Що таке космічний вітер. Сонячний вітер. Крах уявлення про статичної сонячної корони

сонячний вітер

- безперервний потік плазми сонячного походження, що поширюється приблизно радіально від Сонця і заповнює собою Сонячну систему до геліоцентріч. відстаней ~ 100 а.о. С.в. утворюється при газодинамич. розширенні в міжпланетний простір. При високих температурах, к-які існують в сонячній короні (К), тиск верхніх шарів не може врівноважити газовий тиск речовини корони, і корона розширюється.

Перші свідчення існування постійного потоку плазми від Сонця отримані Л. Бірманн (ФРН) в 1950-х рр. з аналізу сил, що діють на плазмові хвости комет. У 1957 р Ю. Паркер (США), аналізуючи умови рівноваги речовини корони, показав, що корона не може знаходиться в умовах гидростатич. рівноваги, як це раніше передбачалося, а повинна розширюватися, і це розширення при наявних граничних умовах повинно приводити до розгону корональної речовини до надзвукових швидкостей.

Середні показники С.в. наведені в табл. 1. Вперше потік плазми сонячного походження був зареєстрований на другій радянській космич. ракеті "Луна-2" в 1959 р Існування постійного витікання плазми з Сонця було доведено в реузльтате багатомісячних вимірювань на амер. АМС "Маринер-2" в 1962 р

Таблиця 1. Середні показники сонячного вітру на орбіті Землі

швидкість	400 км / с
щільність протонів	6 см -3
температура протонів	До
температура електронів	До
Напруженість магнітного поля	Е
Щільність потоку протонів	см -2 с -1
Щільність потоку кінетичної енергії	0,3 ергсм -2 с -1

Потоки С.в. можна розділити на два класи: повільні - зі швидкістю км / с і швидкі - зі швидкістю 600-700 км / с. Швидкі потоки виходять з тих областей корони, де магнітне поле близько до радіального. Частина цих областей явл. . Повільні потоки С.в. пов'язані, мабуть, з областями корони, де є означає. тангенсальная компонент магн. поля.

Крім основних складових С.в. - протонів і електронів, в його складі також виявлена \u200b\u200bчастинки, високоіонізованная іони кисню, кремнію, сірки, заліза (рис. 1). При аналізі газів, захоплених в експонованих на Місяці фольги, знайдені атоми Ne і Ar. Середній хім. склад С.в. наведено в табл. 2.

Таблиця 2. Відносний хімічний склад сонячного вітру

елемент	відносне зміст
H	0,96
3 He
4 He	0,04
O
Ne
Si
Ar
Fe

Іонізації. стан речовини С.в. відповідає тому рівню в короні, де час рекомбінації стає малим в порівнянні з часом розширення, тобто на відстані . Вимірювання іонізації. темп-ри іонів С.в. дозволяють визначати електронну темп-ру сонячної корони.

С.в. забирає з собою в міжпланетну середу корональної магн. поле. Вморожені в плазму силові лінії цього поля утворюють міжпланетне магн. поле (ММП). Хоча напруженість ММП невелика і щільність його енергії становить бл. 1% від кинетич. енергії С.в., воно відіграє велику роль в термодинаміці С.в. і в динаміці взаємодій С.в. з тілами Сонячної системи і потоків С.в. між собою. Комбінація розширення С.в. з обертанням Сонця призводить до того, що магнітне. силові Ліон, вморожені в С.в., мають форму, близьку до спіралям Архімеда (рис. 2). Радіальний і азимутальний компонент магн. поля поблизу площини екліптики змінюються з відстанню:
,
де R - геліоцентріч. відстань, - кутова швидкість обертання Сонця, u R - радіальний компонент швидкості С.в., індекс "0" відповідає вихідного рівня. На відстані орбіти Землі кут між напрямками магн. поля і напрямком на Сонце, на великих геліоцентріч. відстанях ММП майже перпендикулярно до напрямку на Сонце.

С.в., що виникає над областями Сонця з різною орієнтацією магнітного. поля, утворює потоки в різному орієнтованими ММП - т.зв. міжпланетного магнітного поля.

В СВ. спостерігаються різні типи хвиль: ленгмюровских, Вістлер, іоннозвуковие, магнітозвукових, і ін. (див.). Частина хвиль генерується на Сонце, частина збуджується в міжпланетному середовищі. Генерація хвиль згладжує відхилення функції розподілу часток від максвеллівською і призводить до того, що С.В. поводиться як суцільне середовище. Хвилі альвеновская типу відіграють велику роль в прискоренні малих складових С.в. і в формуванні функції розподілу протонів. В СВ. спостерігаються також контактні і обертальні розриви, харатерно для замагніченій плазми.

