Солнечный ветер. Медленный солнечный ветер

из сборника ПГИ "Физика околоземного космического пространства", т.2, Апатиты, 2000"

1. Введение

2. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ ПОТОКИ
2.1Высокоскоростной поток от корональных дыр
2.2 Кромка ВСП
2.3 ГТС и стриммер
24 Межпотоковая плазма

3. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПОТОКИ
3.1 Солнечные бури
3.2 Исчезновение волокон
3.3 Вспышечные и волоконные потоки

Введение

Типы солнечного ветра можно разделить на две основные группы: квазистационарные и нестационарные.
Квазистационарные потоки солнечного ветра связаны со структурными образованиями магнитного поля Солнца с характерным временем жизни от нескольких суток до нескольких недель-месяцев. К нестационарным относятся потоки, источниками которых являются нестационарные явления на Солнце с временем жизни менее суток. В литературе нет законченной классификации типов солнечного ветра .
Если для квазистационарных типов солнечного ветра нет особых отличий в определении (это высокоскоростные потоки от корональных дыр (ВСП от КД), гелиосферный токовый слой (ГТС) с корональными стримерами вокруг него), то определения нестационарных типов и их солнечных источников несколько отличаются. Так Huddleston et al.,(1995) к нестационарным потокам относят транзиентные течения от выбросов корональных масс (coronal mass ejection, CME) и области между межпланетными ударными волнами и лидирующими кромками корональных выбросов масс, следующими за ударной волной. к нестационарным потокам относят течения от выбросов корональных масс (СМЕ) и плазму ударной волны.
С другой стороны Иванов(1996) нестационарные потоки определяет по их солнечным источникам, а именно: спорадические явления, такие как вспышки, внезапные исчезновения волокон в активных областях Солнца и внезапные исчезновения волокон вне активных областей.

Рис. 1 Топологии магнитного поля и связанные с ней типы солнечного ветра

Топологии магнитного поля и связанные с ней типы солнечного ветра показаны рис.1.
Ниже будет дано описание разных типов солнечного ветра и их солнечных источников, а также идентификация этих типов потоков на орбите Земли.

2. Квазистационарные потоки

2.1 Высокоскоростной поток от корональных дыр

Описание образования КД и ее свойств даны в работе[Коваленко, 1983]. Фотосферные магнитные поля на Солнце представляют собой большие области, в пределах которых доминирует одна полярность с открытой конфигурацией магнитного поля. Они разделены нейтральными линиями. Внутри больших униполярных магнитных областей могут образовываться корональные дыры, если размеры этих областей не меньше 300. Границы КД повторяют форму нейтральной линии на некотором расстоянии от нее. Между краем КД и нейтральной линией, образующей край магнитной ячейки, существует определенная пограничная зона. В пределах КД нет нейтральных линий и нет никаких замкнутых структур. Низкоширотные КД могут образовываться между активными областями с замкнутой конфигурацией магнитного поля.
Эволюция КД происходит с изменением структуры магнитного поля на ее границе. Рождение и разрушение КД однозначно связано с изменением фотосферных магнитных полей и соответствующей перестройкой конфигурации полей короны. КД являются долгоживущими образованиями со средним временем жизни для фазы спада солнечного цикла от 3 до 20 солнечных оборотов, а для фазы около максимума солнечной. активности около 1-2 солнечных оборотов. Время жизни униполярных структур превышает время жизни КД.
Размеры и положение КД на поверхности Солнца зависят от конфигурации магнитных полей Солнца, с чем и связаны изменения КД в цикле солнечной активности. Полярные КД уменьшаются в размерах на фазе роста активности и совсем исчезают в максимуме, причем максимальные размеры КД имеют на. фазе спада активности. Экваториальные КД, располагающиеся между двумя активными областями, изменяются в солнечном цикле в зависимости от изменений активных областей: число КД резко уменьшается в минимуме и сильно увеличивается на спаде цикла, когда много биполярных магнитных областей, и широта, на которой они наблюдаются, заметно снизилась. Малые КД могут образовываться всегда.

Патрульные наблюдения КД на Земле проводятся в линии Не1 1083 нм, и на спектрогелиограммах получают локализацию КД. Главным отличием КД от нормальной спокойной короны является то, что их электромагнитное излучение меньше во всем диапазоне длин волн. Особенно хорошо КД видны на диске в мягких Х-лучах и в крайнем ультрафиолетовом излучении. КД - это области короны с аномально низкой концентрацией, причем концентрация плазмы уменьшается, а величина скорости плазмы значительно растет с увеличением степени нерадиальности конфигурации магнитного поля.

Корональные дыры являются солнечным источником высокоскоростного потока (ВСП) солнечного ветра. Механизм формирования высокоскоростных потоков от КД рассмотрен в работе [Коваленко, 1983] и сводится к тому, что из-за расходимости магнитного поля концентрация плазмы понижается, и часть волновой энергии Солнца идет на увеличение скорости солнечного ветра.
Основные параметры ВСП изучены изучены и известны [Ермолаев, 1990; Коваленко, 1983] . Размеры ВСП на орбите Земли в среднем приблизительно в два раза больше соответствующей ему КД. Максимальная скорость ВСП зависит от степени дивергенции магнитного поля в корональной дыре, Продолжительность пересечения Землей тела ВСП от 1 до 10 дней. Средние значения параметров для тела ВСП составляют:

vp=450-650 км/с; np=6 см-3; В=(4+9) нТ, Тр=10.104 К.(растет при увеличении скорости); параметр β <1; высокое содержание гелия (4 –:6)% . [Ермолаев,1990; Yermolaev, Stupin, 1997].

Рис 2. Типичный пример распределения параметров. в теле ВСП. .

Параметры ВСП от КД очень сильно изменяются как от потока к потоку, так и внутри потока, но основные свойства, а именно, не изменяющаяся в теле потока величина модуля магнитного поля В, низкая, часто ниже, чем для спокойного солнечного ветра, концентрация n , высокая скорость, очень медленно падающая в течение нескольких дней, остаются обязательными для тела ВСП от КД.
Характерным для ВСП является существование в теле потока длительных цугов альвеновских волн, распространяющихся от Солнца (High Intensity Long Duration Continuous AE Activity, HDLDCAA). Период этих альвеновских нюлн у орбиты Земли может составлять в среднем Т=З+8 часов. Эти волны ответственны за появление - Bz компоненты у орбиты Земли. Типичный пример распределения параметров. в теле ВСП показан на рис.2 .

