WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
WHAT SOLAR WIND IS ЧТО ТАКОЕ СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР V. B. BARANOV..

The gas dynamic problem ‚ „‰‡‚ ‚... ‚‡ of the supersonic solar corona expansion (solar wind) is considered. Four main issues are preПрошло почти 40 лет с тех пор, как американsented: 1) the reasons of ский физик Е. Паркер [1] теоретически предсказал the plasma outflow from the явление, которое получило название “солнечный ветер” и которое через пару лет было подтверждеsolar corona; 2) whether но экспериментально группой советского ученого this outflow is homogeК. Грингауза при помощи приборов, установленных neous; 3) variation of the на космических аппаратах “Луна-2” и “Луна-3”.

Солнечный ветер представляет собой поток полноsolar wind parameters стью ионизованной водородной плазмы, то есть гаwith the heliocentric disза, состоящего из электронов и протонов примерно tance and 4) the solar одинаковой плотности (условие квазинейтральности), который с большой сверхзвуковой скоростью wind outflow in the interдвижется от Солнца. На орбите Земли (на одной асstellar medium.

трономической единице (а.е.) от Солнца) скорость VE этого потока равна примерно 400–500 км/с, концентрация протонов (или электронов) ne = 10–20 ча ‡ ‡‡‚‡стиц в кубическом сантиметре, а их температура Te fl ·‡ ‚‚равна примерно 100 000 К (температура электронов несколько выше).

‚„ ‡fl (Кроме электронов и протонов в межпланетном пространстве были обнаружены альфа-частицы ‚). ‡(порядка нескольких процентов), небольшое коfl „‡‚ личество более тяжелых частиц, а также магнит·: 1) ное поле, средняя величина индукции которого оказалась на орбите Земли порядка нескольких fl ‡ гамм (1 = 10- 5 Гс).

; 2) ‰‰ ‡, ; 3) ‡ ‡‚ „ ‚‡ ‰‡ В течение не столь уж длительной истории теоретической астрофизики считалось, что все атмосфе‡ 4) ‡ ры звезд находятся в гидростатическом равновесии, ‚ ‡ ‚ то есть в состоянии, когда сила гравитационного ‚‰ ‰.

притяжения звезды уравновешивается силой, связанной с градиентом давления в ее атмосфере (с изменением давления на единицу расстояния r от центра звезды). Математически это равновесие выражается в виде обыкновенного дифференциального уравнения dp = – GM-, * ----- ----------- (1) dr rгде G – гравитационная постоянная, M* – масса звезды, р – давление атмосферного газа, – его массовая плотность. Если распределение температуры T.. © ‡‡‚.., в атмосфере задано, то из уравнения равновесия (1) V и уравнения состояния для идеального газа p = RT, (2) где R – газовая постоянная, легко получается так называемая барометрическая формула, которая в частном случае постоянной температуры Т будет иметь вид a GM* -- 1p = p0exp ----------- 1 – ---. (3) RT r r0 В формуле (3) величина p0 представляет собой давление у основания атмосферы звезды (при r = r0). r = R r* r Из этой формулы видно, что при r, то есть на очень больших расстояниях от звезды давление p Рис. 1. Возможные решения одномерных уравнестремится к конечному пределу, который зависит от ний газовой динамики для скорости V течения газначения давления p0. за от поверхности Солнца в присутствии силы гравитации. Кривая 1 соответствует решению для Поскольку считалось, что солнечная атмосфера, солнечного ветра. Здесь a – скорость звука, r – так же как и атмосферы других звезд, находится в расстояние от Солнца, r* – расстояние, на котором скорость газа равна скорости звука, R – расостоянии гидростатического равновесия, то ее содиус Солнца.

стояние определялось формулами, аналогичными формулам (1)–(3). Учитывая необычное и до конца еще непонятое явление резкого возрастания темпеистечения газа из Солнца, поскольку кривые 3 и ратуры примерно от 10 000 градусов на поверхности имеют неединственные значения скорости в кажСолнца до 1000 000 градусов в солнечной короне, дой точке, а кривые 5 и 6 соответствуют очень больЧепмен (см., например, [2]) развил теорию статичешим скоростям в солнечной атмосфере, что не наской солнечной короны, которая должна была блюдается в телескопы. Паркер проанализировал плавно переходить в межзвездную среду, окружаюусловия, при которых в природе осуществляется рещую Солнечную систему.