Потік С.в. явл. надзвуковим по відношенню до швидкості тих типів хвиль, к-які забезпечують ефективну передачу енергії в С.в. (Альвеновские, звукові і магнітозвукових хвилі), альвеновские і звукові числа Маха С.в. на орбіті Землі. При обтреканіі С.в. перешкод, здатних ефективно відхиляти С.В. (Магн. Поля Меркурія, Землі, Юпітера, Стаурна або проводять іоносфери Венери і, очевидно, Марса), утворюється головний відійшла ударна хвиля. С.в. гальмується і розігрівається на фронті ударної хвилі, що дозволяє йому обтікати перешкода. При цьому в С.В. формується порожнина - магнітосфера (власна або індукована), форма і розмір к-рій визначається балансом давлентія магн. поля планети і тиску оточуючого потоку плазми (див.). Шар розігрітій плазми між ударною хвилею і обтічним перешкодою зв. перехідною областю. Темп-ри іонів на фронті ударної хвилі можуть збільшуватися в 10-20 разів, електронів - в 1,5-2 рази. Ударна хвиля явл. , Термалізація потоку до другої забезпечується колективними плазмовими процесами. Товщина фронту ударної хвилі ~ 100 км і визначається швидкістю наростання (магнітозвукових і / або ніжнегібрідной) при взаємодії набігаючого потоку і частини потоку іонів, відбитого від фронту. У разі взаємодії С.в. з непровідним тілом (Місяць) ударна хвиля не виникає: потік плазми поглинається поверхнею, а за тілом утворюється поступово заповнюється плазмою С.В. порожнину.

На стаціонарний процес закінчення плазми корони накладаються нестаціонарні процеси, пов'язані зі. При сильних сонячних спалахах відбувається викид речовини з нижніх областей корони в міжпланетну середу. При цьому також утворюється ударна хвиля (рис. 3), к-раю поступово сповільнюється при русі через плазму С.В. Прихід ударної хвилі до Землі проводить до стиснення магнітосфери, після к-якого зазвичай починається розвиток магн. бурі.

Ур-ня, яке описує розширення сонячної корони, можна отримати з системи ур-ний збереження маси і моменту кількості руху. Рішення цього ур-ня, що описують різний характер зміни швидкості з відстанню, показані на рис. 4. Рішення 1 і 2 відповідають малим швидкостям в підставі корони. Вибір між цими двома рішеннями визначається умовами на нескінченності. Рішення 1 відповідає малим швидкостям розширення корони ( "сонячний бриз", по Дж. Чемберлену, США) і дає більші значення тиску на нескінченності, тобто зустрічається з тими ж труднощами, що й модель статич. корони. Рішення 2 відповідає переходу швидкості розширення через значення швидкості звуку ( v K) На недо-ром критич. відстані R K і подальшого розширення з надзвуковою швидкістю. Це рішення дає зникаюче мале значення тиску на нескінченності, що дозволяє узгодити його з малим тиском міжзоряного середовища. Протягом цього типу Паркер назвав сонячним вітром. Критич. точка знаходиться над поверхнею Сонця, якщо темп-ра корони менше деякого критичного. значення, де m - маса протона, - показник адіабати. На рис. 5 показано зміна швидкості розширення з геліоцентріч. відстанню в залежності від темп-ри изотермич. ізотропної корони. Наступні моделі С.в. враховують варіації корональної темп-ри з відстанню, дворідинної хапрактер середовища (електронний і протонний гази), теплопровідність, в'язкість, несферичних характер розширення. Підхід до речовини С.в. як до суцільному середовищі виправдовується наявністю ММП і колективним характером взаємодії плазми С.в., обумовленим різного типу неустойчивостями. С.в. забезпечує осн. відтік теплової енергії корони, тому що теплопередача в хромосферу, електромагніт. випромінювання сильно іонізованого речовини корони і електронна теплопровідність С.в. недостатні для встановлення тримаючи. балансу корони. Електронна теплопровідність забезпечує повільне спадання темп-ри С.в. з відстанню. С.в. не грає скільки-небудь помітної ролі в енергетиці Сонця в цілому, тому що потік енергії, що буря їм становить ~ 10 -8

Постійний радіальний потік плазми солн. корони в міжпланетний пр-во. Потік енергії, що йде з надр Сонця, нагріває плазму корони до 1,5- 2 млн. К. Пост. нагрів врівноважується втратою енергії за рахунок випромінювання, т. к. корони мала. Надлишкову енергію в значить. ступеня відносять ч-ці С. в. (\u003d 1027-1029 ерг / с). Корона, т. О., Що не знаходиться в гидростатич. рівновазі, вона безперервно розширюється. По складу С. в. не відрізняється від плазми корони (С. в. містить гл. обр. протони, ел-ни, трохи ядер гелію, іонів кисню, кремнію, сірки, заліза). У підстави корони (в 10 тис. Км від фотосфери Сонця) ч-ці мають радіальну порядку сотень м / с, на відстані неск. солн. радіусів вона досягає швидкості звуку в плазмі (100 -150 км / с), у орбіти Землі швидкість протонів становить 300-750 км / с, а їх просторів. - від дек. ч-ц до дек. десятків ч-ц в 1 см3. За допомогою міжпланетних косм. станцій встановлено, що аж до орбіти Сатурна щільність потоку ч-ц С. в. убуває за законом (r0 / r) 2, де r - відстань від Сонця, r0 - вихідний рівень. С. в. забирає з собою петлі силових ліній солн. магн. поля, к-які утворюють міжпланетне магн. . поєднання радіального руху ч-ц С. в. з обертанням Сонця надає цим лініям форму спіралей. Великомасштабна структура магн. поля в околицях Сонця має вигляд секторів, в яких брало поле направлено від Сонця або до нього. Розмір порожнини, зайнятої С. в., Точно ніхто не знає (радіус її, мабуть, не менш 100 а. Е.). У меж цієї порожнини динамічний. С. в. має врівноважуватися тиском міжзоряного газу, галактичного. магн. поля і галактичного. косм. променів. В околицях Землі зіткнення потоку ч-ц С. в. з геомагн. полем породжує стаціонарну ударну хвилю перед земною магнітосферою (з боку Сонця, рис.).

