Можно использовать не только как движитель космических парусников, но и как источник энергии. Наиболее известное применение солнечного ветра в этом качестве было впервые предложено Фрименом Дайсоном (Freeman Dyson), предположившим, что высокоразвитой цивилизации по силам создание сферы вокруг звезды, которая бы собирала всю испускаемую ею энергию. Исходя из этого так же был предложен очередной метод поиска внеземных цивилизаций.
Между тем, коллективом исследователей Вашингтонского университета (Washington State University) под руководством Брукса Харропа (Brooks Harrop) была предложена более практичная концепция использования энергии солнечного ветра - спутники Дайсона-Харропа. Они представляют собой довольно простые электростанции, собирающие электроны из солнечного ветра. На длинный металлический стержень, направленный на Солнце, подается напряжение для генерации магнитного поля, которое будет притягивать электроны. На другом конце располагается приемник-ловушка электронов, состоящая из паруса и приемника.
По расчетам Харропа, спутник с 300-метровым стержнем, толщиной 1 см и 10-метровой ловушкой, на орбите Земли сможет «собирать» до 1,7 МВт. Этого достаточно для обеспечения энергией примерно 1000 частных домов. Тот же спутник, но уже с километровым стержнем и парусом в 8400 километров сможет «собирать» уже 1 миллиард миллиардов гигаватт энергии (10 27 Вт). Остается только передать эту энергию на Землю, чтобы отказаться от всех остальных ее видов.
Команда Харропа предлагает передавать энергию с помощью лазерного луча. Однако, если конструкция самого спутника довольно проста и вполне реализуема на современном уровне технологий, то создание лазерного «кабеля» пока технически невозможно. Дело в том, что для эффективного сбора солнечного ветра спутник Дайсона-Харропа должен лежать вне плоскости эклиптики, а значит находится в миллионах километров от Земли. На таком расстоянии луч лазера будет давать пятно, диаметром в тысячи километров. Адекватная же фокусирующая система потребует объектив от 10 до 100 метров в диаметре. Кроме этого, нельзя исключать многие опасности от возможных сбоев системы. С другой стороны, энергия требуется и в самом космосе, и небольшие спутники Дайсона-Харропа вполне могут стать ее основным источником, заменив солнечные батареи и ядерные реакторы.
Постоянный радиальный поток плазмы солн. короны в межпланетное пр-во. Поток энергии, идущий из недр Солнца, нагревает плазму короны до 1,5- 2 млн. К. Пост. нагрев не уравновешивается потерей энергии за счёт излучения, т. к. короны мала. Избыточную энергию в значит. степени уносят ч-цы С. в. (=1027-1029 эрг/с). Корона, т. о., не находится в гидростатич. равновесии, она непрерывно расширяется. По составу С. в. не отличается от плазмы короны (С. в. содержит гл. обр. протоны, эл-ны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа). У основания короны (в 10 тыс. км от фотосферы Солнца) ч-цы имеют радиальную порядка сотен м/с, на расстоянии неск. солн. радиусов она достигает скорости звука в плазме (100 -150 км/с), у орбиты Земли скорость протонов составляет 300-750 км/с, а их пространств. - от неск. ч-ц до неск. десятков ч-ц в 1 см3. При помощи межпланетных косм. станций установлено, что вплоть до орбиты Сатурна плотность потока ч-ц С. в. убывает по закону (r0/r)2, где r - расстояние от Солнца, r0 - исходный уровень. С. в. уносит с собой петли силовых линий солн. магн. поля, к-рые образуют межпланетное магн. . Сочетание радиального движения ч-ц С. в. с вращением Солнца придаёт этим линиям форму спиралей. Крупномасштабная структура магн. поля в окрестностях Солнца имеет вид секторов, в к-рых поле направлено от Солнца или к нему. Размер полости, занятой С. в., точно не известен (радиус её, по-видимому, не меньше 100 а. е.). У границ этой полости динамич. С. в. должно уравновешиваться давлением межзвёздного газа, галактич. магн. поля и галактич. косм. лучей. В окрестностях Земли столкновение потока ч-ц С. в. с геомагн. полем порождает стационарную ударную волну перед земной магнитосферой (со стороны Солнца, рис.).
С. в. как бы обтекает магнитосферу, ограничивая её протяжённость в пр-ве. Изменения интенсивности С. в., связанные со вспышками на Солнце, явл. осн. причиной возмущений геомагн. поля и магнитосферы (магн. бурь).
