научная статья по теме ТАЙНЫ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА Физика

Текст научной статьи на тему «ТАЙНЫ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА»

Тайны солнечного ветра

Г Мо всУ

Игорь Станиславович Веселовский,

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики имД.В.Скобельцына МГУ и старший научный сотрудник Института космических исследований РАН. Область научных интересов — физика космической плазмы, процессы в атмосфере Солнца и гелиосфеpе, солнечный ветер.

И.С.Веселовский

Наверняка каждый из нас когда-то с увлечением рисовал румяное лучистое Солнце. Наивный детский рисунок правильно передает общее впечатление от того, как «дует Солнце». Однако многие детали картины до сих пор еще не нарисованы, скрыты от наблюдений и не известны не только детям, но и взрослым. Наше светило постоянно «дышит», а иногда «чихает», будто оно живое. А его окружение, в том числе Земля и жизнь на ней, тонко ощущают причудливое дыхание Солнца, иногда замечая его, иногда нет. Это дыхание определяет собой «космическую погоду».

Любопытно, что современное Солнце хорошо «умеет» делать упражнения на «выдох» различной длительности, от часов до многих лет. Похоже, что оно почему-то не может ни на минуту «полностью задержать свое дыхание» или сделать «вдох». Когда-то очень-очень давно все было иначе — юное и растущее Солнце строилось и активно вдыхало в себя межзвездный газ вместе с пылью. Каким было это дыхание, мы можем сейчас только догадываться. Что же мы имеем на сегодняшний день?

Удивительное «дыхание» Солнца

Переходя от образных аналогий к более строгим научным категориям, напомним: вся Солнечная система до расстояний ~ 100 а.е.

© Веселовский И.С., 2010

от центра заполнена плазмой, непрерывно истекающей из Солнца, — солнечным ветром. Составляют его главным образом протоны и электроны, но встречаются также ионы гелия и высокоионизованные ионы кислорода, кремния, серы, железа и других элементов. Средняя скорость солнечного ветра на орбите Земли составляет около 400 км/с, плотность числа протонов 5—7 см-3, температура ~105 К. Расстояние от Солнца до Земли при такой скорости преодолевается за четыре дня. Более быстрый, разреженный и горячий солнечный ветер с типичной скоростью 700—800 км/с всегда дует из обширных коро-нальных дыр и покрывает это расстояние за меньшее время. Потоки вещества в виде полностью ионизованной водородно-гелиевой плазмы с примесью других ионов постоянно уходят оттуда в межпланетное пространство. Они существуют там месяцами и годами на протяжении многих оборотов Солнца, образуя причудливо изменяю-

щийся спиральный узор наподобие того, что мы видим, когда течет струя воды из вращающегося шланга. Только струи в этом случае гораздо шире. Солнечный ветер и его изменчивость свидетельствуют об отсутствии механического и термодинамического равновесия на Солнце.

Иногда быстрый ветер может возникать и в других местах на Солнце, двигаясь даже с еще большей скоростью и усиливаясь в несколько раз на несколько часов при мощных корональ-ных выбросах массы. Эти возрастания бывают настолько сильными и резкими, что возникают распространяющиеся ударные волны, пробегающие по всей ге-лиосфере*. До Земли такой удар добегает за сутки, в самых ред-

* Гелиосферой называют область околосолнечного пространства, в которой солнечный ветер движется относительно Солнца со сверхзвуковой скоростью. Иногда при этом подразумевают еще более обширную область, занятую потоками вещества от Солнца, пусть даже они уже сильно затормозились при взаимодействии с межзвездной средой.

ких известных случаях даже за 12 ч, а до границ гелиосферы — за несколько месяцев.

Основным двигателем быстрого ветра, ускоряющим движение плазмы и выбрасывающим ее против силы тяжести в верхней солнечной атмосфере, служат магнитные силы, хотя еще совсем недавно многие исследователи думали, что главную роль играет нагрев короны и газовое давление наподобие процессов в обычном реактивном двигателе. Оказалось, однако, что газовое давление в солнечной короне в целом меньше магнитных натяжений. Сила Ампера при этих условиях ускоряет движение плазмы гораздо эффективнее, чем газодинамическое давление.

Как и почему дует солнечный ветер — один из увлекательных и важных вопросов современной астрофизики и физики космоса. Насколько удалось продвинуться в решении этой задачи?

Загадки без разгадок

О том, что Солнце временами «чихает», люди узнали намного раньше, чем догадались о его постоянном, медленном и плавном «дыхании». До поры до времени этого процесса вообще не замечали или не обращали на него внимания. Самые первые «улики», выдающие присутствие постоянного потока солнечной плазмы, обнаружили Л.Бирман и его коллеги в 1940-х годах при изучении плазменных хвостов комет; тогда же немецкие исследователи пустили в ход словосочетание «солнечный ветер». Сейчас во всем мире ученые думают о том, как устроены «органы дыхания» Солнца и как они работают.

