космічних апаратах "Луна-2" і Місяць-3. Сонячний вітер є потіком повністю іонізованої водневої плазми, тобто газу, що складається з електронів і протонів приблизно однакової щільності (умова квазінейтральності), який з великою надзвуковою швидкістю рухається від Сонця. На орбіті Землі (1 А.Е. від Сонця) швидкість цього потоку дорівнює приблизно 400-500 км/с, концентрація протонів (або електронів) 10-20 частинок у кубічному сантиметрі, а їх температура приблизно 100 000 К. (температура електронів кілька вище).

Окрім електронів і протонів у міжпланетному просторі було виявлено альфа-частинки (порядку кількох відсотків), невелику кількість більш важких частинок, а також магнітне поле, середня величина індукції якого опинилася на орбіті Землі близько кількох гам (g=10 -5 Гс.).

Як свідчать спостереження, виконані на борту космічних супутників Землі та інших космічних апаратах з високим апогею орбіти, міжпланетний простір заповнено надзвичайно активним середовищем – плазмою сонячного вітру. Сонячний вітер зароджується у верхніх шарах атмосфери Сонця та його основні параметри визначаються відповідними параметрами сонячної атмосфери. Однак зв'язок між фізичними характеристиками сонячного вітру поблизу орбіти Землі та фізичними явищами в атмосфері Сонця виявляється надзвичайно складним і, крім того, змінюється залежно від сонячної активності конкретної ситуації на Сонці. Тому для простоти опису передбачається, що сонячний вітер, що спостерігається, складається з трьох компонентів:

1. Спокійний сонячний вітер – постійний потік сонячної плазми, що заповнює весь міжпланетний простір аж до меж геліосфери (50 – 200 А.Є.).

2. Квазистаціонарні високошвидкісні потоки сонячної плазми, відповідальні за рекурентні геомагнітні збурення

3. Спорадичні високошвидкісні потоки – відносно короткочасні, надзвичайно неоднорідні та складні за структурою освіти, відповідальні за спорадичні геомагнітні збурення.

Небагато теорії, пов'язаної з теоретичним передбаченням сонячного вітру.

Протягом настільки тривалої історії теоретичної астрофізики вважалося, що це атмосфери зірок перебувають у гидростатическом рівновазі, тобто у стані, коли сила гравітаційного тяжіння зірки врівноважується силою, що з градієнтом тиску їх у атмосфері (зі зміною тиску одиницю відстані) rвід центру зірки). Математично це можна уявити у вигляді:

Якщо розподіл температури T в атмосфері заданий, то з рівняння рівноваги (1) та рівняння стану ідеального газу.

виходить так звана барометрична формула, яка в окремому випадку постійної температури T матиме вигляд

З формули (3) видно, що при r® тобто на дуже великих відстанях від зірки тиск p прагне до кінцевої межі, яка залежить від p 0 .

Оскільки вважалося, що сонячна атмосфера, як і атмосфери інших зірок, перебуває у стані гідростатичного рівноваги, її стан описувалося формулами, аналогічними формулам (1)-(3). 10 000 градусів на поверхні Сонця до 1 000 000 градусів у сонячній короні, Чепмен розвинув теорію статичної сонячної корони, яка мала плавно переходити в міжзоряне середовище, що оточує Сонячну систему.

Однак у своїй роботі Паркер звернув увагу на те, що тиск на нескінченності, що отримується з формули (3) для статичної корони, виявляється майже на порядок величини більше значення тиску, яке оцінювалося міжзоряного газу на основі спостережень. Щоб усунути цю розбіжність, Паркер запропонував, що сонячна корона не перебуває у стані статичної рівноваги, а безупинно розширюється у навколишнє Сонце міжпланетне середовище. При цьому замість рівняння (1) він запропонував використовувати гідродинамічний рівняння руху виду

де в системі координат, пов'язаної із Сонцем, величина V являє собою радіальну швидкість руху плазми. Під M мається на увазі маса Сонця.

При заданому розподілі температури T система рівнянь (2) та (4) має рішення, представлені на рис.1.

На цьому малюнку через a позначено швидкість звуку, r * - відстань від початку координат, на якому швидкість газу дорівнює швидкості звуку (V = a). Очевидно, що тільки криві 1 та 2 на рис1. мають фізичний сенс для проблеми закінчення газу із Сонця, оскільки криві 3 і 4 мають не єдині значення швидкості в кожній точці, а криві 5 і 6 відповідають дуже великим швидкостям сонячної атмосфери, що не спостерігається в телескопи. Паркер проаналізував умови, за яких у природі здійснюється рішення, що відповідає кривій 1. Він показав, що для узгодження тиску, одержуваного з такого рішення, з тиском у міжзоряному середовищі найбільш реальний випадок переходу газу від дозвукової течії (при r< r *) к сверхзвуковому (при r >r *), і назвав таку течію сонячним вітром.

Історія експериментів у космічному просторі блискуче довела правильність уявлень Паркера про сонячний вітер. Детальний матеріал про теорію сонячного вітру можна знайти, наприклад, у монографії .

Уявлення про однорідне закінчення плазми із сонячної корони.

З одномірних рівнянь газової динаміки можна одержати відомий результат: за відсутності масових сил сферично – симетрична течія газу від точкового джерела може бути скрізь або дозвуковим, або надзвуковим. Присутність у рівнянні (4) гравітаційної сили (права частина) призводить до того, що з'являються рішення типу кривої 1 на рис.1., тобто з переходом через швидкість звуку.

Проведемо аналогію з класичною течією в соплі Лаваля, яка є основою всіх надзвукових реактивних двигунів. Схематично цей перебіг показано на рис.2. У бак 1, званий ресивером, з дуже маленькою швидкістю подається газ, нагрітий до дуже високої температури (внутрішня енергія газу набагато більша за кінетичну енергію спрямованого руху). Шляхом геометричного стиснення каналу газ прискорюється в області 2 (дозвуковий перебіг) доти, доки його швидкість не досягне швидкості звуку. Для подальшого його прискорення необхідно розширювати канал (область 3 надзвукового течії). У всій області течії прискорення газу відбувається за рахунок його адіабатичного (без підведення тепла) охолодження (внутрішня енергія хаотичного руху перетворюється на енергію спрямованого руху).