Кромка ВСП

Кромка ВСП есть область взаимодействия ВСП и низкоскоростного солнечного ветра, отделяющая плазму отчетливо разных свойств и происхождения (interface). Лидирующая передняя кромка ВСП от КД образуется в результате вращения ВСП вместе с Солнцем, и здесь быстрый ветер догоняет медленный, образуя область сжатия. Строго говоря, лидирующая кромка ВСП не является квазистационарным течением, ее следует относить скорее к нестационарным явлениям, хотя они редко становятся настолько резкими, чтобы сформировать ударные юлны внутри 1AU. . Для кромки характерны следующие изменения параметров: увеличивается скорость от уровня спокойного солнечного ветра до скорости в теле ВСП (в среднем от v= 350 до 550 км/с); концентрация п резко увеличивается от спокойного солнечного ветра (=5см-3) до 20 см-3 и затем резко падает до 5 см-3 и менее; Т возрастает приблизительно от (2К до (10-15).104 К в теле ВСП; распределение В имеет колоколообразную форму с максимумом около 12+15 нТ.

т. о. для кромки ВСП: vp=550 км/с; np=20 см-3; Тр=(10-15).104 К.

Помимо передней кромки, у ВСП есть и вторая, задняя кромка, однако она очень размыта и идентифицируется только по небольшим увеличениям п и В. Скорость при этом уже почти уменьшена до скорости спокойного солнечного ветра, и эта кромка мало геоэффективна. Пересечение Землей кромки ВСП продолжается около 12-15 часов.

По описанным выше характеристикам КД и истекающих из них ВСП можно идентифицировать высокоскоростные потоки на орбите Земли. В данной работе мы берем только те потоки, для которых имелись корональные дыры на Солнце соответствующей магнитной полярности со смещением около 2.5+3 дней относительно даты прохождения КД через центральный меридиан для учета времени транспортировки солнечной плазмы от Солнца.

ГТС и стример

К квазистационарным типам солнечного ветра относятся также гелиосферный токовый слой (ГТС) и корональный стример. ГТС образуется как разделяющая поверхность между потоками, переносящими крупномасштабные магнитные поля противоположной полярности. Гелиосферный токовый слой опоясывает Солнце и он является центральной частью гелиосферного плазменного слоя представляющего из себя пояс корональных лучей (стримеров). Эти корональные лучи начинаются из вершин шлемовидных структур, которые имеют в основании замкнутую конфигурацию магнитных силовых линий, но магнитные поля самих лучей имеют открытую, не сходящуюся конфигурацию рис.2).

Из-за специфической конфигурации магнитного поля в ГТС и в стримере плотность потоки уменьшается с расстоянием медленнее, чем при обычном радиальными течении, обеспечивая, таким образом, высокую плотность плазмы к потоке [Коваленко, 1983] . Гелиосферный токовый слой виден на диске Солнца как нейтральная линия, где радиальная компонента равняетеи нулю: Вr=0.
ГТС является очень стабильным образованием во всей гелиосфере и существует без существенных изменений годы, хотя форми ГТС, определяемая распределением крупномасштабных магнитных полей на Солнце, может меняться от одного солнечного оборота к другому. Форма ГТС и его расположение особенно ярко изменяются в течение цикла солнечной активности: в годы минимума ГТС находится примерно в экваториальной плоскости Солнца, в остальное время, особенно н максимуме цикла, его форма и расположение могут быть произвольными [Коваленко, 1983]. На орбите Земли ГТС идентифицируется как граница секторной структуры межпланетного магнитного поля (ММП).

В литературе при определении типов потоков солнечного ветра одни авторы рассматривают плазменный слой и ГТС вместе, а другие - раздельно. Однако ГТС имеет на орбите Земли несколько иные параметры: именно в ГТС происходит смена знака радиальной составляющей ММП, здесь самая минимальная скорость и самая высокая плотность солнечного ветра. Именно по этим свойствам происходит идентификация ГТС. Для стримера характерны меньшая чем в ГТС, но все же увеличенная по сравнению с невозмущенным ветром, плотность, большая чем в ГТС скорость, увеличение по сравнению с ГТС модуля В. Вообще, самым важным отличием от других типов солиечного ветра для гелиосферного плазменного слоя и ГТС является смена знака ММП, и как внутренне присущее им свойство, высокая плотность. В среднем для спокойного стримера характерны следующие величины параметров

vp=360 км/с; np=(10-15) см-3; Тр=5.104 К; В=(7-10) нТ,

а для спокойного ГТС:

vp=350 км/с; np=(20-30) см-3; Тр=5.104 К.

Для спокойного плазменного слоя характерна симметричность величин параметров по обе стороны от ГТС.
Возмущенный стример на орбите Земли появляется в результате его взаимодействия с возмущенными потоками солнечного ветра, которые могут тормозиться плотной плазмой стримера, образуя к моменту прихода к Земле сложное возмущение. В результате этого может происходить нарушение симметрии стримера, увеличение всех параметров стримера и ГТС, которые могут сильно отличаться от одного события к другому: здесь возможны одни из самых высоких значений для солнечного ветра плотности (n>50 см-3), скорости могут увеличиваться до (450-500) км/с, возрастание модуля В, увеличение потока массы и плотности потока энергии. Для ГТС с повышенной концентрацией до n=(30-40)см-3 наблюдались β >1 .

Межпотоковая плазма

Среди квазистационарных потоков в работе выделен также тип низкоскоростной холодной плотной плазмы, который возникает в солнечном ветре между стримером и высокоскоростными потоками от КД. Этот тип на орбите Земли идентифицируется как некомпрессионное увеличение плотности типа III Noncompressive Dencity Enhancement, NCDE) [Коваленко, Филиппов, 1982] и характеризуется малой величиной модуля В=З нТ; низкой Т=2.104 К; низкой скоростью v =350 км/с и несколько повышенной плотностью n=(10-2 см-3). Особенно часто этот тип потока солнечного ветра встречается на спаде солнечного цикла, когда до 75% всех крупномасштабных корональных дыр сопровождались NCDE в солнечном ветре. Продолжительность пересечения этих потоков Землей составляет приблизительно 14 ч.

