Солнечный ветер и его значение в астрономии

Через Солнечную систему непрерывно дует водородный ветер, обладающий большой скоростью. Излучаемый Солнцем, он движется мимо Земли со скоростью около 400 километров в секунду (примерно 1440 тысяч км в час), «обдувает» кометы и несется в межзвездное пространство. Подобно метле, он выметает газы и испаренные планетами и кометами, мельчайшие частицы метеоритной пыли и даже космические лучи. Он является причиной существования внешней части радиационного пояса, опоясывающего Землю, сияний в земной атмосфере и земных магнитных бурь. Он может даже играть известную роль в формировании земной погоды.

О том, что солнечный ветер существует, подозревалось давно, теперь это подтверждено космическими исследованиями. Удалось измерить его скорость и плотность. А исследования другого рода раскрыли тайну его возникновения и дали нам возможность понять его влияние.

Первое ясно высказанное утверждение о том, что, кроме света, на Землю с Солнца приходит еще «нечто», было сделано в 1896 году норвежским физиком Олафом К. Биркелендом. Он предположил, что северное сияние может вызываться воздействием идущих от Солнца электрически заряженных «корпускул ядерных лучей», впитываемых земным магнитным полем вблизи полюсов. Он обосновал это предположение тем фактом, что сияние очень похоже на электрический разряд в только что открытой тогда электронной лампе, генерирующей потоки заряженных частиц («катодные лучи»).

Идея Биркеленда разрабатывалась затем норвежским математиком Карлом Стормэром, который изучал траектории заряженных частиц, идущих от Солнца и попадающих в земное магнитное поле. Его теоретическая схема спиральных, петлевых траекторий похожа по форме на наблюдаемые сияния, правда, это сходство оказалось случайным совпадением. До настоящего времени нет еще достаточно полной теории, объясняющей, как солнечный ветер производит сияния, хотя на этот счет теперь и разрабатывается несколько интересных идей.

Магнитные бури

Дальнейшие доказательства того, что Солнце излучает частицы, были получены уже много лет позднее на основе изучения магнитных бурь, которые ассоциируются с нарушением радио и телефонной связи.

Бури, как это было доказано, вызываются флуктуациями (отклонениями от нормы) в земном магнитном поле. Поскольку они, как правило, обнаруживаются двумя днями позже солнечных вспышек, их сначала приписывали действию ультрафиолетовой радиации, усиливающейся со вспышками.

Позднее английский геофизик Сидней Чепмен предположил, что корпускулярное излучение Солнца имеет более глубокие причины. В тридцатых годах он и Ферраро провели ряд вычислений и показали, что облако ионов, выброшенных Солнцем, двигаясь со скоростью 1 тысяча или 2 тысячи километров в секунду, может достигнуть Земли через день или два и произвести возмущение земного магнитного поля. Их теоретическая картина возмущения поля так близко совпадает с действительными флуктуациями во время магнитных бурь, что идея Чепмена была широко признана.

Третье проявление солнечных частиц было замечено в конце сороковых годов. Оно было связано с бомбардировкой Земли космическими лучами. Скотт Е. Форбуш из Института Карнеги в Вашингтоне обнаружил, что интенсивность космической радиации, достигающей Земли, ниже во время высокой солнечной активности и часто резко падает во время магнитной бури. Другими словами, большая активность Солнца соответствует меньшему числу частиц космических лучей, падающих на Землю.

Сначала предполагалось, что это явление обусловлено изменениями, вызванными солнечной активностью, в земном магнитном поле и атмосфере, а эти изменения, в свою очередь, приводили к отклонению космических частиц от Земли. Но физик Чикагского университета А. Симпсон вскоре нашел, что нарушения в потоке космических частиц были куда большими, чем можно было предполагать. Такого рода флуктуации не могли быть произведены только лишь переменой околоземной обстановки; они, скорее, должны отражать повышение и падение интенсивности космических лучей в Солнечной системе в целом. Очевидно, что-то в солнечной радиации имеет тенденцию препятствовать потоку космических частиц в Солнечную систему, и эта тенденция возрастает, когда Солнце особенно активно. Но что это такое?

Основной механизм следует искать где-то в магнитогидродинамической теории шведского физика Ганнеса Альвена. Он высказал предположение, что ионизированный газ при движении должен перемещать с собой магнитное поле. То, что это именно так, было подтверждено Филиппом Моррисоном из Корнелльского университета и другими исследователями, считавшими, что поток заряженных частиц из Солнца, несущий магнитное поле, имеет тенденцию «выметать» частицы космических лучей из Солнечной системы, и этот эффект тем значительнее, чем интенсивнее солнечная радиация.