шение, соответствующее кривой 1. Он показал, что для согласования давления, получаемого из такого Однако в своей пионерской работе [1] Паркер обратил внимание на то, что давление на бесконеч- решения, с давлением в межзвездной среде наибоности, получаемое из формулы типа (3) для статиче- лее реален случай перехода газа от дозвукового теской солнечной короны, оказывается почти на поря- чения (при r < r*) к сверхзвуковому (при r > r*), и назвал такое течение солнечным ветром. Однако это док величины больше значения давления, которое утверждение оспаривалось в работе [3] Чемберлеоценивалось для межзвездного газа на основе ном, который полагал наиболее реальным решение, наблюдений. Чтобы устранить это расхождение, Паркер предположил, что солнечная корона не на- соответствующее кривой 2, описывающей всюду дозвуковой “солнечный бриз”. При этом первые ходится в состоянии статического равновесия, а эксперименты на космических аппаратах (см., нанепрерывно расширяется в окружающую Солнце пример, [4]), обнаружившие сверхзвуковые потоки межпланетную среду. При этом вместо уравнения равновесия (1) он предложил использовать гидро- газа от Солнца, не казались, судя по литературе, Чемберлену достаточно достоверными.

динамическое уравнение движения вида История экспериментов в космическом простGM dV dp = – - V ------ + ----- ------------, (4) ранстве блестяще доказала правильность представdr dr rлений Паркера о солнечном ветре. Подробный материал о теории солнечного ветра можно найти, где в системе координат, связанной с Солнцем, венапример, в монографии [5].



личина V представляет собой радиальную скорость движения плазмы. Под M подразумевается масса Солнца.

При заданном распределении температуры Т система уравнений (2) и (4) имеет решения типа пред- Из одномерных уравнений газовой динамики ставленных на рис. 1. На этом рисунке через a обо- можно получить известный результат: при отсутстзначена скорость звука, а r* – расстояние от начала вии массовых сил сферически-симметричное течекоординат, на котором скорость газа равна скоро- ние газа от точечного источника может быть всюду сти звука (V = a). Очевидно, что только кривые 1 и либо дозвуковым, либо сверхзвуковым. Присутст2 на рис. 1 имеют физический смысл для проблемы вие в уравнении (4) гравитационной силы (правая, ‹12, часть) приводит к тому, что появляются решения Интересно, что наземные телескопы обнаружитипа кривой 1 на рис. 1, то есть с переходом через вают на поверхности Солнца магнитные поля.

скорость звука. Проведем аналогию с классическим Средняя величина их магнитной индукции В оцетечением в сопле Лаваля, которое представляет со- нивается в 1 Гс, хотя в отдельных фотосферных оббой основу всех сверхзвуковых реактивных двигате- разованиях, например в пятнах, магнитное поле молей. Схематически это течение показано на рис. 2. В жет быть на порядки величины больше. Поскольку бак 1, называемый ресивером, с очень маленькой плазма является хорошим проводником электрическоростью подается газ, нагретый до очень высокой ства, то естественно, что солнечные магнитные потемпературы (внутренняя энергия газа много боль- ля взаимодействуют с ее потоками от Солнца. В ше его кинетической энергии направленного дви- этом случае чисто газодинамическая теория дает жения). Путем геометрического поджатия канала неполное описание рассматриваемого явления.

газ ускоряется в области 2 (дозвуковое течение) до Влияние магнитного поля на течение солнечного тех пор, пока его скорость не достигнет скорости ветра можно рассмотреть только в рамках науки, звука. Для дальнейшего его ускорения необходимо которая называется магнитной гидродинамикой. К канал расширять (область 3 сверхзвукового течекаким результатам приводят такие рассмотрения ния). Во всей области течения ускорение газа проСогласно пионерской в этом направлении работе исходит за счет его адиабатического (без подвода [6] (см. также [5]), магнитное поле приводит к появтепла) охлаждения (внутренняя энергия хаотичеслению электрических токов j в плазме солнечного кого движения переходит в энергию направленного ветра, что, в свою очередь, приводит к появлению движения).

