Министерство образования республики Беларусь

Солнечный ветер

Выполнил:

ученик 11 «Д» класса

Чаплинский Виктор Сергеевич

Проверил:

учитель по физике

Симонович Н. Н.

Борисов 2004 г.

Введение.

Прошло 40 лет с тех пор, как американский физик Е.Паркер теоретически предсказал явление, которое получило название "солнечный ветер" и которое через пару лет было подтверждено экспериментально группой советского ученого К. Грингауза при помощи приборов, установленных на космических аппаратах "Луна-2" и "Луна-3". Солнечный ветер представляет собой поток полностью ионизированной водородной плазмы, то есть газа, состоящего из электронов и протонов примерно одинаковой плотности (условие квазинейтральности), который с большой сверхзвуковой скоростью движется от Солнца. На орбите Земли (1 А.Е. от Солнца) скорость этого потока равна примерно 400-500 км/с, концентрация протонов (или электронов) 10-20 частиц в кубическом сантиметре, а их температура примерно 100 000 К. (температура электронов несколько выше).

Кроме электронов и протонов в межпланетном пространстве были обнаружены альфа-частицы (порядка нескольких процентов), небольшое количество более тяжелых частиц, а также магнитное поле, средняя величина индукции которого оказалась на орбите Земли порядка нескольких гамм (g=10 -5 Гс.).

Как показывают наблюдения, выполненные на борту космических спутников Земли и других космических аппаратах с высоким апогеем орбиты, межпланетное пространство заполнено чрезвычайно активной средой – плазмой солнечного ветра. Солнечный ветер зарождается в верхних слоях атмосферы Солнца, и его основные параметры определяются соответствующими параметрами солнечной атмосферы. Однако связь между физическими характеристиками солнечного ветра вблизи орбиты Земли и физическими явлениями в атмосфере Солнца оказывается чрезвычайно сложной, и, кроме того, меняется в зависимости от солнечной активности конкретной ситуации на Солнце. Поэтому для простоты описания предполагается, что наблюдаемый солнечный ветер состоит из трех компонент :

1. Спокойный солнечный ветер, – постоянно существующий поток солнечной плазмы, заполняющий все межпланетное пространство вплоть до границ гелиосферы (50 – 200 А.Е.)

2. Квазистационарные высокоскоростные потоки солнечной плазмы, ответственные за рекуррентные геомагнитные возмущения

3. Спорадические высокоскоростные потоки – относительно кратковременные, чрезвычайно неоднородные и сложные по структуре образования, ответственные за спорадические геомагнитные возмущения.

Немного теории, связанной с теоретическим предсказанием солнечного ветра.

В течение не столь уж длительной истории теоретической астрофизики считалось, что все атмосферы звезд находятся в гидростатическом равновесии, то есть в состоянии, когда сила гравитационного притяжения звезды уравновешивается силой, связанной с градиентом давления ее в атмосфере (с изменением давления на единицу расстояния r от центра звезды). Математически это можно представить в виде:

Если распределение температуры T в атмосфере задано, то из уравнения равновесия (1) и уравнения состояния идеального газа.

получается так называемая барометрическая формула, которая в частном случае постоянной температуры T будет иметь вид

Из формулы (3) видно, что при r®¥ то есть на очень больших расстояниях от звезды давление p стремится к конечному пределу, который зависит от p 0 .

Поскольку считалось, что солнечная атмосфера, так же как и атмосферы других звезд, находится в состоянии гидростатического равновесия, то ее состояние описывалось формулами, аналогичными формулам (1)-(3).Учитывая необычное и до конца еще непонятное явление резкого возрастания температуры примерно от 10 000 градусов на поверхности Солнца до 1 000 000 градусов в солнечной короне, Чепмен развил теорию статической солнечной короны, которая должна была плавно переходить в межзвездную среду, окружающую Солнечную систему.

Однако в своей работе Паркер обратил внимание на то, что давление на бесконечности, получаемое из формулы (3) для статической короны, оказывается почти на порядок величины больше значения давления, которое оценивалось для межзвездного газа на основе наблюдений. Чтобы устранить это расхождение, Паркер предложил, что солнечная корона не находится в состоянии статического равновесия, а непрерывно расширяется в окружающую Солнце межпланетную среду. При этом вместо уравнения (1) он предложил использовать гидродинамическое уравнение движения вида

где в системе координат, связанной с Солнцем, величина V представляет собой радиальную скорость движения плазмы. Под M подразумевается масса Солнца.

При заданном распределении температуры T система уравнений (2) и (4) имеет решения представленные на рис.1.

На этом рисунке через a обозначена скорость звука, r * - расстояние от начала координат, на котором скорость газа равна скорости звука (V = a). Очевидно, что только кривые 1 и 2 на рис1. имеют физический смысл для проблемы истечения газа из Солнца, поскольку кривые 3 и 4 имеют неединственные значения скорости в каждой точке, а кривые 5 и 6 соответствуют очень большим скоростям в солнечной атмосфере, что не наблюдается в телескопы. Паркер проанализировал условия, при которых в природе осуществляется решение, соответствующее кривой 1. Он показал, что для согласования давления, получаемого из такого решения, с давлением в межзвездной среде наиболее реален случай перехода газа от дозвукового течения (при r < r *) к сверхзвуковому (при r > r *), и назвал такое течение солнечным ветром.

История экспериментов в космическом пространстве блестяще доказала правильность представлений Паркера о солнечном ветре. Подробный материал о теории солнечного ветра можно найти, например, в монографии .

Представления об однородном истечении плазмы из солнечной короны.

Из одномерных уравнений газовой динамики можно получить известный результат: при отсутствии массовых сил сферически – симметричное течение газа от точечного источника может быть всюду либо дозвуковым, либо сверхзвуковым. Присутствие в уравнении (4) гравитационной силы (правая часть) приводит к тому, что появляются решения типа кривой 1 на рис.1., то есть с переходом через скорость звука.