У аналізованій проблемі утворення сонячного вітру роль ресивера відіграє сонячна корона, а роль стінок сопла Лаваля – гравітаційна сила сонячного походження. Відповідно до теорії Паркера, перехід через швидкість звуку має відбуватися десь на відстані кілька сонячних радіусів. Проте аналіз одержуваних теорії рішень показав, що температури сонячної корони недостатньо, щоб її газ міг прискоритися до надзвукових швидкостей, як це має місце теорії сопла Лаваля. Повинне існувати якесь додаткове джерело енергії. Таким джерелом в даний час вважається диссипація завжди присутніх у сонячному вітрі хвильових рухів (плазмова турбулентність), що накладаються на середню течію, а сама течія вже не є адіабатичною. (Див. Спокійний сонячний вітер) Кількісний приклад таких процесів ще вимагає подальшого дослідження. Цікаво, що наземні телескопи виявляють на поверхні Сонця магнітні поля. Середня величина їх магнітної індукції B оцінюється в 1 Гс, хоча в окремих фотосферних утвореннях, наприклад, у плямах, магнітне поле може бути значно більше. Оскільки плазма є хорошим провідником електрики, то природно, що сонячні потоки та магнітні поля взаємодіють із її потоками від Сонця. І тут суто газодинамическая теорія дає неповне опис аналізованого явища. Вплив магнітного поля протягом сонячного вітру можна розглянути у межах магнітної гідродинаміки. До чого це призводить? Згідно з піонерською в цьому напрямку роботі (див. також), магнітне поле призводить до появи пондемоторної сили j x B, яка спрямована в перпендикулярному до радіального напрямку. У результаті сонячного вітру з'являється тангенціальна компонента швидкості. Ця компонента майже на два порядки менша, радіальнішою, проте вона відіграє істотну роль у виносі з Сонця моменту кількості руху. Припускають, що остання обставина може відігравати істотну роль еволюції як Сонця, а й інших зірок, які мають " зоряний вітер " . Зокрема, для пояснення різкого зменшення кутової швидкості зірок пізнього спектрального класу часто залучається гіпотеза про передачу обертального моменту планетам, що утворюються навколо них. Розглянутий механізм втрати кутового моменту Сонця шляхом закінчення їх плазми відкриває можливість перегляду цієї гіпотези.

Також можна відзначити, що вимірювання середнього магнітного поля в районі орбіти Землі показали, що його величина та напрямок добре описуються формулами, отриманими з більш простих розглядів Паркером ().

У формулах (5), що описують паркерівську спіраль Архімеда для міжпланетного магнітного поля в площині сонячного екватора, що майже збігається з площиною екліптики, величини B r , B j - радіальна та азимутальна компоненти вектора магнітної індукції, W - кутова швидкість обертання Сонця, V – швидкість сонячного вітру, індекс 0 відноситься до точки сонячної корони, в якій величина магнітного поля відома.

Чи однорідно і стаціонарно витікає сонячний вітер з поверхні Сонця?

Розглянуте раніше уявлення про закінчення плазми із сонячної корони виходить із припущення про те, що сонячна корона є однорідною та стаціонарною, тобто її температура та щільність не залежать від сонячної довготи та часу. У цьому випадку сонячний вітер можна розглядати як сферично – симетричну (що залежить тільки від геліоцентричної відстані) стаціонарна течія. До 1990 року всі космічні апарати літали поблизу сонячної екліптики, що дозволяло прямими методами вимірювань перевірити ступінь залежності параметрів сонячного вітру від сонячної широти. Непрямі спостереження відхилення хвостів комет, що пролітали поза площиною екліптики, вказували на те, що в першому наближенні такої залежності немає. Проте виміри у площині екліптики показали, що у міжпланетному просторі можуть існувати звані секторні структури з різними параметрами сонячного вітру і різним напрямом магнітного поля. Такі структури обертаються разом із Сонцем і явно вказують на те, що вони є наслідком аналогічної структури у сонячній атмосфері, параметри якої залежать від довготи. Якісно чотирисекторна структура показана на рис.3.

Висновок про незалежність сонячного вітру по широті на підставі кометних спостережень не був достатньо надійним через складність їх інерпритації, а спостереження сонячної корони показували, що вона неоднорідна і за широтою і довготою, а також схильна до сильних тимчасових змін, пов'язаних з 11 – літнім циклом сонячної активності, і з різними нестаціонарними процесами з більш коротким часовим інтервалом. (Наприклад, зі спалахами)

Ситуація різко змінилася із запуском Європейським космічним агентством у жовтні 1990 року космічного апарату "Улісс", основною метою якого є дослідження міжпланетної плазми поза площиною сонячної екліптики. Ці дослідження почалися в лютому 1992 року, коли, використовуючи гравітаційне поле Юпітера, апарат вийшов з еліптичної площини і попрямував спочатку до областей південного полюса Сонця (травень – вересень 1994), а потім до областей з боку північного полюса (травень – вересень 19). Більшість отриманих результатів зараз ретельно досліджується, але вже можна зробити деякі висновки щодо залежності параметрів сонячного вітру від сонячної широти (велика кількість наукових повідомлень з цих проблем вміщена в американському журналі Science, 1995, volume 268, May 19).

Зокрема, виявилося, що швидкість сонячного вітру зростає, а густина різко зменшується з геліографічною широтою. Виміряна, наприклад, на апараті "Улісс" швидкість сонячного вітру змінилася від 450 км/с у площині екліптики приблизно до 700 км/с – 75 про сонячної широти. Слід відзначити, що ступінь відмінності параметрів сонячного вітру в площині екліптики і поза нею залежить від циклу сонячної активності.

