Скорость движения плазмы от солнца

Скорость движения плазмы от солнца

100 а.е. С.в. образуется при газодинамич. расширении солнечной короны в межпланетное пространство. При высоких темп-рах, к-рые существуют в солнечной короне ( К), давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление вещества короны, и корона расширяется.

Первые свидетельства существования постоянного потока плазмы от Солнца получены Л. Бирманом (ФРГ) в 1950-х гг. по анализу сил, действующих на плазменные хвосты комет. В 1957 г. Ю. Паркер (США), анализируя условия равновесия вещества короны, показал, что корона не может находится в условиях гидростатич. равновесия, как это раньше предполагалось, а должна расширятся, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей.

Средние характеристики С.в. приведены в табл. 1. Впервые поток плазмы солнечного происхождения был зарегистрирован на второй советской космич. ракете «Луна-2» в 1959 г. Существование постоянного истечения плазмы из Солнца было доказано в реузльтате многомесячных измерений на амер. АМС «Маринер-2» в 1962 г.

Таблица 1. Средние характеристики солнечного ветра на орбите Земли

Потоки С.в. можно разделить на два класса: медленные — со скоростью км/с и быстрые — со скоростью 600-700 км/с. Быстрые потоки исходят из тех областей короны, где магнитное поле близко к радиальному. Часть этих областей явл. корональными дырами . Медленные потоки С.в. связаны, по-видимому, с областями короны, где имеется значит. тангенсальный компонент магн. поля.

Помимо основных составляющих С.в. — протонов и электронов, в его составе также обнаружена -частицы, высокоионизованные ионы кислорода, кремния, серы, железа (рис. 1). При анализе газов, захваченных в экспонированных на Луне фольгах, найдены атомы Ne и Ar. Средний хим. состав С.в. приведен в табл. 2.

Таблица 2. Относительный химический состав солнечного ветра

Ионизац. состояние вещества С.в. соответствует тому уровню в короне, где время рекомбинации становится малым по сравнению со временем расширения, т.е. на расстоянии . Измерения ионизац. темп-ры ионов С.в. позволяют определять электронную темп-ру солнечной короны.

С.в. уносит с собой в межпланетную среду корональное магн. поле. Вмороженные в плазму силовые линии этого поля образуют межпланетное магн. поле (ММП). Хотя напряженность ММП невелика и плотность его энергии составляет ок. 1% от кинетич. энергии С.в., оно играет большую роль в термодинамике С.в. и в динамике взаимодействий С.в. с телами Солнечной системы и потоков С.в. между собой. Комбинация расширения С.в. с вращением Солнца приводит к тому, что магн. силовые лионии, вмороженные в С.в., имеют форму, близкую к спиралям Архимеда (рис. 2). Радиальный и азимутальный компонент магн. поля вблизи плоскости эклиптики изменяются с расстоянием:
,
где R — гелиоцентрич. расстояние, — угловая скорость вращения Солнца, u_R — радиальный компонент скорости С.в., индекс «0» соответствует исходному уровню. На расстоянии орбиты Земли угол между направлениями магн. поля и направлением на Солнце , на больших гелиоцентрич. расстояниях ММП почти перпендикулярно направлению на Солнце.

С.в., возникающий над областями Солнца с различной ориентацией магн. поля, образует потоки в различно ориентированными ММП — т.н. секторную структуру межпланетного магнитного поля.

В С.в. наблюдаются различные типы волн: ленгмюровские, вистлеры, ионнозвуковые, магнитозвуковые, альвеновские волны и др. (см. Плазма ). Часть волн генерируется на Солнце, часть возбуждается в межпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения функции распределения частиц от максвелловской и приводит к тому, что С.в. ведет себя как сплошная среда. Волны альвеновского типа играют большую роль в ускорении малых составляющих С.в. и в формировании функции распределения протонов. В С.в. наблюдаются также контактные и вращательные разрывы, харатерные для замагниченной плазмы.