Проведем аналогию с классическим течением в сопле Лаваля, которое представляет собой основу всех сверхзвуковых реактивных двигателей. Схематически это течение показано на рис.2. В бак 1, называемый ресивером, с очень маленькой скоростью подается газ, нагретый до очень высокой температуры (внутренняя энергия газа много больше кинетической энергии направленного движения). Путем геометрического сжатия канала газ ускоряется в области 2 (дозвуковое течение) до тех пор, пока его скорость не достигнет скорости звука. Для дальнейшего его ускорения необходимо канал расширять (область 3 сверхзвукового течения). Во всей области течения ускорение газа происходит за счет его адиабатического (без подвода тепла) охлаждения (внутренняя энергия хаотического движения переходит в энергию направленного движения).

В рассматриваемой проблеме образования солнечного ветра роль ресивера играет солнечная корона, а роль стенок сопла Лаваля – гравитационная сила солнечного происхождения. Согласно теории Паркера, переход через скорость звука должен происходить где-то на расстоянии в несколько солнечных радиусов. Однако анализ получаемых в теории решений показал, что температуры солнечной короны недостаточно, чтобы ее газ мог ускориться до сверхзвуковых скоростей, как это имеет место в теории сопла Лаваля. Должен существовать какой-то дополнительный источник энергии. Таким источником в настоящее время считается диссипация всегда присутствующих в солнечном ветре волновых движений (плазменная турбулентность), накладывающихся на среднее течение, а само течение уже не является адиабатическим. (см. Спокойный солнечный ветер) Количественный пример таких процессов еще требует дальнейшего исследования. Интересно, что наземные телескопы обнаруживают на поверхности Солнца магнитные поля. Средняя величина их магнитной индукции B оценивается в 1 Гс, хотя в отдельных фотосферных образованиях, например в пятнах, магнитное поле может быть на порядок больше. Поскольку плазма является хорошим проводником электричества, то естественно, что солнечные потоки и магнитные поля взаимодействуют с ее потоками от Солнца. В этом случае чисто газодинамическая теория дает неполное описание рассматриваемого явления. Влияние магнитного поля на течение солнечного ветра можно рассмотреть в рамках магнитной гидродинамики. К чему же это приводит? Согласно пионерской в этом направлении работе (см. также ), магнитное поле приводит к появлению пондемоторной силы j x B, которая направлена в перпендикулярном к радиальному направлении. В результате у солнечного ветра появляется тангенциальная компонента скорости. Эта компонента почти на два порядка меньше, радиальной, однако она играет существенную роль в выносе из Солнца момента количества движения. Предполагают, что последнее обстоятельство может играть существенную роль в эволюции не только Солнца, но и других звезд, у которых обнаружен "звездный ветер". В частности, для объяснения резкого уменьшения угловой скорости звезд позднего спектрального класса часто привлекается гипотеза о передаче вращательного момента образующимся вокруг них планетам. Рассмотренный механизм потери углового момента Солнца путем истечения их него плазмы открывает возможность пересмотра этой гипотезы.

Также можно отметить, что измерения среднего магнитного поля в районе орбиты Земли показали, что его величина и направление хорошо описываются формулами полученными из более простых рассмотрений Паркером ().

В формулах (5), описывающих паркеровскую спираль Архимеда для межпланетного магнитного поля в плоскости солнечного экватора, почти совпадающей с плоскостью эклиптики, величины B r , B j - радиальная и азимутальная компоненты вектора магнитной индукции, W - угловая скорость вращения Солнца, V – радиальная скорость солнечного ветра, индекс 0 относится к точке солнечной короны, в которой величина магнитного поля известна.

Однородно и стационарно ли вытекает солнечный ветер с поверхности Солнца?

Рассмотренное ранее представление об истечении плазмы из солнечной короны исходит из предположения о том, что солнечная корона является однородной и стационарной, то есть ее температура и плотность не зависят от солнечной долготы и времени. В этом случае солнечный ветер можно рассматривать как сферически – симметричное (зависящее только от гелиоцентрического расстояния) стационарное течение. До 1990 года все космические аппараты летали вблизи солнечной эклиптики, что не позволяло прямыми методами измерений проверить степень зависимости параметров солнечного ветра от солнечной широты. Косвенные же наблюдения отклонения хвостов комет, пролетавших вне плоскости эклиптики, указывали на то, что в первом приближении такой зависимости нет. Однако измерения в плоскости эклиптики показали, что в межпланетном пространстве могут существовать так называемые секторные структуры с различными параметрами солнечного ветра и различным направлением магнитного поля. Такие структуры вращаются вместе с Солнцем и явно указывают на то, что они являются следствием аналогичной структуры в солнечной атмосфере, параметры которой зависят от долготы. Качественно четырехсекторная структура показана на рис.3.

Вывод же о независимости солнечного ветра по широте на основании кометных наблюдений не был достаточно надежным из-за сложности их инерпритации, а наблюдения солнечной короны показывали, что она неоднородна и по широте и по долготе, а также подвержена сильным временным изменениям, связанным с 11 – летним циклом солнечной активности, так и с различными нестационарными процессами с более коротким временным интервалом. (Например, со вспышками)

Ситуация резко изменилась с запуском Европейским космическим агентством в октябре 1990 года космического аппарата "Улисс", основной целью которого является исследование межпланетной плазмы вне плоскости солнечной эклиптики. Эти исследования начались в феврале 1992 года, когда, используя гравитационное поле Юпитера, аппарат вышел из эклиптической плоскости и направился сначала к областям южного полюса Солнца (май – сентябрь 1994), а затем к областям со стороны северного полюса (май – сентябрь 1995). Большинство полученных результатов сейчас тщательно исследуется, но уже можно сделать некоторые выводы о зависимости параметров солнечного ветра от солнечной широты (большое число научных сообщений по этим проблемам помещено в американском журнале "Science", 1995, volume 268, May 19).