Примерно в то же время появилось четвертое и решающее доказательство корпускулярной радиации Солнца. Хорошо известно, что хвосты комет всегда обращены в сторону от Солнца. Независимо от того, в каком месте орбиты, проходящей через Солнечную систему, находится комета, голова ее всегда обращена, к Солнцу, а газовый хвост в противоположную сторону. Почему это так? До этого времени универсальная общепринятая теория объясняла это явление давлением солнечного света, действующего на крайне разреженное вещество кометы; в результате хвост всегда обращен в сторону, противоположную Солнцу. Но в пятидесятых годах Людвиг Ф. Бирманн из Геттингенского университета отметил, что давления солнечного света совершенно недостаточно, чтобы создать силу, способную сдуть газы с головы кометы. Он высказал идею, что только та солнечная радиация в состоянии отклонить хвост кометы, которая является потоком реально существующих частиц. Такая солнечная радиация могла бы объяснить существование возбужденных, выделяющих свет ионов в хвостах комет.

Исследования Бирманна открыли много важного для решения вопроса о том, как возникает корпускулярная радиация Солнца. До этого времени считалось, что частицы испускаются солнечным пламенем во время вспышек или солнечными пятнами посредством некоего неизвестного электромагнитного ускорительного процесса. Но рассуждения Бирманна показали, что корпускулярная радиация не может возникать только во время вспышек или в образовавшихся пятнах. Хвосты комет указывают на то, что радиация распространяется непрерывно во всех направлениях от Солнца, они демонстрируют существование устойчиво излучаемой, наполняющей космическое пространство радиации. Поток элементарных частиц становится интенсивнее, когда Солнце ведет себя особенно активно, но он существует все время.

Корона и ветер

Кажется, что поток корпускул должен излучаться чем-то, что существует все время над поверхностью Солнца, Но какой процесс ответствен за это? Идея возможного ответа возникла в один из дней 1957 года, во время работы Чепмена в лаборатории высокогорной обсерватории в Боулдере.

Чепмен изучал солнечную корону под углом зрения того, смогла ли она быть причиной нагревания внешних слоев земной атмосферы. Изучение верхней атмосферы выявило любопытный факт: с увеличением высоты она не только не охлаждалась, но даже нагревалась. Это подтверждало мысль о том, что верхние слои воздуха нагревались горячими газами внешнего пространства. Чепмен предположил, что эти горячие газы существуют за счет солнечной короны.

Корона — это разреженная внешняя атмосфера Солнца. Она действительно очень разреженная: даже близко к Солнцу корона содержит только примерно от 100 миллионов до 1 миллиарда атомов водорода на каждый кубический сантиметр — эта плотность соответствует одной сто миллиардной части плотности воздуха, которым мы дышим. Однако температура короны, если ее определять по скорости ее атомов, весьма высока — примерно миллион градусов. В результате такой температуры газ короны полностью ионизирован, иначе говоря, состоит из раздельных протонов и электронов.

Исходя из теоретических исследований, Чепмен знал, что разреженный ионизированный газ при температуре в миллион градусов должен иметь необычайную способность проводить тепло. По его расчетам, увеличение потока тепла через ионизированный газ примерно пропорционально учетверенному увеличению температуры. Это значило, что при температуре в миллион градусов приходится иметь дело с огромным тепловым потоком. Если корона простирается даже до земной орбиты, то ее температура и на столь большом удалении от Солнца, рассчитал Чепмен, была бы все же около 200 тысяч градусов.

Это соображение было очень важным в поддержке его теории о возможности того, что корона нагревает верхнюю атмосферу Земли.

Но Чепмен сделал и другое открытие. Он продолжил некоторые расчеты, чтобы определить, в самом ли деле корона распространяется до Земли. Для этого он использовал уравнение барометрического закона, которое устанавливает очевидный факт: на любой высоте давление в атмосфере должно быть как раз достаточным для того, чтобы поддержать вес выше лежащей части атмосферы (если бы это было не так, атмосфера не могла бы быть устойчивой). Исходя из известной плотности короны вблизи Солнца (установленной приближенно), он определил ее плотность поблизости от Земли. Она оказалась примерно равной от 100 до 1 тысячи атомов водорода на кубический сантиметр. Иными словами: несмотря на то, что корона весьма разрежена, она все же заполняет пространство от Солнца до Земли и простирается даже далее.