Спалахи на Сонці та різні швидкості закінчення плазми з різних областей його поверхні призводять до того, що у міжпланетному просторі утворюються ударні хвилі, які характеризуються різким стрибком швидкості, щільності та температури. Якісно такий механізм їх утворення показано на рис.4.

Коли швидкий потік наздоганяє повільний, то в місці їхнього дотику виникає довільний розрив параметрів, на якому не виконуються закони збереження маси, імпульсу та енергії. Такий розрив не може існувати в природі і розпадається, зокрема на дві ударні хвилі та тангенціальний розрив (на останньому нормальна компонента швидкості безперервні), як це показано на рис.4, а для спалахового процесу на Сонці та на рис. тому випадку, коли швидший потік від однієї області сонячної корони наздоганяє повільніший, що з іншого. Ударні хвилі та тангенціальні розриви, зображені на рис.4, зносяться сонячним вітром на великі геліоцентричні відстані та регулярно реєструються космічними апаратами.

Як змінюються характеристики сонячного вітру із віддаленням від Сонця?

Як видно з рівняння (4), зміна швидкості сонячного вітру визначається двома силами: силою сонячної гравітації та силою, пов'язаною із зміною тиску. Розрахунки показують, що у великих відстанях від Сонця (практично вже з 1а.е.) тиск майже змінюється за величиною, тобто його зміна дуже мало, і сила, що з тиском, практично відсутня. Сила гравітації зменшується як квадрат відстані від Сонця і також мала на досить великих геліоцентричних відстанях. Оскільки обидві сили стають дуже малі, то, згідно з теорією, швидкість сонячного вітру стає майже постійною і при цьому значно перевершує звукову (як кажуть течія гіперзвукова). Американські космічні апарати "Вояджер - 1 і -2" і "Піонер - 10 і -11", запущені ще в 70-х роках і що знаходяться на відстані від Сонця в кілька десятків астрономічних одиниць, експериментально підтвердили теоретичні прогнози про сонячний вітер. Зокрема, його швидкість виявилася в середньому майже постійною, а щільність r меншає як 1/r 2 відповідно до рівняння збереження маси для сферично-симетричного випадку:

Температура ж не слідує адіабатичному закону, що означає існування якихось джерел тепла. Такими джерелами можуть бути згадана раніше диссипація хвиль або нейтральні атоми водню, що проникають з міжзоряного середовища до Сонячної системи. ()

Очевидно, що швидкість сонячного вітру не може бути до постійної нескінченності, як це випливає з рівняння газової динаміки (див., наприклад рис.1.), оскільки Сонячна система оточена міжзоряним газом з кінцевим тиском. Тому сонячний вітер на великих відстанях від Сонця має гальмуватися міжзоряним газом. Ця проблема докладно розглянута у . Тут лише зазначимо, що плавне гальмування газодинамічного потоку від надзвукових до дозвукових, наприклад, у соплі Лаваля (рис.2.), шляхом звуження каналу неможливо: обов'язково має утворитися стрибок параметрів газу як ударної хвилі. Аналогічна ситуація може виникнути й у сонячному вітрі. Гальмування сонячного вітру через протитиск міжзоряного середовища має відбуватися через ударну хвилю (Termination shock, або TS). Її положення дуже залежить від властивостей міжзоряного середовища. Згідно з теоретичними розрахунками, ударна хвиля TS знаходиться на відстані 80 - 100 А.Є. від Сонця, що дозволяє у найближчі кілька років детектувати її вимірювальними приладами, встановленими на космічних апаратах "Вояджер".

Спокійний сонячний вітер.

Згідно з сучасними уявленнями, енергія в надрах Сонця виробляється в ході процесів ядерного синтезу:

де e + - означає позитрон, n-нейтрино, g - g- квант. В результаті перерахованих процесів 1,0078 г водню переходить в 1,0000 г гелію, а маса, що залишилася, переходить кінетичну енергію частинок і енергію радіації. Швидкість виділення енергії під час реакцій протон – протонного циклу визначається выражением:

Відомо, що в зірках типу Сонця теплопровідність відіграє незначну роль, так що вироблена в надрах Сонця енергія передається до його поверхні переважно шляхом радіаційного перенесення, тобто в результаті її поглинання та подальшого перевипромінювання.

Однак радіаційне перенесення сонячної енергії стає малоефективним у верхніх шарах Сонця. Справа в тому, що в міру зменшення температури сонячної речовини ступінь його іонізації зменшується і присутність у ньому нейтральних атомів водню помітно знижує його прозорість. Це, у свою чергу, призводить до ще більш швидкого зменшення температури Сонця з відстанню від центру, внаслідок чого будь-який елементарний об'єм сонячної речовини, що випливає з надр Сонця, має більшу температуру меншу щільність, ніж оточуюча плазма, що призводить до розвитку так званої конвективної нестійкості. . Умови її збудження впевнено виконуються в поверхневих шарах Сонця r > 0.86R o де енергія переноситься головним чином у формі теплової енергії плазми, укладеної в елементах речовини, що піднімаються з надр Сонця. Розвиток інтенсивної турбулентності у поверхневих шарах Сонця як забезпечує перенос енергії до його поверхні, а й призводить до розвитку явищ, що відіграють ключову роль сонячно-земної фізики. Насамперед розвиток конвективної турбулентності в плазмі супроводжується генерацією інтенсивних магнітозвукових хвиль. Поширюючись в атмосфері Сонця, де густина плазми швидко зменшується з висотою, звукові хвилі трансформуються в ударні. Вони ефективно поглинаються речовиною, внаслідок чого температура останнього збільшується, досягаючи величини (1-3) 10 6 у сонячній короні. При цьому значна частина протонів у короні Сонця не може утримуватися його гравітаційним полем, що призводить до безперервного розширення корони в космічний простір, тобто до генерації сонячного вітру.

