4. СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР И МЕЖПЛАНЕТНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

 

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Солнечный ветер - это уже описанное в общих чертах в главе 1 корпускулярное излучение Солнца, образованное потоком заряженных частиц солнечного вещества, а межпланетное магнитное поле (ММП) - это магнитное поле околосолнечного пространства, порождаемое магнитным полем Солнца при его взаимодействии с потоками движущихся заряженных частиц солнечного ветра.

Во всех публикациях всегда приводится картинка, поясняющая строение солнечного ветра при взгляде на него со стороны северного полюса Солнца - плоская многозаходная спираль с несколькими рукавами. Однако она дает сильно упрощенное представление, т.к. показывает лишь одну проекцию и только в части распределения плотности, без учета скорости частиц. Более полное представление дает трехмерная модель, синтезируемая в SWPC NOAA (Solar Wind Prediction Center - Центр прогнозирования солнечного ветра) в реальном времени на основе текущих данных американских спутников Солнца - ACE и Stereo.

модель солнечного ветра по данным спутников NOAA ACE, Stereo-A и Stereo-B

Рис.4.1. Трехмерная модель солнечного ветра по данным спутников NOAA ACE и Stereo.

Слева - панорамы плотности D и скорости V солнечного ветра в плоскости орбиты Земли, в центре - их панорамы в меридиональной плоскости, справа - их расчетные графики по датам за предшествующие и на последующие сутки в точках расположения Земли и спутников Stereo (источник - сервис WSA ENLIL SWPC NOAA www.swpc.noaa.gov/products/wsa-enlil-solar-wind-prediction).

Ежедневная «картинка» на начало суток и архив доступны на странице сервиса Солнечный ветер проекта Лаборатория геокосмоса.

Для увеличения кликните по изображению.

 

На модели хорошо видно, что солнечный ветер имеет сложную трехмерную структуру как по плотности потока частиц, так и по их скорости. Не менее сложную структуру имеет межпланетное магнитное поле. И вся эта «конструкция» визуально как бы вращается против часовой стрелки вместе с Солнцем, при этом постоянно расширяясь к периферии солнечной системы.

 

4.2. СТРУКТУРА И ПАРАМЕТРЫ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА

Основы науки о солнечном ветре были заложены в начале 1960-х Е.Паркером [1]. Они сохранили свою актуальность и по сей день, дополняясь новыми частными теориями и данными. Согласно современным представлениям солнечный ветер - это сумма потоков солнечного вещества, испускаемого корональными стримерами и корональными дырами солнца.

корональные стримеры и корональные дыры

Рис.4.2. Корональные стримеры и корональные дыры

Корональные стримеры - это вытянутые яркие шлемообразные структуры с открытой вершиной, которые часто формируются над пятнами и областями повышенной активности в атмосфере Солнца. Корональные дыры это области короны пониженной светимости. Они связаны с областями открытых линий магнитного поля и часто находятся на солнечных полюсах (определения и фото для иллюстрации - из Энциклопедии Солнца, см. ссылку [3])

 

Вещество солнечного ветра на 96% состоит из приблизительно равного числа протонов и электронов. Чуть менее 4% составляют альфа-частицы. Оставшаяся часть представлена ионами кислорода, кремния, серы и железа, а также атомами инертных газов - неона и аргона.

В составе солнечного ветра электронов по отношению к протонам несколько больше, т.к. к электронам, образовавшимся вместе с протонами при ионизации атомов водора, добавляются еще и электроны, ставшие свободными при образовании альфа-частиц в результате ионизации атомов гелия, и электроны, ставшие свободными при ионизации атомов более тяжелых элементов.

cостав и структура солнечного ветра

Рис.4.3. Состав и структура солнечного ветра

 

Суммарный поток солнечного ветра имеет одну медленную (спокойную) компоненту и две скоростные - квазистационарную и спорадическую.

