Солнечный ветер — что это, Земля, энергия, представляет собой, луч, скорость — 24СМИ

Что собой представляет солнечный ветер

Солнечный ветер — это ионизированная частица, исходящая от Солнца. Светильник излучает в разные стороны потоки, состоящие из водородно-гелиевой плазмы. Температура короны звезды огромна, и в результате скорость движения электронов с ионами настолько высока, что гравитационные силы не могут удерживать материю. В результате некоторые частицы летят в космос.

Не путайте рассматриваемое явление и солнечный свет. Первый — это поток ионизированных частиц. А второй — это поток фотонов, которые не заряжаются и находятся в постоянном движении, развивая скорость до 300 000 км / с и достигая Земли за 8-16 секунд.

С какой скоростью «дует» солнечный ветер

Стоит оговориться, что глагол «дуть» не очень подходит для описания этого явления, потому что солнечный ветер не аналогичен земному ветру — речь идет не о воздухе, а о потоках звездной материи. Ионизированные частицы летают со скоростью 400 километров в секунду, иногда разгоняясь до 500-800 км / с.

Исследователи выделяют два типа солнечного ветра:

1. Медленная — плотная, образуется при тепловом расширении ионизированных газов на экваторе звезды. Корональные плазменные потоки под действием динамического процесса развивают скорость до 400 км / с.
2. Быстро — зародились в корональных дырах. Струи выбрасываются на Землю в течение 27 дней — за это время звезда совершает полный оборот вокруг своей оси.

Кроме того, ученые зафиксировали возмущенные потоки, скорость которых составляет 1000-1200 км / с. Подобное явление происходит из-за корональных выбросов, вызывающих магнитные бури.

Быстро ли распространяется солнечный ветер

Заряженные частицы распространяются прямо от Солнца со скоростью от 300 до 450 километров в секунду. Во время солнечных вспышек солнечный ветер может двигаться со скоростью 1200 километров в секунду и даже больше.

Удаляясь от Солнца, заряженные частицы начинают двигаться быстрее. Скорость их движения вокруг Земли колеблется от 400 до 800 км в секунду. Заряженные частицы летят от Солнца на десятки миллиардов километров. Начиная с 10 миллиардов километров, скорость потоков ионизированных частиц постоянно уменьшается.

Есть несколько типов солнечного ветра.

1. Медленный. Это происходит внутри Солнца, когда ионизированные газы подвергаются тепловому расширению. Корональная плазма ускоряется до 400 километров в секунду. Медленный поток плотнее и шире.
2. Скоро. Этот солнечный ветер формируется в корональных дырах. Эти дыры чаще всего возникают на полюсах и низких широтах Солнца. В этом случае потоки высокоэнергетических ионизированных частиц могут распространяться в течение длительного времени. Период атаки этих частиц на Землю составляет 27 дней.
3. Возмущенный. Этот поток возникает в результате сильного коронального изгнания.

По мере того, как он распространяется все дальше и дальше от Солнца, солнечный ветер постепенно ослабевает. На расстоянии около 95 астрономических единиц «ветер» замедляется, и его скорость становится меньше скорости звука. Кроме того, на расстоянии 135 астрономических единиц поток заряженных частиц полностью подавлен. Эта граница называется гелиопаузой.

Влияние на Землю

Солнечный ветер неоднороден: по мере вращения звезды быстрые и медленные потоки пересекаются с Землей. Постоянные изменения скорости частиц негативно влияют на магнитосферу планеты, вызывая магнитные бури, северное сияние и другие явления.

Ионизированные частицы передают энергию атомам газа в атмосфере и вызывают свечение — полярное сияние. А когда заряженные энергией частицы захватываются и удерживаются вокруг планеты магнитным полем, образуется радиационный пояс.

Схематическое изображение взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли / Викимедиа

Явление влияет и на погоду, в том числе на формирование штормовых фронтов. В дни, когда заряженные частицы достигают Земли, в атмосфере с большей вероятностью образуются удары молнии. А поскольку за активностью Солнца следят спутники, результаты исследования помогают вовремя узнать вероятность сильной бури.

