Солнечный ветер
Солнечный ветер – это поток заряженных частиц, исходящий из верхнего, наиболее горячего слоя Солнца – солнечной короны. С ним связано много явлений, таких, как, например, магнитная буря или полярное сияние.
Как появляется поток ионизированных частиц и из чего он состоит
Солнечный ветер состоит из положительно и отрицательно заряженных ионов. В свою очередь, они формируются в недрах Солнца, где, не прекращаясь, происходят термоядерные реакции образования гелия из водорода. Температура термоядерных реакций – десятки миллионов градусов. Горячий газ, состоящий из ионизированных частичек, вырывается из звезды и распространяется на миллионы километров. Поразительно, но таким образом наша дневная звезда теряет каждую секунду приблизительно один миллион тонн вещества.
Солнечный ветер состоит из:
В малом количестве в солнечный ветер входят ядра прочих элементов. Кинетическая энергия заряженных частиц – от 0,5 до 10 электронвольт.
Размеры Солнца огромны: его объём в 109 раз больше земного. Из-за гравитационных сил ионизированный газ находится внутри этого гигантского объёма, однако под действием высокой температуры вырывается наружу в виде микровзрывов. Из-за этого солнечная корона нагревается до миллиона градусов и выше.
Как был открыт солнечный ветер
Впервые предположение о том, что существует постоянный поток заряженных частиц, распространяющихся от Солнца, высказал Р. Керрингтон в середине позапрошлого века. В 1916 г. норвежцем К. Биркеландом было установлено, что солнечный ветер состоит из электронов и положительно заряженных ионов. Позже было установлено, что протоны и электроны распространяются от Солнца.
Английский геофизик, астроном С. Сепмен предположил, что солнечная атмосфера является устойчивой. Ю. Ньюмен, американский астрофизик доказал, что материя может истекать из солнечной короны. Было установлено, что по мере удаления от дневной звезды скорость солнечного ветра возрастает, а потом снижается. Границы же распространения солнечного ветра до сих пор остаются неопределёнными. Позже астрономы определили, что любая звезда может источать звёздный ветер.
Германским учёным Л. Бирманом было предположено существование так называемого корпускулярного излучения Солнца. Он обнаружил, что заряженные частицы прорываются через участки Солнца, не покрытые магнитным полем в космическое пространство. Технические параметры солнечного ветра были измерены в 1959 году советской межпланетной станцией «Луна-2».
В 1962 году американский спутник «Маринер-2» провёл исследования солнечного ветра. В дальнейшем изучения проводились станцией SOHO и другими космическими программами.
В 2016 году американские учёные зафиксировали процесс формирования солнечного ветра. Этот процесс похож на выброс воды. Поначалу поток идёт единой струёй, а затем распадается на многочисленные потоки. Так образуется облако из газа, которое способно достигать нашей планеты.
В 2020 году американский зонд записал «звуки», которые издаёт поток ионизированных частиц. Эти звуки напоминают свист, шуршание и «чириканье». Механизм возникновения этих звуков остаётся невыясненным. Предполагается, что зонд будет приближаться к Солнцу и сделает примерно 21 оборот вокруг него. За это время многие особенности звезды будут детально изучаться. Вероятно, перед человечеством откроются некоторые загадки появления этого явления.
Быстро ли распространяется солнечный ветер
Непосредственно с Солнца заряженные частицы распространяются со скоростью от 300 до 450 километров в секунду. Во время вспышек на Солнце солнечный ветер может двигаться со скоростью 1200 километров в секунду или даже больше.
Отдаляясь от Солнца, заряженные частицы начинают двигаться быстрее. Скорость их движения около Земли – от 400 до 800 км в секунду. Заряженные частицы распространяются на расстояние десятков миллиардов километров от Солнца. Начиная с 10 млрд километров, скорость потоков ионизированных частиц неуклонно снижается.
Существует несколько видов солнечного ветра.
- Медленный. Он возникает в недрах Солнца, когда ионизированные газы подвергаются температурному расширению. Корональная плазма ускоряется до 400 километров в секунду. Медленный поток обладает большей плотностью и шириной.