3. Нестационарные потоки

Солнечные бури

Нестационарные потоки солнечного ветра вызываются нестационарными спорадическими явлениями на Солнце. Наиболее ффективным из них является так называемая солнечная буря, когда значительное количество энергии (1эрг выделяется за сравнительно короткое время (=2.103 с).
В оптическом диапазоне солнечная буря видна как солнечная вспышка, проявляющаяся в основном во внезапном увеличении яркости излучения в линии Нα . Одновременно наблюдаются интенсивные рентгеновское, ультрафиолетовое и радиоизлучения, ударные волны, выбросы облаков плазмы. Исторически обычно солнечную бурю называют просто кромосферной вспышкой, а все другие события - сопровождающими, хотя все это является единым, очень сложным явлением, которое охватывает практически все слои от фотосферы до короны и межпланетного пространства.
Параметрами оптической вспышки является балл, определяемый по величине площади по пятибалльной шкале, длительность и яркость. Вспышки видны от нескольких минут до нескольких часов, наиболее вероятная длительность вспышки около 1 ч для балла 3 и 4. По сопровождающим вспышку всплескам мягкого рентгеновского излучения и по их максимальной интенсивности в интервале 1-8 А вспышки делят на 3 класса : (С, М, Х ). Между характеристиками вспышек по оптическими и рентгеновским признакам нет однозначного соответствия, Большинстве солнечных вспышек возникает в сложных мультиполярных активных областях в период их быстрой эволюции.

Последовательность развития солнечных бурь ("сценарий") не является общепринятой. Ниже мы приводим некоторые из них. В работе [Могилевский, 1987] предполагается, что первоосновой этих событий являются нелинейные волновые процессы в виде уединенных возмущений (МГД - солитоны, цуги МГД-волн), выходящие из подфотосферных слоев активных областей. Последние могут обеспечить:оответствующий выход энергии и вещества (=1016 г), достаточные не только для появления оптических вспышек, но и обеспечивающие генерацию корональных транзиентов. Корональные транзиенты, связанные каким-либо образом с оптическими вспышками, называются F - транзиентами. Энергия корональных транзиентов на порядок больше энергии самых больших оптических вспышек, и начинаются они на уровне фотосферы и хромосферы на 15-25 минут раньше. По-видимому, весь комплекс вспышечных явлений может рассматриваться как вторичный, определяемый прохождением F-транзиента через активную область. Корональные транзиенты более известны под названием корональный выброс масс (CME - Coronal Mass Enjection).

В работах предлагается, что сновной причиной солнечной активности является эволюция солнечного магнитного поля. При этом в результате неустойчивостей, пересоединения, всплытия нового фотосферного материала с другой полярностью выбрасывается значительная масса вещества (СМЕ), которая, распространяясь в короне и солнечном ветре, может генерировать ударную волну и приводить к ускорению некоторой части частиц в короне и солнечном ветре до значительных энергий. Достигая обиты Земли, это межпланетное возмущение может стать причиной, геомагнитной бури, когда Земля сталкивается сначала с ударной волной, а затем с самим СМЕ, идентифицируемым на орбите Земли как магнитное облако, хотя так и остается непонятным, является ли материал внутри CME рожденным во вспышке, то есть в хромосфере, или в самой короне.

В работе Браво описан несколько иной сценарий. Всплывание нового фотосферного материала противоположной полярности, что само по себе является обычным явлением на Солнце, приводит к перестройке магнитных полей в солнечной фотосфере. Если это происходит вблизи коронального шлема или корональной дыры, то перестройка магнитного поля может привести к СМЕ, которое будет распространяться вдоль открытых силовых линий магнитного поля вплоть до орбиты Земли.

Исчезновение волокон

Еще одним возможным источником спорадического нестационарного потока солнечного ветра является корональный транзиент типа ЕР [Черток, 1987] его проявлением на поверхности солнца служит внезапное исчезновение больших темных волокон, наблюдаемых на диске в поглощении линии Н>α. Характерное время этого события составляет от десятков минут до часов. Волокно, видимое на лимбе, называется протуберанцем, а его исчезновение видно как эрупция Этого протуберанца, иногда большой длительности и на расстояниях до нескольких радиусов Солнца.
Длительность жизни волокон составляет от минут до недель, протуберанец отличается большой плотностью и более низкой температурой, чем окружающая корональная плазма. По характеру движения и изменчивости они делятся на три класса: спокойные, ативные и эруптивные. Активные волокна обычно имеют петельную форму (одна или несколько друг за другом). Для эруптивных волокон характерны бурные и внезапные изменения. Некоторые из них тесно связаны с солнечными вспышками, составляя часть вспышечного процесса. Однако исчезновение волокна может быть и самостоятельным процессом как в активной области, так и вне ее.
Исчезновение волокна может сопровождаться в радиодиапазоне шумовой бурей и/или слабым всплеском IV типа. На гелиоцентрическом расстоянии r=1.5+10 Rc корональные транзиенты типа ЕР имеют форму расширяющейся петли, пузыря или целой системы петель. Хотя могут быть и другие формы: веерообразные , светящиеся гало, диффузные облака. Характерная скорость расширения - от 100 до 400 км/с, иногда до 800 км/с.

Выделяющаяся энергия составляет в среднем 1эрг. Существует ли тесная связь между движущимся волокном и СМЕ? Скорее всего, волокно в короне можно рассматривать как СМЕ или его часть. Таким обрмом, на выходе из короны имеется выброшенный материал (СМЕ), связанный с друтими формами солнечной активности, такими как солнечные вспышки и эруптивные протуберанцы. СМЕ рождаются в областях с закрытыми линиями магнитного поля в нижней короне. Типично, что эти закрытые области магнитного поля находятся у основания коронального стримера, однако СМЕ могут также появляться на значительно более высоких гелиоширотах и без связи с активными областями.