Учеными доказано влияние явления на организм человека. Исследователи из Российского института Шафера Сибирского отделения Российской академии наук проанализировали количество обращений за медицинской помощью за определенный период времени и обнаружили, что в дни магнитных бурь благополучие людей, страдающих проблемами с сердцем, чаще обострялись сосудистые заболевания.

Перспективы использования солнечного ветра

В свете всех имеющихся характеристик такого уникального космического явления, как солнечный ветер, становится очень интересно найти практическое применение.
Пионером в создании так называемого «электрического паруса», «солнечного паруса» (космического корабля, который движется за счет энергии заряженных частиц солнечного ветра) был финский ученый — Пекка Янхунен.

Весной 2013 года на орбиту был выведен эстонский спутник ESTCube-1, оснащенный этим устройством. К сожалению, попытка оказалась неудачной, так как парус не открывался.

Есть и другие заманчивые проекты: использование потоков корональной материи для передачи информации или создание «ионных станций» на орбитах планет для выработки электроэнергии.

История возникновения понятия

Научное понимание человеком окружающего мира постоянно развивается. Процесс отрицания прежних догм и концепций позволяет по-новому взглянуть на существующую реальность.

Долгое время наука считала корону любой звезды статичной. То есть сила тяжести как бы уравновешивала силу давления ядерных и термоядерных взрывов и не позволяла потокам раскаленной материи выбрасываться в окружающее пространство.

Английский геофизик и астроном Сидни Чепмен когда-то создал и развил теорию стабильности солнечной атмосферы. Его гипотеза разделила сообщество астрофизиков. Все будет продолжаться до наших времен. Однако нашелся человек, который решительно и бесповоротно опроверг взгляды известного ученого.

Солнечная корона

Его зовут Юджин Ньюман Паркер. Американский астрофизик нанес сокрушительный удар по концепции своего английского коллеги. Своими новаторскими разработками он смог продемонстрировать необратимость истечения вещества из короны. Кроме того, обнаружился очень любопытный факт: с удалением от Солнца скорость солнечного ветра значительно увеличивается, достигая сверхзвуковых значений, затем уменьшается и становится стабильной. Кстати, границы его распространения еще не определены и ждут своих первооткрывателей.

Измерения, проведенные на первом межпланетном космическом корабле, подтвердили правильность выводов Ю. Паркера. Вскоре после этого астрономы обнаружили похожие звездные ветры на просторах ряда галактик.

На страже границ Солнечной системы

Следовательно, солнечный ветер — явление, представляющее определенную опасность для Земли. Но в то же время необходимо, чтобы Солнечная система защищала ее от самых разрушительных сил космоса. Потоки заряженных частиц перемещают межзвездный газ. На границе столкновения солнечного ветра с космическими лучами образуется гелиопауза — стенка горячей плазмы. Эта область ослабляет излучение других звезд и взрывов сверхновых.

НАСА выпустило зонд «Вояджер-2», который прошел гелиопаузу в 2018 году. Объект собрал информацию о температуре этой области, которая достигает 31000 ° C на границе Солнечной системы. Эта цифра оказалась выше подсчитанной учеными. Исследователи пришли к выводу, что сила столкновения солнечного ветра с космическими лучами намного сильнее, чем считалось ранее.

Можно ли использовать солнечный ветер

Ученые всего мира работают над проблемами и перспективами использования солнечного ветра на благо цивилизации. Так, финский ученый П. Янхунен создал так называемые «электрические паруса» и «солнечные паруса». Это космические аппараты, которые движутся за счет исходящих от Солнца заряженных частиц.Попытка запустить космический парус не увенчалась успехом, он не открылся.

Есть проекты по использованию заряженных частиц для передачи и хранения информации, созданию космических силовых установок на планетных орбитах. Например, американский ученый Ф. Дайсон предположил, что в будущем высокоразвитой земной цивилизации можно будет создать вокруг Солнца некий сферический объект, который будет собирать всю энергию. Сам Дайсон признал, что таким образом можно было бы искать внеземные цивилизации.