В частности, оказалось, что скорость солнечного ветра возрастает, а плотность резко уменьшается с гелиографической широтой. Измеренная, например, на аппарате "Улисс" скорость солнечного ветра изменилась от 450 км/с в плоскости эклиптики примерно до 700 км/с на – 75 о солнечной широты. Надо, однако, отметить что степень различия параметров солнечного ветра в плоскости эклиптики и вне ее зависит от цикла солнечной активности.

Вспышки на Солнце и разные скорости истечения плазмы из разных областей его поверхности приводят к тому, что в межпланетном пространстве образуются ударные волны, которые характеризуются резким скачком скорости, плотности и температуры. Качественно такой механизм их образования показан на рис.4.

Когда быстрый поток догоняет медленный, то в месте их соприкосновения возникает произвольный разрыв параметров, на котором не выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии. Такой разрыв не может существовать в природе и распадается, в частности на две ударные волны и тангенциальный разрыв (на последнем нормальная компонента скорости непрерывны), как это показано на рис.4,а для вспышечного процесса на Солнце и на рис.4,б в том случае, когда более быстрый поток от одной области солнечной короны догоняет более медленный, вытекающий из другой. Ударные волны и тангенциальные разрывы, изображенные на рис.4, сносятся солнечным ветром на большие гелиоцентрические расстояния и регулярно регистрируются космическими аппаратами.

Как изменяются характеристики солнечного ветра с удалением от Солнца?

Как видно из уравнения (4), изменение скорости солнечного ветра определяется двумя силами: силой солнечной гравитации и силой, связанной с изменением давления. Расчеты показывают, что на больших расстояниях от Солнца (практически уже с 1а.е.) давление почти не изменяется по величине, то есть его изменение очень мало, и сила, связанная с давлением, практически отсутствует. Сила гравитации убывает как квадрат расстояния от Солнца и тоже мала на достаточно больших гелиоцентрических расстояниях. Поскольку обе силы становятся очень малы, то, согласно теории, скорость солнечного ветра становится почти постоянной и при этом значительно превосходит звуковую (как говорят течение гиперзвуковое). Американские космические аппараты "Вояджер – 1 и –2 " и "Пионер – 10 и –11 ", запущенные еще в 70-х годах и находящиеся сейчас на расстоянии от Солнца в несколько десятков астрономических единиц, экспериментально подтвердили теоретические предсказания о солнечном ветре. В частности, его скорость оказалась в среднем почти постоянной, а плотность r убывает как 1/r 2 в соответствии с уравнением сохранения массы для сферически – симметричного случая:

Температура же не следует адиабатическому закону, что означает существование каких-то источников тепла. Такими источниками могут быть упоминавшаяся ранее диссипация волн или нейтральные атомы водорода, проникающие из межзвездной среды в Солнечную систему. ()

Очевидно, что скорость солнечного ветра не может быть до бесконечности постоянной, как это следует из уравнения газовой динамики (см., например рис.1.), поскольку Солнечная система окружена межзвездным газом с конечным давлением. Поэтому солнечный ветер на больших расстояниях от Солнца должен тормозиться газом межзвездной среды. Эта проблема подробно рассмотрена в . Здесь только отметим, что плавное торможение газодинамического потока от сверхзвуковых до дозвуковых, например, в сопле Лаваля (рис.2.), путем сужения канала невозможно: обязательно должен образоваться скачок параметров газа в виде ударной волны. Аналогичная ситуация может возникнуть и в солнечном ветре. Торможение солнечного ветра из-за противодавления межзвездной среды должно происходить через ударную волну (Termination shock, или TS). Ее положение сильно зависит от параметров межзвездной среды. Согласно теоретическим расчетам, ударная волна TS находится на расстоянии 80 – 100 А.Е. от Солнца , что позволяет в ближайшие несколько лет детектировать ее измерительными приборами, установленными на космических аппаратах "Вояджер".

Спокойный солнечный ветер.

Согласно современным представлениям, энергия в недрах Солнца вырабатывается в ходе процессов ядерного синтеза:

где e + - означает позитрон, n- нейтрино, g - g- квант. В результате перечисленных процессов 1,0078 г водорода переходит в 1,0000 г гелия, а оставшаяся масса переходит кинетическую энергию частиц и энергию радиации. Скорость выделения энергии в ходе реакций протон – протонного цикла определяется выражением:

Известно, что в звездах типа Солнца теплопроводность играет незначительную роль, так что произведенная в недрах Солнца энергия передается к его поверхности в основном путем радиационного переноса, то есть в результате ее поглощения и последующего переизлучения .

Однако радиационный перенос солнечной энергии становится малоэффективным в верхних слоях Солнца. Дело в том, что по мере уменьшения температуры солнечного вещества степень его ионизации уменьшается и присутствие в нем нейтральных атомов водорода заметно снижает его прозрачность. Это, в свою очередь, приводит к еще более быстрому уменьшению температуры Солнца с расстоянием от центра, вследствие чего любой элементарный объем солнечного вещества, всплывающий из недр Солнца, обладает большей температурой меньшей плотностью, чем окружающая плазма, что приводит к развитию так называемой конвективной неустойчивости. Условия ее возбуждения уверенно выполняются в поверхностных слоях Солнца r > 0.86R o , где энергия переносится главным образом в форме тепловой энергии плазмы, заключенной в элементах вещества, поднимающихся из недр Солнца. Развитие интенсивной турбулентности в поверхностных слоях Солнца не только обеспечивает перенос энергии к его поверхности, но и приводит к развитию явлений, играющих ключевую роль в солнечно-земной физике. Прежде всего развитие конвективной турбулентности в плазме сопровождается генерацией интенсивных магнитозвуковых волн. Распространяясь в атмосфере Солнца, где плотность плазмы быстро уменьшается с высотой, звуковые волны трансформируются в ударные. Они эффективно поглощаются веществом, в результате чего температура последнего увеличивается, достигая величины (1-3) 10 6 в солнечной короне. При этом значительная часть протонов в короне Солнца не может удерживаться его гравитационным полем, что приводит в непрерывному расширению короны в космическое пространство, то есть к генерации солнечного ветра.

