МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА (продолжение 2)

1.3. Межпланетная среда – область, где формируется космическая погода

 

Самые внешние горячие слои солнечной короны находятся в состоянии непрерывного расширения. Постепенно, по мере удаления от Солнца, скорость расширения увеличивается, достигая своего «обычного» среднего значения 400 км/сек. на расстоянии около нескольких десятков солнечных радиусов. Это грандиозное явление получило название солнечного ветра. Солнечный ветер «дует» постоянно, во все стороны. Им заполнена вся межпланетная среда, и им «обдуваются» все планеты солнечной системы. Химически солнечный ветер состоит из водорода с примесью гелия. Атомы обеих элементов ионизированы, так что этот сильно нагретый газ находится в плазменном состоянии. Физически – это движущаяся сплошная среда, в которой могут распространяться звуковые волны, возможны газодинамические разрывы (в том числе ударные волны). Важная составляющая межпланетной плазмы – магнитное поле, «вытягиваемое» ветром из короны. Если некоторый объем водородной плазмы покидает Солнце, то, двигаясь по радиусу со скоростью 400 км/сек, он преодолеет расстояние до Земли (150 млн. км, астрономическая единица) за 4,5 суток. Солнце за это время успевает повернуться на 60 град. В итоге, если смотреть со стороны северного полюса Солнца на плоскость земной орбиты, получается спиральный узор, показанный на рис. 1.10. (следует учесть, что силовая линия магнитного поля не теряет связь с Солнцем!). Важная особенность этого межпланетного магнитного поля (ММП) – наличие в нем секторной структуры. В определенных интервалах гелиодолгот силовые линии поля направлены либо от Солнца (северная полярность, «+»),
либо – к Солнцу (южная полярность, знак «–»). Секторная структура ММП – отражение соответствующей структуры общего магнитного поля Солнца (измеряемого оптическими методами) и она довольно устойчива. Секторная структура ММП может оставаться без изменений месяцами (концентрированные магнитные поля активных областей и пятен ветер «вытянуть» в межпланетную среду не может!).

Всякого рода изменения солнечного ветра, обусловленные солнечной активностью, являются одной из важнейших составляющих космической погоды. Эти изменения весьма значительны (рис. 1.11). В качестве доказательства можно привести следующие примеры:

– межпланетное магнитное поле (полный вектор) имеет в среднем индукцию около 7 нанотесла, но иногда может превышать 50 или падать до 0,7 (те же ед.);

– скорость составляет, как уже говорилось, для низких гелиоширот около 400 км/сек, но были зафиксированы значения 156 км/сек и 1020 км/сек (рис. 1.11);

– плотность плазмы в среднем около 9 частиц в см³, но бывает и 0,1 и 140 (те же единицы, рис. 1.11);

– температура плазмы может различаться в 200 раз!

Все эти вариации, так или иначе, связаны с отдельными проявлениями солнечной актив-ности. В некоторых случаях эта связь легко устанавливается при прямом сравнении оптических (или радио – см. ниже) наблюдений и одновременных изменений в ветре. Подобные вариации солнечного ветра могут быть вызваны хромосферными вспышками. Быстрое энерговы-деление в процессе развития вспышки проис-ходит в нижней короне – хромосфере в области, где тесно сближаются силовые линии магнитного поля противоположного направления. Физическую картину этого явления можно уяснить из рис. 1.12. Здесь изображена схема протекающих во вспышке процессов на этапе, когда основная часть энергии магнитного поля уже выделилась. Произошло нагревание плазмы в хромосфере (область, ограниченная силовыми линиями поля пятен противоположной полярности).

 Рис. 1.10. Магнитное поле Солнца. Вид со стороны полюса Солнца на плоскость земной орбиты. Спирали – силовые линии межпланетного магнитного поля, они изображены близ границы смены знака. Большие стрелки – полярность поля в пределах сектора (от Солнца – северная полярность, к Солнцу – южная).

 Рис. 1.11. Вариации плотности (1) и скорости (2) солнечного ветра (прямые космические измерения, вертикальные линии проведены через 7 суток)

 Рис. 1.12. Схема (1) и сделанный со спутника снимок (2) выброса солнечной плазмы в межпланетное пространство во время развития мощной хромосферной вспышки (на внеатмосферной фотографии солнечный диск закрыт специальной маской в телескопе).

 Именно эта область светится в красной спектральной линии водорода, она же является источником ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Некоторый сгусток плазмы оказывается в ситуации, показанной в правом верхнем углу рис. 1.12. «Растянутые» силовые линии коронального магнитного поля действуют на этот плазменный сгусток как тетива лука: он выбрасывается в межпланетное пространство со скоростью значительно большей, чем скорость «спокойного» солнечного ветра. Далее, двигаясь по невозмущенному ветру, это облако постепенно расширяется, перед ним формируется ударная волна. Все это делается очень похожим на картину движения сверхзвукового самолета в разреженной земной атмосфере. Во всей области, занятой движущимся облаком, такие параметры солнечного ветра, как плотность, межпланетное поле с его секторами, температура плазмы, сильно меняются. Менее чем двое суток требуется плазменному облаку, чтобы преодолеть расстояние до земной орбиты. Понятно, что выброс вещества при развитии вспышки достигает заметных масштабов только тогда, когда вспышка оказывается достаточно мощной. Мощность вспышки измеряется площадью, охваченной свечением в упомянутой спектральной линии водорода, и интенсивностью всплеска рентгеновского излучения (см. ниже). Соответственно, такой вспышке присваивается балл 2 и выше. Такие мощные вспышки в данной активной области происходят относительно редко. Слабые вспышки происходят часто, но их развитие обычно не сопровождается заметными возмущениями солнечного ветра. Появление на диске вспышки балла 3 и выше обычно сопровождается генерацией солнечных космических лучей. Как и обычно существующий фон галактических космических лучей, этот вид излучения представляет собой протоны (ионизованные ядра атомов водорода), обладающие скоростями, близкими к скорости света. Такие частицы обладают кинетическими энергиями, на много порядков большими, чем тепловые энергии протонов солнечного ветра. Появление солнечных космических лучей означает, что при развитии вспышек в активной области короткое время работает естественный аналог ускорителя элементарных частиц. Для частиц космических лучей межпланетная среда, заполненная «замагниченным» солнечным ветром, является средой «мутной» (т. е. рассеивающей). Поэтому солнечные космические лучи приходят на орбиту Землю с запаздыванием через часы, а не через 8 минут как волновое электромагнитное излучение. Самый распространенный, самый «обычный» вид вариаций в солнечном ветре связан с вращением Солнца. С циклом, близким к кэррингтоновскому 27-дневному периоду, в ветре закономерно изменяются плотность и скорость. Такие вариации происходят «в такт» с секторной структурой межпланетного магнитного поля. В первые двое-трое суток после секторной границы скорость ветра выше, далее она снижается и т. д.

См. продолжение...