- Быстрый. Этот солнечный ветер образуется в корональных дырах. Эти дыры чаще всего возникают на полюсах и в низких широтах Солнца. Потоки ионизированных частиц высокой энергии в этом случае могут распространяться длительное время. Период атаки Земли этими частицами – 27 суток.
- Возмущённый. Такой поток появляется в результате бурного коронального выброса.
Распространяясь всё дальше от Солнца, солнечный ветер постепенно ослабевает. Примерно на расстоянии 95 астрономических единиц происходит торможение «ветра», и его скорость становится меньше скорости звука. Дальше, на расстоянии 135 астрономических единиц, поток заряженных частиц полностью тормозится. Эта граница называется гелиопаузой.
Как заряженные частицы влияют на Землю
Постоянно изменяющиеся потоки заряженных частиц могли бы полностью уничтожить всё живое на нашей планете. Однако Земля имеет мощную защиту от этой опасности – магнитное поле. Благодаря магнитному полю Земле удаётся избежать столкновения с космическими врагами. Однако из-за неустойчивости магнитного поля и изменяющегося потока заряженных частиц на планете часто появляются магнитные бури.
Параметры солнечного ветра
Благодаря деятельности советского учёного А. Чижевского удалось установить действие изменяющейся активности звезды не только на организм человека, но и на урожайность культурных растений, размножение, активность животных. Также обнаружена цикличность изменения магнитного поля.
Солнечный ветер вызывает магнитные бури, полярные сияния. Установлено также, что количество молний зависит от интенсивности потока ионизированных частиц. Он способен вызывать усиление выхода газообразного радона из поверхности Земли. Магнитные бури повышают активность электрического поля у земной поверхности, что приводит к изменениям атмосферного давления.
Солнечный ветер представляет опасность:
- нарушает радиосвязь;
- создаёт помехи в работе компьютерной техники;
- вызывает сбои в инженерных сетях;
- нарушает работу некоторых приборов.
Угрозы внезапных магнитных бурь создали потребность в их прогнозировании, тщательном наблюдении за главным светилом Солнечной системы. На всех метеостанциях земного шара работает оборудование, которое сигнализирует об изменении магнитного поля планеты.
Солнечный ветер и магнитосфера Земли
Можно ли использовать солнечный ветер
Учёные всего мира работают над проблемами и перспективами использования солнечного ветра для блага цивилизации. Так, финский учёный П. Янхунен создал так называемые «электрические паруса» и «солнечные паруса». Это космические аппараты, которые двигаются за счёт заряженных частиц, исходящих от Солнца. Попытка запуска космического паруса была неудачной, он не раскрылся.
Существуют проекты использования заряженных частиц для передачи и сохранения информации, создания на планетных орбитах космических электростанций. К примеру, американский учёный Ф. Дайсон предположил, что в будущем высокоразвитой земной цивилизации будет доступно создание некоего сферообразного объекта вокруг Солнца, который бы собирал всю энергию. Этот же Дайсон допустил, что таким способом можно будет искать внеземные цивилизации.
Исследователи Вашингтонского университета разработали практичную концепцию применения ионизированного активного излучения – космические спутники. С их помощью можно собирать и перераспределять электроны, источником которых является солнечный ветер. Наличие спутника с километровым стержнем и парусом в 8 тыс. км. позволит человечеству полностью отказаться от всех видов энергии, перейдя только на ту, что извлекается из ионизированного потока частиц. Этот источник энергии (триллион миллиардов мегаватт) практически неиссякаем.
Существуют проекты передачи энергии, получаемой из спутника Дайсона-Харропа с помощью лазерных лучей. На данном этапе развития человеческой цивилизации создать такой луч (по сути, «кабель») невозможно. Сам спутник должен быть вне плоскости эклиптики, а лазерный луч даст такое пятно, что покроет собой всю планету. А вот применение небольших спутников, заменяющих мощные солнечные батареи вполне возможно. Предположительно, что в недалёком будущем ими можно будет заменить ядерные реакторы.
Какое будущее нашей звезды
Солнце ещё будет существовать как минимум 5 миллиардов лет. Каждую секунду в недрах звезды 600 млн тонн водорода превращается в гелий. При этом масса Солнца уменьшается ежесекундно на 4 млн тонн. После исчерпания водородных запасов Солнце превратится сначала в красного гиганта, а затем и в белого карлика. При этом будут исчерпаны и все запасы гелия. В этих условиях рано или поздно перед человечеством встанет проблема переселения на другие планеты. Использование солнечного ветра для этих целей является перспективным.