Високошвидкісний сонячний вітер.

Як видно з даних, представлених у табл.1, швидкісний вітер характеризується підвищеною швидкістю (близько 700 км/с), зниженою щільністю плазми (n=4 см -3) та підвищеною іонною температурою. Однак, перш ніж обговорювати можливі джерела цих потоків, нагадаємо, що існують щонайменше два роди таких потоків: рекурентні та магнітні.

Рекурентні потоки.

Рекурентні потоки високошвидкісного сонячного вітру відрізняються передусім тим, що існують протягом багатьох місяців, регулярно з'являючись на околицях Землі приблизно через 27 днів (період обороту Сонця), що свідчить про відносно великий час їх джерел. Протягом багатьох років походження цих потоків залишалося загадкою, оскільки їм не відповідали будь-які видимі особливості на поверхні Сонця. Проте в даний час можна вважати доведеним, що потоки, що обговорюються, зароджуються на Сонці в області так званих дірок.

Корональні дірки чітко видно на фотографіях сонця, отриманих з космічних апаратів, у рентгенівському та крайньому ультрафіолетовому діапазоні сонячного випромінювання. (див. рис.6.), де вони фіксуються як великі області зниженої (у кілька разів) інтенсивності випромінювання, що тягнуться від полярних широт до екватора або навіть у протилежну півкулю. Протяжність корональних дірок за довготою становить 30-90 о. Відповідно час проходження корональної діри через центральний меридіан Сонця (внаслідок обертання останнього) становить 4 – 6 діб, що цілком узгоджується з тривалістю існування відповідних високошвидкісних потоків на околицях Землі. Знижена інтенсивність рентгенівського випромінювання в області корональних дірок може визначатися як зниженою густиною плазми в цих областях, так і її зниженою температурою. Справді, наземні спостереження корони під час сонячних затемнень показують, що у короні існують, особливо у високих широтах, області щодо низькою щільністю плазми. У той же час і температура плазми в області корональних дірок становить близько 0,8 * 10 6 К, що істотно нижче за температуру спокійної корони і щільність плазми в корональній дірі становить 0,25 щільності спокійної корони.

Таким чином, корональні дірки справді являють собою області зниженої щільності та температури плазми. Чим викликаються зазначені особливості корони у цих галузях, зовсім ясно. У зв'язку з цим звертає на себе увагу те, що корональні дірки, як правило, збігаються з областями уніполярного магнітного поля з квазірадіальними або силовими лініями, що злегка розходяться. Відкриті силові лінії магнітного поля не перешкоджають радіальному розширенню корональної плазми, що може пояснити знижену щільність останньої в дірок і збільшення швидкості генерованого в них сонячного вітру. Разом з тим збільшення швидкості сонячного вітру, обумовлене сприятливою конфігурацією силових ліній магнітного поля, не може компенсувати її зменшення, пов'язаного з низькою температурою плазми в областях і для пояснення появи високошвидкісних потоків доводиться припустити наявність в корональних дірах потужного джерела МГД - хвиль. На жаль, прямих підтверджень існування таких хвиль у сфері корональних дірок поки що не отримано.

Спорадичні високошвидкісні потоки.

Другий тип високошвидкісних потоків у сонячному вітрі – це короткочасні (час пробігу повз Землю t=1 – 2 діб), часто надзвичайно інтенсивні (швидкість сонячного вітру до 1200 км/с) потоки, що мають дуже велику довготривалу протяжність. Рухаючись у міжпланетному просторі, заповненим плазмою щодо повільного спокійного сонячного вітру, високошвидкісний потік як би згрібає цю плазму, внаслідок чого перед його фронтом утворюється ударна хвиля, що рухається разом з ним. Простір між фронтом потоку і фронтом ударної хвилі, що відійшла, заповнено щільною (кілька десятків частинок в 1 см 3) і гарячою плазмою.

Раніше передбачалося, що спорадичні потоки у сонячному потоці обумовлені сонячними спалахами та подібними явищами. Проте останнім часом думка щодо цього змінилася, і більшість дослідників, особливо зарубіжних, дотримується точки зору, згідно з якою спорадичні високошвидкісні потоки в сонячному вітрі обумовлені так званими викидами.

Корональні викиди, що найбільш чітко спостерігаються поблизу лімбу Сонця, є деякими відносно протяжними плазмовими утвореннями, що рухаються в короні Сонця вгору від її заснування. Висновок про те, що спорадичні потоки в сонячному вітрі пов'язані саме з корональними викидами (або СМЕ), а не зі спалахами, ґрунтується на таких експериментальних фактах:

1. Незважаючи на статично значущий зв'язок між спорадичними потоками та сонячними спалахами, однозначний зв'язок між ними відсутній, тобто, з одного боку, спостерігаються спалахи, що не викликають ударних хвиль, і, з іншого – спостерігаються високошвидкісні потоки, що не випереджають спалахів.

2. Сонячні спалахи безпосередньо пов'язані з корональними викидами.

Зв'язок між міжпланетними ударними хвилями, корональними викидами та сонячними спалахами детально досліджувався N.Sheeley та ін. (1985), які, зокрема, показали, що 72% ударних хвиль, що спостерігаються на борту космічного апарату "Helios -1", були пов'язані з великими низькоширотними корональними викидами. У той же час лише 52% тих самих ударних хвиль були пов'язані із сонячними спалахами.

В результаті докладного аналізу цих даних вдалося показати, що якщо виключити зі списку ударні хвилі, що спостерігаються за лімбом Сонця, то кількість хвиль, пов'язаних зі спалахами, зростає до 85%, тобто, зв'язок ударних хвиль зі спалахами виявляється анітрохи не гіршим, ніж з корональними викидами. Крім того, як показали Harrison та ін(1990), корональні викиди (зі швидкістю близько 1000 км/с), з якими зазвичай пов'язана міжпланетна ударна хвиля, починають свій рух у короні одночасно з початком спалаху.