Медленный солнечный ветер «дует» постоянно. Он является результатом расширения в космическое пространство солнечной короны и формируется ее стримерами, как поток продуктов сгорания костра или горелки формируется языками пламени. Основная часть этой компоненты излучается экваториальной областью Солнца, где концентрируются корональные стримеры. Это наиболее стабильная, наиболее плотная и наиболее медленная составляющая солнечного ветра, практически не зависящая от солнечной активности. Ее средняя скорость в любой период 11-летнего солнечного цикла равна 300-400 км/с при средней плотности потока протонов порядка 10-15 частиц/см3 и его температуре порядка (3-4)x10^4 °K.

Скоростной квазистационарный ветер формируется над корональными дырами. Так же, как и спокойный, он «дует» без перерывов, но характеризуется бОльшими временнЫми флуктуациями, большей скоростью, меньшей плотностью и распределением от экватора Солнца до его полюсов, при этом максимум его плотности в период спокойного солнца приходится на сектор от 20-30° до 70-80° по широте, а в период активного солнца эта компонента не имеет ярко выраженных широтных максимумов. Его средняя скорость равна 600-800 км/с при средней плотности потока протонов порядка 3-4 частиц/см3 и его температуре порядка (2-3)x10^5 °K

Примечание. Данные по распределению медленного и скоростного потоков солнечного ветра по широте Солнца были получены космическим аппаратом ULYSSES в рамках совместного проекта NASA - EKA в период 1994 - 2009 г.г. (см. рис.4.4). Эти данные расходятся с первоначальными представлениями, согласно которым солнечный ветер за счет сжимающего воздействия магнитного поля Солнца по мере удаления от него должен был бы «сплющиваться» и концентрироваться в области эклиптики - см. [1].

широтная сруктура солнечного ветра по данным КА Улисс

Рис.4.4. Широтная структура солнечного ветра по данным КА Улисс

Слева - структура солнечного ветра в период спокойного Солнца, справа - в период активного Солнца. Красные стрелки - потоки солнечного ветра с исходящими магнитными силовыми линиями, синие - с входящими магнитными силовыми линиями (источник иллюстрации - [4])

 

Скоростной спорадический солнечный ветер характеризуется кратковременностью и связан с однократными выбросами больших масс солнечного вещества, именуемыми CME (Coronal Mass Ejection), насчет источников которых, а также насчет их связи с солнечными вспышками, существуют различные мнения. Это самая скоростная компонента солнечного ветра с относительно высокой локальной плотностью, фактически представляющая собой сгустки-облака плазмы, движущиеся с очень высокой скоростью, которая может доходить до 1000-1200 км/с при более высоких, чем у квазистационарного потока, плотности и температуре.

Все компоненты солнечного ветра образуют единый поток, в котором, за счет разности их скоростей возникает сложная картина ударныx волн. Средняя скорость суммарного потока имеет на орбите Земли величину порядка 350-550 км/с при плотности потока протонов 3-8 частиц/см3 и его температуре порядка (6-8)x10^5 °K.

Следствием вращения Солнца и неравномерности распределения плотности и скорости потоков солнечного ветра, а также влияния структуры межпланетное магнитного поля (см. ниже) является спиральная структура солнечного ветра в плоскости эклиптики, на что уже выше обращалось внимание с привязкой к рис.4.1.

Во многих источниках утверждается, что спираль солнечного ветра делится на четное число рукавов, преимущественно на два или четыре. Однако. как показывает рис. 4.1., ярковыраженного деления на рукава, когда можно точно подсчитать их количество, может и не быть.

Особый вопрос - это угол, под которым частицы солнечного ветра пересекают орбиту Земли, или, другими словами, соотношение радиальной и тангенциальной составляющих в векторе их скорости. Спиральная форма рукавов солнечного ветра создает иллюзию, что частицы движутся вдоль них. И здесь, безусловно, есть элемент иллюзии - в основной своей массе частицы солнечного ветра должны разлетаться от Солнца примерно так же, как брызги воды от садового разбрызгивателя. С другой стороны, Солнце, вращаясь вокруг своей оси, придает частицам некоторую тангенциальную скорость, в результате чего их траектория отклоняется от строго радиальной. С третьей стороны, межпланетное магнитное поле также воздействует на траектории движения заряженных частиц (см. ниже).