За Солнце теряет с С. в. =2X10-14 часть своей массы Mсолн. Естественно считать, что истечение в-ва, подобное С. в., существует и у др. звёзд (« »). Он должен быть особенно интенсивным у массивных звёзд (с массой = неск. дес. Mсолн) и с высокой темп-рой поверхности (= 30-50 тыс. К) и у звёзд с протяжённой атмосферой (красных гигантов), т. к. в первом случае ч-цы сильно развитой звёздной короны обладают достаточно высокой энергией, чтобы преодолеть притяжение звезды, а во втором - низка параболич. скорость (скорость ускользания; (см. КОСМИЧЕСКИЕ СКОРОСТИ)). Значит. потери массы со звёздным ветром (= 10-6 Мсолн/год и больше) могут существенно влиять на эволюцию звёзд. В свою очередь звёздный ветер создаёт в межзвёздной среде «пузыри» горячего газа - источники рентг. излучения.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР - непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, Солнце)в межпланетноепространство. При высоких темп-pax, к-рые существуют в солнечной короне(1,5*10 9 К), давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление веществакороны, и корона расширяется.
Первые свидетельства существования пост. потока плазмы от Солнца полученыЛ. Бирманом (L. Biermann) в 1950-х гг. по анализу сил, действующих на плазменныехвосты комет. В 1957 Ю. Паркер (Е. Parker), анализируя условия равновесиявещества короны, показал, что корона не может находиться в условиях гидростатич. Ср. характеристики С. в. приведены в табл. 1. Потоки С. в. можно разделитьна два класса: медленные - со скоростью 300 км/с и быстрые - со скоростью 600-700 км/с. Быстрые потоки исходятиз областей солнечной короны, где структура магн. поля близка к радиальной. корональными дырами. Медленные потокиС. в. связаны, по-видимому, с областями короны, в к-рых имеется значит, Табл. 1.- Средние характеристики солнечного ветра на орбите Земли
Скорость | |
Концентрация протонов | |
Температура протонов | |
Температура электронов | |
Напряжённость магнитного поля | |
Плотность потока питонов.... | 2,4*10 8 см -2 *c -1 |
Плотность потока кинетической энергии | 0,3 эрг*см -2 *с -1 |
Табл. 2.- Относительный химический состав солнечного ветра
Относительное содержание |
|
Относительное содержание |
|
Помимо осн. составляющих С. в.- протонов и электронов, в его составетакже обнаружены -частицы, Измерения ионизац. темп-ры ионов С. в. позволяют определять электроннуютемп-ру солнечной короны.
В С. в. наблюдаются разл. типы волн: ленгмюровские, вистлеры, ионно-звуковые, Волны в плазме). Частьволн альвеновского типа генерируется на Солнце, часть - возбуждается вмежпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения ф-ции распределениячастиц от максвелловской и в совокупности с воздействием магн. поля наплазму приводит к тому, что С. в. ведёт себя как сплошная среда. Волныальвеновского типа играют большую роль в ускорении малых составляющих С. 
Рис. 1. Массовый солнечного ветра. По горизонтальной оси -отношение массы частицы к её заряду, по вертикальной - число частиц, зарегистрированныхв энергетическом окне прибора за 10 с. Цифры со значком «+» обозначаютзаряд иона.
Поток С. в. является сверхзвуковым по отношению к скоростям тех типовволн, к-рые обеспечивают эфф. передачу энергии в С. в. (альвеновские, звуковыеи ). Альвеновское и звуковое Маха число С. в. 7. При обтекании С. в. препятствий, способных эффективно отклонять его(магн. поля Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна или проводящие ионосферыВенеры и, по-видимому, Марса), образуется отошедшая головная ударная волна. волны, что позволяетему обтекать препятствие. При этом в С. в. формируется полость - магнитосфера(собственная или индуцированная), форма и размеры к-рой определяются балансомдавления магн. поля планеты и давления обтекающего потока плазмы (см. МагнитосфераЗемли, Магнитосферы планет). В случае взаимодействия С. в. с непроводящимтелом (напр., Луна) ударная волна не возникает. Поток плазмы поглощаетсяповерхностью, а за телом образуется полость, постепенно заполняемая плазмойС. в.