Это было поразительным открытием: Земля, двигаясь по орбите вокруг Солнца, все время находится внутри горячей солнечной короны, которая заполняет всю Солнечную систему.

Корона в движении

Рассмотрим утверждение Чепмена, сопоставив его с представлением Бирманна о корпускулярной радиации, в результате которой хвосты комет отклоняются в сторону от Солнца.

Предположение о том, что есть два рода солнечного разреженного газа: неподвижная корона и поток частиц, с высокой скоростью движущийся от Солнца,— явилось бы несостоятельным. В магнитном поле (а пространство Солнечной системы, как известно, заполнено магнитным полем) один поток заряженных частиц не может свободно проходить через другой. Следовательно, корона и солнечный поток не могут быть чем-то независимым друг от друга. Они должны быть одним и тем же. Корона, ведущая себя как статическая атмосфера вблизи Солнца, на достаточно большом удалении от него должна представлять собой высокоскоростной поток. Но как это может быть?

Я проверил математическую интерпретацию барометрического закона более детально и убедился, что при отсутствии значительного давления, направленного из Солнечной системы в сторону нашего светила, высокотемпературная корона должна растекаться от Солнца. Обнаружив природу этого течения, я применил уравнения гидродинамики для газового потока. Эти нелинейные уравнения оказались столь сложными, что не могло быть и речи о нахождении общего решения, пригодного для всех возможных случаев. Я выбрал в качестве примера случай, приближенно рассмотренный Чепменом, а именно: температура короны остается высокой на протяжении нескольких миллионов километров от Солнца, а затем падает. Это сделало математическое решение относительно простым.

Математическое решение уравнения показывает, что с увеличением расстояния от Солнца корона приобретает все большую тенденцию расширяться. Сначала расширение идет медленно, но по мере удаления от Солнца давление внутренних слоев короны все более превышает вес внешнего по отношению к Солнцу газа, и скорость расширения увеличивается. На расстоянии 10 миллионов километров (примерно 6 миллионов миль) от Солнца корона расширяется со скоростью в несколько сотен километров в секунду — быстрее, чем скорость звука. С этой точки зрения корона здесь больше напоминает сверхзвуковой ветер, чем солнечную атмосферу. Корона продолжает увеличивать скорость расширения, и эта скорость в несколько раз превышает звуковую по мере ее (короны) выхода из гравитационного солнечного поля.

Я назвал этот поток солнечным ветром, потому что это наименование кажется мне более подходящим для описания явления. Хвосты комет Бирманна — действительно результат солнечного ветра. Они непосредственно и убедительно свидетельствуют о расширении короны.

Тепло ветра

Почему корона так сильно нагрета (ее температура вблизи Солнца порядка миллиона градусов)? Мы знаем, что температура солнечной фотосферы составляет около 6 тысяч градусов и, казалось бы, что находящаяся за пределами фотосферы корона должна быть холоднее. Однако уже примерно 15 лет назад Мартин Швардшильд из Принстонского университета и Бирманн дали новое, теперь общепринятое объяснение парадокса высокой температуры короны. Корона так сильно разрежена, что требуется очень малое количество тепла для ее нагревания. Шварцшильд и Бирманн предположили, что турбулентное движение газа у поверхности Солнца генерирует низкочастотные волны, что и обеспечивает достаточную энергию для нагревания короны до миллиона градусов. Это явление в какой-то мере подобно добыванию огня трением. Ведь путем трения двух кусков дерева друг о друга можно получить температуру, достаточную для возникновения огня,— в несколько сотен градусов, хотя температура тела человека, который это делает, составляет всего 37°С.

Наши теоретические вычисления не могли дать точных значений скорости и плотности солнечного ветра, так как для этого нужно совершенно точно знать то, о чем мы пока имели только грубое представление, — температуру и плотность короны вблизи Солнца. Но если принять, что температура у основания короны равна миллиону градусов, то мы можем получить следующую приблизительную картину возникновения и развития солнечного ветра. У основания короны газ почти стационарен (в космическом представлении), он движется от солнечной поверхности со скоростью, составляющей только несколько сотен метров в секунду. Так как газ все же «уходит» от поверхности Солнца, освобождаемое им пространство заполняется новыми порциями газа, образующегося из фотосферы. Поток газа короны увеличивает свою скорость постепенно: для покрытия расстояния в миллион километров требуется примерно пять дней. После этого поток газа движется уже со скоростью до сотен километров в секунду и примерно за четыре дня может пройти 93 миллиона миль.