Таким чином, висновок про непричетність сонячних спалахів до міжпланетних ударних хвиль є не зовсім переконливим, і ми, як і раніше, вважатимемо сонячні спалахи одним з основних джерел високошвидкісних потоків у сонячному вітрі.

Що стосується механізму генерації самих спалахів (і, природно, пов'язаних з ними потоків), то найбільш популярною в даний час є запропонована в 1964 Петчеком модель спалаху, заснована на гіпотезі про магнітне переєднання . Розвиток сонячного спалаху у межах моделі Петчека представлено на рис.7.

У цій моделі силові лінії магнітного поля активної області виявляються починаючи з деякого рівня розірваними і утворюють дві силові трубки з антипаралельними полями, розділеними струмовим шаром. У деякий момент через розвиток іонно-звукової або іонно-циклотронної нестійкості провідність плазми в деякій точці 1 (рис.7,а) у плазмовому шарі різко падає, внаслідок чого струмовий шар розривається і силові лінії магнітного поля переєднуються. Магнітна енергія швидко переходить у кінетичну та теплову енергію

Плазми і відбуваються інтенсивне розігрів і прискорення плазми (рис.7, б). Прискорені частинки, рухаючись вздовж відкритих силових ліній магнітного поля, залишають хромосферу і викидаються міжпланетний простір (рис.5,в). При цьому енергійні електрони, що рухаються вгору, проходячи через корону і взаємодіючи з нею, можуть викликати сплески радіовипромінювання. Частота радіовипромінювання внаслідок зменшення концентрації фонової плазми швидко зменшується у міру руху електронів нагору (що відповідає так званим сплескам радіовипромінювання III типу)

Частинки, що рухаються вздовж силових ліній магнітного поля до Сонця, нагрівають плазму в нижній хромосфері та фотосфері, викликаючи збільшення яскравості водневих емісій та утворення високотемпературної корональної хмари. Плазма, що прискорюється у напрямку від Сонця, формує високошвидкісний потік і пов'язану з ним ударну хвилю.

Висновок.

Суперпозиція описаних вище потоків сонячної плазми та їх взаємодія створюють ту складну систему, що безперервно змінюється, яка називається сонячним вітром.

З розглянутого вище можна зробити висновок, що сонячний вітер - це фізичне явище, яке представляє не тільки суто академічний інтерес, пов'язаний з вивченням процесів у плазмі, що знаходиться в природних умовах космічного простору, але і фактор, який необхідно враховувати при вивченні процесів, що відбуваються в околиці нашої планети Землі, що, зрештою, впливає на наше життя. Це пов'язано з тим, що високошвидкісні потоки сонячного вітру, обтікаючи землю, впливають її магнітосферу, яка безпосередньо пов'язані з нижчими шарами атмосфери. Такий вплив сильно залежить від процесів, що відбуваються на Сонці, оскільки вони пов'язані із зародженням самого сонячного вітру. Таким чином, сонячний вітер є добрим індикатором для вивчення важливих для практичної діяльності людини сонячно-земних зв'язків. Однак це вже інша сфера наукових досліджень, яка в даній роботі не розглядається.

Література

1. Parker E. // Astophys.J. 1958. V. 128. №3.

2. Chapman S.//J.Atmos. Terr. Phys.1959. V.15. №1/2.

3. Chamberlain J. //Astrophys. J. 1961. V.133. №2.

4. Грінгауз К.І., Безруких В.В., Озеров В.Д., Рибчинський Р.Є.// Доп. АН СРСР. 1960. Т.131 №6.

5. Баранов В.Б., Краснобаєв К.В.,Гідродинамічна теорія космічної плазми. М: Наука, 1977.

6. Weber E., Davis L. // Astrophys. J. 1967.V.148. №1. Pt.1.

7. Паркер Е. Динамічні процеси у міжпланетному середовищі. М.: Світ, 1965.

8. Баранов В.Б.Вплив міжзоряного середовища на будову геліосфери // Соросівський Освітній Журнал. 1996. №11. С.73-79.

9. Хундхаузен А.Розширення корони та сонячний вітер. М.: Світ, 1976. 302 с.

10. Гібсон Е.Спокійне Сонце.М.: Світ, 1977, 408 с.

11. Коваленко В.А.Сонячний вітер. М: Наука, 1983,272 с.

12. Пудовкін М.І.//J. Geophys.Res. 1995 V.100. № A5. P7917

13. Пудовкін М.І.// Rept.Prog.in Phys.1995. V58. №9.P.929.

14. Пудовкін М.І., Семенов В.С.Теорія переєднання та взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі. М: Наука, 1985.126 с.

28 вересня сильна магнітна буря (рівня 3 за п'ятибальною шкалою) відбувається на Землі через попадання нашої планети в потік швидкого сонячного вітру. Про це свідчать дані космічного апарату ACE, що знаходиться на лінії Сонце-Земля у точці гравітаційної рівноваги L1, повідомляє Лабораторія рентгенівської астрономії Сонця, ФІАН.

Сонце, 28 вересня 2017 року. Зображення із сайту SDO

Сонячним вітром, посилений вплив якого відчуває зараз наша планета, називається потік плазми, що безперервно випливає з атмосфери Сонця в усіх напрямках і заповнює всю сонячну систему. Швидкість сонячного вітру збільшується з віддаленням від Сонця і лише на рівні орбіти Землі становить середньому близько 400 км/сек. Якби Сонце було ідеально симетричним об'єктом без будь-яких особливостей, швидкість сонячного вітру була б постійною. Однак, оскільки на Сонці присутні центри активності, а також області вищої і нижчої температури, це відбивається на швидкості потоків плазми, що витікають - вона може як підвищуватися, так і знижуватися по відношенню до середнього значення. Як не парадоксально звучить, найшвидші потоки сонячного вітру випливають із найхолодніших ділянок сонячної корони, які через знижену температуру виглядають темнішими і тому називаються корональними дірками.
Так як корональні діри часто «живуть» по кілька обертів Сонця (тобто по кілька місяців), то швидкі потоки вітру, які вони виробляють, також є стабільними утвореннями. Деякі їх за цей час ударяють по Землі кілька разів - за кожного повороту Сонця до Землі відповідною стороною. Магнітні бурі, що виникають при таких ударах, є повторюваними - вони виявляються розділені кроком 27 днів, що збігається з періодом обертання Сонця. Це дає можливість прогнозувати такі бурі на 27 днів наперед, тобто є основним для довгострокового прогнозу.