Исследователи из Вашингтонского университета разработали практическую концепцию использования ионизированного активного излучения: космические спутники. С их помощью можно собирать и перераспределять электроны, источником которых является солнечный ветер. Наличие спутника с километровым стержнем и парусом в 8 тысяч километров позволит человечеству полностью отказаться от всех видов энергии, переходя только к той, что извлекается из потока ионизированных частиц. Этот источник энергии (триллионы миллиардов мегаватт) практически неисчерпаем.

Есть планы передавать энергию со спутника Дайсона-Харропа с помощью лазерных лучей. На данном этапе развития человеческой цивилизации создать такой луч (по сути, «дупло») невозможно. Сам спутник должен находиться за пределами плоскости эклиптики, а лазерный луч обеспечит точку, покрывающую всю планету. Но использование небольших спутников для замены мощных солнечных батарей вполне возможно. Предположительно в ближайшее время они смогут заменить ядерные реакторы.

Виды солнечного ветра

Звездный ветер отличается непостоянством. Из-за бурных процессов, происходящих внутри звезды, она меняет скорость и мощность. Потоки распределяются:

• спокойный и медленный;
• спокойно и быстро;
• возмущены.

Быстрый солнечный ветер

Он может несколько месяцев выступать из короны, достигая скорости 600-800 км / с. Он образуется при появлении корональной дыры — области в поверхностном слое Солнца, характеризующейся более низкой температурой и плотностью вещества.

Спокойный, быстрый ветер временно составляет большую часть (53%) всей солнечной радиации.

Медленный солнечный ветер

Он исходит из спокойных экваториальных областей коронального слоя, имеет скорость 300 — 500 км / с. Он достигает Земли как минимум за несколько часов, максимум за 3 дня. Он более плотный, чем быстрый, именно ему кометы обязаны появлением горящего хвоста.

Если бы Земля не была защищена магнитным полем, жизнь на планете была бы уничтожена медленным излучением.

Как заряженные частицы влияют на Землю

Постоянно меняющиеся потоки заряженных частиц могут полностью уничтожить все живое на нашей планете. Однако у Земли есть мощная защита от этой опасности: магнитное поле. Благодаря магнитному полю Земля способна избегать столкновений с космическими врагами. Однако из-за нестабильности магнитного поля и меняющегося потока заряженных частиц на планете часто возникают магнитные бури.

Параметры солнечного ветра

Благодаря деятельности советского ученого А. Чижевского удалось установить влияние изменения активности звезды не только на организм человека, но и на урожайность культурных растений, воспроизводство и жизнедеятельность животных. Обнаружены также циклические изменения магнитного поля.

Солнечный ветер вызывает магнитные бури, полярные сияния. Также было обнаружено, что количество ударов молнии зависит от интенсивности потока ионизированных частиц. Он способен вызвать увеличение выделения газообразного радона с поверхности земли. Магнитные бури усиливают активность электрического поля у поверхности земли, что приводит к изменению атмосферного давления.

Солнечный ветер опасен:

• прерывает радиосвязь;
• мешает работе компьютерной техники;
• вызывает сбои в инженерных сетях;
• мешает работе некоторых устройств.

Угрозы внезапных магнитных бурь создали необходимость их предсказания, тщательного наблюдения за главным светилом Солнечной системы. На всех метеостанциях по всему миру работает оборудование, сигнализирующее об изменении магнитного поля планеты.

Солнечный ветер и магнитосфера Земли

Как был открыт солнечный ветер

Впервые гипотеза о том, что существует постоянный поток заряженных частиц, распространяющихся от Солнца, была высказана Р. Каррингтоном в середине девятнадцатого века. В 1916 г норвежец К. Биркеланд открыл, что солнечный ветер состоит из положительно заряженных электронов и ионов. Позже было обнаружено, что протоны и электроны распространяются от Солнца.