пондеромоторной силы j B, которая направлена в перпендикулярном к радиальному направлении. В В рассматриваемой проблеме образования солрезультате у солнечного ветра появляется тангенцинечного ветра роль ресивера играет солнечная коальная компонента скорости. Эта компонента почрона, а роль стенок сопла Лаваля – гравитационная ти на два порядка меньше радиальной, однако она сила солнечного притяжения. Согласно теории играет существенную роль в выносе из Солнца моПаркера, переход через скорость звука должен промента количества движения. Предполагают, что поисходить где-то на расстоянии в несколько солнечследнее обстоятельство может играть существенных радиусов. Однако анализ получаемых в теории ную роль в эволюции не только Солнца, но и других решений показал, что температуры солнечной козвезд, у которых обнаружен “звездный ветер”. В чароны недостаточно, чтобы ее газ мог ускориться до стности, для объяснения резкого уменьшения углосверхзвуковых скоростей, как это имеет место в теовой скорости звезд позднего спектрального класса рии сопла Лаваля. Должен существовать какой-то часто привлекается гипотеза о передаче вращательдополнительный источник энергии. Таким источного момента образующимся вокруг них планетам.

ником в настоящее время считается диссипация Рассмотренный механизм потери углового момента всегда присутствующих в солнечном ветре волноСолнца путем истечения из него плазмы открывает вых движений (иногда их называют плазменной возможность пересмотра этой гипотезы.

турбулентностью), накладывающихся на среднее течение, а само течение уже не является адиабатиХотелось бы отметить, что измерения среднего ческим. Количественный анализ таких процессов магнитного поля в районе орбиты Земли показали, еще требует своего исследования.

что его величина и направление хорошо описываются формулами r0 2 Br0 r0 Br = Br0 ---, B = ------------ --- (r – r0), (5) V = a - r V r 1 V < a V > a полученными из более простых рассмотрений Паркером (см. [6]). В формулах (5), описывающих паркеровскую спираль Архимеда для межпланетного магнитного поля в плоскости солнечного экватора, почти совпадающей с плоскостью эклиптики, величины Br, B – радиальная и азимутальная компоРис. 2. Схема течения в сопле Лаваля: 1 – бак, наненты вектора магнитной индукции соответствензываемый ресивером, в который с малой скоростью подается очень горячий воздух, 2 – область но, – угловая скорость вращения Солнца, V – геометрического поджатия канала с целью ускорадиальная скорость солнечного ветра, индекс 0 отрения дозвукового потока газа, 3 – область геоносится к точке солнечной короны, в которой велиметрического расширения канала с целью ускорения сверхзвукового потока. чина магнитного поля известна.





.. по широте и по долготе, а также подвержена силь ным временным изменениям, связанным как с 11летним циклом солнечной активности, так и с разРассмотренное в предыдущем разделе представличными нестационарными процессами с более коление об истечении плазмы из солнечной короны ротким временным интервалом (например, со исходит из предположения о том, что солнечная ковспышками на Солнце).