Земля увійшла до потоку швидкого вітру вчора близько 9:00 за московським часом, коли швидкість навколишньої плазми збільшилася з 300-350 км/сек (рівень на якому вона трималася останніми днями) до приблизно 500 км/сек. Перший зіткнення з потоком перевело магнітне поле Землі в обурений стан, у якому воно було до кінця дня. Приблизно близько півночі швидкість сонячного вітру, що обдуває Землю, збільшилася до 650-700 км/сек, і зараз перебуває на цьому рівні, що перевищує середнє значення майже вдвічі. Зважаючи на все, зараз наша планета проходить найбільш швидкісну частину потоку і зазнає найбільшого впливу. Рівень коливань магнітного поля Землі, що приймає він основний вплив, відповідає тепер рівню Kp=7, що класифікується як потужна магнітна буря.

Виходячи з кутового розміру потоку, Земля перебуватиме всередині нього близько доби. Протягом усього цього часу ймовірність збурень магнітного поля нашої планети буде значно підвищена. Проте, свій максимум буря, зважаючи на все, проходить саме зараз і вищого рівня досягти вже не зможе. Повністю заспокоїтись магнітне поле Землі має до середини завтрашнього дня, 29 вересня.

Малюнок 1. Гелісфера

Малюнок 2. Сонячний спалах.

Сонячний вітер - безперервний потік плазми сонячного походження, що поширюється приблизно радіально від Сонця і заповнює собою Сонячну систему до геліоцентричних відстаней близько 100 а. С.в.утворюється при газодинамічному розширенні сонячної корони у міжпланетний простір.

Середні характеристики Сонячного вітру на орбіті Землі: швидкість 400 км/с, щільність протонів - 6 на 1, температура протонів 50 000 К, температура електронів 150 000 К, напруженість магнітного поля 5 ерстед. Потоки Сонячного вітру можна розділити на два класи: повільні - зі швидкістю близько 300 км/сек і швидкі - зі швидкістю 600-700 км/сек. Сонячний вітер, що виникає над областями Сонця з різною орієнтацією магнітного поля, утворює потоки з різно орієнтованим міжпланетним магнітним полем - так звану секторну структуру міжпланетного магнітного поля.

Міжпланетна секторна структура - це поділ великомасштабної структури Сонячного вітру, що спостерігається, на парну кількість секторів з різним напрямом радіального компонента міжпланетного магнітного поля.

Характеристики Сонячного вітру (швидкість, температура, концентрація частинок та інших.) також у середньому закономірно змінюються у перерізі кожного сектора, що з існуванням усередині сектора швидкого потоку Сонячного вітру. Межі секторів зазвичай розташовуються всередині повільного потоку Сонячного вітру Найчастіше спостерігаються два або чотири сектори, що обертаються разом із Сонцем. Ця структура, що утворюється при витягуванні Сонячного вітру великомасштабного магнітного поля корони, може спостерігатися протягом кількох обертів Сонця. Секторна структура є наслідком існування струмового шару в міжпланетному середовищі, що обертається разом із Сонцем. Токовий шар створює стрибок магнітного поля: вище за шар радіальний компонент міжпланетного магнітного поля має один знак, нижче - інший. Струмовий шар розташовується приблизно в площині сонячного екватора і має складчасту структуру. Обертання Сонця призводить до закручування складок струмового шару в спіралі (так званий ефект балерини). Перебуваючи поблизу площини екліптики, спостерігач виявляється то вище, то нижче струмового шару, завдяки чому потрапляє в сектори з різними знаками радіального компонента міжпланетного магнітного поля.

При обтіканні Сонячним вітром перешкоди, здатних ефективно відхиляти Сонячний вітер (магнітні поля Меркурія, Землі, Юпітера, Сатурна або провідні іоносфери Венери і, мабуть, Марса), утворюється ударна хвиля, що відійшла. Сонячний вітер гальмується та розігрівається на фронті ударної хвилі, що дозволяє йому обтікати перешкоду. При цьому в Сонячному вітрі формується порожнина - магнітосфера, форма та розмір якої визначаються балансом тиску магнітного поля планети та тиску обтікаючого потоку плазми. Товщина фронту ударної хвилі – близько 100 км. У разі взаємодії Сонячного вітру з непровідним тілом (Місяць) ударна хвиля не виникає: потік плазми поглинається поверхнею, а за тілом утворюється порожнина, що поступово заповнюється плазмою Сонячного вітру.

На стаціонарний процес плазми корони накладаються нестаціонарні процеси, пов'язані зі спалахами на Сонці. При сильних сонячних спалахах відбувається викид речовини із нижніх областей корони у міжпланетне середовище. При цьому також утворюється ударна хвиля, яка поступово уповільнюється під час руху через плазму Сонячного вітру.

Прихід ударної хвилі до Землі призводить до стиснення магнітосфери, після якого зазвичай починається розвиток магнітної бурі.

Сонячний вітер тягнеться до відстані близько 100 а.о., де тиск міжзоряного середовища врівноважує динамічний тиск Сонячного вітру. Порожнина, що закидається Сонячним вітром у міжзоряному середовищі, утворює геліосферу. Сонячний вітер разом із вмороженим у нього магнітним полем перешкоджає проникненню в Сонячну систему галактичних космічних променів малих енергій та призводить до варіацій космічних променів великих енергій.

