Сонячний вітер та його значення в астрономії

Через Сонячну систему безперервно дме водневий вітер, що володіє великою швидкістю. Випромінюваний Сонцем, він рухається повз Землю зі швидкістю близько 400 кілометрів на секунду (приблизно 1440 тисяч км на годину), «обдуває» комети і мчить в міжзоряний простір. Подібно мітлі, він вимітає гази і випаровуванні планетами і кометами, найдрібніші частинки метеоритного пилу і навіть космічні промені. Він є причиною існування зовнішньої частини радіаційного поясу, що оперізує Землю, сяйв в земній атмосфері і земних магнітних бур. Він може навіть грати певну роль у формуванні земної погоди.

Про те, що сонячний вітер існує, підозрювалося давно, тепер це підтверджено космічними дослідженнями. Вдалося виміряти його швидкість і щільність. А дослідження іншого роду розкрили таємницю його виникнення і дали нам можливість зрозуміти його вплив.

Перше ясно висловлене твердження про те, що, крім світла, на Землю з Сонця приходить ще «щось», було зроблено в 1896 році норвезьким фізиком Олафом К. Біркелендом. Він припустив, що північне сяйво може викликатися впливом електрично заряджених «корпускул ядерних променів», що йдуть від Сонця, вбираються земним магнітним полем поблизу полюсів. Він обґрунтував це припущення тим фактом, що сяйво дуже схоже на електричний розряд в щойно відкритій тоді електронній лампі, що генерує потоки заряджених частинок («катодні промені»).

Ідея Біркеленда розроблялася потім норвезьким математиком Карлом Стормером, який вивчав траєкторії заряджених частинок, що йдуть від Сонця і потрапляють в земне магнітне поле. Його теоретична схема спіральних, петльових траєкторій схожа за формою на спостережувані сяйва, правда, ця подібність виявилася випадковим збігом. До теперішнього часу немає ще досить повної теорії, що пояснює, як сонячний вітер приносить сяйва, хоча на цей рахунок тепер і розробляється кілька цікавих ідей.

Магнітні бурі

Подальші докази того, що Сонце випромінює частинки, були отримані вже багато років пізніше на основі вивчення магнітних бур, які асоціюються з порушенням радіо і телефонного зв’язку.

Бурі, як це було доведено, викликаються флуктуаціями (відхиленнями від норми) в земному магнітному полі. Оскільки вони, як правило, виявляються двома днями пізніше сонячних спалахів, їх спочатку приписували дії ультрафіолетової радіації, що підсилюється зі спалахами.

Пізніше англійський геофізик Сідней Чепмен припустив, що корпускулярне випромінювання Сонця має глибші причини. У тридцятих роках він і Ферраро провели ряд обчислень і показали, що хмара іонів, викинутих Сонцем, рухаючись зі швидкістю 1 тис або 2 тисячі кілометрів на секунду, може досягти Землі через день або два і зробити обурення земного магнітного поля. Їх теоретична картина обурення поля так близько збігається з дійсними флуктуаціями під час магнітних бур, що ідея Чепмена була широко визнана.

Третій прояв сонячних частинок був помічений в кінці сорокових років. Він був пов’язаний з бомбардуванням Землі космічними променями. Скотт Е. Форбуш з Інституту Карнегі у Вашингтоні виявив, що інтенсивність космічної радіації, що досягає Землі, нижче під час високої сонячної активності і часто різко падає під час магнітної бурі. Іншими словами, велика активність Сонця відповідає меншому числу частинок космічних променів, що падають на Землю.

Спочатку передбачалося, що це явище обумовлено змінами, викликаними сонячною активністю, в земному магнітному полі і атмосфері, а ці зміни, в свою чергу, приводили до відхилення космічних частинок від Землі. Але фізик Чиказького університету А. Сімпсон незабаром знайшов, що порушення в потоці космічних частинок були значно більшими, ніж можна було припускати. Такого роду флуктуації не могли бути зроблені тільки зміною навколоземної обстановки; вони, скоріше, повинні відображати підвищення і падіння інтенсивності космічних променів в Сонячній системі в цілому. Очевидно, щось в сонячній радіації має тенденцію перешкоджати потоку космічних частинок в Сонячну систему, і ця тенденція зростає, коли Сонце особливо активно. Але що це таке?