С. в. як би обтікає магнітосферу, обмежуючи її протяжність в пр-ве. Зміни інтенсивності С. в., Пов'язані зі спалахами на Сонці, явл. осн. причиною збурень геомагн. поля і магнітосфери (магн. бурь).

За Сонце втрачає з С. в. \u003d 2X10-14 частину своєї маси Mсолн. Природно вважати, що закінчення в-ва, подібне С. в., Існує і у ін. Зірок ( «»). Він повинен бути особливо інтенсивним у масивних зірок (з масою \u003d дек. Дес. Mсолн) і з високою температурою поверхні (\u003d 30-50 тис. До) і у зірок з протяжної атмосферою (червоних гігантів), т. К. В першому випадку ч-ці сильно розвиненою зоряної корони мають досить високою енергією, щоб подолати тяжіння зірки, а в другому - низька параболіч. швидкість (швидкість ускользания; (див. КОСМИЧЕСКИЕ ШВИДКОСТІ)). Значить. втрати маси із зоряним вітром (\u003d 10-6 Мсолн / рік і більше) можуть істотно впливати на еволюцію зірок. У свою чергу зоряний вітер створює в міжзоряному середовищі «бульбашки» гарячого газу - джерела рентген. випромінювання.

фізичний енциклопедичний словник. - М .: Радянська енциклопедія. . 1983 .

СОНЯЧНИЙ ВІТЕР - безперервний потік плазми сонячного походження, Сонце) в межпланетноепространство. При високих темп-pax, к-які існують в сонячній короні (1,5 * 10 9 К), тиск верхніх шарів не може врівноважити газовий тиск веществакорони, і корона розширюється.

Перші свідчення існування пост. потоку плазми від Сонця отримання. Бірманн (L. Biermann) в 1950-х рр. з аналізу сил, що діють на плазменниехвости комет. У 1957 Ю. Паркер (Е. Parker), аналізуючи умови равновесіявещества корони, показав, що корона не може перебувати в умовах гидростатич. Пор. характеристики С. в. наведені в табл. 1. Потоки С. в. можна разделітьна два класи: повільні - зі швидкістю 300 км / с і швидкі - зі швидкістю 600-700 км / с. Швидкі потоки ісходятіз областей сонячної корони, де структура магн. поля близька до радіальної. корональними дірами. Повільні потокіС. в. пов'язані, мабуть, з областями корони, в яких брало є значить, Табл. 1. - Середні показники сонячного вітру на орбіті Землі

швидкість
концентрація протонів
температура протонів
температура електронів
Напруженість магнітного поля
Щільність потоку пітонів ....	2,4 * 10 8 см -2 * c -1
Щільність потоку кінетичної енергії	0,3 ерг * см -2 * с -1

Табл. 2.- Відносний хімічний склад сонячного вітру

	відносний вміст

	відносний вміст

Крім осн. складових С. \u200b\u200bв.- протонів і електронів, в його составетакже виявлені частинки, Вимірювання іонізації. темп-ри іонів С. в. дозволяють визначати електроннуютемп-ру сонячної корони.

В СВ. спостерігаються разл. типи хвиль: ленгмюровских, Вістлер, іонно-звукові, Хвилі в плазмі). Частьволн альвеновская типу генерується на Сонце, частина - збуджується вмежпланетной середовищі. Генерація хвиль згладжує відхилення ф-ції распределеніячастіц від максвеллівською і в сукупності з впливом магнітного. поля наплазму призводить до того, що С. в. поводиться як суцільне середовище. Волниальвеновского типу відіграють велику роль в прискоренні малих складових С.

Мал. 1. Масовий сонячного вітру. По горизонтальній осі-відношення маси частинки до її заряду, по вертикальній - кількість частинок, зарегістрірованнихв енергетичному вікні приладу за 10 с. Цифри зі значком «+» обозначаютзаряд іона.

