к библиотеке

Солнечный ветер. Звездный ветер

Солнечный ветер, solar wind - поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300 - 1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.

Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе такие явления космической погоды, как магнитные бури и полярные сияния.

В отношении других звёзд употребляется термин звёздный ветер, так что по отношению к солнечному ветру можно сказать «звёздный ветер Солнца».

Вероятно, что первым предсказал существование солнечного ветра норвежский исследователь Кристиан Биркеланд (норв. Kristian Birkeland) в 1916 г. «С физической точки зрения наиболее вероятно, что солнечные лучи не являются ни положительными ни отрицательными, но и теми и другими вместе». Другими словами, солнечный ветер состоит из отрицательных электронов и положительных ионов.

Три года спустя, в 1919 Фридерик Линдеманн (англ. Frederick Alexander Lindemann) также предположил, что частицы обоих зарядов, протоны и электроны, приходят от Солнца.

В 1930-х годах ученые определили, что температура солнечной короны должна достигать миллиона градусов, поскольку корона остается достаточно яркой при большом удалении от Солнца, что хорошо видно во время солнечных затмений. Позднее спектроскопические наблюдения подтвердили этот вывод. В середине 50-х британский математик и астроном Сидни Чепмен определил свойства газов при таких температурах. Оказалось, что газ становится великолепным проводником тепла и должен рассеивать его в пространство за пределы орбиты Земли. В то же время немецкий ученый Людвиг Бирманн (нем. Ludwig Franz Benedikt Biermann) заинтересовался тем фактом, что хвосты комет всегда направлены прочь от Солнца. Бирманн постулировал, что Солнце испускает постоянный поток частиц, которые создают давление на газ, окружающий комету, образуя длинный хвост.

В 1955 году советские астрофизики С. К. Всехсвятский, Г. М. Никольский, Е. А. Пономарев и В. И. Чередниченко показали, что протяженная корона теряет энергию на излучение и может находиться в состоянии гидродинамического равновесия только при специальном распределении мощных внутренних источников энергии. Во всех других случаях должен существовать поток вещества и энергии. Этот процесс служит физическим основанием для важного явления — «динамической короны». Величина потока вещества была оценена из следующих соображений: если бы корона находилась в гидростатическом равновесии, то высоты однородной атмосферы для водорода и железа относились бы как 56/1, то есть ионов железа в дальней короне наблюдаться не должно. Но это не так. Железо светится во всей короне, причем FeXIV наблюдается в более высоких слоях, чем FeX, хотя кинетическая температура там ниже. Силой, поддерживающей ионы во «взвешенном» состоянии, может быть импульс, передаваемый при столкновениях восходящим потоком протонов ионам железа. Из условия баланса этих сил легко найти поток протонов. Он оказался таким же, какой следовал из гидродинамической теории, подтвержденной впоследствии прямыми измерениями. Для 1955 г. это было значительным достижением, но в «динамическую корону» никто тогда не поверил.

Тремя годами позже Юджин Паркер (Eugene N. Parker) сделал вывод, что горячее течение от Солнца в чепменовской модели и поток частиц, сдувающий кометные хвосты в гипотезе Бирманна - это два проявления одного и того же явления, которое он назвал «солнечным ветром». Паркер показал, что даже несмотря на то, что солнечная корона сильно притягивается Солнцем, она столь хорошо проводит тепло, что остается горячей на большом расстоянии. Так как с расстоянием от Солнца его притяжение ослабевает, из верхней короны начинается сверхзвуковое истечение вещества в межпланетное пространство. Более того, Паркер был первым, кто указал, что эффект ослабления гравитации имеет то же влияние на гидродинамическое течение, что и сопло Лаваля: оно производит переход течения из дозвуковой в сверхзвуковую фазу.

Теория Паркера была подвергнута жесткой критике. Статья, посланная в 1958 году Astrophysical Journal была забракована двумя рецензентами и только благодаря редактору, Субраманьяну Чандрасекару попала на страницы журнала.

Однако, в январе 1959 года первые прямые измерения характеристик солнечного ветра (Константин Грингауз, ИКИ РАН) были проведены советской станцией Луна-1, посредством установленных на ней сцинтилляционного счетчика и газового ионизационного детектора. Три года спустя такие же измерения были проведены и американкой Марсией Нейгебауэр по данным станции Маринер-2. Все же, ускорение ветра до высоких скоростей еще не было понято и не могло быть объяснено из теории Паркера. Первые численные модели солнечного ветра в короне с использованием уравнений магнитной гидродинамики были созданы Пневманом и Кноппом (англ. Pneuman and Knopp) в 1971 г.