Основний механізм слід шукати десь в магнітогідродинамічній теорії шведського фізика Ганнеса Альвена. Він висловив припущення, що іонізований газ при русі повинен переміщати з собою магнітне поле. Те, що це саме так, було підтверджено Філіпом Моррісоном з Корнельського університету та іншими дослідниками, які вважали, що потік заряджених частинок з Сонця, що несе магнітне поле, має тенденцію «вимітати» частинки космічних променів з Сонячної системи, і цей ефект тим значніше, чим інтенсивніша сонячна радіація.

Приблизно в той же час з’явився четвертий і вирішальний доказ корпускулярної радіації Сонця. Добре відомо, що хвости комет завжди звернені в сторону від Сонця. Незалежно від того, в якому місці орбіти, що проходить через Сонячну систему, знаходиться комета, голова її завжди звернена, до Сонця, а газовий хвіст в протилежну сторону. Чому це так? До цього часу універсальна загальноприйнята теорія пояснювала це явище тиском сонячного світла, що діє на вкрай розріджену речовину комети; в результаті хвіст завжди звернений в сторону, протилежну Сонцю. Але в п’ятдесятих роках Людвіг Ф. Бірманн з Геттінгенського університету зазначив, що тиску сонячного світла зовсім недостатньо, щоб створити силу, здатну здути гази з голови комети. Він висловив ідею, що тільки та сонячна радіація в стані відхилити хвіст комети, яка є потоком реально існуючих частинок. Така сонячна радіація могла б пояснити існування порушених, що виділяють світло іонів в хвостах комет.

Дослідження Бірманна відкрили багато важливого для вирішення питання про те, як виникає корпускулярна радіація Сонця. До цього часу вважалося, що частки випускаються сонячним полум’ям під час спалахів або сонячними плямами за допомогою якогось невідомого електромагнітного прискорювального процесу. Але міркування Бірманна показали, що корпускулярна радіація не може виникати тільки під час спалахів або в утворених плямах. Хвости комет вказують на те, що радіація поширюється безперервно у всіх напрямках від Сонця, вони демонструють існування стійко випромінюваної, яка наповнює космічний простір радіації. Потік елементарних частинок стає інтенсивніше, коли Сонце поводиться особливо активно, але він існує весь час.

Корона і вітер

Здається, що потік корпускул повинен випромінюватися чимось, що існує весь час над поверхнею Сонця, Але який процес відповідальний за це? Ідея можливої відповіді виникла в один з днів 1957 року, під час роботи Чепмена в лабораторії високогірної обсерваторії в Боулдері.

Чепмен вивчав сонячну корону під кутом зору того, чи змогла вона бути причиною нагрівання зовнішніх шарів земної атмосфери. Вивчення верхньої атмосфери виявило цікавий факт: зі збільшенням висоти вона не тільки не охолоджувалася, але навіть нагрівалася. Це підтверджувало думку про те, що верхні шари повітря нагрівалися гарячими газами зовнішнього простору. Чепмен припустив, що ці гарячі гази існують за рахунок сонячної корони.

Корона – це розріджена зовнішня атмосфера Сонця. Вона дійсно дуже розріджена: навіть близько до Сонця корона містить тільки приблизно від 100 мільйонів до 1 мільярда атомів водню на кожен кубічний сантиметр – ця щільність відповідає одній сто мільярдній частині щільності повітря, яким ми дихаємо. Однак температура корони, якщо її визначати за швидкістю її атомів, досить висока – приблизно мільйон градусів. В результаті такої температури газ корони повністю іонізований, інакше кажучи, складається з роздільних протонів і електронів.

Виходячи з теоретичних досліджень, Чепмен знав, що розріджений іонізований газ при температурі в мільйон градусів повинен мати надзвичайну здатність проводити тепло. За його розрахунками, збільшення потоку тепла через іонізований газ приблизно пропорційно у чотири рази збільшенню температури. Це означало, що при температурі в мільйон градусів доводиться мати справу з величезним тепловим потоком. Якщо корона простягається навіть до земної орбіти, то її температура і на настільки великій відстані від Сонця, розрахував Чепмен, була б все ж близько 200 тисяч градусів.

Це міркування було дуже важливим у підтримці його теорії про можливість того, що корона нагріває верхню атмосферу Землі.

Але Чепмен зробив і інше відкриття. Він продовжив деякі розрахунки, щоб визначити, чи справді корона поширюється до Землі. Для цього він використовував рівняння барометричного закону, яким встановлено очевидний факт: на будь-якій висоті тиск в атмосфері має бути саме достатнім для того, щоб підтримати вагу вище лежачої частини атмосфери (якби це було не так, атмосфера не могла б бути стійкою). Виходячи з відомої щільності корони поблизу Сонця (встановленої наближено), він визначив її щільність поблизу від Землі. Вона виявилася приблизно рівною від 100 до 1 тисячі атомів водню на кубічний сантиметр. Іншими словами: не дивлячись на те, що корона дуже розріджена, вона все ж заповнює простір від Сонця до Землі і простягається навіть далі.