Английский геофизик, астроном С. Сепман предположил, что солнечная атмосфера стабильна. Ю. Ньюман, американский астрофизик, показал, что материя может вытекать из солнечной короны. Было обнаружено, что с удалением от суточной звезды скорость солнечного ветра увеличивается, а затем уменьшается. Границы распространения солнечного ветра пока не определены. Затем астрономы определили, что любая звезда может излучать звездный ветер.

Немецкий ученый Л. Бирман предположил существование так называемого корпускулярного излучения Солнца. Он обнаружил, что заряженные частицы проходят через части Солнца, не покрытые магнитным полем в космосе. Технические параметры солнечного ветра были измерены в 1959 году советской межпланетной станцией «Луна-2».

В 1962 году американский спутник Mariner 2 провел исследования солнечного ветра. Дальнейшие исследования проводились станцией SOHO и другими космическими программами.

В 2016 году американские ученые зафиксировали образование солнечного ветра. Этот процесс похож на бросание воды. Сначала поток идет единым потоком, затем распадается на множество потоков. Так образуется газовое облако, способное достичь нашей планеты.

В 2020 году американский зонд зафиксировал «звуки», производимые потоком ионизированных частиц. Эти звуки напоминают свист, шорох и щебетание. Механизм этих звуков остается неясным. Предполагается, что зонд приблизится к Солнцу и сделает около 21 оборота вокруг него. В этот период будут подробно изучены многие особенности звезды. Вероятно, перед человечеством откроются какие-то загадки возникновения этого явления.

Как появляется солнечный ветер?

Причиной появления потока, состоящего из смеси положительно и отрицательно заряженных частиц, является плазма, которая постоянно образуется внутри Солнца. Он возникает в результате бесконечно протекающих термоядерных реакций синтеза, нагревая центр звезды при нескольких десятках миллионов градусов Цельсия. Нагретый таким образом ионизированный газ быстро выходит из условно «ограниченного объема», рассеиваясь далеко за пределы нашей звездной системы.

Появление солнечного ветра. Интересный факт: пределы этого объема обусловлены гигантскими силами гравитации, «как если бы они блокировали взрывы множества водородных бомб ограниченного объема», обусловленных огромными размерами нашей звезды. И это в 109 раз больше Земли. Результатом процесса является нагрев солнечной короны до одного миллиона градусов Цельсия из-за серии микровзрывов плазмы, «вырвавшейся на свободу.

В сентябре 2016 года американские ученые с помощью обсерваторий НАСА STEREO впервые смогли обнаружить процесс солнечного ветра. Согласно их утверждению, то, что происходит, идентично вытеснению воды: сначала поток переходит в поток, затем он распадается на отдельные частицы, которые становятся все меньше и меньше, пока не образуется газообразное «облако».

СТЕРЕО НАСА

Распространение солнечного ветра в космосе

Уходя все дальше и дальше от своего «прародителя» — Солнца, ветер ослабевает и проходит через несколько пограничных областей. Первый из них находится на расстоянии 95 а.е от звезды. (АЕ — астрономическая единица, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца и равная 149 598 100 ± 750 км). Так называемая — «граница ударной волны». Именно на нем солнечный ветер замедляется со сверхзвуковой скоростью.

Распространение солнечного ветра в космосе

После полета еще 40 а.е поток ионизированных частиц под действием межзвездного вещества полностью подавляется. Предел торможения, определяемый астрофизическими процессами, называется гелиопаузой. Пространственная область, ограниченная гелиопаузой, называется гелиосферой. Его размеры не совпадают:

• ед. 73 с южной стороны;
• 85 UA с северной стороны.

Астрофизические данные были получены благодаря запуску двух американских космических аппаратов серии «Вояджер», предназначенных для исследования границ Солнечной системы. Совсем недавно «Вояджер-2» подтвердил данные с «Вояджера-1».

Опасность солнечного ветра

Мощные излучения от поверхности светильника нарушают радиосвязь, мешают работе компьютеров, вызывают сбои в инженерных сетях, создают «вредные» протекания электрического тока в металлических конструкциях и устройствах.

Угроза атак солнечного ветра, приводящая к множеству проблем, создала необходимость в тщательном наблюдении и прогнозировании магнитных бурь на нашей планете. Метеорологические службы по всему миру оснащены необходимым оборудованием и постоянно сообщают о колебаниях магнитного фона Земли. Технология была разработана для выявления будущих вспышек сейсмической активности и предупреждения населения о надвигающейся опасности.

Интересный факт: существует научная гипотеза о появлении воды на поверхности Луны из-за влияния солнечного ветра. Обнаружение жидкости вселяет надежду и оптимизм в отношении перспектив будущего освоения ближайшего космического соседа».

Вызываемые солнечным ветром природные явления

Солнечный ветер, облетая Землю, вызывает множество природных явлений. Среди них: магнитные бури, полярные сияния, радиационные пояса планеты. Не так давно выяснилась закономерность увеличения количества ударов молний от увеличения потока ионизированных частиц нашей звезды.

Северное сияние

Солнечный ветер создает множество геофизических явлений. Выбросы газообразного радона с поверхности земли увеличатся в ряде мест, что может привести к увеличению радиоактивности в атмосфере. Существует связь между солнечной активностью и увеличением количества землетрясений. Магнитная буря существенно изменяет напряженность электрического поля на земной поверхности и приводит к скачкам атмосферного давления.

Изучение явления

Первые гипотезы о существовании солнечного ветра появились в середине 19 века. Эту идею высказал в 1859 году британский астроном Ричард Кэррингтон. Наблюдая за произошедшей в то время солнечной вспышкой, исследователь заметил, что на следующий день на Земле началась геомагнитная буря. Ученый выдвинул гипотезу о связи между этими явлениями.

Спустя 70 лет астрономы подсчитали температуру солнечной короны — более 1 миллиона градусов по Цельсию. Британский геофизик Сидни Чепмен отметил, что при аналогичных температурах газ рассеивает тепло за сотни тысяч километров от земной орбиты. Свой вклад в изучение природы этого явления в астрономии внес немецкий ученый Людвиг Бирманн, доказавший существование ветра с помощью наблюдаемых в Солнечной системе комет. Исследователь отметил, что хвосты этих объектов направлены от звезды. Астроном считал, что хвост появляется из-за потока частиц, сжимающих газ.

Определение «солнечный ветер» ввел в 1958 году американец Юджин Паркер. Астроном проанализировал исследования Бирмана и Чепмена и отметил следующее: теплопроводность солнечной короны настолько хороша, что температура ее верхних слоев остается достаточно высокой и на таком расстоянии от ядра звезды, где сила тяжести звезда слабеет. Это позволяет ядрам гелия, протонам и электронам, составляющим «ветер», лететь в межзвездное пространство.

Астроном-пионер в гелиофизике Юджин Паркер первым использовал термин «солнечный ветер» (Космический центр Кеннеди, 2018) / Ким Шифлетт / НАСА

Подтверждение гипотез было получено в 1959 году. Исследования проводились на станции «Луна-1», запущенной СССР. А в 2016 году обсерватории НАСА STEREO удалось зафиксировать сам процесс появления потоков ионизированных частиц.

Нестационарные процессы в солнечном ветре.

Модель, предложенная Паркером, предполагает сферическую симметрию солнечного ветра и независимость его параметров от времени (стационарность рассматриваемого явления). Однако процессы, происходящие на Солнце, в целом не являются стационарными, а значит, и солнечный ветер не является стационарным. Характерные времена изменения параметров имеют очень разные масштабы. В частности, есть изменения параметров солнечного ветра, связанные с 11-летним циклом солнечной активности. На рис. 3 показано среднее динамическое давление (за 300 дней) солнечного ветра (r V2) в районе орбиты Земли (на 1 а.е.), измеренное с помощью космических аппаратов IMP-8 и Voyager-2 в течение 11-летнего солнечного цикла солнечная активность (верхний рисунок). Внизу рис. 3 показано изменение количества пятен с 1978 по 1991 год (максимальное число соответствует максимальной солнечной активности). Видно, что параметры солнечного ветра существенно меняются за характерное время около 11 лет. В то же время измерения на КА Ulysses показали, что такие изменения происходят не только в плоскости эклиптики, но и на других гелиографических широтах (на полюсах динамическое давление солнечного ветра немного выше экватора).