Высокоскоростной солнечный ветер.

Как видно из данных, представленных в табл.1, высокоскоростной ветер характеризуется повышенной скоростью (около 700 км/с), пониженной плотностью плазмы (n=4 см -3) и повышенной ионной температурой. Однако, прежде чем обсуждать возможные источники этих потоков, напомним, что существуют по меньшей мере два рода таких потоков: рекуррентные и магнитные.

Рекуррентные потоки.

Рекуррентные потоки высокоскоростного солнечного ветра отличаются прежде всего тем, что существуют в течение многих месяцев, регулярно появляясь в окрестностях Земли примерно через 27 дней (период оборота Солнца), что свидетельствует об относительно большом времени жизни их источников. В течение многих лет происхождение этих потоков оставалось загадкой, поскольку им не соответствовали какие-либо видимые особенности на поверхности Солнца. Однако в настоящее время можно считать доказанным, что обсуждаемые потоки зарождаются на Солнце в области так называемых дыр.

Корональные дыры отчетливо видны на фотографиях солнца, полученных с космических аппаратов, в рентгеновском и крайнем ультрафиолетовым диапазонах солнечного излучения. (см. рис.6.), где они фиксируются как обширные области пониженной (в несколько раз) интенсивности излучения, простирающиеся от полярных широт до экватора или даже в противоположное полушарие. Протяженность корональных дыр по долготе составляет 30 о -90 о. Соответственно время прохождения корональной дыры через центральный меридиан Солнца (вследствие вращения последнего) составляет 4 – 6 суток, что вполне согласуется с длительностью существования соответствующих высокоскоростных потоков в окрестностях Земли . Пониженная интенсивность рентгеновского излучения в области корональных дыр может определяться как пониженной плотностью плазмы в этих областях, так и ее пониженной температурой. Действительно, наземные наблюдения короны во время солнечных затмений показывают, что в короне существуют, особенно в высоких широтах, области с относительно низкой плотностью плазмы. В то же время и температура плазмы в области корональных дыр составляет около 0,8*10 6 К, что существенно ниже температуры спокойной короны и плотность плазмы в корональной дыре составляет 0,25 плотности спокойной короны.

Таким образом, корональные дыры действительно представляют собой области пониженной плотности и температуры плазмы. Чем вызываются указанные особенности короны в этих областях, не совсем ясно. В связи с этим обращает на себя внимание то, что корональные дыры, как правило, совпадают с областями униполярного магнитного поля с квазирадиальными или слегка расходящимися силовыми линиями . Открытые силовые линии магнитного поля не препятствуют радиальному расширению корональной плазмы, что может объяснить пониженную плотность последней в области дыр и увеличение скорости генерируемого в них солнечного ветра. Вместе с тем увеличение скорости солнечного ветра, обусловленное благоприятной конфигурацией силовых линий магнитного поля, не может компенсировать ее уменьшения, связанного с низкой температурой плазмы в рассматриваемых областях и для объяснения появления высокоскоростных потоков приходится предположить наличие в корональных дырах мощного источника МГД – волн. К сожалению, прямых подтверждений существования таких волн в области корональных дыр пока не получено.

Спорадические высокоскоростные потоки.

Второй тип высокоскоростных потоков в солнечном ветре – это кратковременные (время пробега мимо Земли t=1 – 2 суток), часто чрезвычайно интенсивные (скорость солнечного ветра до 1200 км/с) потоки, имеющие весьма большую долготную протяженность. Двигаясь в межпланетном пространстве, заполненным плазмой относительно медленного спокойного солнечного ветра, высокоскоростной поток как бы сгребает эту плазму, в результате чего перед его фронтом образуется движущаяся вместе с ним отошедшая ударная волна. Пространство между фронтом потока и фронтом отошедшей ударной волны заполнено плотной (несколько десятков частиц в 1 см 3) и горячей плазмой.

Ранее предполагалось, что спорадические потоки в солнечном потоке обусловлены солнечными вспышками и подобными явлениями. Однако в последнее время мнение на этот счет изменилось, и большинство исследователей, в особенности зарубежных, придерживается точки зрения, согласно которой спорадические высокоскоростные потоки в солнечном ветре обусловлены так называемыми выбросами.

Корональные выбросы, наиболее отчетливо наблюдаемые вблизи лимба Солнца, представляют собой некоторые относительно протяженные плазменные образования, движущиеся в короне Солнца вверх от ее основания. Вывод о том, что спорадические потоки в солнечном ветре связаны именно с корональными выбросами (или СМЕ), а не со вспышками, основан на следующих экспериментальных фактах:

1. Несмотря на статически значимую связь между спорадическими потоками и солнечными вспышками, однозначная связь между ними отсутствует, то есть, с одной стороны, наблюдаются вспышки, не вызывающие ударных волн, и, с другой – наблюдаются высокоскоростные потоки, не предваряемые вспышками.

2. Солнечные вспышки непосредственно не связаны с корональными выбросами.

Связь между межпланетными ударными волнами, корональными выбросами и солнечными вспышками детально исследовалась N.Sheeley и др. (1985), которые, в частности, показали, что 72% ударных волн, наблюдающихся на борту космического аппарата "Helios -1", были связаны с большими низкоширотными корональными выбросами. В то же время лишь 52% тех же ударных волн были связаны с солнечными вспышками.

В результате подробного анализа этих данных удалось показать , что если исключить из списка ударные волны, наблюдаемые за лимбом Солнца, то число волн, связанных со вспышками, возрастает до 85%, то есть, связь ударных волн со вспышками оказывается ничуть не хуже, чем с корональными выбросами. Кроме того, как показали Harrison и др.(1990), корональные выбросы (со скоростью порядка 1000 км/с), с которыми обычно связана межпланетная ударная волна, начинают свое движение в короне одновременно с началом вспышки.