В тех спорадических событиях солнечной активности, когда СМE и вспышки находятся в близкой временной связи, СМЕ начинается раньше на 15-25 минут, и часто место вспышки находится около одного из краев СМЕ, так как СМЕ много шире (десятки градусов). СМЕ часто (1/3 всех случаев) происходит в сочетании с событиями большой в продолжительности (много часов) в мягком ренгеновском диапазоне (LDE - Long Duration Events). Вероятно, LDE связано с перестройкой солнечной короны после выброса СМЕ и включает в себя формирование новых петель горячего материала низко в короне.

Лидирующие кромки быстрых СМЕ имеют радиальные скорости от Солнца значительно большие, чем скорости солнечного ветра, позтому перед СМЕ должна образовываться ударная волна. Действительно, фактически все ударные волны в солнечном ветре происходят от движения СМЕ, которые на 1AU характеризуются следующими признаками:

1. Встречный поток (counterstreaming) (вдоль поля) гало электронов; 2. Встречный поток (counterstreaming) энергичных протона (>20 кэВ); 3. Увеличенное содержание гелия (Не++/Н+ >-0.08); 4. Уменьшенная температура ионов и электронов; 5. Сильные магнитные поля (> 8 нТ); 6. Низкое плазменное число β<1); 7. Малые вариации напряженности магнитного поля; 8. Вращение магнитного поля.

Однако самым надежным из них является встречньй (counterstreaming) поток сверхтепловых гало электронов с энергией >80 эВ, означающий закрытую топологию магнитного поля, типичную для СМЕ, в отличие от открытой топологии линий поля внутри нормального солнечного ветра.
Только 1/3 СМЕ сопровождается ударной волной, и только 1/6 часть СМЕ, направленных к Земле, вызывает большую геомагнитную бурю. Межпланетные токовые жгуты обычно известны как магнитные облака, если напряженность магнитного поля превышает на 1AU≈10 нТ. Частота появления СМЕ значительно меняется в цикле с:олнечной активности, составляя около 6 случаев в месяц в годы максимума и 8 случаев в год в минимуме солнечной активности. Межпланетные возмущения, связанные с быстрыми СМЕ, для которых свойственны высокая скорость и большие напряженности магнитного поля (часто с большой южной компонентой), могут быть очень геоэффективными. Очень сильные магнитные поля в таких возмущениях являются главным образом результатом сжатия в межпланетной среде. Ориентация поля впереди СМЕ (это есть пространство между фронтом ударной волны и самим СМЕ, называемое ударным слоем) является эффектом драпировки силовых линий около ОМЕ, тогда как ориентация поля внутри самих СМЕ определяется условиями на Солнце.
Очень большие геомагнитные бури вызываются CME с ударной волной или только ударной волной, большие бури могут вызываться также и только СМЕ. Очевидно, что ударная волна может наблюдаться в отдельной точке и без СМЕ, так как ударная волна занимает значительно большее пространство (), чем вызывающий а СМЕ (50-700).
Таким образом, транзиентные выбросы материала от Солнца з форме СМЕ являются лучшим связующим звеном между солнечной активностью и нерекуррентными событиями в земной магнитосфере.
Пюведение СМЕ во времени смоделировано .
Нестационарные потоки в межпланетном пространстве на орбите Земли имеют две большие структурные области: ударные волны и иагнитные облака. Приход ударной волны на Землю идентифицируется по основным двум критериям [Застенкер, Бородкова, 1984; Borrini et al.,1982; Иванов, 1996] :

1. Регистрация в магнитном поле Земли внезапного начала SC или внезапного импульса SI; 2. Большое резкое и одновременное изменение параметров солнечного ветра: dv>150 км/с; n и Т могут увеличиться в-несколько раз; dВ>0, повышение флуктуаций электрического поля и потока плазмы, резкое увеличение потока энергии.

Время запаздывания ударной волны относительно солнечной бури составляет dT = tsc - tбури=24-48 ч.

Вспышечные и волоконные потоки

Исторически сложилось так, что спорадические потоки, инициированные большими солнечными бурями с солнечными вспышками, называют вспышечными (пример поведения параметров во вспышечном потоке показан на рис.3), а инициированные внезапными исчезновениями волокон - волоконными. Поскольку они имеют на орбите Земли несколько разные характеристики, то будем рассматривать их отдельно и называть вспышечными и волоконными. В моделях вспышечных потоков выделяют либо, как в работе [Хундхаузен, 1976] , две границы: фронт быстрой МГД - ударной волны и граница вспышечного выброса и две структурные области: ударный слой и вспышечный выброс, либо как в работах Иванова пять структурных границ: фронт быстрой ударной волны Sf, фронт медленной ударной волны Ss магнитопауза магнитного облака Ri; внутренняя граница пограничного слоя Rl"; граница плазмы, обогащенной He++ (плазмопауза) Rп/SUB> и соответственно пять структурных областей: Sf - Ss - головной ударный слой быстрой волны (плотная, горячая турбулентная плазма с увеличенным магнитным полем, dt - часы;) Ss - Ri - ударный слой медленной волны (плотная, n=nmax для всего потока, горячая турбулентная плазма с уменьшенным магнитным полем, В=Вmin для всего потока); Ri - Ri" пограничный слой в сильном поле с падающей n, относительно высокий уровень турбулентности; Ri" - Rп - внутренняя часть магнитного облака с сильным В=Вmax для всего потока, регулярным полем, направление которого, как правило отличается от направления в окружающей среде, и с низкими значениями плотности; за Rп - плазмосфера.

Рис 3. Типичное распределение параметров во вспышечном потоке .

Для волоконных потоков, причиной которых, вероятно, являются транзиенты ЕР-типа, самым ярким является большое увеличение плотности (в 2-7 раз) относительно спокойного солнечного ветра. Часто эти возрастания плотности могут быть несжатыми (NCDE 1 типа [Коваленко, Филиппов, 1982] , для них характерны: резкий фронт, небольшая длительность (dt=10 часов), время распространения до Земли составляет 3-4 дня, высокая плотность (n>≈ 25 см ~), скорость v>400 км/с и увеличенная величина ММП (В>10 нТ). Ударной волны перед ними часто нет. Однако приблизительно у половины таких явлений увеличение плотности происходит одновременно с ростом скорости и температуры протонов [Иванов, Харшиладзе, 1994] . Для таких "сжатых" увеличений плотности часто имелись внезапные начала (SC и SI) и ударная волна. По сравнению со вспышечными потоками, волоконные потоки являются плотными, медленными, холодными.