На стационарный процесс истечения плазмы короны накладываются нестационарныепроцессы, связанные со вспышками на Солнце.
При сильных вспышкахпроисходит выброс вещества из ниж. областей короны в межпланетную среду. Магнитныевариации).
Рис. 2. Распространение межпланетной ударней волны и выброса от солнечнойвспышки. Стрелками показано направление движения плазмы солнечного ветра,
Рис. 3. Типы решений уравнения расширения короны. Скорость и расстояниенормированы на критическую скорость v к и критическое расстояниеR к. Решение 2 соответствует солнечному ветру.
Расширение солнечной короны описывается системой ур-ний сохранения массы, v к)на нек-ром критич. расстоянии R к и последующемурасширению со сверхзвуковой скоростью. Это решение даёт исчезающе малоезначение давления на бесконечности, что позволяет согласовать его с малымдавлением межзвёздной среды. Течение этого типа Ю. Паркер назвал С. в. 
, где m - масса протона,- показатель адиабаты,- масса Солнца. На рис. 4 показано изменение скорости расширения с гелиоцентрич. теплопроводность, вязкость, 
Рис. 4. Профили скорости солнечного ветра для модели изотер» мическойкороны при различных значениях корональной температуры.
С. в. обеспечивает осн. отток тепловой энергии короны, т. к. теплопередачав хромосферу, эл.-магн. короны и электронная теплопроводностьС. в. недостаточны для установления теплового баланса короны. Электроннаятеплопроводность обеспечивает медленное убывание темп-ры С. в. с расстоянием. светимости Солнца.
С. в. уносит с собой в межпланетную среду корональное магн. поле. Вмороженныев плазму силовые линии этого поля образуют межпланетное магн. поле (ММП).Хотя напряжённость ММП невелика и плотность его энергии составляет ок.1% от плотности кинетич. энергии С. в., оно играет большую роль в термодинамикеС. в. и в динамике взаимодействий С. в. с телами Солнечной системы, а такжепотоков С. в. между собой. Комбинация расширения С. в. с вращением Солнцаприводит к тому, что магн. силовые линии, вмороженные в С. в., имеют форму, B R иазимутальная компоненты магн. поля по-разному изменяются с расстоянием вблизи плоскостиэклиптики:
где - угл. скорость вращения Солнца, и -
радиальная компонента скоростиС. в., индекс 0 соответствует исходному уровню. На расстоянии орбиты Землиугол между направлением магн. поля и R
порядка 45°. При больших Л магн. 
Рис. 5. Форма силовой линии межпланетного магнитного поля.- угловая скорость вращения Солнца, и - радиальная компонента скоростиплазмы, R - гелиоцентрическое расстояние.
С. в., возникающий над областями Солнца с разл. ориентацией магн. поля, скорость, темп-pa, концентрация частиц и др.) также в ср. закономерноизменяются в сечении каждого сектора, что связано с существованием внутрисектора быстрого потока С. в. Границы секторов обычно располагаются внутримедленного потока С. в. Чаще всего наблюдаются 2 или 4 сектора, вращающихсявместе с Солнцем. Эта структура, образующаяся при вытягивании С. в. крупномасштабногомагн. поля короны, может наблюдаться в течение неск. оборотов Солнца. Секторнаяструктура ММП - следствие существования токового слоя (ТС) в межпланетнойсреде, к-рый вращается вместе с Солнцем. ТС создаёт скачок магн. поля -радиальные ММП имеют разные знаки по разные стороны ТС. ЭтотТС, предсказанный X. Альвеном (Н. Alfven), проходит через те участки солнечнойкороны, к-рые связаны с активными областями на Солнце, и разделяет указанныеобласти с разл. знаками радиальной компоненты солнечного магн. поля. ТСрасполагается приблизительно в плоскости солнечного экватора и имеет складчатуюструктуру. Вращение Солнца приводит к закручиванию складок ТС в спирали(рис. 6). Находясь вблизи плоскости эклиптики, наблюдатель оказываетсято выше, то ниже ТС, благодаря чему попадает в секторы с разными знакамирадиальной компоненты ММП.
Вблизи Солнца в С. в. существуют долготные и широтные градиенты скорости, бесстолкновителъныхударных волн (рис. 7). Сначала образуется ударная волна, распространяющаясявперёд от границы секторов (прямая ударная волна), а затем образуется обратнаяударная волна, распространяющаяся к Солнцу.
Рис. 6. Форма гелио-сферного токового слоя. Пересечение его с плоскостьюэклиптики (наклонённой к экватору Солнца под углом ~ 7°) даёт наблюдаемуюсекторную структуру межпланетного магнитного поля.
Рис. 7. Структура сектора межпланетного магнитного поля. Короткиестрелки показывают направление солнечного ветра, линии сострелками - силовые линии магнитного поля, штрихпунктир - границы сектора(пересечение плоскости рисунка с токовым слоем).
Т. к. скорость ударной волны меньше скорости С. в., увлекаетобратную ударную волну в направлении от Солнца. Ударные волны вблизи границсекторов образуются на расстояниях ~1 а. е. и прослеживаются до расстоянийв неск. а. е. Эти ударные волны, так же как и межпланетные ударные волныот вспышек на Солнце и околопланетные ударные волны, ускоряют частицы иявляются, т. о., источником энергичных частиц.
С. в. простирается до расстояний ~100 а. е., где давление межзвёзднойсреды уравновешивает динамич. давление С. в. Полость, заметаемая С. в. Межпланетная среда). РасширяющийсяС. в. вместе с вмороженным в него магн. полем препятствует проникновениюв Солнечную систему галактич. космич. лучей малых энергий и приводит квариациям космич. лучей больших энергий. Явление, аналогичное С. в., обнаруженои у нек-рых др. звёзд (см. Звёздный ветер).
Лит.: Паркер Е. Н., Динамические в межпланетной среде, О. Л. Вайсберг.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР, поток плазмы солнечной короны, заполняющий Солнечную систему до расстояния 100 астрономических единиц от Солнца, где давление межзвездной среды уравновешивает динамическое давление потока. Основной состав протоны, электроны, ядра … Современная энциклопедия
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР, устойчивый поток заряженных частиц (главным образом, протонов и электронов), разгоняемый высокой температурой солнечной КОРОНЫ до скоростей, достаточно больших, чтобы частицы преодолели тяготение Солнца. Солнечный ветер отклоняет … Научно-технический энциклопедический словарь
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.
В поясе коронального стримера, расположенного вокруг экватора, солнечный ветер движется медленнее — около 300 км. в секунду. Установлено, что температура вещества, перемещающегося в медленном солнечном ветре достигает 1,6 млн. C.
Солнце и его атмосфера состоят из плазмы и смеси положительно и отрицательно заряженных частиц. Они имеют чрезвычайно высокие температуры. Поэтому материя постоянно покидает Солнце, уносимая солнечным ветром.
Когда солнечный ветер покидает Солнце, он несет заряженные частицы и магнитные поля. Излучаемые во всех направлениях частицы солнечного ветра постоянно воздействует на нашу планету. Этот процесс вызывает интересные эффекты.
Если материал, переносимый солнечным ветром, достигнет поверхности планеты, он нанесет серьезный ущерб любой форме жизни, которая существует на . Поэтому магнитное поле Земли служит щитом, перенаправляя траектории солнечных частиц вокруг планеты. Заряженные частицы как бы «стекают» за ее пределами. Воздействие солнечного ветра изменяет магнитное поле Земли таким образом, что оно деформируется и растягивается на ночной стороне нашей планеты.
Иногда Солнце выбрасывает большие объемы плазмы, известные как выбросы корональной массы (CME), или солнечные бури. Чаще всего это происходит в период активного периода солнечного цикла, известного как солнечный максимум. CME имеют более сильный эффект, чем стандартный солнечный ветер.
Некоторые тела Солнечной системы, как и Земля, экранированы магнитным полем. Но многие из них такой защиты не имеют. Спутник нашей Земли — не имеет никакой защиты для своей поверхности. Поэтому испытывает максимальное воздействие солнечного ветра. У Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, есть магнитное поле. Оно защищает планету от обычного стандартного ветра, однако оно не способно противостоять более мощным вспышкам, таким как CME.
Когда высоко — и низкоскоростные потоки солнечного ветра взаимодействуют друг с другом, они создают плотные области, известные как области с вращающимся взаимодействием (CIR). Именно эти области вызывают геомагнитные бури при столкновении с земной атмосферой.
Солнечный ветер и заряженные частицы, которые он несет, могут влиять на спутники Земли и Глобальные системы позиционирования (GPS). Мощные всплески могут повредить спутники или вызвать ошибки определений координат при использовании сигналов GPS в десятки метров.
Солнечный ветер достигает всех планет в . Миссия NASA New Horizons обнаружила его, когда путешествовала между и .
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».
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.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Представьте, что вы услышали слова диктора в прогнозе погоды: «Завтра ветер резко усилится. В связи с этим возможны перебои в работе радио, мобильной связи и интернета. В США отложена отправка космической миссии. На севере России ожидаются интенсивные полярные сияния…».
Вы удивитесь: какая ерунда, при чём тут ветер? А дело в том, что вы пропустили начало прогноза: «Вчера ночью произошла вспышка на Солнце. Мощный поток солнечного ветра движется к Земле…».
Обычный ветер – это движение частиц воздуха (молекул кислорода, азота и других газов). От Солнца тоже несётся поток частиц. Его и называют солнечным ветром. Если не вникать в сотни громоздких формул, вычислений и жарких научных споров, то, в общем, картина представляется такой.
Внутри нашего светила идут термоядерные реакции, раскаляющие этот огромный шар газов. Температура внешнего слоя – солнечной короны достигает миллиона градусов. Это заставляет атомы двигаться с такой скоростью, что, сталкиваясь, они разбивают друг друга вдребезги. Известно, что разогретый газ стремится расшириться, занять больший объём. Нечто подобное происходит и здесь. Частицы водорода, гелия, кремния, серы, железа и других веществ разлетаются во все стороны.
Они набирают всё бóльшую скорость и примерно за шесть суток долетают до околоземных рубежей. Даже если светило спокойно, скорость солнечного ветра доходит здесь до 450 километров в секунду. Ну, а когда вспышка Солнца извергает огромный огненный пузырь частиц, их скорость может достигать 1200 километров в секунду! Да и освежающим «ветерок» не назовёшь – около 200 тысяч градусов.
Действительно, раз поток горячих частиц несётся постоянно, почему мы не ощущаем, как он «обдувает» нас? Допустим, частицы так малы, что кожа не чувствует их касаний. Но их не замечают и земные приборы. Почему?
Потому, что от солнечных вихрей Землю защищает её магнитное поле. Поток частиц как бы обтекает его и несётся дальше. Только в дни, когда выбросы на солнце особенно мощные, нашему магнитному щиту приходится туго. Солнечный ураган пробивает его и врывается в верхние слои атмосферы. Частицы-пришельцы вызывают . Магнитное поле резко деформируется, синоптики говорят про «магнитные бури».
Из-за них выходят из-под контроля космические спутники. Исчезают с радарных экранов самолёты. Создаются помехи радиоволнам, и нарушается связь. В такие дни отключают спутниковые антенны, отменяют авиарейсы, прерывают «общение» с космическими аппаратами. В электросетях, железнодорожных рельсах, трубопроводах внезапно рождается электрический ток. От этого сигналы светофоров сами собой переключаются, ржавеют газопроводы, сгорают отключённые электроприборы. Плюс к тому, тысячи людей чувствуют дискомфорт и недомогания.
Космические эффекты солнечного ветра можно обнаружить не только во время вспышек на Солнце: он-то, пускай послабее, но веет постоянно.
Давно замечено, что хвост кометы вырастает по мере приближения её к Солнцу. Оно заставляет испаряться замерзшие газы, образующие кометное ядро. А солнечный ветер сносит эти газы в виде шлейфа, всегда направленного в противоположную от Солнца сторону. Так земной ветер разворачивает дым из трубы и придаёт ему ту или иную форму.
В годы повышенной активности резко падает облучение Земли галактическими космическими лучами. Солнечный ветер набирает такую силу, что просто выметает их на окраины планетной системы.
Есть планеты, у которых магнитное поле очень слабое, а то и вовсе отсутствует (например, на Марсе). Тут уж солнечному ветру ничто не мешает разгуляться. Учёные полагают, что это он за сотни миллионов лет почти «выдул» с Марса его атмосферу. Из-за этого оранжевая планета лишилась потом и воды и, возможно, живых организмов.
Точного ответа не знает пока никто. До окрестностей Земли частицы летят, набирая скорость. Потом она постепенно падает, но, похоже, ветер достигает самых дальних уголков Солнечной системы. Где-то там он ослабевает и тормозится разрежённым межзвездным веществом.
Пока что астрономы не могут точно сказать, насколько далеко это происходит. Для ответа нужно ловить частицы, улетая всё дальше от Солнца, пока они не перестанут попадаться. Кстати, тот предел, где это произойдёт, как раз и можно считать границей Солнечной системы.
Ловушками для солнечного ветра оборудованы космические аппараты, которые периодически запускают с нашей планеты. В 2016 году потоки солнечного ветра удалось заснять на видео. Кто знает, не станет ли он таким же привычным «персонажем» сводок погоды, как наш давний знакомый – ветер земной?
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР - непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий Солнечную систему до гелиоцентрич. расстояний R ~ 100 а. е. С. в. образуется при газодинамич. расширении солнечной короны (см. Солнце )в межпланетное пространство. При высоких темп-pax, к-рые существуют в солнечной короне (1,5*10 9 К), давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление вещества короны, и корона расширяется.
Первые свидетельства существования пост. потока плазмы от Солнца получены Л. Бирманом (L. Biermann) в 1950-х гг. по анализу сил, действующих на плазменные хвосты комет. В 1957 Ю. Паркер (Е. Parker), анализируя условия равновесия вещества короны, показал, что корона не может находиться в условиях гидростатич. равновесия, как это раньше предполагалось, а должна расширяться, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей (см. ниже). Впервые поток плазмы солнечного происхождения был зарегистрирован на советском космич. аппарате «Луна-2» в 1959. Существование пост. истечения плазмы из Солнца было доказано в результате многомесячных измерений на амер. космич. аппарате «Маринер-2» в 1962.
Ср. характеристики С. в. приведены в табл. 1. Потоки С. в. можно разделить на два класса: медленные - со скоростью 300 км/с и быстрые - со скоростью 600-700 км/с. Быстрые потоки исходят из областей солнечной короны, где структура магн. поля близка к радиальной. Часть этих областей являются корональными дырами . Медленные потоки С. в. связаны, по-видимому, с областями короны, в к-рых имеется значит, тангенциальный компонент магн. поля.
Табл. 1.- Средние характеристики солнечного ветра на орбите Земли
|
Скорость |
|
|
Концентрация протонов |
|
|
Температура протонов |
|
|
Температура электронов |
|
|
Напряжённость магнитного поля |
|
|
Плотность потока питонов.... |
2,4*10 8 см -2 *c -1 |
|
Плотность потока кинетической энергии |
0,3 эрг*см -2 *с -1 |
Табл. 2.-Относительный химический состав солнечного ветра
|
Относительное содержание |
|
|
Относительное содержание |
|
Помимо осн. составляющих С. в.- протонов и электронов, в его составе
также обнаружены-частицы,
высокоионизов. ионы кислорода, кремния, серы, железа (рис. 1). При анализе
газов, захваченных в экспонированных на Луне фольгах, найдены атомы Ne
и Аг. Ср. относительный хим. состав С. в. приведён в табл. 2. Ионизац.
состояние вещества С. в. соответствует тому уровню в короне, где время
рекомбинации мало по сравнению со временем расширения
Измерения ионизац. темп-ры ионов С. в. позволяют определять электронную
темп-ру солнечной короны.
В С. в. наблюдаются разл. типы волн: ленгмюровские, вистлеры, ионно-звуковые,
магнитозвуковые, альвеновские и др. (см. Волны в плазме
).Часть
волн альвеновского типа генерируется на Солнце, часть - возбуждается в
межпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения ф-ции распределения
частиц от максвелловской и в совокупности с воздействием магн. поля на
плазму приводит к тому, что С. в. ведёт себя как сплошная среда. Волны
альвеновского типа играют большую роль в ускорении малых составляющих С.
в. и в формировании ф-ции распределения протонов. В С. в. наблюдаются также
контактные и вращательные разрывы, характерные для замагниченной плазмы.
Рис. 1. Массовый спектр солнечного ветра. По горизонтальной оси - отношение массы частицы к её заряду, по вертикальной - число частиц, зарегистрированных в энергетическом окне прибора за 10 с. Цифры со значком «+» обозначают заряд иона .
Поток С. в. является сверхзвуковым по отношению к скоростям тех типов волн, к-рые обеспечивают эфф. передачу энергии в С. в. (альвеновские, звуковые и магнитозвуковые волны). Альвеновское и звуковое Маха число С .в. на орбите Земли 7. При обтекании С. в. препятствий, способных эффективно отклонять его (магн. поля Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна или проводящие ионосферы Венеры и, по-видимому, Марса), образуется отошедшая головная ударная волна. С. в. тормозится и разогревается на фронте ударной волны, что позволяет ему обтекать препятствие. При этом в С. в. формируется полость - магнитосфера (собственная или индуцированная), форма и размеры к-рой определяются балансом давления магн. поля планеты и давления обтекающего потока плазмы (см. Магнитосфера Земли, Магнитосферы планет) . В случае взаимодействия С. в. с непроводящим телом (напр., Луна) ударная волна не возникает. Поток плазмы поглощается поверхностью, а за телом образуется полость, постепенно заполняемая плазмой С. в.
На стационарный процесс истечения плазмы короны накладываются нестационарные
процессы, связанные со вспышками на Солнце
. При сильных вспышках
происходит выброс вещества из ниж. областей короны в межпланетную среду.
При этом также образуется ударная волна (рис. 2), к-рая постепенно замедляется,
распространяясь в плазме С. в. Приход ударной волны к Земле вызывает сжатие
магнитосферы, после к-рого обычно начинается развитие магн. бури (см. Магнитные
вариации)
.
Рис. 2. Распространение межпланетной ударней волны и выброса от солнечной вспышки. Стрелками показано направление движения плазмы солнечного ветра, линии без подписи - силовые линии магнитного поля .
Рис. 3. Типы решений уравнения расширения короны. Скорость и расстояние нормированы на критическую скорость v к и критическое расстояние R к. Решение 2 соответствует солнечному ветру .
Расширение солнечной короны описывается системой ур-ний сохранения массы,
момента кол-ва движения и уравнения энергии. Решения, отвечающие разл.
характеру изменения скорости с расстоянием, показаны на рис. 3. Решения
1 и 2 соответствуют малым скоростям в основании короны. Выбор между этими
двумя решениями определяется условиями на бесконечности. Решение 1 соответствует
малым скоростям расширения короны и даёт большие значения давления на бесконечности,
т. е. встречается с теми же трудностями, что и модель статич. короны. Решение
2 соответствует переходу скорости расширения через значения скорости звука
(v к
)на нек-ром критич. расстоянии R к и последующему
расширению со сверхзвуковой скоростью. Это решение даёт исчезающе малое
значение давления на бесконечности, что позволяет согласовать его с малым
давлением межзвёздной среды. Течение этого типа Ю. Паркер назвал С. в.
Критич. точка находится над поверхностью Солнца, если темп-ра короны меньше
нек-рого критич. значения
, где m - масса протона,
- показатель адиабаты,
- масса Солнца. На рис. 4 показано изменение скорости расширения с гелиоцентрич.
расстоянием в зависимости от темп-ры изотермич. изотропной короны. Последующие
модели С. в. учитывают вариации корональной темп-ры с расстоянием, двухжидкостный
характер среды (электронный и протонный газы), теплопроводность, вязкость,
несферич. характер расширения.
Рис. 4. Профили скорости солнечного ветра для модели изотер» мической короны при различных значениях корональной температуры .
С. в. обеспечивает осн. отток тепловой энергии короны, т. к. теплопередача в хромосферу, эл--магн. излучение короны и электронная теплопроводность С. в. недостаточны для установления теплового баланса короны. Электронная теплопроводность обеспечивает медленное убывание темп-ры С. в. с расстоянием. С. в. не играет сколько-нибудь заметной роли в энергетике Солнца в целом, т. к. поток энергии, уносимый им, составляет ~10 -7 светимости Солнца.
С. в. уносит с собой в межпланетную среду корональное магн. поле. Вмороженные
в плазму силовые линии этого поля образуют межпланетное магн. поле (ММП).
Хотя напряжённость ММП невелика и плотность его энергии составляет ок.
1% от плотности кинетич. энергии С. в., оно играет большую роль в термодинамике
С. в. и в динамике взаимодействий С. в. с телами Солнечной системы, а также
потоков С. в. между собой. Комбинация расширения С. в. с вращением Солнца
приводит к тому, что магн. силовые линии, вмороженные в С. в., имеют форму,
близкую к спирали Архимеда (рис. 5). Радиальная B R
и
азимутальная
компоненты магн. поля по-разному изменяются с расстоянием вблизи плоскости
эклиптики:
где
- угл. скорость вращения Солнца, и
- радиальная компонента скорости
С. в., индекс 0 соответствует исходному уровню. На расстоянии орбиты Земли
угол
между направлением магн. поля и R
порядка 45°. При больших Л магн.