Таким образом, вывод о непричастности солнечных вспышек к межпланетным ударным волнам представляется не совсем убедительным, и мы по-прежнему будем считать солнечные вспышки одним из основных источников высокоскоростных потоков в солнечном ветре.

Что касается механизма генерации самих вспышек (и, естественно, связанных с ними потоков), то наиболее популярной в настоящее время является предложенная в 1964 году Петчеком модель вспышки, основанная на гипотезе о магнитном пересоединении . Развитие солнечной вспышки в рамках модели Петчека представлено на рис.7.

В этой модели силовые линии магнитного поля активной области оказываются, начиная с некоторого уровня, разорванными и образуют две силовые трубки с антипараллельными полями, разделенными токовым слоем. В некоторый момент из-за развития ионно-звуковой или ионно-циклотронной неустойчивости проводимость плазмы в некоторой точке 1 (рис.7,а) в плазменном слое резко падает, в результате чего токовый слой разрывается и силовые линии магнитного поля пересоединяются. Магнитная энергия быстро переходит в кинетическую и тепловую энергию

Плазмы и происходят интенсивный разогрев и ускорение плазмы (рис.7,б). Ускоренные частицы, двигаясь вдоль открытых силовых линий магнитного поля, покидают хромосферу и выбрасываются в межпланетное пространство (рис.5,в). При этом движущиеся вверх энергичные электроны, проходя через корону и взаимодействуя с ней, могут вызвать всплески радиоизлучения. Частота радиоизлучения вследствие уменьшения концентрации фоновой плазмы быстро уменьшается по мере движения электронов вверх (что соответствует так называемым всплескам радиоизлучения III типа)

Частицы, движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля к Солнцу, нагревают плазму в нижней хромосфере и фотосфере, вызывая увеличение яркости водородных эмиссий и образование высокотемпературного коронального облака. Плазма, ускоряемая в направлении от Солнца, формирует высокоскоростной поток и связанную с ним ударную волну.

Заключение.

Суперпозиция описанных выше потоков солнечной плазмы и их взаимодействие создают ту сложную и непрерывно изменяющуюся систему, которая называется солнечным ветром.

Из рассмотренного выше можно сделать заключение, что солнечный ветер – это физическое явление, которое представляет не только чисто академический интерес, связанный с изучением процессов в плазме, находящейся в естественных условиях космического пространства, но и фактор, который необходимо учитывать при изучении процессов, происходящих в окрестности нашей планеты Земли, что, в конце концов, влияет на нашу жизнь. Это обусловлено тем, что высокоскоростные потоки солнечного ветра, обтекая землю, влияют на ее магнитосферу, которая непосредственно связана с более низкими слоями атмосферы. Такое влияние в сильной степени зависит от процессов, происходящих на Солнце, поскольку они связаны с зарождением самого солнечного ветра. Таким образом, солнечный ветер является хорошим индикатором для изучения важных для практической деятельности человека солнечно – земных связей. Однако это уже другая область научных исследований, которая в данной работе не рассматривается.

Литература.

1. Parker E . // Astophys.J. 1958. V. 128. №3.

2. Chapman S .//J.Atmos. Terr. Phys.1959. V.15.№1/2.

3. Chamberlain J . //Astrophys. J. 1961. V.133. №2.

4. Грингауз К.И., Безруких В.В., Озеров В.Д., Рыбчинский Р.Е. // Докл. АН СССР. 1960. Т.131 №6.

5. Баранов В.Б., Краснобаев К.В., Гидродинамическая теория космической плазмы. М.: Наука, 1977.

6. Weber E., Davis L. //Astrophys. J. 1967.V.148. №1. Pt.1.

7. Паркер Е . Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1965.

8. Баранов В.Б. Влияние межзвездной среды на строение гелиосферы // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. №11. С.73-79.

9. Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. М.:Мир, 1976. 302 с.

10. Гибсон Э. Спокойное Солнце.М.: Мир,1977, 408 с.

11. Коваленко В.А. Солнечный ветер. М.: Наука, 1983,272 с.

12. Pudovkin M.I. // J. Geophys.Res. 1995 V.100.№ A5. P7917

13. Pudovkin M.I. // Rept.Prog.in Phys.1995. V58. №9.P.929.

14. Пудовкин М.И., Семенов В.С. Теория пересоединения и взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. М.: Наука, 1985.126 с.

Со скоростью 300–1200 км/с в окружающее космическое пространство.

Характеристики

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.

Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает реального состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых - уменьшается (FIP-эффект).

Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений активности и его источников. В зависимости от скорости потоки солнечного ветра делятся на два класса: медленные (примерно 300-400 км/с около орбиты ) и быстрые (600–700 км/с около орбиты Земли).

Существуют и спорадические высокоскоростные (до 1200 км/с) кратковременные потоки.

Медленный солнечный ветер

Медленный солнечный ветер порождается «спокойной» частью при её газодинамическом расширении: при температуре короны около 2 × 10 6 К корона не может находится в условиях гидростатического равновесия, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей. Нагрев солнечной короны до таких температур происходит вследствие природы теплопереноса в : развитие конвективной турбулентности в плазме сопровождается генерацией интенсивных магнитозвуковых волн; в свою очередь при распространении в направлении уменьшения плотности солнечной атмосферы звуковые волны трансформируются в ударные; эффективно поглощаются веществом короны и разогревают её до температуры 1 - 3 × 10 6 К.

Быстрый солнечный ветер

Потоки рекуррентного быстрого солнечного ветра испускаются в течение нескольких месяцев, и имеют период повторяемости при наблюдениях с Земли в 27 суток (период вращения Солнца). Эти потоки ассоциированы с - областями короны с относительно низкой температурой (примерно 0,8 × 10 6 К), пониженной плотностью (всего четверть плотности спокойных областей короны) и радиальным по отношению к Солнцу .