Изменения параметров солнечного ветра могут происходить в гораздо меньших временных масштабах. Например, солнечные вспышки и разная скорость истечения плазмы из разных областей солнечной короны приводят к образованию межпланетных ударных волн в межпланетном пространстве, которые характеризуются резким скачком скорости, плотности, давления и температуры. Механизм их образования качественно показан на рис. 4. Когда быстрый поток любого газа (например, солнечной плазмы) достигает более медленного, в точке контакта происходит произвольный скачок параметров газа, на который они воздействуют законы сохранения массы, количества движения и неудовлетворенной энергии. Этот разрыв не может существовать в природе и распадается, в частности, на две ударные волны (на которых законы сохранения массы, импульса и энергии приводят к так называемым соотношениям Гюгонио) и тангенциальный разрыв (одни и те же законы сохранения приводят к факт, что давление и нормальная составляющая скорости должны быть непрерывными). На рис. 4 этот процесс показан в упрощенной форме сферически-симметричного свечения. Здесь следует отметить, что такие структуры, состоящие из прямого удара, тангенциального разрыва и второй ударной волны (обратного скачка) движутся от Солнца таким образом, что при прямом ударе скорость движения превышает скорость солнечного Ветер, обратное столкновение движется от Солнца со скоростью, немного меньшей, чем скорость солнечного ветра, а скорость тангенциального разрыва равна скорости солнечного ветра. Такие структуры регулярно регистрируются приборами, установленными на космических кораблях.

Нестационарность солнечного ветра может происходить и на гораздо более коротких временных интервалах, связанных, например, с так называемой «плазменной турбулентностью», но эти процессы довольно сложны.

Межпланетная ударная волна

Возникновению космической ударной волны предшествуют: «Атака» быстрого солнечного ветра на «медленного брата», столкновение потока, заряженного корональными частицами, с магнитосферой Земли, взрыв сверхновой, столкновение галактик.

Интересный факт: полтора месяца назад сообщалось, что НАСА удалось измерить силу ударной волны солнечного ветра. Последовательно разместив в пространстве 4 специально оборудованных, оснащенных необходимым оборудованием, многомасштабных спутников; Американские исследователи буквально «уловили» момент научной удачи. К тому же она двойная: в результате эксперимента были получены данные высочайшей точности о самой природе и о параметрах движения солнечных частиц.

Ударная волна — это область столкновения быстро движущегося транспортного средства (газа) с препятствием (например: солнечный ветер с магнитосферой Земли), которое формирует «фронт» резкого изменения физических параметров падающего потока расход (давление, плотность, температура, уровень заряда частиц и ряд других показателей).

Магнитные бури тысячелетия

В ходе исследований уже упомянутый Кэррингтон заметил связь между вспышками на центральной звезде Солнечной системы и изменениями в магнитосфере Земли. В сентябре 1859 года астроном зарегистрировал магнитную бурю, которая стала самой мощной в истории изучения этого явления и получила название «Кэррингтонское событие».

Ученый зафиксировал солнечные пятна на поверхности звезды. Взрыв вызвал корональный выброс, который достиг поверхности Земли за 18 часов вместо 3-4 дней. Геомагнитная буря, начавшаяся 1 сентября 1859 года, выбила из строя телеграфы в Европе и Соединенных Штатах, а над Карибским морем также наблюдали северное сияние.

В марте 1989 года произошла еще одна геомагнитная буря, ставшая самой мощной с начала космической эры, которую исследователи назвали «Квебекской тьмой». В провинции Канады, давшей название событию, вышли из строя генераторы, и 6 миллионов человек остались без электричества. Мероприятие продемонстрировало прямую связь между солнечными вспышками и работой техники.

В июле 2012 года произошло еще одно мощное изгнание короны. Эта геомагнитная буря может соперничать с Кэррингтоном по силе. К счастью, часть солнечной атмосферы, где произошло извержение, была удалена от Земли.