научная статья по теме О ВОЗМОЖНОМ ПЕРЕСЕЧЕНИИ СТАЦИОНАРНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ “ВОЯДЖЕР-1” Астрономия

Текст научной статьи на тему «О ВОЗМОЖНОМ ПЕРЕСЕЧЕНИИ СТАЦИОНАРНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ “ВОЯДЖЕР-1”»

УДК 52,3.62-726

О ВОЗМОЖНОМ ПЕРЕСЕЧЕНИИ СТАЦИОНАРНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ

"ВОЯДЖЕР-1"

© 2004 г. В. Б. Баранов1*, Е. А. Пушкарь2

1 Институт проблем механики РАН, Москва 2Московский государственный индустриальный университет Поступила в редакцию 29.07.2003 г.

Решение классической проблемы двумерного магнитогидродинамического (МГД) взаимодействия двух ударных волн (угол между взаимодействующими волнами и наклон магнитного поля произвольны), полученное Пушкарем (1995), применяется к проблеме взаимодействия межпланетных ударных волн с ударной волной торможения солнечного ветра. В качестве стационарного фона, на котором происходит рассматриваемое физическое явление, используется самосогласованная кинетико-газодинамическая модель взаимодействия солнечного ветра со сверхзвуковым потоком трехкомпонентной (электроны, протоны и атомы водорода) межзвездной среды, разработанная для осесимметричного, стационарного случая Барановым и Маламой (1993). Основным физическим процессом в этой модели является процесс резонансной перезарядки протонов и водородных атомов. Настоящая работа является естественным продолжением работ Баранова и др. (1996а, б). Однако, если в этих работах основное внимание уделялось взаимодействию TS c "вперед идущей" межпланетной ударной волной (в английской терминологии forward shock), движущейся от Солнца, то в настоящей работе рассматривается взаимодействие TS с "обратно идущей" межпланетной ударной волной (в английской терминологии reverse shock или, сокращенно, RS), движущейся к Солнцу со скоростью, меньшей скорости солнечного ветра. Показано, что в результате взаимодействия TS с RS может образоваться новая TS', которая движется в сторону Солнца, т.е. навстречу космическим аппаратам "Вояджер-1" и "Вояджер-2". Это явление может быть причиной неожиданного заключения некоторых ученых, что аппарат "Вояджер-1" еще в прошлом году пересек TS. Такой вывод был сделан на основе интерпретации результатов измерений интенсивности, энергетических спектров и угловых распределений ионов в диапазоне энергий от 10 кэВ до 40 МэВ, полученных на этом аппарате. Результаты, полученные в настоящей работе, показывают, что "Вояджер-1" вполне мог пересечь TS', а не стационарную TS.

Ключевые слова: межпланетная среда, ударные волны, гелиосфера, межпланетное магнитное поле.

POSSIBLE CROSSING OF THE TERMINATION SHOCK IN THE SOLAR WIND BY VOYAGER-1 SPACECRAFT, by V. B. Baranov and E. A. Pushkaf. The solution of the classical problem of two-dimensional magnetohydrodynamic (MHD) interaction between two shocks (the angle between the interacting shocks and the slope of the magnetic field are arbitrary) obtained by Pushkar' (1995) is used for solving the problem of interaction between interplanetary shocks and the solar-wind termination shock (TS). The self-consistent kinetic—gasdynamic model interaction of the solar-wind with a supersonic flow of a three-component (electrons, protons, and hydrogen atoms) interstellar medium developed for the axisymmetric steady-state case by Baranov and Malama (1993) is used as the stationary background against which the physical phenomenon under consideration takes place. In this model the physical process is the resonant charge exchange between protons and hydrogen atoms. This paper is a natural continuation of the papers by Baranov et al. (1996a, 1996b). However, whereas attention in these papers was focused on the TS interaction with a forward shock traveling away from the Sun, here we consider the TS interaction with a reverse interplanetary shock (RS) traveling toward the Sun with a velocity lower than the solar-wind velocity We show that the TS—RS interaction can give rise to formation of a new TS' moving toward the Sun, i.e., toward Voyager 1 and Voyager 2. This phenomenon could lead to an unexpected suggestion advanced by some scientists that Voyager 1 has already crossed TS in the past year. This conclusion was

Электронный адрес:Ъагапоу@1ртпе-Ь.ги

drawn from an interpretation of the intensity, energy spectra, and angular distributions of ions in the energy range from 10 keV to 40 MeV measured from this spacecraft. Our results show that Voyager 1 could cross TS' rather than TS.

Key words: interplanetary medium, shocks, heliosphere, interplanetary magnetic field.

ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие солнечного ветра с потоком газа локальной межзвездной среды (ЛМС) приводит, в частности, к образованию стационарной ударной волны в потоке плазмы солнечного ветра. Через эту ударную волну, которую в дальнейшем будем называть кратко TS (от ее английского названия Termination Shock), осуществляется переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой. Согласно теоретическим моделям (см., например, недавний обзор Баранова, 2002), гелиоцентрическое расстояние до TS в головной части гелиосферы (со стороны набегающего потока ЛМС) оценивалось от 80 до 100 а.е., хотя это расстояние в сильной степени зависит от концентрации протонов в ЛМС, которая недостаточно хорошо известна.