В конце 1990-х с помощью Ультрафиолетового коронального спектрометра (Ultraviolet Coronal Spectrometer (UVCS)) на борту спутника SOHO были проведены наблюдения областей возникновения быстрого солнечного ветра на солнечных полюсах. Оказалось, что ускорение ветра много больше, чем предполагалось, исходя из чисто термодинамического расширения. Модель Паркера предсказывала, что скорость ветра становится сверхзвуковой на высоте 4 радиусов Солнца от фотосферы, а наблюдения показали, что этот переход происходит существенно ниже, примерно на высоте 1 радиуса Солнца, подтверждая, что существует дополнительный механизм ускорения солнечного ветра.

В 2004 году К.А. Хайдаровым работе "Реальная динамика Солнца" показано, что солнечный ветер есть поток частиц - продуктов термоядерных взрывов в атмосфере Солнца. Среди этих частиц значительную долю составляют нейтроны, которые из-за короткого времени полураспада (среднее время жизни свободного нейтрона 15,3 мин, период полураспада Т1/2 10,603 минуты), не долетев до Земли, превращаются в протоны и электроны высоких энергий. Вместе с ядрами гелия, являющимися основным продуктом тритий-дейтериевой реакции синтеза, эти протоны и электроны и есть основная составляющая солнечного ветра.

Характеристики

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

Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной активности и его источников, то есть тритий-дейтериевых взрывов в недрах Солнца. Многолетние наблюдения на орбите Земли (около 150 000 000 км от Солнца) показали, что солнечный ветер структурирован и обычно делится на спокойный и возмущенный (спорадический и рекуррентный). В зависимости от скорости, спокойные потоки солнечного ветра делятся на два класса: медленные (примерно 300—500 км/с около орбиты Земли) и быстрые (500—800 км/с около орбиты Земли). Иногда к стационарному ветру относят область гелиосферного токового слоя, который разделяет области различной полярности межпланетного магнитного поля, и по своим характеристикам близок к медленному ветру.

Медленный солнечный ветер - это продукты глубинных Т-Д-взрывов внутри Солнца, которые заторможены мощным слоем солнечной атмосферы, а быстрый солнечный ветер - это продукты поверхностных Т-Д-взрывов, которые сопровождаются "солнечными вспышками", то есть видимыми термоядерными взрывами.

Параметры солнечного ветра
Параметр Средняя величина Медленный солнечный ветер Быстрый солнечный ветер
Плотность n, см-3 8,8 11,9 3,9
Скорость V, км/с 468 327 702
nV, см-2·с-1 3,8·108 3,9·108 2,7·108
Темп. протонов Tp, К 7·104 3,4·104 2,3·105
Темп. электронов Te, К 1,4·105 1,3·105 1,0·105
Te / Tp 1,9 4,4 0,45

Возмущенные потоки

К возмущенным потокам относят межпланетное проявление корональных выбросов массы (СМЕ), а также области сжатия перед быстрыми СМЕ (называемыми в англоязычной литературе Sheath) и перед быстрыми потоками из корональных дыр (называемыми в англоязычной литературе Corotating interaction region — CIR). Около половины случаев наблюдений Sheath и CIR могут иметь впереди себя межпланетную ударную волну, порождаемую мощнейшими термоядерными взрывами на Солнце. Именно в возмущенных типах солнечного ветра межпланетное магнитное поле может отклоняться от плоскости эклиптики и содержать южную компоненту поля, которая приводит ко многим эффектам космической погоды (геомагнитной активности, включая магнитные бури). Изначально (в 1960-1970 гг) правильно предполагалось, что возмущенные спорадические потоки вызываются "солнечными вспышками", однако в настоящее время горе теоретики убедили большинство исследователей в том, что спорадические потоки в солнечном ветре обусловлены корональными выбросами.

На самом деле эти потоки есть выбросы массы солнечной атмосферы ударной волной термоядерного взрыва, наблюдаемого в виде "солнечной вспышки". Кроме того, при этом возникает мощнейший электромагнитный импульс (точно такой, как при взрыве водородной бомбы, но мощнее на много порядков). Он порождает так называемые "магнитные бури", задерживающиеся в своей низкочастотной части от "солнечных вспышек", то есть взрывов на Солнце на несколько дней. Этот эффект определяется тем, что ЭМ-волны низких частот имеют скорость значительно ниже скорости света.

Следует отметить, что согласно экспериментальным данным и солнечные вспышки, и корональные выбросы связаны с одними и теми же источниками энергии на Солнце и между ними уже давно была определена статистическая зависимость.

По времени наблюдения различных крупномасштабных типов солнечного ветра быстрые и медленные потоки составляют около 53 %, гелиосферный токовый слой 6 %, CIR — 10 %, CME — 22 %, Sheath — 9 %, и соотношение между временем наблюдения различных типов сильно изменяется в цикле солнечной активности.

Феномены, порождаемые солнечным ветром

Релятивисты во главе с В. Гинзбургом проповедуют, что благодаря высокой проводимости плазмы солнечного ветра магнитное поле Солнца оказывается вмороженным в истекающие потоки ветра и наблюдается в межпланетной среде в виде межпланетного магнитного поля.