Потік С. в. є надзвуковим по відношенню до швидкостей тих тіповволн, к-які забезпечують еф. передачу енергії в С. в. (Альвеновские, звуковиеі). Альвеновская і звукове Маха число С. в. 7. При обтіканні С. в. перешкод, здатних ефективно відхиляти його (магн. поля Меркурія, Землі, Юпітера, Сатурна або проводять іоносфериВенери і, мабуть, Марса), утворюється відійшла головна ударна хвиля. хвилі, що позволяеть обтікати перешкода. При цьому в С. в. формується порожнина - магнітосфера (власна або індукована), форма і розміри к-рій визначаються балансомдавленія магн. поля планети і тиску оточуючого потоку плазми (див. МагнітосфераЗемлі, магнітосфери планет). У разі взаємодії С. в. з непроводящімтелом (напр., Місяць) ударна хвиля не виникає. Потік плазми поглощаетсяповерхностью, а за тілом утворюється порожнина, поступово заповнюється плазмойС. в.

На стаціонарний процес закінчення плазми корони накладаються нестаціонарниепроцесси, пов'язані зі спалахами на Сонці. При сильних вспишкахпроісходіт викид речовини з ниж. областей корони в міжпланетну середу. Магнітниеваріаціі).

Мал. 2. Поширення міжпланетної ударної хвилі і викиду від солнечнойвспишкі. Стрілками показано напрямок руху плазми сонячного вітру,

Мал. 3. Типи рішень рівняння розширення корони. Швидкість і расстояніенорміровани на критичну швидкість v до і критичне расстояніеR к. Рішення 2 відповідає сонячному вітрі.

Розширення сонячної корони описується системою ур-ний збереження маси, v к) на недо-ром критич. відстані R до і последующемурасшіренію з надзвуковою швидкістю. Це рішення дає зникаюче малоезначеніе тиску на нескінченності, що дозволяє узгодити його з малимдавленіем міжзоряного середовища. Протягом цього типу Ю. Паркер назвав С. в. , Де m - маса протона, - показник адіабати, - маса Сонця. На рис. 4 показано зміна швидкості розширення з геліоцентріч. теплопровідність, в'язкість,

Мал. 4. Профілі швидкості сонячного вітру для моделі ізотер »міческойкорони при різних значеннях корональної температури.

С. в. забезпечує осн. відтік теплової енергії корони, т. к. теплопередачав хромосферу, електромагнітного магн. корони і електронна теплопроводностьС. в. недостатні для встановлення теплового балансу корони. Електроннаятеплопроводность забезпечує повільне спадання темп-ри С. в. з відстанню. світності Сонця.

С. в. забирає з собою в міжпланетну середу корональної магн. поле. Вмороженниев плазму силові лінії цього поля утворюють міжпланетне магн. поле (ММП) .Хоча напруженість ММП невелика і щільність його енергії становить ок.1% від щільності кінетичної. енергії С. в., воно відіграє велику роль в термодінамікеС. в. і в динаміці взаємодій С. в. з тілами Сонячної системи, а такжепотоков С. в. між собою. Комбінація розширення С. в. з обертанням Солнцапріводіт до того, що магнітне. силові лінії, вморожені в С. в., мають форму, B R іазімутальная компоненти магн. поля по-різному змінюються з відстанню поблизу плоскостіекліптікі:

де - кут. швидкість обертання Сонця, і - радіальна компонента скоростіС. в., індекс 0 відповідає початковому рівню. На відстані орбіти Земліугол між напрямком магнітного. поля і R близько 45 °. При великих Л магн.

Мал. 5. Форма силової лінії міжпланетного магнітного Поля.- кутова швидкість обертання Сонця, і - радіальна компонента скоростіплазми, R - геліоцентрична відстань.

С. в., Що виникає над областями Сонця з разл. орієнтацією магн. поля, швидкість, темп-pa, концентрація частинок і ін.) також в пор. закономерноізменяются в перетині кожного сектора, що пов'язано з існуванням внутрісектора швидкого потоку С. в. Межі секторів зазвичай розташовуються внутрімедленного потоку С. в. Найчастіше спостерігаються 2 або 4 сектори, вращающіхсявместе з Сонцем. Ця структура, що утворюється при витягуванні С. в. крупномасштабногомагн. поля корони, може спостерігатися протягом дек. обертів Сонця. Секторнаяструктура ММП - наслідок існування токового шару (ТС) в межпланетнойсреде, к-рий обертається разом із Сонцем. ТС створює стрибок магн. поля радіальний ММП мають різні знаки по різні боки ТС. ЕтотТС, передбачений X. Альвеном (Н. Alfven), проходить через ті ділянки солнечнойкорони, к-які пов'язані з активними областями на Сонці, і розділяє указанниеобласті з разл. знаками радіальної компоненти сонячного магнітного. поля. ТСрасполагается приблизно в площині сонячного екватора і має складчатуюструктуру. Обертання Сонця призводить до закручування складок ТЗ в спіралі (рис. 6). Перебуваючи поблизу площини екліптики, спостерігач оказиваетсято вище, то нижче ТС, завдяки чому потрапляє в сектори з різними знакамірадіальной компоненти ММП.