Естественно, что внимание научной общественности, занимающейся проблемами строения ге-лиосферы, приковано к космическому аппарату "Вояджер-1", который, во-первых, в настоящее время находится на наибольшем гелиоцентрическом расстоянии (около 88 а.е.) по сравнению с другими аппаратами ("Вояджер-2" и "Пионер-11") и, во-вторых, движется в сторону набегающего потока ЛМС. Поэтому вопрос о времени пересечения этим аппаратом ударной волны TS становится особенно актуальным.

До настоящего времени экспериментальные данные, полученные с аппарата "Вояджер-1", не давали основания считать, что он пересек TS. Оценки его траектории и последние теоретические предсказания, основанные на уточненных данных по значениям параметров в локальной межзвездной среде, приводили к выводу, что пересечение произойдет в 2004 или 2005 гг. Однако на международной конференции Европейского геофизического общества в г. Ницце во Франции (апрель 2003 г.) в докладах Деккера и др. (2003а) и Кримигиса и др. (2003) были представлены результаты измерений при помощи приборов LECP (Low Energetic Charged Particles), установленных на аппаратах "Вояджер-1" и "Вояджер-2", интенсивности, энергетических спектров и угловых распределений ионов в диапазоне энергий от 10 кэВ до 40 МэВ. Эти результаты были получены с середины 2002 г. до начала 2003 г., когда "Вояджер-1 " находился на гелиоцентрическом расстоянии 85—88 а.е. (при 34° северной гелиографической широты), а "Вояджер-2" — на расстоянии 67— 70 а.е. (при 24° южной гелиографической широты).

Оказалось, что, начиная с середины 2002 г., аппаратом "Вояджер-1" было обнаружено резкое увеличение интенсивности ионов в этом диапазоне энергий, которое оставалось на высоком уровне в течение шести месяцев. Этот эффект не был обнаружен на аппарате "Вояджер-2", который находился на существенно меньшем гелиоцентрическом расстоянии.

Неожиданно на вышеупомянутой конференции был поднят вопрос о том, что увеличение интенсивности ионов рассматриваемых энергий может быть связано с пересечением TS аппаратом "Вояджер-1" (Измоденов, 2003), поскольку интерпретация таких измерений на основе эффекта Комптона—Геттинга приводит к выводу об уменьшении скорости солнечного ветра до 100 км/с, что в работе Деккера и др. (2003б) связывалось с пересечением TS. Поскольку на этом аппарате не работали плазменные приборы, то решающими были бы данные прибора, регистрирующего магнитные поля на расстояниях от 85 до 88 а.е. К сожалению, такие данные еще не были подробно представлены в литературе.

Настоящая работа посвящена исследованию одной из возможностей движения TS навстречу движущимся от Солнца космическим аппаратам, которая связана с ее взаимодействием с сильными разрывами (тангенциальными, альвеновски-ми, ударными волнами), распространяющимися в межпланетной среде вследствие нестационарных процессов на Солнце. При этом, естественно, во-первых, ускорится встреча "Вояджеров" с TS и, во-вторых, параметры за образовавшейся в результате такого взаимодействия новой TS' будут отличаться от параметров за стационарной TS (см., например, Баранов, 2002). В отличие от наших предыдущих работ (Баранов и др., 1996а, б), где рассматривалось взаимодействие с TS межпланетных ударных волн, движущихся относительно системы координат, связанной с солнечным ветром, от Солнца (так называемые "вперед идущие" ударные волны или, в английском обозначении, forward shock), здесь мы рассматриваем взаимодействие с TS "обратно идущих" ударных волн (или reverse shock), движущихся к Солнцу в системе координат, связанной с солнечным ветром. Также как и в работах Баранова и др. (1996а, б), мы рассматриваем взаимодействие межпланетной ударный волны, падающей на TS под произвольным углом (двумерное рассмотрение), в отличие от работ Барнса (1993,

1994) и Найду и Барнса (1994а, б), которые рассмотрели одномерную проблему.

В рамках короткой статьи мы не обсуждаем другие возможности приближения TS к Солнцу (уменьшение динамического давления солнечного ветра, влияние межзвездных магнитных полей, увеличенные значения концентрации протонов в ЛМС и др.). Конкретные расчеты для ниже рассматриваемой проблемы основаны на фундаментальном аналитическом исследовании Пушкаря (1995).

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Результат расчета взаимодействия стационарной ударной волны в солнечном ветре (TS) и падающей на нее межпланетной ударной волны (IS от английского Interplanetary Shock) зависит от пяти безразмерных параметров

Mts = Vrs/ao, MRS = VRs/ao,

в = 8пр/в2, е^,

где M — число Маха, V — скорость ударной волны относительно солнечного ветра, a0 — скорость звука в невозмущенной ударной волной плазме, B — абсолютная величина вектора индукции магнитного поля, p — статическое давление, е — угол падения одной ударной волны на другую, ^RS — угол между вектором межпланетного магнитного поля и нормалью к фронту межпланетной ударной волны. Индексы TS и RS относятся, соответственно, к стационарной ударной волне в солнечном ветре и к "обратно идущей" межпланетной ударной волне. Геометрическая кар

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.

Показать целиком