Новости о солнечном ветре
Г.Н.Застенкер
Солнечный ветер, постоянно существующий в межпланетной среде поток плазмы из короны Солнца, весьма изменчив во времени и очень важен по своему значению — это один из основных агентов, переносящих к Земле многие возмущения, которые возникают на Солнце. Он служит объектом систематического изучения уже более полувека, однако до сих пор в этой теме можно найти много нового и интересного.
В ИКИ РАН первые измерения характеристик солнечного ветра были выполнены «по дороге» на нескольких советских планетных миссиях, направлявшихся к Венере и Марсу. Регулярными такие эксперименты стали начиная с 1972 г. — с запуска высокоэллиптических спутников серии «Прогноз», имевших апогей орбиты на расстоянии от Земли более 170—200 тыс. км. Что же важного мы смогли узнать о предмете?
Портрет явления
К началу наших систематических исследований солнечного ветра уже были известны некоторые результаты подобных измерений, полученных на американском аппарате «Mariner-2» в 1962 г. Однако нам «повезло»: наши эксперименты 1972 г. столкнулись с экстремальными, ранее не наблюдавшимися условиями в межпланетной среде. Но прежде всего надо напомнить, о каких, собственно, условиях пойдет речь.
© Застенкер Г.Н., 2015
Георгий Наумович Застенкер, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории экспериментального исследования солнечного ветра ИКИ РАН. Область научных интересов — физика космической плазмы и солнечно-земные связи.
Поток солнечного ветра состоит из электронов, протонов и двукратно ионизованных ионов гелия (альфа-частиц); примесь ионов более тяжелых элементов совсем невелика (на уровне 0.01% и менее).
Состояние плазмы описывается целым набором параметров: плотностью (обычно это 1—20 част./см3), переносной скоростью (как правило, она лежит в пределах 300—600 км/с), температурой (в энергетических единицах она составляет 1—10 эВ для ионов и в три-четыре раза больше для электронов). В ней могут возбуждаться разного вида волны — звуковые и сверхзвуковые (в частности, ударные волны, взаимодействие которых с магнитосферой Земли становится причиной различных возмущений). Надо еще подчеркнуть, что плазма солнечного ветра несет с собой межпланетное магнитное поле (как остаток солнечного поля).
Чтобы зарегистрировать необходимый объем физической информации, спутник должен быть снабжен разнообразным оборудованием. Например, в комплекс научных приборов спутника «Про-гноз-10-Интеркосмос» (рис.1) входили:
— плазменный спектрометр с быстрым анализом энергетических спектров и угловых распределений протонов, альфа-частиц и электронов;
— анализатор низкочастотных (от 0.5 Гц до 30 кГц) колебаний электрического и магнитного полей и потока ионов плазмы с обработкой спектров на борту;
— трехкомпонентный магнитометр;
— комплекс приборов для измерения потоков, энергетических спектров и анизотропии ускоренных ионов и электронов в диапазоне энергий от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт;
— рентгеновский фотометр для измерения всплесков солнечного излучения;
Рис.1. Спутник «Прогноз-10-Интеркосмос» с установленной на нем аппаратурой проекта «Интершок» (она видна вместе с солнечными батареями на верхней плоскости спутника).
— анализатор километрового радиоизлучения Солнца;
— бортовая вычислительная машина с большой кольцевой памятью для организации быстрых измерений при пересечении спутником резких границ (например, ударной волны).
Пример экстремальной ситуации
Но вернемся в 1972 г. Волею случая в августе на Солнце произошли последовательно четыре экстремальные вспышки, составлявшие в баллах от двух до четырех (две вспышки 2 августа, затем по одной 4 августа и 7 августа) и давшие начало сильным межпланетным ударным волнам (МУВ), которые достигли орбиты Земли 4 и 8 августа [1].
Эти межпланетные ударные волны (и параметры плазмы солнечного ветра после их прохождения) были успешно зарегистрированы аппаратурой отечественных высокоапогейных спутников «Прогноз» и «Прогноз-2» [1, 2], запущенных как раз в 1972 г., а также американских космических аппаратов «Рюпеег-9» и «Рюпеег-10». Что же показали измерения?
Прежде всего отметим заметные различия в средней скорости движения этих ударных волн. Если для первой эта скорость составляла около
900 км/с, а для второй и четвертой--1300 км/с,
то для третьей она достигла 2900 км/с (это, по-видимому, связано с тем, что данная МУВ двигалась по межпланетной среде, плотность которой заметно снизилась после пробегания первой и второй МУВ).
На рис.2 представлена картина изменения переносной скорости, температуры и плотности ионов солнечного ветра в виде среднечасовых значений этих параметров для периода 4—12 ав-
густа 1972 г. Обращают на себя внимание экстремальные значения параметров ветра:
— увеличение плотности до 150 см-3 вскоре после прихода ударных волн от первой и второй вспышек;
— возрастание температуры ионов выше 106 К на очень узком интервале времени после прихода ударной волны от третьей вспышки;
— рост переносной скорости ветра выше 1700 км/с (это среднечасовое значение, а на отдельных временных интервалах в течение этих четырех часов она достигала почти 2000 км/с — величины, никогда ранее не наблюдавшейся) также после прихода ударной волны от третьей вспышки.