Газ, который мы видим у основания короны в воскресенье, доходит до нас примерно во вторник на следующей неделе. Двумя неделями позже этот газ достигает Юпитера.

Магнетизм ветра

Солнечный ветер несет с собой магнитное поле, так как газ ионизирован. (Он остается ионизированным на всем пути через Солнечную систему, хотя его температура может существенно снизиться; газ настолько разрежен, что разделенные протоны и электроны имеют весьма малую вероятность соединения.) Какова природа этого магнитного поля?

По-видимому, источник его — общее магнитное поле Солнца. Корона не может уносить локальные, концентрированные солнечные поля солнечных пятен и активных областей, так как они достаточно основательно предохранены. Общее магнитное поле Солнца измеряется одним или двумя гауссами (земное магнитное поле составляет примерно половину гаусса).

Если бы Солнце не вращалось (а на самом деле оно совершает один оборот за 25 дней), солнечный ветер образовывал бы свое общее магнитное поле таким образом, что его силовые линии были бы направлены радиально от Солнца, и стрелка компаса всегда показывала бы направление на Солнце или от него. Вращение Солнца налагает, однако, на это радиальное поле, поле круговое, в результате чего поле, создаваемое солнечным ветром, имеет спиральную форму.

Действие радиального магнитного поля, подобно действию гравитации света, ослабляется пропорционально квадрату возрастания дистанции от источника. Можно подсчитать, что на дистанции, соответствующей расстоянию от Солнца до Земли, магнитное поле, создаваемое солнечным ветром, должно было бы составлять примерно три или четыре стотысячных гаусса.

Свидетельства, исходящие из космических исследований

Что можно сказать о солнечном ветре на основании исследования космического пространства? Многие космические аппараты были снабжены оборудованием для регистрации заряженных частиц, с которыми происходит столкновение в космическом пространстве. Прежде всего, нужно сказать, что эти исследования подтвердили существование ветра. Солнечный ветер обнаружен и измерен несколькими американскими космическими аппаратами, включая «Маринер II» и спутник «Эксплорер X». Все эти аппараты доказали, что ветер дует непрерывно во всем космическом пространстве, которое было исследовано, и что вблизи Земли скорость его, по-видимому, составляет около 400 километров в секунду.

Ветер дует иногда с постоянной интенсивностью, иногда — порывами. Он имеет тенденцию к турбулентности (завихрению) и движется быстрее, когда Солнце активно. Плотность ветра определенно небольшая. Спутники зарегистрировали интенсивность потока: в среднем, 100 миллионов протонов на квадратный сантиметр в секунду, «Эксплорер X» и «Маринер II» нашли, что плотность вблизи Земли лежит (в большинстве случаев) в пределах от одного до 10 протонов на кубический сантиметр. Эти данные соответствуют модели солнечной короны, принятой учеными. Согласно этой модели, температура солнечной короны находится в пределах миллиона градусов, включая и значительное удаление от Солнца.

Кроме того, измерения магнитного поля в межпланетном пространстве подтвердили теоретические представления о солнечном ветре. «Маринер 11» и «Эксплорер X» произвели измерения поля, обнаружив несколько стотысячных гаусса, и «Маринер II» зафиксировал спиральную форму линий. Обнаружены петли в наблюдаемой форме линий поля, но они только подтверждают, что солнечный ветер иногда имеет порывистый характер.

Получив из всех приведенных фактов подтверждение о природе солнечного ветра, мы можем перейти к исследованию некоторых других интересных вопросов. Например, существенное значение имеет вопрос о том, сколь много энергии и вещества выносит солнечный ветер в космос. Можно подсчитать, что он уносит из Солнца около миллиона тонн водорода в секунду. Однако для Солнца эти потери несущественны. За всю предполагаемую длительность жизни Солнца, за 15 биллионов лет, потеря его массы за этот счет составляет немногим более сотой процента солнечной массы. А расход энергии короны на создание скорости солнечного ветра составляет примерно миллионную долю общей выработки энергии Солнцем. Энергия ветра на единицу объема так незначительна, что ни один объект космического пространства не может быть сколько-нибудь существенно нагрет за ее счет.

