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
Солнечный ветер. Факты и теория
Солнечный ветер
Температура короны — наружного слоя Солнца, может достигать значений до 1,1 миллиона градусов по Цельсию. Поэтому, имея такую температуру, частицы двигаются очень быстро. Гравитация Солнца не может удержать их — и они покидают звезду.
Активность Солнца меняется в течение 11-летнего цикла. При этом количество солнечных пятен, уровни радиации и масса выброшенного в космос материала меняются. И эти изменения влияют на свойства солнечного ветра — его магнитное поле, скорость, температуру и плотность. Поэтому солнечный ветер может иметь разные характеристики. Они зависят от того, где конкретно находился его источник на Солнце. И еще они зависят от того, насколько быстро вращалась эта область.
Скорость солнечного ветра выше скорости движения вещества корональных отверстий. И достигает 800 километров в секунду. Эти отверстия возникают на полюсах Солнца и в его низких широтах. Они приобретают наибольшие размеры в те периоды, когда активность на Солнце минимальна. Температуры вещества, переносимого солнечным ветром, могут достигать 800 000 C.
В поясе коронального стримера, расположенного вокруг экватора, солнечный ветер движется медленнее — около 300 км. в секунду. Установлено, что температура вещества, перемещающегося в медленном солнечном ветре достигает 1,6 млн. C.
Солнце и его атмосфера состоят из плазмы и смеси положительно и отрицательно заряженных частиц. Они имеют чрезвычайно высокие температуры. Поэтому материя постоянно покидает Солнце, уносимая солнечным ветром.
Воздействие на Землю
Когда солнечный ветер покидает Солнце, он несет заряженные частицы и магнитные поля. Излучаемые во всех направлениях частицы солнечного ветра постоянно воздействует на нашу планету. Этот процесс вызывает интересные эффекты.
Если материал, переносимый солнечным ветром, достигнет поверхности планеты, он нанесет серьезный ущерб любой форме жизни, которая существует на Земле. Поэтому магнитное поле Земли служит щитом, перенаправляя траектории солнечных частиц вокруг планеты. Заряженные частицы как бы «стекают» за ее пределами. Воздействие солнечного ветра изменяет магнитное поле Земли таким образом, что оно деформируется и растягивается на ночной стороне нашей планеты.
Иногда Солнце выбрасывает большие объемы плазмы, известные как выбросы корональной массы (CME), или солнечные бури. Чаще всего это происходит в период активного периода солнечного цикла, известного как солнечный максимум. CME имеют более сильный эффект, чем стандартный солнечный ветер.
Некоторые тела Солнечной системы, как и Земля, экранированы магнитным полем. Но многие из них такой защиты не имеют. Спутник нашей Земли — Луна не имеет никакой защиты для своей поверхности. Поэтому испытывает максимальное воздействие солнечного ветра. У Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, есть магнитное поле. Оно защищает планету от обычного стандартного ветра, однако оно не способно противостоять более мощным вспышкам, таким как CME.
Когда высоко — и низкоскоростные потоки солнечного ветра взаимодействуют друг с другом, они создают плотные области, известные как области с вращающимся взаимодействием (CIR). Именно эти области вызывают геомагнитные бури при столкновении с земной атмосферой.
Солнечный ветер и заряженные частицы, которые он несет, могут влиять на спутники Земли и Глобальные системы позиционирования (GPS). Мощные всплески могут повредить спутники или вызвать ошибки определений координат при использовании сигналов GPS в десятки метров.
Солнечный ветер достигает всех планет в Солнечной системе. Миссия NASA New Horizons обнаружила его, когда путешествовала между Ураном и Плутоном.
Изучение солнечного ветра
Ученым известно о существовании солнечного ветра с 1950-х годов. Но несмотря на его серьезное воздействие на Землю и космонавтов, ученые все еще не знают многих его характеристик. Несколько космических миссий, совершенных в последние десятилетия, пытались объяснить эту тайну.
Запущенная в космос 6 октября 1990 года миссия NASA Ulysses изучала Солнце на разных его широтах. Она измеряла различные свойства солнечного ветра в течение более чем десяти лет.
Миссия Advanced Composition Explorer (ACE) имела орбиту, связанную с одной из особых точек, находящихся между Землей и Солнцем. Она известна как точка Лагранжа. В этой области гравитационные силы от Солнца и Земли имеют одинаковое значение. И это позволяет спутнику иметь стабильную орбиту. Начатый в 1997 году эксперимент ACE изучает солнечный ветер и обеспечивает измерения постоянного потока частиц в реальном масштабе времени.
Космические аппараты NASA STEREO-A и STEREO-B изучают края Солнца с разных сторон, чтобы увидеть, как рождается солнечный ветер. По данным NASA, STEREO представила «уникальный и революционный взгляд на систему Земля — Солнце».
Новые миссии
NASA планирует запуск новой миссии по изучению Солнца. Она дает ученым надежду узнать еще больше о природе Солнца и солнечного ветра. Солнечный зонд NASA Parker, планируемый к запуску (успешно запущен 12.08.2018 — Navigator) летом 2018 года, будет работать таким образом, чтобы буквально «коснуться Солнца». Спустя несколько лет полета на орбите, близкой к нашей звезде, зонд впервые в истории погрузится в корону Солнца. Это будет сделано для того, чтобы получить комбинацию фантастических изображений и измерений. Эксперимент продвинет вперед наше понимание природы солнечной короны, и улучшит понимание происхождения и эволюции солнечного ветра.
Источник