Высокоскоростные потоки

Спорадические потоки при движении в пространстве, заполненном медленного солнечного ветра уплотняют плазму перед своим фронтом, образуя движущуюся вместе с ним . Ранее предполагалось, что такие потоки вызываются солнечными вспышками, однако в настоящее время (2005 г.) считается, что спорадические высокоскоростные потоки в солнечном ветре обусловлены корональными выбросами. Вместе с тем следует отметить, что и солнечные вспышки, и корональные выбросы связаны с одними и теми же активными областями на Солнце и между ними существует зависимость.

Материал из Юнциклопедии

Атмосфера Солнца на 90% состоит из водорода. Самая удаленная от поверхности ее часть называется короной Солнца, она отчетливо видна при полных солнечных затмениях. Температура короны достигает 1,5-2 млн. К, и газ короны полностью ионизирован. При такой температуре плазмы тепловая скорость протонов порядка 100 км/с, а электронов - несколько тысяч километров в секунду. Для преодоления солнечного притяжения достаточна начальная скорость 618 км/с, вторая космическая скорость Солнца. Поэтому постоянно происходит утечка плазмы из солнечной короны в космос. Этот поток протонов и электронов и называется солнечным ветром.

Преодолев притяжение Солнца, частицы солнечного ветра летят по прямым траекториям. Скорость каждой частицы с удалением почти не меняется, но бывает она разной. Эта скорость зависит главным образом от состояния солнечной поверхности, от «погоды» на Солнце. В среднем она равна v ≈ 470 км/с. Расстояние до Земли солнечный ветер проходит за 3-4 суток. При этом плотность частиц в нем убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца. На расстоянии, равном радиусу земной орбиты, в 1 см 3 в среднем находится 4 протона и 4 электрона.

Солнечный ветер уменьшает массу нашей звезды - Солнца - на 10 9 кг в секунду. Хотя это число по земным масштабам и кажется большим, реально оно мало: убыль солнечной массы может быть замечена только за времена, в тысячи раз превышающие современный возраст Солнца, который равен приблизительно 5 млрд. лет.

Интересно и непривычно взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем. Известно, что заряженные частицы обычно движутся в магнитном поле Н по окружности или по винтовым линиям. Это верно, однако, только когда магнитное поле достаточно сильное. Точнее говоря, для движения заряженных частиц по окружности нужно, чтобы плотность энергии магнитного поля H 2 /8π была больше, чем плотность кинетической энергии движущейся плазмы ρv 2 /2. В солнечном ветре ситуация обратная: магнитное поле слабое. Поэтому заряженные частицы движутся по прямым, а магнитное поле при этом не постоянно, оно перемещается вместе с потоком частиц, как бы уносится этим потоком на периферию Солнечной системы. Направление магнитного поля во всем межпланетном пространстве остается таким, каким оно было на поверхности Солнца в момент выхода плазмы солнечного ветра.

Магнитное поле при обходе вдоль экватора Солнца, как правило, меняет свое направление 4 раза. Солнце вращается: точки на экваторе совершают оборот за Т = 27 суток. Поэтому межпланетное магнитное поле направлено по спиралям (см. рис.), а вся картина этого рисунка вращается вслед за вращением солнечной поверхности. Угол поворота Солнца меняется, как φ = 2π/Т. Расстояние от Солнца увеличивается со скоростью солнечного ветра: г = vt. Отсюда уравнение спиралей на рис. имеет вид: φ = 2πr/vT. На расстоянии земной орбиты (r = 1,5 10 11 м) угол наклона магнитного поля к радиусу-вектору составляет, как легко проверить, 50°. В среднем такой угол и измеряется космическими кораблями, но не совсем близко от Земли. Вблизи же планет магнитное поле устроено иначе (см. Магнитосфера).

Солнечный ветер

Такое признание дорогого стоит, ибо возрождает к жизни полузабытую солнечно-плазмоидную гипотезу возникновения и развития жизни на Земле, выдвинутую ульяновским ученым Б. А. Соломиным почти 30 лет назад.

Солнечно-плазмоидная гипотеза утверждает, что высокоорганизованные солнечные и земные плазмоиды сыграли и до сих пор играют ключевую роль в зарождении и развитии жизни и разума на Земле. Эта гипотеза настолько интересна, особенно в свете получения экспериментальных материалов новосибирскими учеными, что с ней стоит познакомиться подробнее.

Прежде всего что такое плазмоид? Плазмоид – это плазменная система, структурированная собственным магнитным полем. В свою очередь, плазма – это горячий ионизированный газ. Простейшим примером плазмы является огонь. Плазма обладает способностью динамически взаимодействовать с магнитным полем, удерживать поле в себе. А поле, в свою очередь, упорядочивает хаотическое движение заряженных частичек плазмы. При определенных условиях образуется устойчивая, но динамичная система, состоящая из плазмы и магнитного поля.

Источником плазмоидов в Солнечной системе является Солнце. Вокруг Солнца, как и вокруг Земли, существует своя атмосфера. Внешняя часть солнечной атмосферы, состоящая из горячей ионизированной водородной плазмы, называется солнечной короной. И если на поверхности Солнца температура составляет примерно 10 000 К, то за счет потока энергии, идущего из его недр, температура короны достигает уже 1,5–2 млн К. Поскольку плотность короны мала, такой нагрев не уравновешивается потерей энергии за счет излучения.

В 1957 году профессор Чикагского университета Е. Паркер опубликовал свое предположение о том, что солнечная корона не находится в гидростатическом равновесии, а непрерывно расширяется. В этом случае значительная часть излучения Солнца представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, так называемый солнечный ветер , который и уносит избыточную энергию. То есть солнечный ветер является продолжением солнечной короны.

Понадобилось два года, чтобы это предсказание было подтверждено экспериментально при помощи приборов, установленных на советских космических аппаратах «Луна-2» и «Луна-3». Позднее выяснилось, что солнечный ветер уносит с поверхности нашего светила помимо энергии и информации еще примерно миллион тонн вещества в секунду. Оно содержит главным образом протоны, электроны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, никеля, хрома и железа.