Если Солнце станет красным гигантом, оно будет испускать поток заряженных частиц. Предположительно, что его мощность заметно возрастёт. Для Земли это не будет иметь никакого значения, так как она может быть поглощённой Солнцем. Но даже если планета и останется (это более вероятно, потому что она несколько удалится от звезды), для неё наступят не самые лучшие времена. Сначала под воздействием высокой температуры, парникового эффекта погибнут высшие формы жизни. В дальнейшем наша планета полностью избавится от океанов (они испарятся). По мере дальнейшего повышения температуры планета станет выжженной и полностью непригодной для жизни. Это случится примерно через 4 млрд лет.
Наконец, Солнце пройдёт фазу развития красного гиганта. Его внешняя оболочка взорвётся, образуя планетарную туманность. В её центре образуется белый карлик. На протяжении миллиардов лет эта звезда будет медленно угасать. Следовательно, и интенсивность солнечного ветра будет постепенно сходить на нет. После остывания образуется чёрный карлик. Для его остывания до температуры минус 268 градусов потребуется около 5 квадриллионов лет.
Звёздный ветер испускают все звезды, и Солнце не исключение. Потоки заряженных частиц способны распространяться на десятки миллиардов километров. Солнечный ветер имеет огромное влияние на всё живое и на хозяйственную деятельность человека. Овладение колоссальной энергией заряженных частиц открывает перед человечеством перспективы полного преодоления энергетического дефицита.
Источник
Потоки солнечного ветра
Солнечный ветер — некий поток частиц, испускаемый внешним слоем Солнца (солнечной короной) на огромной скорости, достигающей 1200 км/с.
Испускать его могут все звёзды, и в таком случае называется он звёздным ветром. К слову, поток частиц Солнца также можно назвать звёздным ветром Солнца и ошибки в этом не будет. 
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. Суммарно на долю спокойных потоков приходится 53% времени излучения Солнца.
- — Медленные обладают скоростью около 300-500 км/с. Они образуются в спокойных частях короны 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).
Магнитная буря
Возмущение магнитного поля Земли, в результате воздействия на него потоков солнечного ветра, называют геомагнитной бурей. Такие бури оказывают немалое влияние на людей.
Солнечная система
Вокруг центральной звезды вращаются планеты, астероиды, кометы и другие небесные тела. Таких систем во Вселенной множество, ну а наша называется Солнечной.
Источник
Солнечный ветер
Солнечным ветром называют потоки частиц, насыщенные ионами, которые исходят из короны Солнца во внешнее пространство. Минимальный показатель скорости таких потоков — 300 км/с, максимальный — 1200 км/с. Солнечный ветер — компонент, распространяющийся по всей межпланетной среде. Он также является причиной возникновения знакомых нам природных явлений, таких как: полярные сияния, магнитные бури, космическая погода. Если речь идет о других звездах, то лучше использовать определение «звездный ветер». Если говорить о ветре, источником которого является Солнце, то будет правильнее называть его «звездным ветром Солнца». Следует отметить, что понятия солнечный «ветер» и « свет» в корне разные. Если солнечным ветром называется поток частиц, которые достигают Земли только через 48-72 часа, то солнечный свет — это фотонный поток, оказывающийся в атмосферной зоне нашей планеты уже через 8 мин. 16 сек.
Давление солнечного света активно применяют в космической сфере в качестве энергии для находящихся в космосе аппаратов. Приспособления, трансформирующие давление света нашей звезды в энергию, называют солнечными парусами (в научном сообществе — «электрический парус»).
История открытий солнечного ветра
Наличие потоков частиц, исходящих от нашей звезды, первым предположил британец Ричард Кэллингтон. В конце 19 века он со своим коллегой Р. Ходжсоном стали первыми свидетелями явления, которое сегодня называют солнечной вспышкой. Примерно через 24 часа ученые констатировали геомагнитную бурю, и Кэллингтон решил, что она как-то связана с предыдущим событием. Чуть позднее астрономом Джорджем Фитцджеральдом было выдвинуто предположение о том, что данное вещество оказывается на Земле уже через пару дней. Далее, в 1916 году ученый из Норвегии К. Биркеланд заявил: «Согласно законам физики справедливо считать, что лучи света суммарно не обладают никаким зарядом». Биркеландом здесь имелось в виду, что солнечный ветер несет как отрицательно заряженные (электроны), так и положительные (ионы) частицы. Чуть позднее англичанин Фридерик Линдеманн доказал, что главным источником протонов и электронов является наша звезда.