Це було вражаючим відкриттям: Земля, рухаючись по орбіті навколо Сонця, весь час знаходиться всередині гарячої сонячної корони, яка заповнює всю Сонячну систему.

Корона в русі

Розглянемо твердження Чепмена, зіставивши його з поданням Бірманна про корпускулярну радіацію, в результаті якої хвости комет відхиляються в сторону від Сонця.

Припущення про те, що є два роди сонячного розрідженого газу: нерухома корона і потік частинок, що з високою швидкістю рухається від Сонця, – стало б неспроможним. У магнітному полі (а простір Сонячної системи, як відомо, заповнений магнітним полем) один потік заряджених частинок не може вільно проходити через інший. Отже, корона і сонячний потік не можуть бути чимось незалежним один від одного. Вони повинні бути одним і тим же. Корона, ведуча себе як статична атмосфера поблизу Сонця, на досить великій відстані від нього повинна являти собою високошвидкісний потік. Але як це може бути?

Я перевірив математичну інтерпретацію барометричного закону більш детально і переконався, що при відсутності значного тиску, спрямованого з Сонячної системи в бік нашого світила, високотемпературна корона повинна розтікатися від Сонця. Виявивши природу цієї течії, я застосував рівняння гідродинаміки для газового потоку. Ці нелінійні рівняння виявилися настільки складними, що не могло бути й мови про знаходження спільного рішення, придатного для всіх можливих випадків. Я вибрав як приклад випадок, наближено розглянутий Чепменом, а саме: температура корони залишається високою протягом декількох мільйонів кілометрів від Сонця, а потім падає. Це зробило математичне рішення відносно простим.

Математичне рішення рівняння показує, що зі збільшенням відстані від Сонця корона набуває все більшої тенденції розширюватися. Спочатку розширення йде повільно, але в міру віддалення від Сонця тиск внутрішніх шарів корони все більше перевищує вагу зовнішнього по відношенню до Сонця газу, і швидкість розширення збільшується. На відстані 10 мільйонів кілометрів (приблизно 6 мільйонів миль) від Сонця корона розширюється зі швидкістю в кілька сотень кілометрів на секунду – швидше, ніж швидкість звуку. З цієї точки зору корона тут більше нагадує надзвуковий вітер, ніж сонячну атмосферу. Корона продовжує збільшувати швидкість розширення, і ця швидкість в кілька разів перевищує звукову у міру її (корони) виходу з гравітаційного сонячного поля.

Я назвав цей потік сонячним вітром, тому що це найменування здається мені більш відповідним для опису явища. Хвости комет Бірманна – дійсно результат сонячного вітру. Вони безпосередньо і переконливо свідчать про розширення корони.

Тепло вітру

Чому корона так сильно нагріта (її температура поблизу Сонця близько мільйона градусів)? Ми знаємо, що температура сонячної фотосфери становить близько 6 тисяч градусів і, здавалося б, що знаходячись за межами фотосфери корона повинна бути холодніше. Однак вже приблизно 15 років тому Мартін Швардшільд з Прінстонського університету і Бірманн дали нове, тепер загальноприйняте пояснення парадоксу високої температури корони. Корона так сильно розріджена, що потрібна дуже мала кількість тепла для її нагрівання. Шварцшильд і Бірманн припустили, що турбулентний рух газу біля поверхні Сонця генерує низькочастотні хвилі, що і забезпечує достатню енергію для нагрівання корони до мільйона градусів. Це явище в якійсь мірі подібно добування вогню тертям. Адже шляхом тертя двох шматків дерева один об інший можна отримати температуру, достатню для виникнення вогню, – в кілька сотень градусів, хоча температура тіла людини, яка це робить, становить всього 37°С.

Наші теоретичні обчислення не могли дати точних значень швидкості і щільності сонячного вітру, так як для цього потрібно зовсім точно знати те, про що ми поки мали тільки грубе уявлення, – температуру і щільність корони поблизу Сонця. Але якщо прийняти, що температура біля основи корони дорівнює мільйону градусів, то ми можемо отримати таку приблизну картину виникнення і розвитку сонячного вітру. В основі корони газ майже стаціонарний (в космічному поданні), він рухається від сонячної поверхні зі швидкістю, що становить лише кілька сотень метрів в секунду. Так як газ все ж «йде» від поверхні Сонця, простір що звільняється заповнюється новими порціями газу, що утворюється з фотосфери. Потік газу корони збільшує свою швидкість поступово: для покриття відстані в мільйон кілометрів потрібно приблизно п’ять днів. Після цього потік газу рухається вже зі швидкістю до сотень кілометрів в секунду і приблизно за чотири дні може пройти 93 мільйони миль.