Остановимся еще на одном аспекте солнечно-земного взаимодействия. Часто солнечная активность развивается так, что на орбиту Земли могут приходить потоки одновременно от нескольких солнечных источников; это зависит как от сценария солнечной бури, так и от местоположения этих источников, когда взаимодействуют как квазистационарные потоки, так и транзиентные. В результате на орбите Земли появляется составной поток с очень сложными характеристиками, часто с несколькими максимумами и со значительно более увеличенными параметрами, чем характерные для одиночного источника. Именно эти составные потоки в солнечном ветре могут вызывать на Земле самые большие геомагнитные и авроральные события.

Таким образом, потоки от разных источников на Солнце обладают разными, но вполне определенными пределами параметров на орбите Земли. Кроме того, квазистационарные потоки в солнечном ветре не меняют своих характеристик за время, необходимое Земле для того, чтобы пересечь эти потоки при своем движении по орбите вокруг Солнца. Дня нестационарных процессов характерно быстрое изменение параметров потока как при его образовании, так и при его распространении, и самым характерным примером нестационарного течения является ударная волна.

Основные параметры различных типов солнечного ветра суммированы в таблице.

Характеристики различных типов потоков солнечного ветра

В 1957 профессор Чикагского университета Е.Паркер теоретически предсказал явление, которое и получило наименование «солнечный ветер». Понадобилось два года, чтобы это предсказание было подтверждено экспериментально при помощи приборов, установленных на советских космических аппаратах «Луна-2» и «Луна-3» группой К.И.Грингауза. Что же представляет собой это явление?

Солнечный ветер – это поток полностью ионизованного водородного газа, называемого обычно полностью ионизованной водородной плазмой в силу примерно одинаковой плотности электронов и протонов (условие квазинейтральности), который с ускорением движется от Солнца. В районе орбиты Земли (на одной астрономической единице или, на 1 АЕ от Солнца) его скорость достигает среднего значения V E » 400–500 км/сек при температуре протонов T E » 100 000К и несколько большей температуре электронов (индекс «Е» здесь и в дальнейшем относится к орбите Земли). При таких температурах скорость на 1 АЕ существенно превосходит скорость звука, т.е. поток солнечного ветра в районе орбиты Земли является сверхзвуковым (или гиперзвуковым). Измеренная концентрация протонов (или электронов) достаточно мала и составляет величину n E » 10–20 частиц в кубическом сантиметре. Кроме протонов и электронов, в межпланетном космическом пространстве были обнаружены альфа-частицы (порядка нескольких процентов от концентрации протонов), небольшое количество более тяжелых частиц, а также межпланетное магнитное поле, средняя величина индукции которого оказалась на орбите Земли порядка нескольких гамм (1g = 10 –5 гаусс).

Крах представления о статической солнечной короне.

В течение достаточно длительного времени считалось, что все атмосферы звезд находятся в состоянии гидростатического равновесия, т.е. в состоянии, когда сила гравитационного притяжения данной звезды уравновешивается силой, связанной с градиентом давления (изменением давления в атмосфере звезды на расстоянии r от центра звезды. Математически это равновесие выражается в виде обыкновенного дифференциального уравнения,

где G – гравитационная постоянная, M * – масса звезды, p и r – давление и массовая плотность на некотором расстоянии r от звезды. Выражая массовую плотность из уравнения состояния для идеального газа

р = rRT

через давление и температуру и интегрируя полученное уравнение, получаем так называемую барометрическую формулу (R – газовая постоянная), которая в частном случае постоянной температуры Т имеет вид

где p 0 – представляет собой давление у основания атмосферы звезды (при r = r 0). Поскольку до работы Паркера считалось, что солнечная атмосфера, так же как и атмосферы других звезд, находится в состоянии гидростатического равновесия, то ее состояние определялось аналогичными формулами. Учитывая необычное и не до конца еще понятое явление резкого возрастания температуры примерно от 10 000 К на поверхности Солнца до 1 000 000 К в солнечной короне, С.Чепмен развил теорию статической солнечной короны, которая должна была плавно переходить в локальную межзвездную среду, окружающую Солнечную систему. Отсюда следовало, что, согласно представлениям С.Чепмена, Земля, совершающая свои обороты вокруг Солнца, погружена в статическую солнечную корону. Эта точка зрения в течение длительного времени разделялась астрофизиками.

Удар по этим уже установившимся представлениям был нанесен Паркером. Он обратил внимание на то, что давление на бесконечности (при r ® Ґ), которое получается из барометрической формулы, по величине почти в 10 раз превосходит давление, которое было принято в то время для локальной межзвездной среды. Чтобы устранить это расхождение Е.Паркер предположил, что солнечная корона не может находиться в гидростатическом равновесии, а должна непрерывно расширяться в окружающую Солнце межпланетную среду, т.е. радиальная скорость V солнечной короны не равна нулю. При этом вместо уравнения гидростатического равновесия он предложил использовать гидродинамическое уравнение движения вида, где М Е – масса Солнца.

При заданном распределении температуры Т , как функции расстояния от Солнца, решение этого уравнения с использованием барометрической формулы для давления и уравнение сохранения массы в виде

можно трактовать как солнечный ветер и именно при помощи этого решения с переходом от дозвукового течения (при r r *) к сверхзвуковому (при r > r *) можно согласовать давление р с давлением в локальной межзвездной среде, а, следовательно, именно это решение, названное солнечным ветром, осуществляется в природе.

Первые прямые измерения параметров межпланетной плазмы, которые проводились на первых космических аппаратах, выходивших в межпланетное космическое пространство, подтвердили правильность идеи Паркера о наличии сверхзвукового солнечного ветра, причем оказалось, что уже в районе орбиты Земли скорость солнечного ветра намного превосходит скорость звука. С тех пор нет сомнения, что представление Чепмена о гидростатическом равновесии солнечной атмосферы ошибочно, а солнечная корона непрерывно расширяется со сверхзвуковой скоростью в межпланетное космическое пространство. Несколько позже астрономические наблюдения показали, что и многие другие звезды обладают «звездными ветрами», аналогичными солнечному ветру.

Несмотря на то, что солнечный ветер предсказан теоретически на основе сферически-симметричной гидродинамической модели, само явление оказалось значительно сложнее.