Это неверно по простой причине - для "вмораживания" магнитного поля необходимо, чтобы космическое пространство, то есть вакуум или эфир, обладали сверхпроводимостью, которая только одна может породить такое явление. Однако известно, что вакуум есть идеальный диэлектрик.

Истинная причина замедненного движения магнитного поля, то электро-магнитной волны сверхнизкой частоты есть частотная дисперсия ЭМ-волн при частотах ниже 100 КГц, обнаруженная К.А. Хайдаровым в 2007 году.

Солнечный ветер образует границу гелиосферы, благодаря чему препятствует проникновению межзвёздного газа в Солнечную систему. Магнитное поле солнечного ветра значительно ослабляет приходящие извне галактические космические лучи. Локальное повышение межпланетного магнитного поля приводит к краткосрочным понижениям космических лучей, Форбуш-понижениям, а крупномасштабные уменьшения поля приводят к их долгосрочным возрастаниям. Так в 2009 году, в период затянувшегося минимума солнечной активности, интенсивность излучения вблизи Земли выросла на 19 % относительно всех наблюдаемых ранее максимумов.

Солнечный ветер порождает на планетах Солнечной системы, обладающих магнитным полем, такие явления, как магнитосфера, полярные сияния и радиационные пояса планет.

Звездный ветер

Звездный ветер - явление, аналогичное солнечному ветру, проявляющееся у других звезд, истечение вещества из звёзд со скоростями порядка сотен или тысяч км/с. 3вездный ветер наблюдается у звёзд поздних спектральных классов с поверхностной температурой порядка и меньше солнечной (Тповх6000 К), а также у очень горячих О- и В-звёзд.

Мощное истечение из горячей звезды Р Лебедя со скоростями в несколько сот км/с было открыто по форме спектральных линий в оптическом диапазоне (рис. 1). Позже аналогичные профили оптических линий, указывающие на истечение, были обнаружены у звёзд типа Вольфа-Райе. Здесь скорости истечения достигают нескольких тысяч км/с.

Схема образования профиля спектральных линий в расширяющейся оболочке

Рис. 1. Схема образования профиля спектральных линий в расширяющейся оболочке ( а).
Показаны области формирования линий поглощения (I) и эмиссионных линий (II).
Форма спектральнойлинии пятикратно ионизованного кислорода О VI (1038 Е) голубого сверхгиганта 3 Pupis ( б).
Линия поглощения смещена из-за эффекта Доплера.
По вертикальной оси - отношение интенсивности излучения в линии к интенсивности непрерывного спектра.
По горизонтальной - длина волны в Е (вверху) и скорость в км/с (внизу), соответствующая доплеровскому смещению.

Наиболее подробно изучен солнечный ветер, прямые наблюдения которого были выполнены на спутниках в кон. 50-х гг. В сер. 60-х гг. по измерениям в УФ-диапазоне, выполненным на ракетах, был обнаружен сильный звездный ветер со скоростями порядка тысяч км/с у всех наблюдаемых горячих О- и В-звёзд.

Литература

  1. Kristian Birkeland, «Are the Solar Corpuscular Rays that penetrate the Earth’s Atmosphere Negative or Positive Rays?» in Videnskapsselskapets Skrifter, I Mat — Naturv. Klasse No.1, Christiania, 1916.
  2. Philosophical Magazine, Series 6, Vol. 38, No. 228, December, 1919, 674 (on the Solar Wind)
  3. Ludwig Biermann (1951). «Kometenschweife und solare Korpuskularstrahlung». Zeitschrift fur Astrophysik 29: 274.
  4. Всехсвятский С.К., Никольский Г.М., Пономарев Е.А., Чередниченко В.И. (1955). «К вопросу о корпускулярном излучении Солнца». Астрономический журнал 32: 165.
  5. Christopher T. Russell. THE SOLAR WIND AND MAGNETOSPHERIC DYNAMICS. Institute of Geophysics and Planetary Physics University of California, Los Angeles.
  6. Roach, John. Astrophysicist Recognized for Discovery of Solar Wind, National Geographic News (August 27, 2003).
  7. Eugene Parker (1958). «Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields». The Astrophysical Journal 128: 664.
  8. M. Neugebauer and C. W. Snyder (1962). «Solar Plasma Experiment». Science 138: 1095–1097.
  9. G. W. Pneuman and R. A. Kopp (1971). «Gas-magnetic field interactions in the solar corona». Solar Physics 18: 258.
  10. Ермолаев Ю. И., Николаева Н. С., Лодкина И. Г., Ермолаев М. Ю. Относительная частота появления и геоэффективность крупномасштабных типов солнечного ветра // Космические исследования. — 2010. — Т. 48. — № 1. — С. 3–32.
к библиотеке

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution