Солнечный ветер

ОБЗОРЫ

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА

Солнечный ветер

О.Л. Вайсберг

Институт космических исследований РАН

Солнечный ветер - непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий собой Солнечную систему до гелиоцентрич. расстояний ~100 а.е.
С.в. образуется при газодинамич. расширении солнечной короны в межпланетное пространство.
При высоких температурах, которые существуют в солнечной короне ( $\approx 1,5\cdot 10^6$ К), давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление вещества короны, и корона расширяется.
Первые свидетельства существования постоянного потока плазмы от Солнца получены Л. Бирманом (ФРГ) в 1950-х гг. по анализу сил, действующих на плазменные хвосты комет. В 1957 г. Ю. Паркер (США), анализируя условия равновесия вещества короны, показал, что корона не может находится в условиях гидростатич. равновесия, как это раньше предполагалось, а должна расширятся, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей.
Средние характеристики С.в. приведены в табл. 1. Впервые поток плазмы солнечного происхождения был зарегистрирован на второй советской космич. ракете "Луна-2" в 1959 г. Существование постоянного истечения плазмы из Солнца было доказано в реузльтате многомесячных измерений на амер. АМС "Маринер-2" в 1962 г.

Таблица 1. Средние характеристики
солнечного ветра на орбите Земли

Скорость 400 км/с

Плотность протонов 6 см^-3

Температура протонов $5\cdot 10^4$ К

Температура электронов $1,5\cdot 10^5$ К

Напряженность магнитного поля $5\cdot 10^5$ Э

Плотность потока протонов $2,4\cdot 10^8$ см^-2с^-1

Плотность потока кинетической энергии 0,3 эрг $\cdot$ см^-2с^-1

Потоки С.в. можно разделить на два класса: медленные - со скоростью $\approx 300$ км/с и быстрые - со скоростью 600-700 км/с. Быстрые потоки исходят из тех областей короны, где магнитное поле близко к радиальному. Часть этих областей явл. корональными дырами.
Медленные потоки С.в. связаны, по-видимому, с областями короны, где имеется значит. тангенсальный компонент магн. поля.

Рис. 1. Массовый спектр солнечного ветра.
По горизонтальной оси - отношение массы частицы
к ее заряду, по вертикальной - число частиц,
зарегистрированных в энергетическом "окне"
прибора за 10 с. Цифры со знаком "+" обозначают
заряд иона.

Помимо основных составляющих С.в. - протонов и электронов, в его составе также обнаружена $\alpha$ -частицы, высокоионизованные ионы кислорода, кремния, серы, железа (рис. 1). При анализе газов, захваченных в экспонированных на Луне фольгах, найдены атомы Ne и Ar. Средний хим. состав С.в. приведен в табл. 2.

Таблица 2. Относительный химический состав
солнечного ветра

Элемент Относительное
содержание

H 0,96

³He $1,7\cdot 10^{-5}$

⁴He 0,04

O $5\cdot 10^4$

Ne $7,5\cdot 10^{-5}$

Si $7,5\cdot 10^{-5}$

Ar $3,0\cdot 10^{-6}$

Fe $4,7\cdot 10^{-5}$

Ионизац. состояние вещества С.в. соответствует тому уровню в короне, где время рекомбинации становится малым по сравнению со временем расширения, т.е. на расстоянии $1,5-2 R_\odot$ .
Измерения ионизац. темп-ры ионов С.в. позволяют определять электронную темп-ру солнечной короны.

Рис. 2. Форма силовой линии
межпланетного магнитного поля.

С.в. уносит с собой в межпланетную среду корональное магн. поле. Вмороженные в плазму силовые линии этого поля образуют межпланетное магн. поле (ММП). Хотя напряженность ММП невелика и плотность его энергии составляет ок. 1% от кинетич. энергии С.в., оно играет большую роль в термодинамике С.в. и в динамике взаимодействий С.в. с телами Солнечной системы и потоков С.в. между собой. Комбинация расширения С.в. с вращением Солнца приводит к тому, что магн. силовые лионии, вмороженные в С.в., имеют форму, близкую к спиралям Архимеда (рис. 2). Радиальный и азимутальный компонент магн. поля вблизи плоскости эклиптики изменяются с расстоянием:
$B_R \approx B_R^0 (R_0/R)^2, B_\varphi\approx B_\varphi^0 R_0^2 \Omega_0/u_R R$ ,
где R - гелиоцентрич. расстояние, $\Omega_0$ - угловая скорость вращения Солнца, u_R - радиальный компонент скорости С.в., индекс "0" соответствует исходному уровню. На расстоянии орбиты Земли угол $\varphi$ между направлениями магн. поля и направлением на Солнце $\approx 45^\circ$ , на больших гелиоцентрич. расстояниях ММП почти перпендикулярно направлению на Солнце.
С.в., возникающий над областями Солнца с различной ориентацией магн. поля, образует потоки в различно ориентированными ММП - т.н. секторную структуру межпланетного магнитного поля.
В С.в. наблюдаются различные типы волн: ленгмюровские, вистлеры, ионнозвуковые, магнитозвуковые, альвеновские волны и др.. Часть волн генерируется на Солнце, часть возбуждается в межпланетной среде. Генерация волн сглаживает отклонения функции распределения частиц от максвелловской и приводит к тому, что С.в. ведет себя как сплошная среда. Волны альвеновского типа играют большую роль в ускорении малых составляющих С.в. и в формировании функции распределения протонов. В С.в. наблюдаются также контактные и вращательные разрывы, харатерные для замагниченной плазмы.