Какова реальная картина движения солнечного ветра? В течение длительного времени солнечный ветер считался сферически-симметричным, т.е. независимым от солнечных широты и долготы. Поскольку космические аппараты до 1990, когда был запущен космический аппарат «Улисс» (Ulysses), в основном, летали в плоскости эклиптики, то измерения на таких космических аппаратах давали распределения параметров солнечного ветра только в этой плоскости. Расчеты, проводимые по наблюдениям отклонения хвостов комет, указывали на приблизительную независимость параметров солнечного ветра от солнечной широты, однако, этот вывод на основании кометных наблюдений не был достаточно надежен из-за сложностей интерпретации этих наблюдений. Хотя долготная зависимость параметров солнечного ветра измерялась приборами, установленными на космических аппаратах, тем не менее, она была либо незначительной и связывалась с межпланетным магнитным полем солнечного происхождения, либо с кратковременными нестационарными процессами на Солнце (главным образом, с солнечными вспышками).

Измерения параметров плазмы и магнитного поля 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, таким образом, от солнечной долготы. Качественно четырехсекторная структура показана на рис. 1.

При этом наземные телескопы обнаруживают общее магнитное поле на поверхности Солнца. Его средняя величина оценивается в 1 Гс, хотя в отдельных фотосферных образованиях, например, в солнечных пятнах магнитное поле может быть на порядки величины больше. Поскольку плазма является хорошим проводником электричества, то солнечные магнитные поля так или иначе взаимодействуют с солнечным ветром вследствие появления пондеромоторной силы j ґ B . Эта сила мала в радиальном направлении, т.е. она практически не влияет на распределение радиальной компоненты солнечного ветра, однако ее проекция на перпендикулярное к радиальному направление приводит к появлению у солнечного ветра тангенциальной компоненты скорости. Хотя эта компонента почти на два порядка меньше радиальной, она играет существенную роль в выносе из Солнца момента количества движения. Астрофизики предполагают, что последнее обстоятельство может играть существенную роль в эволюции не только Солнца, но и у других звезд, у которых обнаружен звездный ветер. В частности, для объяснения резкого уменьшения угловой скорости звезд позднего спектрального класса часто привлекается гипотеза о передаче ими вращательного момента образующимся вокруг них планетам. Рассмотренный механизм потери углового момента Солнца путем истечения из него плазмы в присутствии магнитного поля открывает возможность пересмотра этой гипотезы.

Измерения среднего магнитного поля не только в районе орбиты Земли, но и на больших гелиоцентрических расстояниях (например, на космических аппаратах «Вояджер 1 и 2» и «Пионер 10 и 11») показали, что в плоскости эклиптики, почти совпадающей с плоскостью солнечного экватора, его величина и направление хорошо описывается формулами

полученными Паркером. В этих формулах, описывающих так называемую паркеровскую спираль Архимеда, величины B r , B j – радиальная и азимутальная компоненты вектора магнитной индукции соответственно, W – угловая скорость вращения Солнца, V – радиальная компонента солнечного ветра, индекс «0» относится к точке солнечной короны, в которой величина магнитного поля известна.

Запуск Европейским космическим агентством в октябре 1990 космического аппарата «Улисс», траектория которого была рассчитана таким образом, что в настоящее время он вращается вокруг Солнца в плоскости, перпендикулярной плоскости эклиптики, полностью изменил представления о том, что солнечный ветер сферически симметричен. На рис. 2 представлены измеренные на аппарате «Улисс» распределения радиальной скорости и плотности протонов солнечного ветра как функции солнечной широты.

Из этого рисунка видна сильная широтная зависимость параметров солнечного ветра. Оказалось, что скорость солнечного ветра возрастает, а плотность протонов уменьшается с гелиографической широтой. И если в плоскости эклиптики радиальная скорость в среднем ~ 450 км/cек, а плотность протонов ~15 см –3 , то, например, на 75° солнечной широты эти величины ~700км/сек и ~5 см –3 соответственно. Зависимость параметров солнечного ветра от широты менее выражена в периоды минимума солнечной активности.

Нестационарные процессы в солнечном ветре.

Модель, предложенная Паркером, предполагает сферическую симметрию солнечного ветра и независимость его параметров от времени (стационарность рассматриваемого явления). Однако процессы, происходящие на Солнце, вообще говоря, не являются стационарными, а следовательно, и солнечный ветер не является стационарным. Характерные времена изменения параметров имеют самые различные масштабы. В частности, имеют место изменения параметров солнечного ветра, связанные с 11-летним циклом солнечной активности. На рис. 3 показано измеренное при помощи космических аппаратов IMP-8 и Voyager-2 среднее (за 300 дней) динамическое давление солнечного ветра (r V 2) в районе орбиты Земли (на 1 АЕ) в течение одного 11-летнего солнечного цикла солнечной активности (верхняя часть рисунка). На нижней части рис. 3 изображено изменение числа солнечных пятен за время с 1978 по 1991 (максимальное число соответствует максимуму солнечной активности). Видно, что параметры солнечного ветра существенно меняются за характерное время порядка 11-лет. При этом измерения на космическом аппарате «Улисс» показали, что такие изменения происходят не только в плоскости эклиптики, но и на других гелиографических широтах (на полюсах динамическое давление солнечного ветра несколько выше, чем на экваторе).

Изменения параметров солнечного ветра могут происходить и на гораздо меньших временных масштабах. Так, например, вспышки на Солнце и разные скорости истечения плазмы из разных областей солнечной короны приводят к тому, что в межпланетном пространстве образуются межпланетные ударные волны, которые характеризуются резким скачком скорости, плотности, давления, температуры. Качественно механизм их образования показан на рис. 4. Когда быстрый поток какого-либо газа (например, солнечной плазмы) догоняет более медленный, то в месте их соприкосновения возникает произвольный разрыв параметров газа, 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 (на них законы сохранения массы импульса и энергии приводят к так называемым соотношениям Гюгонио) и тангенциальный разрыв (те же законы сохранения приводят к тому, что на нем давление и нормальная компонента скорости должны быть непрерывны). На рис. 4 этот процесс показан в упрощенной форме сферически симметричной вспышки. Здесь надо отметить, что такие структуры, состоящие из впереди идущей ударной волны (forward shock), тангенциального разрыва и второй ударной волны (reverse shock) движутся от Солнца таким образом, что forward shock движется со скоростью, большей скорости солнечного ветра, reverse shock движется от Солнца со скоростью несколько меньшей скорости солнечного ветра, а скорость тангенциального разрыва равна скорости солнечного ветра. Такие структуры регулярно регистрируются приборами, установленными на космических аппаратах.