Газ, який ми бачимо в основі корони в неділю, доходить до нас приблизно у вівторок на наступному тижні. Двома тижнями пізніше цей газ досягає Юпітера.

Магнетизм вітру

Сонячний вітер несе з собою магнітне поле, так як газ іонізований. (Він залишається іонізованим на всьому шляху через Сонячну систему, хоча його температура може істотно знизитися; газ настільки розріджений, що розділені протони й електрони мають дуже малу ймовірність з’єднання.) Яка природа цього магнітного поля?

Мабуть, джерело його – загальне магнітне поле Сонця. Корона не може нести локальні, концентровані сонячні поля сонячних плям і активних областей, так як вони досить ґрунтовно забезпечені. Загальне магнітне поле Сонця вимірюється одним або двома Гаусса (земне магнітне поле становить приблизно половину Гаусса).

Якби Сонце не оберталося (а насправді воно робить один оборот за 25 днів), сонячний вітер утворював би своє загальне магнітне поле таким чином, що його силові лінії були б спрямовані радіально від Сонця, і стрілка компаса завжди показувала б напрямок на Сонце або від нього. Обертання Сонця накладає, однак, на це радіальне поле, поле кругове, в результаті чого поле, створюване сонячним вітром, має спіральну форму.

Дія радіального магнітного поля, подібно до дії гравітації світла, послаблюється пропорційно квадрату зростання дистанції від джерела. Можна підрахувати, що на дистанції, що відповідає відстані від Сонця до Землі, магнітне поле, створюване сонячним вітром, мало б становити приблизно три або чотири стотисячних Гаусса.

Свідоцтва, які виходять із космічних досліджень

Що можна сказати про сонячний вітер на підставі дослідження космічного простору? Багато космічних апаратів були забезпечені обладнанням для реєстрації заряджених частинок, з якими відбувається зіткнення в космічному просторі. Перш за все, потрібно сказати, що ці дослідження підтвердили існування вітру. Сонячний вітер виявлений і виміряний декількома американськими космічними апаратами, включаючи «Маринер II» і супутник «Експлорер X». Всі ці апарати довели, що вітер дме безперервно у всьому космічному просторі, яке було досліджено, і що поблизу Землі швидкість його, мабуть, становить близько 400 кілометрів на секунду.

Вітер дме іноді з постійною інтенсивністю, іноді – поривами. Він має тенденцію до турбулентності (завихрення) і рухається швидше, коли Сонце активно. Щільність вітру виразно невелика. Супутники зареєстрували інтенсивність потоку: в середньому, 100 мільйонів протонів на квадратний сантиметр за секунду, «Експлорер X» і «Марінер II» знайшли, що щільність поблизу Землі лежить (в більшості випадків) в межах від одного до 10 протонів на кубічний сантиметр. Ці дані відповідають моделі сонячної корони, прийнятої вченими. Відповідно до цієї моделі, температура сонячної корони знаходиться в межах мільйона градусів, включаючи і значне віддалення від Сонця.

Крім того, вимірювання магнітного поля в міжпланетному просторі підтвердили теоретичні уявлення про сонячний вітер. «Маринер 11» і Експлорер X» справили вимірювання поля, виявивши кілька стотисячних Гаусса, і «Марінер II» зафіксував спіральну форму ліній. Виявлено петлі в спостережуваної формі ліній поля, але вони тільки підтверджують, що сонячний вітер іноді має поривчастий характер.

Отримавши з усіх наведених фактів підтвердження про природу сонячного вітру, ми можемо перейти до дослідження деяких інших цікавих питань. Наприклад, істотне значення має питання про те, як багато енергії і речовини виносить сонячний вітер в космос. Можна підрахувати, що він забирає з Сонця близько мільйона тонн водню в секунду. Однак для Сонця ці втрати несуттєві. За всю передбачувану тривалість життя Сонця, за 15 більйонів років, втрата його маси за цей рахунок становить трохи більше сотої відсотка сонячної маси. А витрата енергії корони на створення швидкості сонячного вітру складає приблизно мільйонну частку загального виробітку енергії Сонцем. Енергія вітру на одиницю об’єму так незначна, що жоден об’єкт космічного простору не може бути скільки-небудь істотно нагрітий за її рахунок.

