Солнечный ветер

Солнечный ветер — это поток ионизированных частиц (главным образом протонов, электронов и альфа-частиц), который истекает из солнечной короны в окружающее космическое пространство со скоростью от 300 до 1200 км/с. Он является одним из основных проявлений солнечной активности и оказывает прямое влияние на межпланетную среду, магнитосферы планет и космическую погоду в целом.

История открытия и изучения

Первые предположения о существовании постоянного потока частиц от Солнца были высказаны в начале XX века. В 1910-х годах норвежский учёный Кристиан Биркеланд, изучая полярные сияния, предположил, что они вызываются заряженными частицами, испускаемыми Солнцем. В 1930-х годах британский астрофизик Сидни Чепмен и немецкий учёный Людвиг Бирман независимо друг от друга разработали теории, объясняющие движение частиц в солнечной короне.

Однако решающий вклад в формирование современной концепции внёс американский астрофизик Юджин Паркер. В 1958 году он опубликовал работу, в которой математически обосновал, что солнечная корона не может находиться в статическом равновесии, а должна непрерывно расширяться, порождая сверхзвуковой поток — солнечный ветер. Первоначально гипотеза Паркера встретила скептицизм, но вскоре была подтверждена экспериментально.

Первые прямые измерения солнечного ветра были выполнены в 1959 году советской межпланетной станцией «Луна-1» (запуск 2 января 1959 года). Приборы, установленные на станции, зафиксировали наличие потока ионизированного газа. В 1962 году американский космический аппарат «Маринер-2» (запуск 27 августа 1962 года) провёл систематические измерения солнечного ветра на пути к Венере, подтвердив его непрерывный характер и основные параметры, предсказанные Паркером.

Характеристики и состав

Состав

Солнечный ветер состоит из плазмы — электрически нейтральной смеси заряженных частиц. Основные компоненты:

• Протоны (около 95% по числу частиц).
• Альфа-частицы (ядра гелия, около 4%).
• Электроны (в количестве, обеспечивающем электрическую нейтральность).
• Незначительные примеси ионов углерода, азота, кислорода, неона, магния, кремния, железа и других элементов (менее 0,1%).

Скорость и плотность

Скорость солнечного ветра варьируется в широких пределах. Выделяют два основных типа:

• Медленный солнечный ветер — скорость около 300–500 км/с, плотность частиц выше (до 10–20 частиц/см³). Связан с областями солнечной короны, где магнитное поле замкнуто (например, над корональными стримерами).
• Быстрый солнечный ветер — скорость 600–1200 км/с, плотность ниже (2–5 частиц/см³). Истекает из корональных дыр — областей с открытым магнитным полем.

Температура плазмы солнечного ветра вблизи орбиты Земли составляет около 100 000–200 000 К, но из-за низкой плотности теплопередача незначительна.

Магнитное поле

Солнечный ветер «вморожен» в межпланетное магнитное поле (ММП), которое выносится из солнечной короны. Из-за вращения Солнца силовые линии ММП закручиваются в спираль Архимеда (спираль Паркера). Напряжённость ММП вблизи Земли составляет около 5 нТл.

Происхождение и механизм ускорения

Солнечный ветер возникает в солнечной короне — внешнем слое атмосферы Солнца, температура которого достигает 1–2 миллионов Кельвинов. При такой температуре вещество находится в состоянии плазмы, и его тепловая энергия превышает гравитационное притяжение Солнца. Это приводит к непрерывному расширению короны — процессу, который и называют солнечным ветром.

Ключевой механизм ускорения частиц до сверхзвуковых скоростей был описан Юджином Паркером. В его модели давление горячей плазмы в короне преодолевает гравитацию, и поток разгоняется, проходя через звуковую точку (критическую точку Лаваля) на расстоянии нескольких солнечных радиусов. Дополнительное ускорение быстрого ветра обеспечивается взаимодействием с магнитными волнами и турбулентностью в короне.

Влияние на Солнечную систему

Магнитосферы планет

Солнечный ветер взаимодействует с магнитными полями планет, формируя их магнитосферы. У Земли солнечный ветер сжимает магнитное поле с дневной стороны (на расстоянии около 10–12 земных радиусов) и вытягивает его в длинный хвост с ночной стороны. При сильных возмущениях солнечного ветра (например, при корональных выбросах массы) возникают магнитные бури, которые могут нарушать работу спутников, радиосвязи и энергосистем.

Полярные сияния

Заряженные частицы солнечного ветра, проникая в верхние слои атмосферы Земли вдоль силовых линий магнитного поля, вызывают полярные сияния (авроры). Наиболее интенсивные сияния наблюдаются в полярных регионах во время магнитных бурь.

Гелиосфера

Солнечный ветер создаёт вокруг Солнца гигантский пузырь — гелиосферу, которая простирается далеко за орбиту Плутона. На границе гелиосферы (гелиопаузе) солнечный ветер сталкивается с межзвёздной средой. В 2012 году космический аппарат «Вояджер-1» (запущен 5 сентября 1977 года) впервые пересёк гелиопаузу и вышел в межзвёздное пространство.

Космическая погода

Солнечный ветер является основным фактором космической погоды. Его вариации, особенно во время солнечных вспышек и корональных выбросов массы, могут представлять опасность для космических аппаратов, астронавтов и электроники на Земле. Прогнозирование космической погоды основано на мониторинге солнечного ветра с помощью спутников, таких как SOHO (запущен 2 декабря 1995 года) и DSCOVR (запущен 11 февраля 2015 года).

Классификация и типы

Помимо деления на медленный и быстрый, солнечный ветер классифицируют по происхождению:

• Квазистационарный — фоновый поток, существующий постоянно.
• Спорадический — связан с активными событиями на Солнце (вспышки, выбросы массы). В этом случае скорость и плотность могут резко возрастать, а магнитное поле — сильно меняться.

Исследование и мониторинг

Изучение солнечного ветра ведётся с помощью космических аппаратов, оснащённых плазменными анализаторами, магнитометрами и детекторами частиц. Ключевые миссии:

• SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) — совместный проект ESA и NASA, работает с 1995 года.
• STEREO (Solar Terrestrial Relations Observatory) — два аппарата, запущенные в 2006 году для трёхмерного наблюдения Солнца.
• Parker Solar Probe — аппарат NASA, запущенный 12 августа 2018 года. Он приближается к Солнцу на рекордно близкое расстояние (менее 10 солнечных радиусов), измеряя параметры солнечного ветра вблизи его источника.
• Solar Orbiter — миссия ESA, запущенная 10 февраля 2020 года, изучает полярные области Солнца и солнечный ветер.

Интересные факты

• Солнечный ветер «сдувает» с поверхности Луны и других безатмосферных тел тонкий слой реголита, создавая экзосферу.
• Масса, теряемая Солнцем через солнечный ветер, составляет около 1–2 миллионов тонн в секунду, что за 1 миллиард лет эквивалентно потере массы, равной массе Земли.
• Скорость солнечного ветра может быть настолько высокой, что он способен «выметать» из Солнечной системы частицы космических лучей низких энергий.

Источники

• Паркер Ю. «Динамика межпланетного газа и магнитных полей», 1958.
• Hundhausen A. J. «Coronal Expansion and Solar Wind», 1972.
• Meyer-Vernet N. «Basics of the Solar Wind», 2007.
• Данные миссий SOHO, Parker Solar Probe, Solar Orbiter.
• Большая российская энциклопедия, статья «Солнечный ветер».