рона является однородной и стационарной, то есть Ситуация резко изменилась с запуском Европейее температура и плотность не зависят от солнечной ским космическим агентством в октябре 1990 года широты и долготы и от времени. В этом случае солкосмического аппарата “Улисс”, основной целью нечный ветер можно рассматривать как сферическоторого является исследование межпланетной ки-симметричное (зависящее только от гелиоцентплазмы вне плоскости солнечной эклиптики. Эти рического расстояния) стационарное течение. До исследования начались в феврале 1992 года, когда, 1990 года все космические аппараты летали вблизи используя гравитационное поле Юпитера, аппарат плоскости солнечной эклиптики, что не позволяло вышел из эклиптической плоскости и направился прямыми методами измерений проверить степень сначала к областям межпланетной плазмы со сторозависимости параметров солнечного ветра от солны южного полюса Солнца (измерения в этих обланечной широты. Косвенные же наблюдения отклостях продолжались с мая по сентябрь 1994 года), а нения хвостов комет, пролетавших вне плоскости затем к областям со стороны северного полюса эклиптики, указывали на то, что в первом прибли(здесь измерения проводились с мая по сентябрь жении такой зависимости нет. Однако измерения в 1995 года). Большинство полученных результатов плоскости эклиптики показали, что в межпланетсейчас тщательно анализируются, но уже можно ном пространстве могут существовать так называесделать некоторые выводы о зависимости параметмые секторные структуры с различными параметраров солнечного ветра от солнечной широты (больми солнечного ветра и различным направлением шое число научных сообщений по этим проблемам магнитного поля. Такие структуры вращаются вмепомещено в американском журнале “Science”, сте с Солнцем и явно указывают на то, что они яв1995, volume 268, May 19).

ляются следствием аналогичной структуры в солнечной атмосфере, параметры которой зависят от В частности, оказалось, что скорость солнечнодолготы. Качественно четырехсекторная структура го ветра возрастает, а плотность уменьшается с гепоказана на рис. 3. Вывод же о независимости соллиографической широтой. Измеренная, например, нечного ветра по широте на основании кометных на аппарате “Улисс” скорость солнечного ветра изнаблюдений не был достаточно надежным из-за менилась от 450 км/с в плоскости эклиптики присложностей их интерпретации, а наблюдения солмерно до 700 км/с на - 75° солнечной широты. Надо, нечной короны показывали, что она неоднородна и однако, отметить, что степень различия параметров солнечного ветра в плоскости эклиптики и вне ее зависит от цикла солнечной активности.

Вспышки на Солнце и разные скорости истечения плазмы из разных областей его поверхности приводят к тому, что в межпланетном пространстве образуются межпланетные ударные волны, которые характеризуются резким скачком скорости, плотности и температуры. Качественно механизм их образования показан на рис. 4. Когда быстрый поток плазмы догоняет более медленный, то в месте их соприкосновения возникает произвольный разрыв 12 r, а.е.

параметров, на котором не выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии. Такой разрыв не может существовать в природе и распадается, в частности, на две ударные волны и тангенциальный разрыв (на последнем давление и нормальная компонента скорости непрерывны), как это показано на рис. 4, а для вспышечного процесса на Солнце и на рис. 4, б в том случае, когда быстрый поток от одной области солнечной короны догоняет более медленный, вытекающий из другой. Ударные волны и тангенциальные разрывы, изображенные на рис. 4, сносятся солнечным ветром на большие гелиоцентРис. 3. Схематическая картина магнитных силорические расстояния и регулярно регистрируются вых линий в солнечном ветре, отображающая возможную четырехсекторную структуру. космическими аппаратами.

, ‹12, а вует. Сила гравитации убывает как квадрат расстояния от Солнца и тоже мала на достаточно больших Спокойный солнечный ветер гелиоцентрических расстояниях. Поскольку обе силы становятся очень малы, то, согласно теории, скорость солнечного ветра становится почти постоянной и при этом значительно превосходит звуковую (как говорят, течение гиперзвуковое). Американские космические аппараты “Вояджер-1 и -2” и “Пионер-10 и -11”, запущенные еще в 70-х годах и находящиеся сейчас на расстояниях от Солнца в несколько десятков астрономических единиц, экспеТангенриментально подтвердили теоретические представциальный Вспышечная ления о солнечном ветре. В частности, его скорость разрыв плазма оказалась в среднем почти постоянной, а плотность Ударные убывает как 1/r2 в соответствии с уравнением соволны хранения массы для сферически-симметричного Солнце случая:

б Vr2 = const.

Ударные волны Температура же не следует адиабатическому закону, V1 что означает существование каких-то источников тепла. Такими источниками могут быть упоминавшаяся нами диссипация волн или нейтральные атомы водорода, проникающие из межзвездной среды Тангенв Солнечную систему (этот процесс подробно расциальный V2 > Vразрыв сматривался в [8]).

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.