Об изменении параметров солнечного ветра с расстоянием от солнца.

Изменение скорости солнечного ветра с расстоянием от Солнца определяется двумя силами: силой солнечной гравитации и силой, связанной с изменением давления (градиентом давления). Поскольку сила гравитации убывает как квадрат расстояния от Солнца, то на больших гелиоцентрических расстояниях ее влияние несущественно. Расчеты показывают, что уже на орбите Земли ее влиянием, также как и влиянием градиента давления, можно пренебречь. Следовательно, скорость солнечного ветра можно считать почти постоянной. При этом она существенно превосходит скорость звука (течение гиперзвуковое). Тогда из приведенного выше гидродинамического уравнения для солнечной короны следует, что плотность r убывает как 1/r 2 . Американские космические аппараты «Вояджер 1 и 2», «Пионер 10 и 11», запущенные в середине 1970-ых и сейчас находящиеся на расстояниях от Солнца в несколько десятков астрономических единиц, подтвердили эти представления о параметрах солнечного ветра. Они подтвердили также и предсказанную теоретически паркеровскую спираль Архимеда для межпланетного магнитного поля. Однако температура не следует адиабатическому закону охлаждения при расширении солнечной короны. На очень больших расстояниях от Солнца солнечный ветер имеет даже тенденцию к разогреву. Такой разогрев может быть обусловлен двумя причинами: диссипацией энергии, связанной с плазменной турбулентностью, и влиянием нейтральных атомов водорода, проникающих в солнечный ветер из межзвездной среды, окружающей солнечную систему. Вторая причина приводит и к некоторому торможению солнечного ветра на больших гелиоцентрических расстояниях, обнаруженная на вышеупомянутых космических аппаратах.

Заключение.

Таким образом, 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 Земли, поскольку эти процессы в той или иной степени оказывают влияние на нашу жизнь. В частности, высокоскоростные потоки солнечного ветра, обтекая магнитосферу Земли, влияют на ее строение, а нестационарные процессы на Солнце (например, вспышки) могут приводить к магнитным бурям, нарушающим радиосвязь и влияющим на самочувствие метеочувствительных людей. Поскольку солнечный ветер зарождается в солнечной короне, то его свойства в районе орбиты Земли являются хорошим индикатором для изучения важных для практической деятельности человека солнечно-земных связей. Однако это уже другая область научных исследований, которой мы не будем касаться в настоящей статье.

Владимир Баранов

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.

Погоду и климат на Земле как и все формы жизни определяет солнечная энергия поступающая от Солнца и обеспечивая энергетический баланс.

Энергетический баланс Земли достигается тем, что если входящее и исходящее излучения равны, то климат находится в равновесии.

Этот баланс достигается или не достигается в зависимости от того как солнечная энергия взаимодействует на нашей планете с объектами посредством таких явлений, как рассеяние, отражение, поглощение и преобразование из одной формы в другую. Солнечную энергию можно хранить, транспортировать в различных формах или преобразовывать между различными видами. В целом, то, как действуют ресурсы после того, как достигают Земли играет значительную роль в климате.

Потоки солнечной энергии — это энергетические преобразования и движения, которые происходят после того, как они достигли планеты. Эти потоки описывают, как распределяется способность выполнять работу и как они взаимодействуют с объектами, определяя климатические свойства.

Как применяется на Земле

Вся энергия, которая циркулирует действует по-разному. Из всей солнечной энергии, вырабатываемой Солнцем, только 70% достигает поверхности нашей планеты каким-то образом. Как только эти 70% достигают Земли она движется в различных формах. Большая часть на на планете получается от нашей звезды и только 0,03% поступает из других источников. Это означает, что Солнце источник жизни на Земле , так как оно излучает наиболее доминирующий поток.

Всего на Землю «доходит» 174 000 ТВт (тераватт 10 * 10 в 11 степени) — это примерно работа произведенная сжиганием 4 млн тонн нефти в секунду. Это небольшая часть из 410 000 000 000 000 ТВт которое выпускает наша звезда во всех направлениях, но по-прежнему много.

Таким образом, роль солнца в жизни человека основополагающая.

Хотя поток солнечной энергии является наиболее доминирующим потоком, это не единственный источник на планете. Энергия от использования ядерного топлива, а также от приливов и тепловая из центра Земли все способствует общим ресурсам. Хотя эти потоки вносят гораздо меньший вклад, они по-прежнему жизненно важны для обеспечения энергетического баланса Земли.

Солнечный поток

Из 174 000 ТВт, доставленных на Землю, среднее значение определяется как энергетический баланс на одном квадратном метре земли. Однако эта величина усредняется по всей планете. Из этой мощности, примерно 30% отражается обратно в космос с отражением из-за атмосферы, облаков, океана, суши и льдов.

Оставшиеся 120 000 ТВт или около 70% от первоначальной мощности, которая достигает поверхности нашей планеты нагревает атмосферу. В атмосфере, молекулы парниковых газов поглощают это тепло и их температура повышается. После этого поглощения, газы излучают тепло обратно во всех направлениях. Затем эта тепловая мощность излучается обратно в космическое пространство. Именно это явление нагревает поверхность через естественный парниковый эффект.

Примерно 78 300 ТВт солнечной энергии используются для поддержания тепла атмосферы, чтобы в результате чего средняя температура оставалась на уровне 15°C.

Из исходной входящей солнечной энергии примерно 23% или 40 000 ТВт уходит на испарение воды и проходит гидрологический цикл. Здесь молекулы жидкой воды поглощают входящую энергию и меняют фазу от жидкости к газу. Мощность, потребляемая для испарения этой воды, затем скрыта в движении молекул пара. Молекулы могут затем конденсироваться, создавая дождь, снег и мокрый снег, который заполняет реки через стоки и формируя облака. Облака также выпускают скрытое тепло в атмосферу.