В 2001 году американцы вывели на орбиту космический аппарат «Джинизис», созданный для изучения солнечного ветра. Пролетев более полутора миллиона километров, аппарат приблизился к так называемой точке Лагранжа, где гравитационное воздействие Земли уравновешивается гравитационными силами Солнца, и развернул там свои ловушки частиц солнечного ветра. В 2004 году капсула с собранными частицами рухнула на землю вопреки запланированной мягкой посадке. Частицы удалось «отмыть» и сфотографировать.

К настоящему времени наблюдения, выполненные со спутников Земли и других космических аппаратов, показывают, что межпланетное пространство заполнено активной средой – потоком солнечного ветра, который зарождается в верхних слоях солнечной атмосферы.

Когда на Солнце происходят вспышки, от него через солнечные пятна (корональные дыры) – области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем во все стороны разлетаются потоки плазмы и магнитно-плазменные образования – плазмоиды. Этот поток движется от Солнца со значительным ускорением, и если у основания короны радиальная скорость частиц составляет несколько сотен м/с, то вблизи Земли она достигает 400–500 км/с.

Достигая Земли, солнечный ветер вызывает изменения в ее ионосфере, магнитные бури, что существенным образом сказывается на биологических, геологических, психических и даже исторических процессах. Об этом еще в начале XX века писал великий русский ученый А. Л. Чижевский, который с 1918 года в Калуге в течение трех лет проводил эксперименты в области аэроионизации и пришел к выводу: отрицательно заряженные ионы плазмы благотворно влияют на живые организмы, а положительно заряженные действуют противоположно. В те далекие времена до открытия и начала изучения солнечного ветра и магнитосферы Земли оставалось 40 лет!

Плазмоиды присутствуют в биосфере Земли, в том числе и в плотных слоях атмосферы и вблизи ее поверхности. В своей книге «Биосфера» В. И. Вернадский впервые описал механизм поверхностной оболочки, тонко согласованный во всех своих проявлениях. Без биосферы не было бы земного шара, ибо, по мнению Вернадского, Земля «лепится» Космосом при помощи биосферы. «Лепится» благодаря использованию информации, энергии и вещества. «По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами (курсив наш. – Авт .), переводящими космические излучения в действенную земную энергию – электрическую, химическую, тепловую, механическую и т. д.» (9). Именно биосфера, или «геологообразующая сила планеты», как назвал ее Вернадский, начала изменять структуру круговорота вещества в природе и «создавать новые формы и организации косной и живой материи». Вполне вероятно, что, говоря о трансформаторах, Вернадский говорил о плазмоидах, о которых в то время вообще ничего не знали.

Солнечно-плазмоидная гипотеза позволяет объяснить роль плазмоидов в зарождении жизни и разума на Земле. На ранних этапах эволюции плазмоиды могли стать своего рода активными «центрами кристаллизации» для более плотных и холодных молекулярных структур ранней Земли. «Одеваясь» в относительно холодные и плотные молекулярные одежды, становясь своеобразными внутренними «энергетическими коконами» возникающих биохимических систем, они одновременно являлись управляющими центрами сложной системы, направляя эволюционные процессы в сторону образования живых организмов (10). К подобному выводу пришли также ученые МНИИКА, которые сумели в экспериментальных условиях добиться материализации неравномерных эфирных потоков.

Аура, которую чувствительные физические приборы фиксируют вокруг биологических объектов, представляет собой, по-видимому, внешнюю часть плазмоидного «энергетического кокона» живого существа. Можно предположить, что энергетические каналы и биологически активные точки восточной медицины – это внутренние структуры «энергетического кокона».

Источником плазмоидной жизни для Земли является Солнце, и потоки солнечного ветра несут нам это жизненное начало.

А что является источником плазмоидной жизни для Солнца? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо предположить, что жизнь на любом уровне не возникает «сама по себе», а привносится из более глобальной, высокоорганизованной, разреженной и энергетичной системы. Как для Земли Солнце является «материнской системой», так и для светила должна существовать подобная «материнская система» (11).

По мнению ульяновского ученого Б. А. Соломина, «материнской системой» для Солнца могли служить межзвездная плазма, горячие водородные облака, туманности, содержащие магнитные поля, а также релятивистские (то есть двигающиеся со скоростью, близкой к скорости света) электроны. Большое количество разреженной и очень горячей (миллионы градусов) плазмы и релятивистских электронов, структурированных магнитными полями, заполняют галактическую корону – сферу, в которую заключен плоский звездный диск нашей Галактики. Глобальные галактические плазмоидные и релятивистско-электронные облака, уровень организации которых несоизмерим с солнечным, порождают плазмоидную жизнь на Солнце и других звездах. Таким образом, носителем плазмоидной жизни для Солнца служит галактические ветер.

А что является «материнской системой» для галактик? В образовании глобальной структуры Вселенной большую роль ученые уделяют сверхлегким элементарным частицам – нейтрино, буквально пронизывающим пространство во всех направлениях со скоростями, близкими к скорости света. Именно нейтринные неоднородности, сгустки, облака могли послужить теми «каркасами», или «центрами кристаллизации», вокруг которых в ранней Вселенной образовались галактики и их скопления. Нейтринные облака – это еще более тонкий и энергетичный уровень материи, чем описанные выше звездные и галактические «материнские системы» космической жизни. Они вполне могли быть конструкторами эволюции для последних.

Поднимемся, наконец, на самый высокий уровень рассмотрения – на уровень нашей Вселенной в целом, возникшей около 20 миллиардов лет назад. Изучая ее глобальную структуру, ученые установили, что галактики и их скопления располагаются в пространстве не хаотично и не равномерно, а вполне определенным образом. Они концентрируются вдоль стенок огромных пространственных «сот», внутри которых содержатся, как считалось до недавнего прошлого, гигантские «пустоты» – войды. Однако сегодня уже известно, что «пустот» во Вселенной не существует. Можно предположить, что все заполняет «специальная субстанция», носителем которой являются первичные торсионные поля. Эта «специальная субстанция», представляющая основу всех жизненных функций, вполне может являться для нашей Вселенной тем Мировым Архитектором, Космическим сознанием, Высшим разумом, который придает смысл ее существованию и направление эволюции.