Рис. 3. Распространение межпланетной ударной
волны и выброса от солнечной вспышки. Стрелками
показано направление движения плазмы солнечного ветра.

Поток С.в. явл. сверхзвуковым по отношению к скорости тех типов волн, к-рые обеспечивают эффективную передачу энергии в С.в. (альвеновские, звуковые и магнитозвуковые волны), альвеновские и звуковые числа Маха С.в. на орбите Земли $\approx 7$ . При обтрекании С.в. препятствий, способных эффективно отклонять С.в. (магн. поля Меркурия, Земли, Юпитера, Стаурна или проводящие ионосферы Венеры и, по-видимому, Марса), образуется головная отошедшая 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 размер к-рой определяется балансом давлентия магн. поля планеты и давления обтекающего потока плазмы. Слой разогретой плазмы между ударной волной и обтекаемым препятствием наз. переходной областью. Темп-ры ионов на фронте ударной волны могут увеличиваться в 10-20 раз, электронов - в 1,5-2 раза. Ударная волна явл. бесстолкновительной ударной волной, термализация потока к-ой обеспечивается коллективными плазменными процессами. Толщина фронта ударной волны ~100 км и определяется скоростью нарастания неустойчивостей плазмы (магнитозвуковой и/или нижнегибридной) при взаимодействии набегающего потока и части потока ионов, отраженного от фронта. В случае взаимодействия С.в. с непроводящим телом (Луна) ударная волна не возникает: поток плазмы поглощается поверхностью, а за телом образуется постепенно заполняемая плазмой С.в. полость.
На стационарный процесс истечения плазмы короны накладываются нестационарные процессы, связанные со вспышками на Солнце. При сильных солнечных вспышках происходит выброс вещества из нижних областей короны в межпланетную среду. При этом также образуется ударная волна (рис. 3), к-рая постепенно замедляется при движении через плазму С.в. Приход ударной волны к Земле проводит к сжатию магнитосферы, после к-рого обычно начинается развитие магн. бури.

Рис. 4. Типы решений уравнения расширения короны.
Скорость и расстояние нормированы на критическую
скорость v_K и критическое расстояние R_K.
Решение 2 соответствует солнечному ветру.

Ур-ние, описывающее расширение солнечной короны, можно получить из системы ур-ний сохранения массы и момента количества движения. Решения этого ур-ния, описывающие различный характер изменения скорости с расстоянием, показаны на рис. 4. 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 ("солнечный бриз", по Дж. Чемберлену, США) и дает большие значения давления на бесконечности, т.е. встречается с теми же трудностями, что и модель статич. короны. Решение 2 соответствует переходу скорости расширения через значение скорости звука (v_K) на нек-ром критич. расстоянии R_K и последующему расширению со сверхзвуковой скоростью. Это решение дает исчезающе малое значение давления на бесконечности, что позволяет согласовать его с малым давлением межзвездной среды. Течение этого типа Паркер назвал солнечным ветром. Критич. точка находится над поверхностью Солнца, если темп-ра короны меньше нек-рого критич. значения $T_K=GM_\odot m/4k\gamma R_\odot$ , где m - масса протона, $\gamma$ - показатель адиабаты. На рис. 5 показано изменение скорости расширения с гелиоцентрич. расстоянием в зависимости от темп-ры изотермич. изотропной короны.

Рис. 5. Профили скорости солнечного ветра
для изотермической короны при различных
значениях корональной температуры.

Последующие модели С.в. учитывают вариации корональной темп-ры с расстоянием, двухжидкостный хапрактер среды (электронный и протонный газы), теплопроводность, вязкость, несферический характер расширения. Подход к веществу С.в. как к сплошной среде оправдывается наличием ММП и коллективным характером взаимодействия плазмы С.в., обусловленным различного типа неустойчивостями. С.в. обеспечивает осн. отток тепловой энергии короны, т.к. теплопередача в хромосферу, электромагнит. излучение сильно ионизованного вещества короны и электронная теплопроводность С.в. недостаточны для установления термич. 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^-8 светимости Солнца Гелтопауза находится на расстоянии ~100 а.е., где давление межзвездной среды уравновешивает динамич. давление С.в.
Полость, заметаемая С.в. в межзвездной среде, образует гелиосферу. Расширяющийся С.в. вместе с вмороженным в него магн. полем препятствует проникновению в Солнечную систему галактических космических лучей малых энергий и приводит к вариациям космических лучей больших энергий.
Явление, аналогичное С.в., обнаружено и у некоторых типов др. звезд (Звездный ветер).
Лит.:
Паркер Е.Н., Динамические процессы в межпланетной среде, пер. с англ., М., 1965; Брандт Дж., Солнечный ветер, пер. с англ., М., 1973; Хундхаузен А., Расширение короны и солнечный ветер, пер. с англ., М., 1976.

(О.Л. Вайсберг)

Начальная страница учебника по солнечно-земной физике

Оглавление раздела по истории исследований

НИИЯФ МГУ 2002. Для связи: lll@srd.sinp.msu.ru (lll=LLL)
последнее обновление - 07.01.2008