Явище, аналогічне Сонячному вітру, виявлено у деяких типів інших зірок (зоряний вітер).

Потік енергії Сонця, що живиться термоядерною реакцією в його центрі, на щастя, виключно стабільний, на відміну від більшості інших зірок. Більшість його врешті-решт випускається тонким поверхневим шаром Сонця - фотосферою - у вигляді електромагнітних хвиль видимого та інфрачервоного діапазону. Сонячна постійна (величина потоку сонячної енергії на орбіті Землі) дорівнює 1370 Вт/. Можна припустити, що у кожен квадратний метр поверхні Землі припадає потужність одного електричного чайника. Над фотосферою розташована корона Сонця - зона, видима із Землі лише під час сонячних затемнень і заповнена розрідженою та гарячою плазмою з температурою у мільйони градусів.

Це нестабільна оболонка Сонця, в якій зароджуються основні прояви сонячної активності, що впливають на Землю. Косматий вид корони Сонця демонструє структуру його магнітного поля - згустки плазми, що світяться, витягнуті вздовж силових ліній. Гаряча плазма, що витікає з корони, формує сонячний вітер - потік іонів (що складається на 96% ядер водню - протонів і на 4% ядер гелію - альфа-частинок) і електронів, що розганяється в міжпланетний простір зі швидкістю 400-800 км/с .

Сонячний вітер розтягує і забирає із собою сонячне магнітне поле.

Це тому, що енергія спрямованого руху плазми у зовнішній короні більше, ніж енергія магнітного поля, і принцип вмороженості захоплює поле за плазмою. Комбінація такого радіального закінчення із обертанням Сонця (а магнітне поле "прикріплено" і до його поверхні) призводить до утворення спіральної структури міжпланетного магнітного поля - так званої спіралі Паркера.

Сонячний вітер і магнітне поле заповнюють всю Сонячну систему, і, таким чином, Земля та всі інші планети фактично знаходяться в короні Сонця, зазнаючи впливу не тільки електромагнітного випромінювання, але ще й сонячного вітру та сонячного магнітного поля.

У період мінімуму активності конфігурація сонячного магнітного поля близька до дипольної і подібна до форми магнітного поля Землі. При наближенні до максимуму активності структура магнітного поля з цілком зрозумілих причин ускладнюється. Одна з найкрасивіших гіпотез свідчить, що при обертанні Сонця магнітне поле хіба що навивається нею, поступово занурюючись під фотосферу. Згодом, протягом сонячного циклу, магнітний потік, накопичений під поверхнею, стає таким великим, що джгути силових ліній починають виштовхуватися назовні.

Місця виходу силових ліній утворюють плями на фотосфері та магнітні петлі у короні, видимі як області підвищеного світіння плазми на рентгенівських зображеннях Сонця. Величина поля всередині сонячних плям досягає 0,01 тесла, у сто разів більше, ніж поле спокійного Сонця.

Інтуїтивно енергію магнітного поля можна пов'язати з довжиною та кількістю силових ліній: їх тим більше, чим вища енергія. При підході до сонячного максимуму, накопичена в полі величезна енергія починає періодично вибуховим чином вивільнятися, витрачаючись на прискорення та розігрів частинок сонячної корони.

Різкі інтенсивні сплески короткохвильового електромагнітного випромінювання Сонця, що супроводжують цей процес, звуться сонячних спалахів. На Землі спалахи реєструються у видимому діапазоні як невеликі збільшення яскравості окремих ділянок сонячної поверхні.

Проте вже перші вимірювання, виконані на борту космічних апаратів, показали, що найбільш помітним ефектом спалахів є значне (до сотень разів) збільшення потоку сонячного рентгенівського випромінювання та енергійних заряджених частинок – сонячних космічних променів.

Під час деяких спалахів відбуваються також викиди значної кількості плазми та магнітного поля у сонячний вітер - так званих магнітних хмар, які починають швидко розширюватися у міжпланетний простір, зберігаючи форму магнітної петлі з кінцями, що спираються на Сонце.

Щільність плазми та величина магнітного поля всередині хмари в десятки разів перевершують типові для спокійного часу значення цих параметрів у сонячному вітрі.

Незважаючи на те, що під час великого спалаху може виділитися до 1025 джоулів енергії, загальне збільшення потоку енергії в сонячний максимум невелике і становить лише 0,1-0,2%.

Зі швидкістю 300–1200 км/с у навколишній космічний простір.

Характеристики

Через сонячний вітер Сонце втрачає щомиті близько одного мільйона тонн речовини. Сонячний вітер складається в основному з електронів, протонів та ядер гелію (); ядра інших елементів та неіонізованих частинок (електрично нейтральних) містяться в дуже незначній кількості.

Хоча сонячний вітер виходить із зовнішнього шару Сонця, він не відображає реального складу елементів у цьому шарі, тому що в результаті процесів диференціації вміст деяких елементів збільшується, а деяких зменшується (FIP-ефект).

Інтенсивність сонячного вітру залежить від змін активності та її джерел. Залежно від швидкості потоки сонячного вітру поділяються на два класи: повільні(приблизно 300-400 км/с біля орбіти) і швидкі(600-700 км/с біля орбіти Землі).

Існують і спорадичні високошвидкісні(До 1200 км/с) короткочасні потоки.

Повільний сонячний вітер

Повільний сонячний вітер породжується «спокійною» частиною при її газодинамічному розширенні: при температурі корони близько 2 × 10 6 К корона не може перебувати в умовах гідростатичної рівноваги, і це розширення за наявних граничних умов має призводити до розгону корональної речовини до надзвукових швидкостей. Нагрів сонячної корони до таких температур відбувається внаслідок природи теплоперенесення в: розвиток конвективної турбулентності в плазмі супроводжується генерацією інтенсивних магнітозвукових хвиль; у свою чергу при поширенні у напрямку зменшення щільності сонячної атмосфери звукові хвилі трансформуються на ударні; ефективно поглинаються речовиною корони та розігрівають її до температури 1 - 3 × 10 6 К.

