Понятие солнечный ветер было введено в астрономию в конце 40-х годов 20–го ст., когда американский астроном С. Форбуш, измеряя интенсивность космических лучей, заметил, что она значительно снижается при возрастании солнечной активности и совсем резко падает во время .

Это представлялось довольно странным. Скорее, можно было ожидать обратного. Ведь Солнце само является поставщиком космических лучей. Поэтому, казалось бы, чем выше, активность нашего дневного светила, тем больше частиц оно должно выбрасывать в окружающее пространство.

Оставалось предположить, что возрастание солнечной активности влияет на таким образом, что оно начинает отклонять частицы космических лучей – отбрасывать их.

Тогда-то и возникло предположение, что виновниками загадочного эффекта являются потоки заряженных частиц, вырывающиеся с поверхности Солнца и пронизывающие пространство солнечной системы. Этот своеобразный солнечный ветер и очищает межпланетную среду, "выметая" из нее частицы космических лучей.

В пользу подобной гипотезы говорили также явления, наблюдающиеся в . Как известно, кометные хвосты всегда направлены от Солнца. Вначале это обстоятельство связывали со световым давлением солнечных лучей. Однако было установлено, что лишь световое давление не может вызывать всех явлений, происходящих в кометах. Расчеты показали, что для образования и наблюдаемого отклонения кометных хвостов необходимо воздействие не только фотонов, но и частиц вещества.

Собственно говоря, о том, что Солнце выбрасывает потоки заряженных частиц – корпускул, было известно и до этого. Однако предполагалось, что такие потоки носят эпизодический характер. Но кометные хвосты направлены в противоположную от Солнца сторону всегда, а не только в периоды усиления . Значит, и корпускулярная радиация, заполняющая пространство солнечной системы, должна существовать постоянно. Она усиливается с возрастанием солнечной активности, но существует всегда.

Таким образом, солнечный ветер непрерывно обдувает околосолнечное пространство. Из чего же состоит этот солнечный ветер, и при каких условиях он возникает?

Самый внешний слой солнечной атмосферы – "корона". Эта часть, атмосферы нашего дневного светила необычайно разрежена. Но так называемая "кинетическая температура" короны, определяемая по скорости движения частиц, весьма велика. Она достигает миллиона градусов. Поэтому корональвый газ полностью ионизован и представляет собой смесь протонов, ионов различных элементов и свободных электронов.

Недавно появилось сообщение о том, что солнечный ветер имеет в своем составе ионы гелия. Это обстоятельство проливает свет на тот механизм, с помощью которого происходит выброс заряженных частиц с поверхности Солнца. Если бы солнечный ветер состоял только из электронов и протонов, то еще можно было бы предполагать, что он образуется за счет чисто тепловых процессов и представляет собой нечто вроде пара, образующегося над поверхностью кипящей воды. Однако ядра атомов гелия в четыре раза тяжелее протонов и поэтому маловероятно, чтобы они могли выбрасываться вследствие испарения. Скорее всего, образование солнечного ветра связано с действием магнитных сил. Улетая от Солнца, облака плазмы как бы уносят с собой и магнитные поля. Именно эти поля и служат тем своеобразным "цементом", который "скрепляет" воедино частицы с различными массами и зарядами.

Наблюдения и вычисления, проведенные астрономами, показали, что по мере удаления от Солнца плотность короны постепенно уменьшается. Но, оказывается, в районе орбиты Земли она еще заметно отличается от нуля. Другими словами, наша планета находится внутри солнечной атмосферы.

Если вблизи Солнца корона более или менее стабильна, то по мере увеличения расстояния она стремится расшириться в пространство. И чем дальше от Солнца, тем выше скорость этого расширения. Согласно расчетам американского астронома Э. Паркера, уже на расстоянии 10 млн. км корональные частицы движутся со скоростями, превосходящими скорость .

Таким образом, напрашивается вывод о том, что солнечная корона – это и есть солнечный ветер, обдувающий пространство нашей планетной системы.

Эти теоретические выводы были полностью подтверждены измерениями на космических ракетах и искусственных спутниках Земли. Оказалось, что солнечный ветер существует всегда и вблизи Земли – "дует" со скоростью около 400 км/сек.

Как далеко дует солнечный ветер? При теоретических соображениях в одном случае получается, что солнечный ветер затихает уже в районе орбиты , в другом, – что он существует еще на очень большом расстоянии за орбитой последней планеты Плутона. Но это лишь теоретически крайние пределы возможного распространения солнечного ветра. Указать точную границу могут лишь наблюдения.

Рисунок 1. Гелисфера

Рисунок 2. Солнечная вспышка.

Солнечный ветер - непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий собой Солнечную систему до гелиоцентрический расстояний порядка 100 а.е. С.в.образуется при газодинамическом расширении солнечной короны в межпланетное пространство.

Средние характеристики Солнечного ветра на орбите Земли: скорость 400 км/с, плотность протонов - 6 на 1, температура протонов 50 000 К, температура электронов 150000 К, напряжённость магнитного поля 5·эрстед. Потоки Солнечного ветра можно разделить на два класса: медленные - со скоростью около 300 км/с и быстрые - со скоростью 600-700 км/с. Солнечный ветер возникающий над областями Солнца с различной ориентацией магнитного поля, образует потоки с различно ориентированным межпланетным магнитным полем - так называемую секторную структуру межпланетного магнитного поля.

Межпланетная секторная структура - это разделение наблюдаемой крупномасштабной структуры Солнечного ветра на чётное число секторов с различным направлением радиального компонента межпланетного магнитного поля.

Характеристики Солнечного ветра (скорость, температура, концентрация частиц и др.) также в среднем закономерно изменяются в сечении каждого сектора, что связано с существованием внутри сектора быстрого потока Солнечного ветра. Границы секторов обычно располагаются внутри медленного потока Солнечного ветра Чаще всего наблюдаются два или четыре сектора, вращающихся вместе с Солнцем. Эта структура, образующаяся при вытягивании Солнечного ветра крупномасштабного магнитного поля короны, может наблюдаться в течение нескольких оборотов Солнца. Секторная структура является следствием существования токового слоя в межпланетной среде, который вращается вместе с Солнцем. Токовый слой создаёт скачок магнитного поля: выше слоя радиальный компонент межпланетного магнитного поля имеет один знак, ниже - другой. Токовый слой располагается приблизительно в плоскости солнечного экватора и имеет складчатую структуру. Вращение Солнца приводит к закручиванию складок токового слоя в спирали (так называемый "эффект балерины"). Находясь вблизи плоскости эклиптики наблюдатель оказывается то выше, то ниже токового слоя, благодаря чему попадает в секторы с различными знаками радиального компонента межпланетного магнитного поля.

При обтекании Солнечным ветром препятствия, способных эффективно отклонять Солнечный ветер (магнитные поля Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна или проводящие ионосферы Венеры и, по-видимому, Марса), образуется головная отошедшая ударная волна. Солнечный ветер тормозится и разогревается на фронте ударной волны, что позволяет ему обтекать препятствие. При этом в Солнечном ветре формируется полость - магнитосфера, форма и размер которой определяются балансом давления магнитного поля планеты и давления обтекающего потока плазмы. Толщина фронта ударной волны - порядка 100 км. В случае взаимодействия Солнечного ветра с непроводящим телом (Луна) ударная волна не возникает: поток плазмы поглощается поверхностью, а за телом образуется постепенно заполняемая плазмой Солнечного ветра 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, которая постепенно замедляется при движении через плазму Солнечного ветра.

Приход ударной волны к Земли приводит к сжатию магнитосферы, после которого обычно начинается развитие магнитной бури.

Солнечный ветер простирается до расстояния около 100 а.е., где давление межзвёздной среды уравновешивает динамическое давление Солнечного ветра. Полость, заметаемая Солнечным ветром в межзвёздной среде, образует гелиосферу. Солнечный ветер вместе с вмороженным в него магнитным полем препятствует проникновению в Солнечную систему галактических космических лучей малых энергий и приводит к вариациям космических лучей больших энергий.

Явление, аналогичное Солнечному ветру, обнаружено и у некоторых типов других звёзд (звёздный ветер).

Поток энергии Солнца, питаемый термоядерной реакцией в его центре, к счастью, исключительно стабилен, не в пример большинству других звезд. Большая его часть в конце концов испускается тонким поверхностным слоем Солнца - фотосферой - в виде электромагнитных волн видимого и инфракрасного диапазона. Солнечная постоянная (величина потока солнечной энергии на орбите Земли) равна 1370 Вт/. Можно представить, что на каждый квадратный метр поверхности Земли приходится мощность одного электрического чайника. Над фотосферой расположена корона Солнца - зона, видимая с Земли только во время солнечных затмений и заполненная разреженной и горячей плазмой с температурой в миллионы градусов.

Это самая нестабильная оболочка Солнца, в которой зарождаются основные проявления солнечной активности, влияющие на Землю. Косматый вид короны Солнца демонстрирует структуру его магнитного поля - светящиеся сгустки плазмы вытянуты вдоль силовых линий. Горячая плазма, истекающая из короны, формирует солнечный ветер - поток ионов (состоящий на 96% из ядер водорода - протонов и на 4% из ядер гелия - альфа- частиц) и электронов, разгоняющийся в межпланетное пространство со скоростью 400-800 км/с.

Солнечный ветер растягивает и уносит с собой солнечное магнитное поле.

Это происходит потому, что энергия направленного движения плазмы во внешней короне больше, чем энергия магнитного поля, и принцип вмороженности увлекает поле за плазмой. Комбинация такого радиального истечения с вращением Солнца (а магнитное поле "прикреплено" и к его поверхности) приводит к образованию спиральной структуры межпланетного магнитного поля - так называемой спирали Паркера.

Солнечный ветер и магнитное поле заполняют всю Солнечную систему, и, таким образом, Земля и все другие планеты фактически находятся в короне Солнца, испытывая воздействие не только электромагнитного излучения, но еще и солнечного ветра и солнечного магнитного поля.

В период минимума активности конфигурация солнечного магнитного поля близка к дипольной и похожа на форму магнитного поля Земли. При приближении к максимуму активности структура магнитного поля по не вполне понятным причинам усложняется. Одна из наиболее красивых гипотез гласит, что при вращении Солнца магнитное поле как бы навивается на него, постепенно погружаясь под фотосферу. Со временем, в течение как раз солнечного цикла, магнитный поток, накопленный под поверхностью, становится таким большим, что жгуты силовых линий начинают выталкиваться наружу.

Места выхода силовых линий образуют пятна на фотосфере и магнитные петли в короне, видимые как области повышенного свечения плазмы на рентгеновских изображениях Солнца. Величина поля внутри солнечных пятен достигает 0,01 тесла, в сто раз больше, чем поле спокойного Солнца.

Интуитивно энергию магнитного поля можно связать с длиной и количеством силовых линий: их тем больше, чем выше энергия. При подходе к солнечному максимуму накопленная в поле огромная энергия начинает периодически взрывным образом высвобождаться, расходуясь на ускорение и разогрев частиц солнечной короны.

Резкие интенсивные всплески коротковолнового электромагнитного излучения Солнца, сопровождающие этот процесс, носят название солнечных вспышек. На поверхности Земли вспышки регистрируются в видимом диапазоне как небольшие увеличения яркости отдельных участков солнечной поверхности.

Однако уже первые измерения, выполненные на борту космических аппаратов, показали, что наиболее заметным эффектом вспышек оказывается значительное (до сотен раз) увеличение потока солнечного рентгеновского излучения и энергичных заряженных частиц - солнечных космических лучей.