Поток С.в. явл. сверхзвуковым по отношению к скорости тех типов волн, к-рые обеспечивают эффективную передачу энергии в С.в. (альвеновские, звуковые и магнитозвуковые волны), альвеновские и звуковые числа Маха С.в. на орбите Земли . При обтрекании С.в. препятствий, способных эффективно отклонять С.в. (магн. поля Меркурия, Земли, Юпитера, Стаурна или проводящие ионосферы Венеры и, по-видимому, Марса), образуется головная отошедшая ударная волна. С.в. тормозится и разогревается на фронте ударной волны, что позволяет ему обтекать препятствие. При этом в С.в. формируется полость — магнитосфера (собственная или индуцированная), форма и размер к-рой определяется балансом давлентия магн. поля планеты и давления обтекающего потока плазмы (см. Магнитосферы планет ). Слой разогретой плазмы между ударной волной и обтекаемым препятствием наз. переходной областью. Темп-ры ионов на фронте ударной волны могут увеличиваться в 10-20 раз, электронов — в 1,5-2 раза. Ударная волна явл. бесстолкновительной ударной волной , термализация потока к-ой обеспечивается коллективными плазменными процессами. Толщина фронта ударной волны

100 км и определяется скоростью нарастания неустойчивостей плазмы (магнитозвуковой и/или нижнегибридной) при взаимодействии набегающего потока и части потока ионов, отраженного от фронта. В случае взаимодействия С.в. с непроводящим телом (Луна) ударная волна не возникает: поток плазмы поглощается поверхностью, а за телом образуется постепенно заполняемая плазмой С.в. полость.

На стационарный процесс истечения плазмы короны накладываются нестационарные процессы, связанные со вспышками на Солнце . При сильных солнечных вспышках происходит выброс вещества из нижних областей короны в межпланетную среду. При этом также образуется ударная волна (рис. 3), к-рая постепенно замедляется при движении через плазму С.в. Приход ударной волны к Земле проводит к сжатию магнитосферы, после к-рого обычно начинается развитие магн. бури.

Ур-ние, описывающее расширение солнечной короны, можно получить из системы ур-ний сохранения массы и момента количества движения. Решения этого ур-ния, описывающие различный характер изменения скорости с расстоянием, показаны на рис. 4. Решения 1 и 2 соответствуют малым скоростям в основании короны. Выбор между этими двумя решениями определяется условиями на бесконечности. Решение 1 соответствует малым скоростям расширения короны («солнечный бриз», по Дж. Чемберлену, США) и дает большие значения давления на бесконечности, т.е. встречается с теми же трудностями, что и модель статич. короны. Решение 2 соответствует переходу скорости расширения через значение скорости звука (v_K) на нек-ром критич. расстоянии R_K и последующему расширению со сверхзвуковой скоростью. Это решение дает исчезающе малое значение давления на бесконечности, что позволяет согласовать его с малым давлением межзвездной среды. Течение этого типа Паркер назвал солнечным ветром. Критич. точка находится над поверхностью Солнца, если темп-ра короны меньше нек-рого критич. значения , где m — масса протона, — показатель адиабаты. На рис. 5 показано изменение скорости расширения с гелиоцентрич. расстоянием в зависимости от темп-ры изотермич. изотропной короны.

Последующие модели С.в. учитывают вариации корональной темп-ры с расстоянием, двухжидкостный хапрактер среды (электронный и протонный газы), теплопроводность, вязкость, несферический характер расширения. Подход к веществу С.в. как к сплошной среде оправдывается наличием ММП и коллективным характером взаимодействия плазмы С.в., обусловленным различного типа неустойчивостями. С.в. обеспечивает осн. отток тепловой энергии короны, т.к. теплопередача в хромосферу, электромагнит. излучение сильно ионизованного вещества короны и электронная теплопроводность С.в. недостаточны для установления термич. баланса короны. Электронная теплопроводность обеспечивает медленное убывание темп-ры С.в. с расстоянием. С.в. не играет сколько-нибудь заметной роли в энергетике Солнца в целом, т.к. поток энергии, уносимый им составляет

100 а.е., где давление межзвездной среды уравновешивает динамич. давление С.в. Полость, заметаемая С.в. в межзвездной среде , образует гелиосферу . Расширяющийся С.в. вместе с вмороженным в него магн. полем препятствует проникновению в Солнечную систему галактич. космических лучей малых энергий и приводит к вариациям космических лучей больших энергий.

Явление, аналогичное С.в., обнаружено и у нек-рых типов др. звезд (см. Звездный ветер ).

Лит.:
Паркер Е.Н., Динамические процессы в межпланетной среде, пер. с англ., М., 1965; Брандт Дж., Солнечный ветер, пер. с англ., М., 1973; Хундхаузен А., Расширение короны и солнечный ветер, пер. с англ., М., 1976.

Источник

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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