Швидкий сонячний вітер

Потоки рекурентного швидкого сонячного вітру випромінюються протягом кількох місяців, і мають період повторюваності при спостереженнях із Землі в 27 діб (період обертання Сонця). Ці потоки асоційовані з областями корони з відносно низькою температурою (приблизно 0,8 × 10 6 К), зниженою щільністю (всього чверть щільності спокійних областей корони) і радіальним по відношенню до Сонця.

Високошвидкісні потоки

Спорадичні потоки під час руху у просторі, заповненому повільного сонячного вітру ущільнюють плазму перед своїм фронтом, утворюючи рухому разом із ним . Раніше передбачалося, що такі потоки викликаються сонячними спалахами, проте нині (2005) вважається, що спорадичні високошвидкісні потоки в сонячному вітрі обумовлені корональними викидами. Водночас слід зазначити, що і сонячні спалахи, і корональні викиди пов'язані з одними й тими ж активними областями на Сонці та між ними існує залежність.

Уявіть, що ви почули слова диктора у прогнозі погоди: Завтра вітер різко посилиться. У зв'язку з цим можливі перебої у роботі радіо, мобільного зв'язку та інтернету. У США відкладено відправлення космічної місії. На півночі Росії очікуються інтенсивні полярні сяйва…».


Ви здивуєтеся: яка нісенітниця, до чого тут вітер? А річ у тому, що ви пропустили початок прогнозу: «Вчора вночі стався спалах на Сонці. Потужний потік сонячного вітру рухається Землі…».

Звичайний вітер – це рух частинок повітря (молекул кисню, азоту та інших газів). Від Сонця теж мчить потік частинок. Його і називають сонячним вітром. Якщо не вникати в сотні громіздких формул, обчислень та спекотних наукових суперечок, то загалом картина видається такою.

Усередині нашого світила йдуть термоядерні реакції, що розжарюють цю величезну кулю газів. Температура зовнішнього шару – сонячної корони сягає мільйона градусів. Це змушує атоми рухатися з такою швидкістю, що, стикаючись, вони розбивають один одного вщент. Відомо, що розігрітий газ прагне розширитися, зайняти більший обсяг. Щось подібне відбувається і тут. Частинки водню, гелію, кремнію, сірки, заліза та інших речовин розлітаються на всі боки.

Вони набирають все більшу швидкість і приблизно за шість діб долітають до навколоземних рубежів. Навіть якщо світило спокійно, швидкість сонячного вітру сягає тут 450 кілометрів на секунду. Ну, а коли спалах Сонця викидає величезний вогненний міхур частинок, їхня швидкість може досягати 1200 кілометрів на секунду! Та й освіжаючим «вітерець» не назвеш – близько 200 тисяч градусів.

Чи відчуває людина сонячний вітер?

Справді, якщо потік гарячих часток мчить постійно, чому ми не відчуваємо, як він «обдуває» нас? Припустимо, частки такі малі, що шкіра не відчуває їх дотиків. Але їх помічають і земні прилади. Чому?

Тому що від сонячних вихорів Землю захищає її магнітне поле. Потік частинок ніби обтікає його і мчить далі. Тільки в дні, коли викиди на сонці особливо сильні, нашому магнітному щиту доводиться туго. Сонячний ураган пробиває його та вривається у верхні шари атмосфери. Частинки-прибульці викликають. Магнітне поле різко деформується, синоптики говорять про "магнітні бурі".


Через них виходять із-під контролю космічні супутники. Зникають з радарних екранів літаки. Створюються перешкоди радіохвилям і порушується зв'язок. У такі дні відключають супутникові антени, скасовують авіарейси, переривають спілкування з космічними апаратами. В електромережах, залізничних рейках, трубопроводах раптово народжується електричний струм. Від цього сигнали світлофорів переключаються, іржавіють газопроводи, згоряють відключені електроприлади. Плюс до того, тисячі людей відчувають дискомфорт та нездужання.

Космічні ефекти сонячного вітру можна виявити не тільки під час спалахів на Сонці: він, нехай слабший, але віє постійно.

Давно помічено, що хвіст комети виростає з наближенням її до Сонця. Воно змушує випаровуватися змерзлі гази, що утворюють кометне ядро. А сонячний вітер зносить ці гази у вигляді шлейфу, завжди спрямованого у протилежний від Сонця бік. Так земний вітер розгортає дим із труби і надає йому тієї чи іншої форми.

У роки підвищеної активності різко падає опромінення Землі галактичними космічними променями. Сонячний вітер набирає такої сили, що просто виметає їх на околиці планетної системи.

Є планети, у яких магнітне поле дуже слабке, а то й зовсім відсутнє (наприклад, на Марсі). Тут сонячному вітру ніщо не заважає розгулятися. Вчені вважають, що це він за сотні мільйонів років майже "видув" з Марса його атмосферу. Через це помаранчева планета втратила потім і воду і, можливо, живі організми.

Де стихає сонячний вітер?

Точної відповіді не знає поки що ніхто. До околиць землі частки летять, набираючи швидкість. Потім вона поступово падає, але, схоже, вітер досягає найдальших куточків Сонячної системи. Десь там він слабшає і гальмується розрідженою міжзоряною речовиною.

Поки що астрономи не можуть точно сказати, наскільки це далеко відбувається. Для відповіді потрібно ловити частинки, відлітаючи все далі від Сонця, доки вони не перестануть траплятися. До речі, та межа, де це станеться, якраз і можна вважати кордоном Сонячної системи.


Пастками для сонячного вітру обладнано космічні апарати, які періодично запускають із нашої планети. 2016 року потоки сонячного вітру вдалося зняти на відео. Хто знає, чи не стане він таким самим звичним «персонажем» зведення погоди, як наш давній знайомий – вітер земний?