поле почти перпендикулярно R.
Рис. 5. Форма силовой линии межпланетного магнитного поля. - угловая скорость вращения Солнца, и - радиальная компонента скорости плазмы, R - гелиоцентрическое расстояние .
С. в., возникающий над областями Солнца с разл. ориентацией магн. поля, образует потоки с различно ориентированным ММП. Разделение наблюдаемой крупномасштабной структуры С. в. на чётное число секторов с разл. направлением радиального компонента ММП наз. межпланетной секторной структурой. Характеристики С. в. (скорость, темп-pa, концентрация частиц и др.) также в ср. закономерно изменяются в сечении каждого сектора, что связано с существованием внутри сектора быстрого потока С. в. Границы секторов обычно располагаются внутри медленного потока С. в. Чаще всего наблюдаются 2 или 4 сектора, вращающихся вместе с Солнцем. Эта структура, образующаяся при вытягивании С. в. крупномасштабного магн. поля короны, может наблюдаться в течение неск. оборотов Солнца. Секторная структура ММП - следствие существования токового слоя (ТС) в межпланетной среде, к-рый вращается вместе с Солнцем. ТС создаёт скачок магн. поля - радиальные компоненты ММП имеют разные знаки по разные стороны ТС. Этот ТС, предсказанный X. Альвеном (Н. Alfven), проходит через те участки солнечной короны, к-рые связаны с активными областями на Солнце, и разделяет указанные области с разл. знаками радиальной компоненты солнечного магн. поля. ТС располагается приблизительно в плоскости солнечного экватора и имеет складчатую структуру. Вращение Солнца приводит к закручиванию складок ТС в спирали (рис. 6). Находясь вблизи плоскости эклиптики, наблюдатель оказывается то выше, то ниже ТС, благодаря чему попадает в секторы с разными знаками радиальной компоненты ММП.
Вблизи Солнца в С. в. существуют долготные и широтные градиенты скорости,
обусловленные разностью скоростей быстрых и медленных потоков. По мере
удаления от Солнца и укручения границы между потоками в С. в. возникают
радиальные градиенты скорости, к-рые приводят к образованию бесстолкновителъных
ударных волн
(рис. 7). Сначала образуется ударная волна, распространяющаяся
вперёд от границы секторов (прямая ударная волна), а затем образуется обратная
ударная волна, распространяющаяся к Солнцу.
Рис. 6. Форма гелио-сферного токового слоя. Пересечение его с плоскостью
эклиптики (наклонённой к экватору Солнца под углом ~ 7°) даёт наблюдаемую
секторную структуру межпланетного магнитного поля
.
Рис. 7. Структура сектора межпланетного магнитного поля. Короткие стрелки показывают направление течения плазмы солнечного ветра, линии со стрелками - силовые линии магнитного поля, штрихпунктир - границы сектора (пересечение плоскости рисунка с токовым слоем) .
Т. к. скорость ударной волны меньше скорости С. в., плазма увлекает обратную ударную волну в направлении от Солнца. Ударные волны вблизи границ секторов образуются на расстояниях ~1 а. е. и прослеживаются до расстояний в неск. а. е. Эти ударные волны, так же как и межпланетные ударные волны от вспышек на Солнце и околопланетные ударные волны, ускоряют частицы и являются, т. о., источником энергичных частиц.
С. в. простирается до расстояний ~100 а. е., где давление межзвёздной среды уравновешивает динамич. давление С. в. Полость, заметаемая С. в. в межзвёздной среде, образует гелиосферу (см. Межпланетная среда ).Расширяющийся С. в. вместе с вмороженным в него магн. полем препятствует проникновению в Солнечную систему галактич. космич. лучей малых энергий и приводит к вариациям космич. лучей больших энергий. Явление, аналогичное С. в., обнаружено и у нек-рых др. звёзд (см. Звёздный ветер ).
Лит.: Паркер Е. Н., Динамические процессы в межпланетной среде, пер. с англ., М., 1965; Б р а н д т Д ж., Солнечный ветер, пер. с англ., М., 1973; Хундхаузен А., Расширение короны и солнечный ветер, пер. с англ., М., 1976. О. Л. Вайсберг .