В 30-е годы 20 века учёные астрофизики пришли к общему заключению: солнечная корона имеет температуру около 1 млн. градусов. Данное мнение основывалось на том, что она обладает сильной яркостью даже при существенном удалении от фотосферы звезды, что отлично видно при солнечных затмениях. Уже в процессе спектрометрических наблюдений данная гипотеза была полностью подтверждена. В 50-х годах математиком и астрономом С. Чепменом были описаны свойства и поведение газа при чрезвычайно высоких температурных показателях. Оказывается, что газ в подобных условиях приобретает свойства проводника тепла, которое впоследствии рассеивается во внешнее пространство, попадая на Землю.
Немец Людвиг Бирманн также заметил очень интересную особенность, связанную с влиянием солнечного ветра на движение комет, хвост которых всегда имеет направление «от звезды». Ученый считал, что это происходит в связи с давлением на газ объекта, которое постоянно оказывают потоки солнечных частиц.
Примерно в это же время несколько советских ученых доказали, что по мере удаления от фотосферы звезды корона «затрачивает» на излучение слишком большое количество энергии и способна пребывать в положении гидродинамического равновесия лишь тогда, когда источники данной энергии будут распределяться особым образом. В других подразумевается существование потоков энергии и вещества, благодаря этому становится возможным образование и поддержание «динамической короны» — ещё одного существенного физического закона. Мощность потоков солнечного вещества по данному принципу определяется так: если бы корона пребывала в состоянии гидростатического равновесия, то применительно к водороду и железу высота атмосферы имела бы соотношение 56/1. Это могло свидетельствовать только об одном: ионов железа в дальнем слое короны не существует. Но! Свечение данного элемента по факту распространяется по всей ее протяженности. И это при том, что FeXIV сильнее концентрируется в более высоких слоях в отличие от FeX (с учетом того, что кинетическая температура короне по мере удаленности от границы фотосферы звезды понижается). Сила, способствующая поддерживанию частиц в таком состоянии, может являться неким импульсом, который передается протонами ионов железа во время столкновений. Если известны условия данного баланса, то определить местонахождение потока протонов будет просто. В действительности он является именно таким, каким и было изначально описано в гидродинамической теории.
Через три года Юджин Паркер выдвинул новое предположение о том, что раскаленное течение от звезды (о которой идет речь в чемпеновской модели) и поток частиц теории Бирманна, являются двумя проявлениями одного физического явления — «солнечного ветра». Паркер еще раз подтвердил, что, несмотря на протяженность короны Солнца, она способно великолепно проводит тепло, за счет чего температура даже самых ее удаленных слоях имеет высокие показатели. Но в связи с тем, что по мере удаленности от фотосферы сила притяжения постепенно ослабевает, в самых верхних слоях короны начинается процесс сверхзвукового истечения солнечной материи в окружающее пространство. Паркер считается одним из первых астрофизиков, отметивших взаимосвязь между ослаблением притяжения и гидродинамическим течением. Но данную гипотезу изначально поставили под сомнение. Работу Паркера, отправленную в издание Astrophysical Journal, сначала отклонили, но затем все-таки опубликовали.
В 59-ом году Константин Грингауз впервые произвел анализ характеристик звездного ветра при помощи советского аппарата Луна-1. Все данные были получены благодаря встроенному сцинтилляционному счетчику и специальному газовому детектору. Более полные исследования были произведены чуть позднее при помощи аппарата Маринер-2. Но причина, по которой ветер разгоняется до подобных скоростей, была все еще выяснена окончательно. Первые макеты, демонстрирующие поведение звездного ветра, которые находятся еще внутри короны звезды, были представлены физиками Пневманом и Кноппом.
В 90-х годах прошлого века спутник SOHO благодаря встроенному в него Ультрафиолетовому корональному спектрометру собрал полезную информацию, исследовав отдельные зоныобразования быстрых потоков солнечного ветра. Анализ данных этого исследования показал, что их ускорение намного сильнее, чем считалось до этого.
Что касается скорости ветра по модели Паркера, то она приобретает значение сверхзвуковой только на расстоянии 4-х солнечных радиусов от солнечной фотосферы. Космические исследования установили, что данный процесс повышения скорости солнечного ветра происходит на меньшем расстоянии от фотосферы звезды, равном только 1-му ее радиусу. В процессе данных наблюдений также удалось подтвердить гипотезу о наличии дополнительного механизма, влияющего на ускорение потоков ветра.
Основные характеристики солнечного ветра
Гелиосферный токовый слой является непосредственным следствием воздействия магнитного поля звезды на входящую в состав солнечного ветра плазму.
Потоки солнечного ветра по большей части состоят из протонов, электронов и ядер гелия. Факт того, что местом появления солнечного ветра является наружный слой Солнца, никоим образом не отражается на его составе.
Мощность звездного ветра определяется в первую очередь его происхождением и активностью самой звезды. Ученые выделяют два вида солнечного ветра, которые различаются по своей скорости: умеренный и возмущенный. Спокойные потоки классифицируются, как быстрые и медленные. Первые вблизи Земли достигают скорости равной 600-800 км/с, вторые — около 400 км/с. Зачастую стационарный ветер характеризуется по зоне гелиосферного токового слоя, разделяющего зоны с различной полярностью в магнитном межпланетном поле. По своим качественным показателям он, скорее, напоминает медленный, нежели быстрый ветер.
Общая информация о медленном солнечном ветре
Данный вид происходит из более «уравновешенной» территории существования солнечной короны в состоянии гидростатического баланса. Но при температуре более 2•106 К корона больше не способна пребывать в таком состоянии, что приводит к повышению скорости ее материи до сверхзвуковой. Нагревание солнечной короны до подобных показателей является результатом проходящих в фотосфере звезды процессов. Например, из-за формирования конвективной турбулентности, сопровождающейся концентрацией магнитозвуковых волн чрезвычайной мощности. По мере проникновения данных волн в слои короны, в которых солнечное вещество находится в меньшей концентрации, они начинают преобразовываться в ударные волны, достаточно быстро нейтрализуются коронарной материей, повышая ее температуруее до (1-3)•106 К.
Общая информация о быстром солнечном ветре
Потоки быстрого солнечного ветра могут испускаться короной на протяжении многих месяцев. Данные потоки ассоциируют с пустотами в короне звезды, характеризующиеся сравнительно низкими температурными показателями (около 0,8•106 К) и чрезвычайно низкой концентрацией плазмы.
Возмущенные потоки
Возмущенные потоки по сути являются проявлением выбросов вещества короны звезды. В ходе наблюдения за ними было выявлено, что примерно половина из них сопровождается идущей перед ними ударной волной. Только данный тип солнечного ветра способен провоцировать отклонение магнитного поля от плоскости эклиптики. Данные изменения нередко становятся причиной разнообразия космической погоды. Раньше считалось, что причиной возникновения возмущенных спорадических потоков являются солнечные вспышки. Но сегодня ученые считают, что они образуются вследствие мощных коронарных выбросов.
Необходимо знать, что вспышки на поверхности Солнца все же влияют на коронарные выбросы. Кроме того, они объединены едиными энергетическими источниками, а между ними имеется статистическая взаимосвязь.
В ходе исследования всех масштабных типов звездного ветра, обнаружилось, что медленные и быстрые потоки образуют лишь 53% от общего числа.
Феномены возникающие вследствие влияния солнечного ветра
По причине того, что плазма звездных ветров обладает большой проводимостью, магнитное поле «врезается» в струи потоков ветра и выносится в межпланетную среду, существуя там в качестве межпланетного магнитного поля.
Солнечным ветром также формируются края гелиосферы, препятствующие попаданию межзвездного газа в Солнечную систему. Магнитное поле солнечных ветров способствует рассеиванию галактических космических лучей. Местное увеличение активности межпланетного магнитного поля оказывает временный эффект протекции от разного рода космических лучей. Соответственно, значительное уменьшение активности поля ведёт к понижению уровня данного феномена.
Источник