Происхождение медленного солнечного ветра до сих пор не установлено. На орбите Земли его скорость практически никогда не опускается ниже 200— 300 км/с, оставаясь выше скорости звука и альвеновской скоро-

сти*, каждая из которых обычно составляет несколько десятков километров в секунду. Не вполне понятен этот нижний предел скорости солнечного ветра и сам факт постоянного существования потока наружу без возвратных течений в гелиосфере. Точно так же неизвестно, когда он вообще возник на эволюционной шкале времени, сменив процесс накопления вещества при формировании нашей звезды на сбрасывание его обратно в межзвездное пространство, и как это произошло. Для нынешнего Солнца потеря массы, обусловленная солнечным ветром, намного меньше потерь его массы покоя вместе с излучением в белом свете. Однако потоки импульса при этом сравнимы. Случайно ли данное совпадение? Есть и другой неясный вопрос: какую роль играют под-фотосферные процессы в долговременных изменениях параметров солнечного ветра?

Солнечный ветер сильно изменчив, но наблюдается везде и всюду в гелиосфере как сверх-магнитозвуковой поток вплоть до встречи с каким-либо тормозящим препятствием — будь то планета, комета, астероид или межзвездная среда. Потоки солнечного ветра направлены приблизительно радиально в сторону от нашего светила. Мы уже привыкли к этим основным знаниям о солнечном ветре и представлениям об истечении плазмы, накопленным в основном за космическую эру. Почти за полвека прямых измерений в космосе получена огромная информация о солнечном ветре и хорошо изучены его статистические свойства, созданы различные теории и модели, но до сих пор мы не вполне отдаем себе отчет, почему все обстоит именно так, а не иначе.

Физические представления о солнечном ветре и его измен-

* Альвеновская скорость V = В(4пр)-1/2 определяется напряженностью магнитного поля В и плотностью плазмы р. Скорость звука с, ~ ~{Тзависит от температуры плазмы Т.

чивости в последнее время заметно расширились и трансформировались [1 — 3]. Рассмотрим несколько исторических и современных эпизодов борьбы идей в раскрытии тайн природы.

Поиски истины

История исследований в области солнечного ветра и солнечно-земной физики полна забавных курьезов. Первым в мире непосредственным наблюдением плазмы солнечного ветра в межпланетном пространстве ныне признаны данные, которые были получены К.И.Гринга-узом с сотрудниками на первых советских ракетах, запущенных к Луне в 1959 г. Известный советский астрофизик И.С.Шкловский, приглашенный Гринга-узом для интерпретации этих результатов, в своей книге [4] резко критиковал теоретические представления о перманентном сверхзвуковом расширении солнечной короны, считая их следствием теоретических ошибок. Но заблуждался не он один. Выдающийся английский геофизик С.Чепмен, который ввел в научный обиход термин «геомагнетизм», еще в 20-е годы прошлого столетия правильно понял и впервые рассчитал спиральный узор потоков вещества из вращающегося Солнца, но также настаивал на том, что солнечная корона в целом статична. Придерживались подобных взглядов и другие видные специалисты, которые развивали теоретические модели статической короны и экстраполировали их слишком далеко от Солнца, вплоть до орбиты Земли и далее. Это была серьезная физическая ошибка, которая сдерживала развитие правильных представлений, хотя «истина» была уже известна некоторым не столь маститым ученым.

Научные споры не затихали на протяжении многих лет, в том числе даже и тогда, когда огромное количество фактов

(в первую очередь, наблюдения кометных хвостов, вариаций галактических космических лучей и геомагнитных возмущений, а затем и прямые данные космических измерений в межпланетном пространстве) уже свидетельствовали об обратном, о перманентном и динамическом характере движений во внешней короне и межпланетной плазме, которая служит ее продолжением в виде солнечного ветра. Ученые в основной своей массе поверили в постоянное существование солнечного ветра и в отсутствие покоящегося газа в межпланетном пространстве лишь в начале 1960-х годов — после того, как в течение нескольких месяцев американский космический аппарат «Маппег-2» измерял по пути от Земли к Венере скорость, плотность и температуру плазмы, а также магнитное поле. Переворот в массовом сознании произошел практически мгновенно — через год-другой все вдруг заговорили о «солнечном ветре».

Но и здесь не обошлось без курьеза. В своей первой публикации в престижном физическом журнале американские исследователи заявили, что они зарегистрировали на космическом аппарате «Маппег-2» галактическое магнитное поле. Сейчас мы знаем, что измеренное ими магнитное поле вовсе не галактическое, а создано электрическими токами в гелиосфере и сильно зависит от связи с Солнцем, меняясь с его активностью. Это поле называется межпланетным. В среднем на орбите Земли оно составляет несколько нанотесла. Главный и наиболее мощный гелиосфер-ный электрический ток, создающий это поле, сосредоточен в тонком токовом слое, поверхность которого имеет сложную форму двойной спирали, вращающейся вместе с Солнцем вокруг его оси и обращающейся в перпендикулярном к ней направлении вместе с общим магнитным полем.

Магнитные метаморфозы гелиосф

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