Поблизу Сонця в С. в. існують довготні і широтні градієнти швидкості, бесстолкновітел'нихударних хвиль (рис. 7). Спочатку утворюється ударна хвиля, распространяющаясявперёд від кордону секторів (пряма ударна хвиля), а потім утворюється обратнаяударная хвиля, що розповсюджується до Сонця.

Мал. 6. Форма геліо- сферного токового шару. Перетин його з плоскостьюекліптікі (нахиленої до екватора Сонця під кутом ~ 7 °) дає наблюдаемуюсекторную структуру міжпланетного магнітного поля.

Мал. 7. Структура сектора міжпланетного магнітного поля. Короткіестрелкі показують напрямок сонячного вітру, лінії сострелки - силові лінії магнітного поля, штріхпунктір - кордону сектора (перетин площини малюнка з струмовим шаром).

Т. к. Швидкість ударної хвилі менше швидкості С. в., Увлекаетобратную ударну хвилю в напрямку від Сонця. Ударні хвилі поблизу граніцсекторов утворюються на відстанях ~ 1 а. е. і простежуються до расстоянійв дек. а. е. Ці ударні хвилі, так само як і міжпланетні ударні волниот спалахів на Сонці та навколопланетного ударні хвилі, прискорюють частинки іє, т. о., джерелом енергійних частинок.

С. в. простягається до відстаней ~ 100 а. е., де тиск межзвёзднойсреди врівноважує динамічний. тиск С. в. Порожнина, замітає С. в. Міжпланетне середовище). РасшіряющійсяС. в. разом з вморожених в нього магн. полем перешкоджає пронікновеніюв Сонячну систему галактичного. космич. променів малих енергій і приводить кваріаціям космич. променів високих енергій. Явище, аналогічне С. в., Обнаруженоі у деяких ін. Зірок (див. Зоряний вітер).

Літ .: Паркер Е. Н., Динамічні в міжпланетному середовищі, О. Л. Вайсберг.

Фізична енциклопедія. У 5-ти томах. - М .: Радянська енциклопедія. Головний редактор А. М. Прохоров. 1988 .

Дивитися що таке "СОНЯЧНИЙ ВІТЕР" в інших словниках:

СОНЯЧНИЙ ВІТЕР, потік плазми сонячної корони, що заповнює Сонячну систему до відстані 100 астрономічних одиниць від Сонця, де тиск міжзоряного середовища врівноважує динамічний тиск потоку. Основний склад протони, електрони, ядра ... сучасна енциклопедія

СОНЯЧНИЙ ВІТЕР, стійкий потік заряджених частинок (головним чином, протонів і електронів), що розганяється високою температурою сонячної КОРОНИ до швидкостей, досить великих, щоб частинки подолали тяжіння Сонця. Сонячний вітер відхиляє ... Науково-технічний енциклопедичний словник

Атмосфера Сонця на 90% складається з водню. Найвіддаленіша від поверхні її частина називається короною Сонця, вона чітко видна при повних сонячних затемнення. Температура корони досягає 1,5-2 млн. К, і газ корони повністю іонізований. При такій температурі плазми теплова швидкість протонів близько 100 км / с, а електронів - кілька тисяч кілометрів на секунду. Для подолання сонячного тяжіння достатня початкова швидкість 618 км / с, друга космічна швидкість Сонця. Тому постійно відбувається витік плазми з сонячної корони в космос. Цей потік протонів і електронів і називається сонячним вітром.

Подолавши тяжіння Сонця, частинки сонячного вітру летять за прямими траєкторіях. Швидкість кожної частинки з видаленням майже не змінюється, але буває вона різною. Ця швидкість залежить головним чином від стану сонячної поверхні, від «погоди» на Сонце. В середньому вона дорівнює v ≈ 470 км / с. Відстань до Землі сонячний вітер проходить за 3-4 доби. При цьому щільність частинок в ньому зменшується обернено пропорційно квадрату відстані до Сонця. На відстані, рівному радіусу земної орбіти, в 1 см 3 в середньому знаходиться 4 протона і 4 електрона.

Сонячний вітер зменшує масу нашої зірки - Сонця - на 10 9 кг в секунду. Хоча це число за земними масштабами і здається великим, реально воно мало: спад сонячної маси може бути помічена тільки за часи, в тисячі разів перевищують сучасний вік Сонця, який дорівнює приблизно 5 млрд. Років.

Цікаво і незвично взаємодія сонячного вітру з магнітним полем. Відомо, що заряджені частинки зазвичай рухаються в магнітному полі Н по колу або по гвинтових лініях. Це вірно, однак, тільки коли магнітне поле досить сильне. Точніше кажучи, для руху заряджених частинок по колу потрібно, щоб щільність енергії магнітного поля H 2 / 8π була більше, ніж щільність кінетичної енергії рухомої плазми ρv 2/2. У сонячному вітрі ситуація зворотна: магнітне поле слабке. Тому заряджені частинки рухаються по прямих, а магнітне поле при цьому не завжди, воно переміщається разом з потоком частинок, як би несеться цим потоком на периферію Сонячної системи. Напрямок магнітного поля у всьому міжпланетному просторі залишається таким, яким воно було на поверхні Сонця в момент виходу плазми сонячного вітру.