Если это так, то уже в момент своего рождения наша Вселенная была живой и разумной. Жизнь и разум не возникают самостоятельно в каких-либо холодных молекулярных океанах на планетах, они изначально присущи космосу. Космос насыщен различными формами жизни, порой разительно отличающимися от привычных нам белково-нуклеиновых систем и несопоставимыми с ними по своей сложности и степени разумности, пространственно-временным масштабам, по энергии и массе.

Именно разреженная и горячая материя направляет эволюцию материи более плотной и холодной. Таков, по-видимому, фундаментальный закон природы. Космическая жизнь иерархически нисходит от таинственной материи войдов к нейтринным облакам, межгалактической среде, а от них – к ядрам галактик и галактическим коронам в виде релятивистско-электронных и плазменно-магнитных структур, затем – в межзвездное пространство, к звездам и, наконец, к планетам. Космическая разумная жизнь творит по своему образу и подобию все локальные формы жизни и управляет их эволюцией (10).

Наряду с общеизвестными условиями (температура, давление, химический состав и др.) для возникновения жизни требуется наличие у планеты выраженного магнитного поля, не только защищающего живые молекулы от смертоносной радиации, но и создающего вокруг нее концентрацию солнечно-галактической плазмоидной жизни в виде радиационных поясов. Из всех планет Солнечной системы (кроме Земли) только у Юпитера имеются сильное магнитное поле и большие радиационные пояса. Поэтому есть некоторая определенность наличия на Юпитере молекулярной разумной жизни, хотя, возможно, и небелковой природы.

С высокой степенью вероятности можно предположить, что все процессы на молодой Земле протекали не хаотично и не самостоятельно, а направлялись высокоорганизованными плазмоидными конструкторами эволюции. В существующей сегодня гипотезе возникновения жизни на Земле также признается необходимость наличия неких плазменных факторов, а именно мощных грозовых разрядов в атмосфере ранней Земли.

Не только рождение, но и дальнейшая эволюция белково-нуклеиновых систем протекала в тесном взаимодействии с плазмоидной жизнью при направляющей роли последней. Взаимодействие это становилось с течением времени все более тонким, поднималось на уровень психики, души, а затем и духа усложняющихся живых организмов. Дух и душа живых и разумных существ – это очень тонкая плазменная материя солнечного и земного происхождения.

Установлено, что плазмоиды, обитающие в радиационных поясах Земли (преимущественно солнечного и галактического происхождения), могут спускаться вдоль линий земного магнитного поля в низшие слои атмосферы, особенно в тех точках, где эти линии наиболее интенсивно пересекают поверхность Земли, а именно в районах магнитных полюсов (северного и южного).

Вообще, плазмоиды чрезвычайно широко распространены на Земле. Они могут обладать высокой степенью организации, проявлять некоторые признаки жизни и разумности. Советские и американские экспедиции в район южного магнитного полюса в середине XX века сталкивались с необычными светящимися объектами, плавающими в воздухе и ведущими себя очень агрессивно по отношению к членам экспедиции. Они были названы плазмозаврами Антарктиды.

С начала 1990-х годов регистрация плазмоидов не только на Земле, но и в ближайшем космосе возросла в разы. Это шары, полосы, круги, цилиндры, мало оформившиеся светящиеся пятна, шаровые молнии и т. д. Ученые сумели разделить все объекты на две большие группы. Это прежде всего объекты, которые имеют отчетливые признаки известных физических процессов, но в них эти признаки представлены в совершенно необычном сочетании. Другая группа объектов, наоборот, не имеет аналогий с известными физическими явлениями, и поэтому их свойства вообще необъяснимы на основе существующей физики.

Стоит отметить существование плазмоидов земного происхождения, рождающихся в зонах разломов, где идут активные геологические процессы. Интересен в этом отношении Новосибирск, стоящий на активных разломах и имеющий в связи с эти особую электромагнитную структуру над городом. Все свечения и вспышки, регистрируемые над городом, тяготеют к этим разломам и объясняются вертикальным энергетическим неравновесием и активностью пространства.

Наибольшее количество светящихся объектов наблюдается в центральном районе города, расположенном на участке, где совпадают сгущения технических энергоисточников и разломов гранитного массива.

Например, в марте 1993 года у общежития Новосибирского государственного педагогического университета наблюдался дискообразный объект порядка 18 метров в диаметре и 4,5 метра толщиной. Гурьба школьников гонялась за этим объектом, медленно дрейфовавшим над землей на протяжении 2,5 километра. Школьники пытались кидать в него камни, но те отклонялись, не долетая до объекта. Тогда дети стали подбегать под объект и развлекаться тем, что с них сбрасывались шапки, поскольку волосы становились дыбом от электрического напряжения. Наконец этот объект вылетел на линию высоковольтной передачи, никуда не отклоняясь, пролетел вдоль нее, набрал скорость, светимость, превратился в яркий шар и ушел вверх (12).

Следует особо отметить появление светящихся объектов в экспериментах, проводимых новосибирскими учеными в зеркалах Козырева. Благодаря созданию лево-правовращающихся торсионных потоков за счет вращающихся световых течений в обмотках лазерной нити и конусах ученые сумели в зеркале Козырева смоделировать информационное пространство планеты с появившимися в нем плазмоидами. Удалось исследовать влияние появившихся светящихся объектов на клетки, а затем и на самого человека, в результате чего укрепилась уверенность в правоте солнечно-плазмоидной гипотезы. Появилось убеждение, что не только рождение, но и дальнейшая эволюция белково-нуклеиновых систем протекала и протекает в тесном взаимодействии с плазмоидной жизнью при направляющей роли высокоорганизованных плазмоидов.