Як далеко дме вітер!

Як далеко поширюється сонячний вітер в космічному просторі? Це питання значно більш важливе, ніж питання про «виснаження» Сонця, так як воно стосується можливості використання сонячного вітру в якості зонда в міжзоряному просторі.

Щільність вітру падає пропорційно квадрату збільшення відстані від Сонця. Зрештою, вітер повинен стати настільки розрідженим, що він припиняє своє існування під впливом інших тонко дисперсних газів і слабких магнітних полів в міжзоряному просторі. Загальне магнітне поле простору нашої Галактики оцінюється не більше ніж двома стотисячним Гаусса. Якщо ми приймемо це максимальне значення як силу опору сонячному вітру, а в якості показника щільності вітру використовуємо найменше значення його щільності, виміряне поблизу Землі (один атом на кубічний сантиметр), то, як кажуть обчислення, сонячний вітер повинен припинити своє існування на відстані близько 12 астрономічних одиниць від Сонця (відстань від Сонця до Землі, збільшена в 12 раз), тобто приблизно на орбіті Сатурна.

Інша граничне значення можна отримати, прийнявши мінімально можливе значення магнітного поля, яке надає опір (одна двохсоттисячна Гаусса), і максимальну величину щільності вітру поблизу Землі (10 атомів на кубічний сантиметр). У цьому випадку сонячний вітер повинен зникнути, пройшовши дистанцію в 160 астрономічних одиниць, тобто пройшовши в чотири рази більшу дистанцію від Сонця до найвіддаленішої планети – Плутона. Таким чином, встановлено межі поширення сонячного вітру – Сонячний вітер поширюється не менш ніж на 12 і не більше ніж на 160 астрономічних одиниць від Сонця.

В нашому розпорядженні є дві можливості для дослідження меж поширення вітру, Одна з них ґрунтується на тому, що водень, коли він збуджений, спостерігається в міжзоряному просторі за випусканням слабкої ультрафіолетової радіації. Останні аналізи такої емісії, виконані Томасом Н. Л. Латтерсоном, Френсісом С., Джонсоном і Вілліама Б. Хансоном, змушують припускати, що межа поширення сонячного вітру складає приблизно 20 астрономічних одиниць від Сонця.

Друга можливість випливає з факту, що магнітне поле сонячного вітру має тенденцію «вимітати» космічні промені з Сонячної системи. У роки високої сонячної активності інтенсивність космічних променів, що приходять на Землю, скорочується як мінімум наполовину. Ми вирахували, що зниження цієї величини означає, що сонячний вітер поширюється значно за межі Юпітера (п’ять астрономічних одиниць від Сонця). Сімпсон представив прямі докази того, що сонячний вітер поширюється не менш як на 40 або 50 астрономічних одиниць.

Аналізуючи зниження і підвищення інтенсивності космічних променів в період одинадцятирічного циклу сонячних плям, він знайшов, що зростання інтенсивності частинок високих енергій космічних променів відбувається як мінімум через шість місяців після падіння сонячної активності. Запізнення з часу, мабуть, і є критерій для вимірювання відстані найбільшого поширення сонячного вітру. Точно так само як потрібен певний час для даного обурення, що почалося в середині ставу, щоб досягти берега ставка, так потрібен певний час і для передачі зростання або зниження інтенсивності сонячного вітру до зовнішнього кордону поширення вітру.

Тому й існує відмінність у часі між падінням сонячної активності, що викликає ослаблення сонячного вітру і проявом ослаблення вітру на граничній дистанції, на якій вітер ще діє в якості бар’єру, що перешкоджає проникненню космічних променів в Сонячну систему. Після того як Сімпсон виявив згаданий вище розрив у часі, що становить мінімально шість місяців, і приймаючи, що вітер рухається зі швидкістю однієї астрономічної одиниці за чотири дні, простий розрахунок показує, що відстань до кордону сонячного вітру складає як мінімум 40-45 астрономічних одиниць.

Чи створюють інші зірки вітри, подібні сонячному? Дуже можливо. Головна умова цього – наявність у зірки корони. Наша сонячна корона виникає в результаті перемішування і конвекції газу фотосфери. Відповідно до теоретичної моделі внутрішньої будови зірок підповерхнева конвекція, ймовірно, відбувається в звичайних водневих зірках з температурою поверхні не менше як 6 400 градусів. Більшість зірок в нашій Галактиці потрапляє в цей клас, і тому зоряні вітри повинні, мабуть, існувати.

Автор: Е. Паркер, переклад з англійської.