Магнітне поле при обході вздовж екватора Сонця, як правило, змінює свій напрямок 4 рази. Сонце обертається: точки на екваторі здійснюють оборот за Т \u003d 27 діб. Тому міжпланетне магнітне поле направлено по спіралях (див. Рис.), А вся картина цього малюнка обертається услід за обертанням сонячної поверхні. Кут повороту Сонця змінюється, як φ \u003d 2π / Т. Відстань від Сонця збільшується зі швидкістю сонячного вітру: г \u003d vt. Звідси рівняння спіралей на рис. має вигляд: φ \u003d 2πr / vT. На відстані земної орбіти (r \u003d 1,5 10 11 м) кут нахилу магнітного поля до радіусу-вектору становить, як легко перевірити, 50 °. В середньому такий кут і вимірюється космічними кораблями, Але не зовсім близько від Землі. Поблизу ж планет магнітне поле влаштовано інакше (див. Магнітосфера).

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 геліоцентричний відстаней близько 100 а.о. С.в.образуется при газодинамічному розширенні сонячної корони в міжпланетний простір.

Середні показники Сонячного вітру на орбіті Землі: швидкість 400 км / с, щільність протонів - 6 на 1, температура протонів 50 000 К, температура електронів 150000 К, напруженість магнітного поля 5 · Ерстед. Потоки Сонячного вітру можна розділити на два класи: повільні - зі швидкістю близько 300 км / с і швидкі - зі швидкістю 600-700 км / с. Сонячний вітер виникає над областями Сонця з різною орієнтацією магнітного поля, утворює потоки з різне орієнтованим міжпланетним магнітним полем - так звану секторну структуру міжпланетного магнітного поля.

Міжпланетна секторна структура - це поділ спостерігається великомасштабної структури Сонячного вітру на парне число секторів з різним напрямком радіального компонента міжпланетного магнітного поля.

Характеристики Сонячного вітру (швидкість, температура, концентрація частинок і ін.) Також в середньому закономірно змінюються в перетині кожного сектора, що пов'язано з існуванням всередині сектора швидкого потоку Сонячного вітру. Межі секторів зазвичай розташовуються всередині повільного потоку Сонячного вітру Найчастіше спостерігаються два або чотири сектори, що обертаються разом з Сонцем. Ця структура, що утворюється при витягуванні Сонячного вітру великомасштабного магнітного поля корони, може спостерігатися протягом декількох обертів Сонця. Секторная структура є наслідком існування струмового шару в міжпланетному середовищі, який обертається разом із Сонцем. Токовий шар створює стрибок магнітного поля: вище шару радіальний компонент міжпланетного магнітного поля має один знак, нижче - інший. Токовий шар розташовується приблизно в площині сонячного екватора і має складчасту структуру. Обертання Сонця призводить до закручування складок токового шару в спіралі (так званий "ефект балерини"). Перебуваючи поблизу площини екліптики спостерігач виявляється то вище, то нижче токового 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 проводять іоносфери Венери і, очевидно, Марса), утворюється головний відійшла ударна хвиля. Сонячний вітер гальмується і розігрівається на фронті ударної хвилі, що дозволяє йому обтікати перешкода. При цьому в Сонячному вітрі формується порожнина - магнітосфера, форма і розмір якої визначаються балансом тиску магнітного поля планети і тиску оточуючого 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 поступово заповнюється плазмою Сонячного вітру порожнину.

На стаціонарний процес закінчення плазми корони накладаються нестаціонарні процеси, пов'язані зі спалахами на Сонці. При сильних сонячних спалахах відбувається викид речовини з нижніх областей корони в міжпланетну середу. При цьому також утворюється ударна хвиля, яка поступово сповільнюється при русі 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.е., де тиск міжзоряного середовища врівноважує динамічний тиск Сонячного вітру. Порожнина, замітає Сонячним вітром в міжзоряному середовищі, утворює гелиосферу. Сонячний вітер разом з вморожених в нього магнітним полем перешкоджає проникненню в Сонячну систему галактичних космічних променів малих енергій і приводить до варіацій космічних променів високих енергій.

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

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

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

Сонячний вітер розтягує і забирає з собою сонячне магнітне поле.

Це відбувається тому, що енергія спрямованого руху плазми у зовнішній короні більше, ніж енергія магнітного поля, і принцип вмороженності захоплює поле за плазмою. Комбінація такого радіального закінчення з 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 і всі інші планети фактично знаходяться в короні Сонця, відчуваючи вплив не тільки електромагнітного випромінювання, але ще і сонячного вітру і сонячного магнітного поля.

У період мінімуму активності конфігурація сонячного магнітного поля близька до дипольної і схожа на форму магнітного поля Землі. При наближенні до максимуму активності структура магнітного поля по не цілком зрозумілих причин ускладнюється. Одна з найбільш красивих гіпотез свідчить, що при обертанні Сонця магнітне поле як би навивається на нього, поступово занурюючись під фотосфери. Згодом, протягом якраз сонячного циклу, магнітний потік, накопичений під поверхнею, стає таким великим, що джгути силових ліній починають виштовхувати назовні.