Во время некоторых вспышек происходят также выбросы значительного количества плазмы и магнитного поля в солнечный ветер - так называемых магнитных облаков, которые начинают быстро расширяться в межпланетное пространство, сохраняя форму магнитной петли с концами, опирающимися на Солнце.

Плотность плазмы и величина магнитного поля внутри облака в десятки раз превосходят типичные для спокойного времени значения этих параметров в солнечном ветре.

Несмотря на то, что во время крупной вспышки может выделиться до 1025 джоулей энергии, общее увеличение потока энергии в солнечный максимум невелико и составляет всего 0,1-0,2%.

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.

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».

Новые миссии

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.

Атмосфера Солнца на 90% состоит из водорода. Самая удаленная от поверхности ее часть называется короной Солнца, она отчетливо видна при полных солнечных затмениях. Температура короны достигает 1,5-2 млн. К, и газ короны полностью ионизирован. При такой температуре плазмы тепловая скорость протонов порядка 100 км/с, а электронов - несколько тысяч километров в секунду. Для преодоления солнечного притяжения достаточна начальная скорость 618 км/с, вторая космическая скорость Солнца. Поэтому постоянно происходит утечка плазмы из солнечной короны в космос. Этот поток протонов и электронов и называется солнечным ветром.

Преодолев притяжение Солнца, частицы солнечного ветра летят по прямым траекториям. Скорость каждой частицы с удалением почти не меняется, но бывает она разной. Эта скорость зависит главным образом от состояния солнечной поверхности, от «погоды» на Солнце. В среднем она равна v ≈ 470 км/с. Расстояние до Земли солнечный ветер проходит за 3-4 суток. При этом плотность частиц в нем убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца. На расстоянии, равном радиусу земной орбиты, в 1 см 3 в среднем находится 4 протона и 4 электрона.

Солнечный ветер уменьшает массу нашей звезды - Солнца - на 10 9 кг в секунду. Хотя это число по земным масштабам и кажется большим, реально оно мало: убыль солнечной массы может быть замечена только за времена, в тысячи раз превышающие современный возраст Солнца, который равен приблизительно 5 млрд. лет.

Интересно и непривычно взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем. Известно, что заряженные частицы обычно движутся в магнитном поле Н по окружности или по винтовым линиям. Это верно, однако, только когда магнитное поле достаточно сильное. Точнее говоря, для движения заряженных частиц по окружности нужно, чтобы плотность энергии магнитного поля H 2 /8π была больше, чем плотность кинетической энергии движущейся плазмы ρv 2 /2. В солнечном ветре ситуация обратная: магнитное поле слабое. Поэтому заряженные частицы движутся по прямым, а магнитное поле при этом не постоянно, оно перемещается вместе с потоком частиц, как бы уносится этим потоком на периферию Солнечной системы. Направление магнитного поля во всем межпланетном пространстве остается таким, каким оно было на поверхности Солнца в момент выхода плазмы солнечного ветра.

Магнитное поле при обходе вдоль экватора Солнца, как правило, меняет свое направление 4 раза. Солнце вращается: точки на экваторе совершают оборот за Т = 27 суток. Поэтому межпланетное магнитное поле направлено по спиралям (см. рис.), а вся картина этого рисунка вращается вслед за вращением солнечной поверхности. Угол поворота Солнца меняется, как φ = 2π/Т. Расстояние от Солнца увеличивается со скоростью солнечного ветра: г = vt. Отсюда уравнение спиралей на рис. имеет вид: φ = 2πr/vT. На расстоянии земной орбиты (r = 1,5 10 11 м) угол наклона магнитного поля к радиусу-вектору составляет, как легко проверить, 50°. В среднем такой угол и измеряется космическими кораблями, но не совсем близко от Земли. Вблизи же планет магнитное поле устроено иначе (см. Магнитосфера).