Как далеко дует ветер!

Как далеко распространяется солнечный ветер в космическом пространстве? Этот вопрос значительно более важен, чем вопрос об «истощении» Солнца, так как он касается возможности использования солнечного ветра в качестве зонда в межзвездном пространстве.

Плотность ветра падает пропорционально квадрату увеличения расстояния от Солнца. В конце концов, ветер должен стать столь разреженным, что он прекращает свое существование под воздействием других тонкодисперсных газов и слабых магнитных полей в межзвездном пространстве. Общее магнитное поле пространства нашей Галактики оценивается не более чем двумя стотысячными гаусса. Если мы примем это максимальное значение как силу сопротивления солнечному ветру, а в качестве показателя плотности ветра используем наименьшее значение его плотности, измеренное вблизи Земли (один атом на кубический сантиметр), то, как говорят вычисления, солнечный ветер должен прекратить свое существование на расстоянии около 12 астрономических единиц от Солнца (расстояние от Солнца до Земли, увеличенное в 12 раз), то есть примерно на орбите Сатурна.

Другое предельное значение можно получить, приняв минимально возможное значение магнитного поля, оказывающего сопротивление (одна двухсоттысячная гаусса), и максимальную величину плотности ветра вблизи Земли (10 атомов на кубический сантиметр). В этом случае солнечный ветер должен исчезнуть, пройдя дистанцию в 160 астрономических единиц, то есть пройдя учетверенную дистанцию от Солнца до наиболее удаленной планеты — Плутона. Таким образом, установлены пределы распространения солнечного ветра – Солнечный ветер распространяется не менее чем на 12 и не более чем на 160 астрономических единиц от Солнца.

В нашем распоряжении имеются две возможности для исследования пределов распространения ветра, Одна из них основывается на том, что водород, когда он возбужден, наблюдается в межзвездном пространстве по испусканию слабой ультрафиолетовой радиации. Последние анализы такой эмиссии, выполненные Томасом Н. Л. Латтерсоном, Френсисом С., Джонсоном и Виллиамом Б. Хансоном, заставляют предполагать, что предел распространения солнечного ветра составляет примерно 20 астрономических единиц от Солнца.

Вторая возможность следует из факта, что магнитное поле солнечного ветра имеет тенденцию «выметать» космические лучи из Солнечной системы. В годы высокой солнечной активности интенсивность космических лучей, приходящих на Землю, сокращается как минимум наполовину. Мы вычислили, что снижение этой величины означает, что солнечный ветер распространяется значительно за пределы Юпитера (пять астрономических единиц от Солнца). Симпсон представил прямые доказательства того, что солнечный ветер распространяется не менее как на 40 или 50 астрономических единиц.

Анализируя снижение и повышение интенсивности космических лучей в период одиннадцатилетнего цикла солнечных пятен, он нашел, что возрастание интенсивности частиц высоких энергий космических лучей происходит как минимум через шесть месяцев после падения солнечной активности. Запаздывание по времени, по-видимому, и есть критерий для измерения расстояния наибольшего распространения солнечного ветра. Точно так же как требуется определенное время для данного возмущения, начавшегося в середине пруда, чтобы достигнуть берега пруда, так требуется определенное время и для передачи возрастания или понижения интенсивности солнечного ветра к внешней границе распространения ветра.

Поэтому и существует различие во времени между падением солнечной активности, вызывающей ослабление солнечного ветра и проявлением ослабления ветра на предельной дистанции, на которой ветер еще действует в качестве барьера, препятствующего проникновению космических лучей в Солнечную систему. После того как Симпсон обнаружил упомянутый выше разрыв во времени, составляющий минимально шесть месяцев, и принимая, что ветер движется со скоростью одной астрономической единицы за четыре дня, простой расчет показывает, что расстояние до границы солнечного ветра составляет как минимум 40—45 астрономических единиц.

Создают ли другие звезды ветры, подобные солнечному? Очень возможно. Главное условие этого — наличие у звезды короны. Наша солнечная корона возникает в результате перемешивания и конвекции газа фотосферы. В соответствии с теоретической моделью внутреннего строения звезд подповерхностная конвекция, вероятно, происходит в обычных водородных звездах с температурой поверхности не менее чем 6 400 градусов. Большинство звезд в нашей Галактике попадает в этот класс, и поэтому звездные ветры должны, по-видимому, существовать.

Автор: Е. Паркер, перевод с английского.