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

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

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

Однак вже перші виміри, виконані на борту космічних апаратів, показали, що найбільш помітним ефектом спалахів виявляється значне (до сотень разів) збільшення потоку сонячного рентгенівського випромінювання і енергійних заряджених частинок - сонячних космічних променів.

Під час деяких спалахів відбуваються також викиди значної кількості плазми і магнітного поля в сонячний вітер - так званих магнітних хмар, які починають швидко розширюватися в міжпланетний простір, зберігаючи форму магнітної петлі з кінцями, котрі спиралися б на Сонце.

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

Незважаючи на те, що під час великої спалаху може виділитися до 1025 джоулів енергії, загальне збільшення потоку енергії в сонячний максимум невелика і складає всього 0,1-0,2%.

В.Б.Баранов, Московський державний університет ім. М.В. Ломоносова

У статті розглядається проблема надзвукового розширення сонячної корони (сонячний вітер). Аналізуються чотири головні проблеми: 1) причини закінчення плазми із сонячної корони; 2) однорідно чи таке витікання; 3) зміна параметрів сонячного вітру з віддаленням від Сонця і 4) як сонячний вітер закінчується в міжзоряне середовище.

Вступ

Минуло майже 40 років з тих пір, як американський фізик Е. Паркер теоретично пророчив явище, яке отримало назву "сонячний вітер" і яке через пару років було підтверджено експериментально групою радянського вченого К. Грінгауза за допомогою приладів, встановлених на космічних апаратах "Місяць- 2 "і" Луна-3 ". Сонячний вітер є потоком повністю іонізованої водневої плазми, тобто газу, що складається з електронів і протонів приблизно однакової щільності (умоваквазінейтральності), який з великою надзвуковою швидкістю рухається від Сонця. На орбіті Землі (на одній астрономічній одиниці (а.о.) від Сонця) швидкість VE цього потоку дорівнює приблизно 400-500 км / с, концентрація протонів (або електронів) ne \u003d 10-20 частинок в кубічному сантиметрі, а їх температура Te дорівнює приблизно 100 000 К (температура електронів трохи вище).

Крім електронів і протонів в міжпланетному просторі були виявлені альфа-частинки (порядку декількох відсотків), невелика кількість більш важких частинок, а також магнітне поле, середня величина індукції якого виявилася на орбіті Землі порядку декількох гам (1

\u003d 10 5 Гс).

Трохи історії, пов'язаної з теоретичним прогнозом сонячного вітру

Протягом не такі вже й тривалої історії теоретичної астрофізики вважалося, що всі атмосфери зірок знаходяться в гідростатичному рівновазі, тобто в стані, коли сила гравітаційного тяжіння зірки врівноважується силою, пов'язаної з градієнтом тиску в її атмосфері (зі зміною тиску на одиницю відстані r від центру зірки). Математично це рівновага виражається у вигляді звичайного диференціального рівняння

(1)

де G - гравітаційна стала, M * - маса зірки, р - тиск атмосферного газу,

- його масова щільність. Якщо розподіл температури T в атмосфері задано, то з рівняння рівноваги (1) і рівняння стану для ідеального газу

(2)

де R - газова постійна, легко виходить так звана барометрична формула, яка в окремому випадку постійної температури Т матиме вигляд

(3)

У формулі (3) величина p0 є тиск біля основи атмосфери зірки (при r \u003d r0). З цієї формули видно, що при r

, Тобто на дуже великих відстанях від зірки тиск p прагне до кінцевого межі, який залежить від значення тиску p0.

Оскільки вважалося, що сонячна атмосфера, так само як і атмосфери інших зірок, знаходиться в стані гідростатичної рівноваги, то її стан визначалося формулами, аналогічними формулами (1), (2), (3). З огляду на незвичайне і до кінця ще незрозуміле явище різкого зростання температури приблизно від 10 000 градусів на поверхні Сонця до 1 000 000 градусів в сонячній короні, Чепмен (див., Наприклад,) розвинув теорію статичної сонячної корони, яка повинна була плавно переходити в міжзоряне середовище , навколишнє Сонячну систему.

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

(4)

де в системі координат, пов'язаної з Сонцем, величина V являє собою радіальну швидкість руху плазми. під

мається на увазі маса Сонця.