Это позволяет использовать гидроэнергию из которых люди используют ~ 1 ТВт.

Примерно на 1% или 1700 ТВТ превращается в ветер и морские течения. Это перемещает воздух и воду по всей планете, которые передает тепло, удерживаемое при движении молекул газа или жидкости. осуществляется ветроэнергетикой.

Очень небольшое количество, только около 0,08%, начальной солнечной энергии или 140 ТВт получается путем фотосинтеза, давая жизнь растениям. Фотосинтез позволяет растениям поглощать углерод из атмосферы в виде углекислого газа.

Из этих 140 ТВт почти вся солнечная энергия используется для жизненных сил. Растения получают свой рост от этого фотосинтеза, а затем животные либо едят растения, чтобы получить силу или едят животных, которые едят эти растения. Когда растения и животные умирают, они могут стать ископаемым топливом. Однако для этого требуется значительное время — миллионы лет.

Несмотря на то, что образование ископаемого топлива не является простым, большая часть химических ресурсов, накопленных в этих растениях и животных, распадается на тепло в атмосфере. Ресурсное топливо, используемое людьми, составляет всего около 14 ТВт.

Другие потоки

Помимо солнечной энергии, ядерный поток способствует общим ресурсам на планете. Люди используют около 1 ТВт и эти ресурсы не исходят от Солнца. Это ядерное топливо осталось после взрыва, который образовал Солнечную систему. Это 1 TW является частью 0,02%, что не приходит от Солнца.

Геотермальный поток также является еще одним источником не исходящим от Солнца. , проходящая через земную кору, составляет примерно 44 ТВт или около 0,025%.

Остальная часть мощности исходящей не от Солнца, составляет ~3 ТВт или 0,0017%, поступающих от приливных сил, действующих между Землей и Луной. Это небольшой поток известен как приливы и отливы.

Энергетический баланс Земли

Наша планета излучает из всех потоков обратно в космос в виде теплового излучения соблюдая энергетический баланс Земли. Поэтому она остается почти полностью сбалансированной с точки зрения температуры благодаря тому, как потоки взаимодействуют друг с другом когда солнечная энергия достигает Земли. Это связано с энергетическим балансом Земли. Увеличение выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ и метан, приводит к тому, что в космос излучается немного меньше тепла, чем поступающая мощность. Эта разница составляет очень маленькую величину.

Но на протяжении нескольких десятилетий это привело к потеплению климата особенно теплых океанов, хотя это, казалось бы, незначительная сила, равная выходу примерно 1 лампочки на каждый квадратный метр поверхности Земли.

Наука солнечная геоинженерия

Солнечная геоинженерия — новая наука по смягчению последствий изменения климата из-за парниковых газов, влияющих на поступающую солнечную радиацию. Эта наука предлагает решения в том числе и геополитические вопросы сохранения климата.

Выбросы углекислого газа от сжигания угля, нефти и газа растут в течение последних десятилетий, в результате на нашей планете становится еще жарче и жарче.

Известно, что большие извержения вулканов охлаждают планету, создав множество мелких частиц в стратосфере которые отражают приходящее тепло. Идея солнечной геоинженерии состоит в постоянном пополнении слоя мелких частиц в стратосфере, имитируя вулканические последствия для рассеяния солнечного света обратно в космос.

Но теоретическая модель управления поступающей солнечной энергии пока не нашла поддержки.

Магнитное поле Земли и солнечный ветер

Солнечный ветер

Температура короны — наружного слоя , может достигать значений до 1,1 миллиона градусов по Цельсию. Поэтому, имея такую температуру, частицы двигаются очень быстро. Гравитация Солнца не может удержать их — и они покидают звезду.

Активность Солнца меняется в течение 11-летнего цикла. При этом количество солнечных пятен, уровни радиации и масса выброшенного в космос материала меняются. И эти изменения влияют на свойства солнечного ветра — его магнитное поле, скорость, температуру и плотность. Поэтому солнечный ветер может иметь разные характеристики. Они зависят от того, где конкретно находился его источник на Солнце. И еще они зависят от того, насколько быстро вращалась эта область.

Скорость солнечного ветра выше скорости движения вещества корональных отверстий. И достигает 800 километров в секунду. Эти отверстия возникают на полюсах Солнца и в его низких широтах. Они приобретают наибольшие размеры в те периоды, когда активность на Солнце минимальна. Температуры вещества, переносимого солнечным ветром, могут достигать 800 000 C.

Изучение солнечного ветра

Ученым известно о существовании солнечного ветра с 1950-х годов. Но несмотря на его серьезное воздействие на Землю и космонавтов, ученые все еще не знают многих его характеристик. Несколько космических миссий, совершенных в последние десятилетия, пытались объяснить эту тайну.

Запущенная в космос 6 октября 1990 года миссия NASA Ulysses изучала Солнце на разных его широтах. Она измеряла различные свойства солнечного ветра в течение более чем десяти лет.

Миссия Advanced Composition Explorer () имела орбиту, связанную с одной из особых точек, находящихся между Землей и Солнцем. Она известна как точка Лагранжа. В этой области гравитационные силы от Солнца и Земли имеют одинаковое значение. И это позволяет спутнику иметь стабильную орбиту. Начатый в 1997 году эксперимент ACE изучает солнечный ветер и обеспечивает измерения постоянного потока частиц в реальном масштабе времени.

Космические аппараты NASA STEREO-A и STEREO-B изучают края Солнца с разных сторон, чтобы увидеть, как рождается солнечный ветер. По данным NASA , STEREO представила «уникальный и революционный взгляд на систему Земля — Солнце».

Новые миссии

NASA планирует запуск новой миссии по изучению Солнца. Она дает ученым надежду узнать еще больше о природе Солнца и солнечного ветра. Солнечный зонд NASA Parker , планируемый к запуску (успешно запущен 12.08.2018 — Navigator ) летом 2018 года, будет работать таким образом, чтобы буквально «коснуться Солнца». Спустя несколько лет полета на орбите, близкой к нашей звезде, зонд впервые в истории погрузится в корону Солнца. Это будет сделано для того, чтобы получить комбинацию фантастических изображений и измерений. Эксперимент продвинет вперед наше понимание природы солнечной короны, и улучшит понимание происхождения и эволюции солнечного ветра.