Анализ полученных данных говорит о довольно сложной детальной структуре вспышечного потока плазмы (включающей в себя ударный слой, «магнитную» область, плазменный поршень с обратной ударной волной и хвостовую часть потока) и о своеобразии его энергетических характеристик [1, 2]. По нашим измерениям были сделаны оценки энергии и массы, переносимых за ударными волнами. Для энергии были получены значения (3—26) 1032 эрг (минимальное для четвертой, а максимальное для суммы волн от первой и второй вспышек), а для массы, соответственно, (4—б0)-1016 г. Эти оценки значительно превосходили максимальные значения для всех прежних наблюдений.
Таким образом, сильные солнечные вспышки в августе 1972 г. отметились рекордными значениями параметров солнечного ветра, превышающими и наблюдавшиеся ранее, и зарегистрированные позднее, вплоть до настоящего времени.
Рис.2. Среднечасовые значения параметров солнечного ветра (сверху вниз: скорость, температура, концентрация) в период 4—12 августа 1972 г. по данным спутников «Прогноз» и «Прогноз-2». Стрелками вверху отмечены моменты прихода межпланетных ударных волн от четырех сильных солнечных вспышек.
Ударные волны на границе магнитосферы
После успешно проведенного изучения событий в солнечном ветре, связанных с экстремальными солнечными вспышками, сотрудники ИКИ РАН и их чехословацкие коллеги подготовили и осуществили большой совместный проект «Интер-шок». Он был нацелен на исследование тонкой структуры околоземной ударной волны, образующейся при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли (так называемом «набегании»). Методически эту задачу было решить нелегко, так как требовалось детально измерить как можно большее количество физических параметров плазмы, магнитного поля и энергичных частиц при весьма быстром (за несколько минут или даже за доли минуты) пересечении спутником фронта околоземной ударной волны. Предпринятые усилия помогли справиться с трудностями, и проект «Интершок» был успешно осуществлен сначала в виде подготовительных экспериментов на спутнике «Прогноз-8» (1981), а затем и в полноразмерном качестве на уже упоминавшемся спутнике «Прогноз-10-Интеркосмос» (1985) [3].
Плазменный комплекс этой аппаратуры с помощью широкого набора электростатических анализаторов позволял измерять с высокими временным, энергетическим и угловым разрешениями различные сечения функции распределения ионов по скоростям. Так, на рис.3 показано, какие динамические спектрограммы потока ионов солнечного ветра зарегистрировали три разнонаправленных анализатора, когда спутник пересек околоземную ударную волну. Здесь степень почернения линий пропорциональна плотности потока ионов, и весь интервал графика занимает примерно одну минуту. Показаны энергетические спектры потока протонов, а над ними — спектры
Рис.3. Энергоспектрограммы показаний трех разнонаправленных анализаторов потоков ионов при пересечении околоземной ударной волны (около 16:21:30 UT). Степень почернения линий пропорциональна величине потока.
Рис.4. Энергетические спектры потока ионов, наблюдаемые в разных направлениях сразу же за фронтом ударной волны.
альфа-частиц. Фронт ударной волны пересекается примерно в 16:21:30 ОТ. Видны торможение потока ионов перед фронтом и дискретные пучки ионов в широкой области энергий сразу за фронтом. Это необычное явление — разбиение функции распределения при прохождении фронта на отдельные пучки — было обнаружено впервые именно в данном эксперименте. При дальнейшем продвижении потока ионов по магнитослою функция распределения через 40—50 с сглаживается, и наблюдается более-менее гладкое ее ядро. Пространственная картина потока плазмы также полностью меняется. Пример наблюдения энергетических спектров ионов в семи различных направлениях (т.е. семью разнонаправленными анализаторами) сразу же за фронтом ударной волны приведен на рис.4. Здесь проявляется весьма сложная картина многопиковых энергетических спектров, различных в разных направлениях и существенно отличающихся от типичного двухпи-кового (протоны и альфа-частицы) спектра невозмущенного солнечного ветра.
По данным плазменных измерений и детектирования вариаций магнитного поля в структуре околоземной ударной волны можно выделить следующую последовательность областей (двигаясь со стороны солнечного ветра):
— область развития сравнительно высокочастотных колебаний потока плазмы и магнитного поля;
— более протяженная область низкочастотных колебаний плазмы и поля, в которой происходит постепенный разогрев электронной компоненты, возрастание магнитного поля и (в конце области) резкий и большой поворот потока ионов;
— узкий (порядка 1 с) участок резкого скачка магнитного поля («рамп»), где функция распреде-
ления ионов разбивается на отдельные пучки или сгустки во всем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.