При заданому розподілі температури Т система рівнянь (2) і (4) має рішення типу представлених на рис. 1. На цьому малюнку через a позначена швидкість звуку, а r * - відстань від початку координат, на якому швидкість газу дорівнює швидкості звуку (V \u003d a). Очевидно, що тільки криві 1 і 2 на рис. 1 мають фізичний зміст для проблеми витікання газу з Сонця, оскільки криві 3 і 4 мають неєдиним значення швидкості в кожній точці, а криві 5 і 6 відповідають дуже великих швидкостей в сонячній атмосфері, що не спостерігається в телескопи. Паркер проаналізував умови, при яких в природі здійснюється рішення, відповідне кривої 1. Він показав, що для узгодження тиску, що отримується з такого рішення, з тиском в міжзоряному середовищі найбільш реальний випадок переходу газу від дозвукового течії (при r< r*) к сверхзвуковому (при r > r *), і назвав такий перебіг сонячним вітром. Однак це твердження було оскаржено в роботі Чемберленом, який вважав найбільш реальним рішення, відповідне кривої 2, яка описує всюди дозвуковій "сонячний бриз". При цьому перші експерименти на космічних апаратах (див., Наприклад,), які виявили надзвукові потоки газу від Сонця, що не здавалися, судячи з літератури, Чемберлену досить достовірними.

Мал. 1. Можливі рішення одновимірних рівнянь газової динаміки для швидкості V течії газу від поверхні Сонця в присутності сили гравітації. Крива 1 відповідає рішенню для сонячного вітру. Тут a - швидкість звуку, r - відстань від Сонця, r * - відстань, на якому швидкість газу дорівнює швидкості звуку, - радіус Сонця.

Історія експериментів в космічному просторі блискуче довела правильність уявлень Паркера про сонячному вітрі. Докладний матеріал про теорії сонячного вітру можна знайти, наприклад, в монографії.

Уявлення про однорідний закінчення плазми із сонячної корони

З одновимірних рівнянь газової динаміки можна отримати відомий результат: При відсутності масових сил сферично-симетричне протягом газу від точкового джерела може бути всюди або дозвуковим, або надзвуковим. Присутність в 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 класичним перебігом в соплі Лаваля, яке представляє собою основу всіх надзвукових реактивних двигунів. Схематично це протягом показано на рис. 2.

Мал. 2. Схема течії в соплі Лаваля: 1 - бак, званий ресивером, в який з малою швидкістю подається дуже гаряче повітря, 2 - область геометричного підтискання каналу з метою прискорення дозвукового потоку газу, 3 - область геометричного розширення каналу з метою прискорення надзвукового потоку.

У бак 1, званий ресивером, з дуже малою швидкістю подається газ, нагріте до дуже високої температури (внутрішня енергія газу багато більше його кінетичної енергії направленого руху). Шляхом геометричного підтискання каналу газ прискорюється в області 2 (дозвуковое протягом) до тих пір, поки його швидкість не досягне швидкості звуку. Для подальшого його прискорення необхідно канал розширювати (область 3 надзвукового течії). У всій області течії прискорення газу відбувається за рахунок його адіабатичне (без підведення тепла) охолодження (внутрішня енергія хаотичного руху переходить в енергію спрямованого руху).

У розглянутої проблеми освіти сонячного вітру роль ресивера грає сонячна корона, а роль стінок сопла Лаваля - гравітаційна сила сонячного тяжіння. Відповідно до теорії Паркера, перехід через швидкість звуку повинен відбуватися десь на відстані в кілька сонячних радіусів. Однак аналіз одержуваних в теорії рішень показав, що температури сонячної корони недостатньо, щоб її газ міг прискоритися до надзвукових швидкостей, як це має місце в теорії сопла Лаваля. Повинен існувати якийсь додаткове джерело енергії. Таким джерелом в даний час вважається дисипації завжди присутніх в сонячному вітрі хвильових рухів (іноді їх називають плазмової турбулентністю), що накладаються на середню течію, а саме протягом вже не є адіабатичним. Кількісний аналіз таких процесів ще вимагає свого дослідження.

Цікаво, що наземні телескопи виявляють на поверхні Сонця магнітні поля. Середня величина їх магнітної індукції В оцінюється в 1 Гс, хоча в окремих фотосферних утвореннях, наприклад в плямах, магнітне поле може бути на порядки величини більше. Оскільки плазма є хорошим провідником електрики, то природно, що сонячні магнітні поля взаємодіють з її потоками від Сонця. В цьому випадку чисто газодинамическая теорія дає неповне опис даного явища. Вплив магнітного поля на перебіг сонячного вітру можна розглянути тільки в рамках науки, яка називається магнітною гидродинамикой. До яких результатів приводять такі розгляду? Згідно піонерської в цьому напрямку роботі (див. Також), магнітне поле призводить до появи електричних струмів j в плазмі сонячного вітру, що, в свою чергу, призводить до появи пондеромоторних сили j x B, яка спрямована в перпендикулярному до радіального напрямку. В результаті у сонячного вітру з'являється тангенціальна компонента швидкості. Ця компонента майже на два порядки менше радіальної, проте вона відіграє істотну роль у винесенні з Сонця моменту кількості руху. Припускають, що остання обставина може відігравати суттєву роль в еволюції не тільки Сонця, а й інших зірок, у яких виявлений "зоряний вітер". Зокрема, для пояснення різкого зменшення кутової швидкості зірок пізнього спектрального класу часто залучається гіпотеза про передачу обертального моменту утворюється навколо них планет. Розглянутий механізм втрати кутового моменту Сонця шляхом виділення з нього плазми відкриває можливість перегляду цієї гіпотези.