 

Солнечный ветер заполняет околосолнечное пространство до границы т.н. гелиопаузы, до расстояния около 110 а.е. от Солнца, где его давление уравновешивается давлением межзвездной среды, а заряженные частицы обеих сред начинают рекомбинировать. При этом в межзвездной среде возникает ударная волна, распространяющаяся до расстояния около 220 а.е. от Солнца.

Под давление расширяющейся короны Солнца частицы солнечного ветра разлетаются с ускорением, при этом наибольшее ускорение они приобретают на начальном участке, а на орбите Земли рост скорости солнечного ветра уже незначителен.

ускорение и расширение границ солнечного ветра

Рис.4.5. Ускорение и расширение границ солнечного ветра

 

 

4.3. МЕЖПЛАНЕТНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

С межпланетным магнитным полем вопрос не столь прозрачен и понятен, как с самим солнечным ветром. В большинстве публикаций как под копирку повторяется одно и то же - межпланентное магнитное поле есть «вмороженное» в солнечный ветер магнитное поле Солнца. Какие-либо поясняющие комментарии разумной степени сложности при этом не приводятся. Такое положение дел неудивительно, т.к. «вмораживание» магнитного поля Солнца в солнечный ветер связано с физикой взаимодействия магнитных полей с плазмой, требует описания на уровне математики магнитогидродинамических процессов, поэтому в доступном для понимания неподготовленными читателями виде изложение сути этого явления, очевидно, затруднительно.

В соответствии с исходными представлениями, введенными основоположником науки о солнечном ветре Е.Паркером [1] и перекочевавшими в современные концепции, магнитное поле Солнца, фигурально выражаясь, «вмораживается» в плазму Солнечного ветра таким образом, что образуется единая магнитогидродинамическая конструкция со спиральными рукавами, о чем уже говорилось в начале настоящей главы. При этом направления (знаки) магнитных силовых линий в рукавах в плоскости эклиптики чередуются, в результате чего ММП имеет т.н. секторную структуру (см. рис.4.6).

представление секторной структуры межпланетного магнитного поля

Рис.4.6. Представление секторной структуры межпланетного магнитного поля

Источником левой илюстрации является работа [1]. Конкретные первоисточник последующих трех иллюстраций в связи с их наличием в большом числе публикаций указать не представляется возможным.

Интернет изобилует такими картинками, копипастом кочующими из сайта в сайт. Однако авторы многих публикаций забывают оговорить, что данная «картинка» описывает лишь межпланетное магнитное поле, связанное с медленным невозмущенным солнечным ветром, и то со значительными допущениями, на что прямо указано в работе Паркера. Кроме того, большинство авторов молча оставляют за строкой своих публикаций ряд очевидных вопросов. Например, каким образом и где замыкаются силовые линии межпланетного магнитного поля, какова конфигурация силовых линий в меридиональной плоскости межпланетного пространства, откуда берется вертикальная компонента их векторов, взаимодействующая с магнитным полем Земли, а также целый ряд других вопросов.

 

В основополагающей работе Е.Паркера [1] рассматривается большое число возможных конфигураций силовых линий межпланетного магнитного поля, однако все они являются проекцией на плоскость эклиптики (см. рис.4.7, рис.4.8).

возможные конфигурации силовых линий межпланетного магнитного поля по Паркеру

Рис.4.7. Возможные конфигурации магнитных силовых линий по Паркеру [1]

Слева - изменение плотности магнитных силовых линий в результате незначительной разницы в скорости потоков спокойного ветра по окружности Солнца, справа - появление ударной волны с изломом магнитных силовых линий при большой разности в скорости потоков.

возможные конфигурации силовых линий межпланетного магнитного поля по Паркеру

Рис.4.8. Возможные конфигурации магнитных силовых линий по Паркеру [1]

Конфигурации ударной волны в магнитных силовых линиях при возмущениях солнечного ветра в результате взаимодействия медленного и скоростного солнечного ветра и выбросов корональных масс.

 

В то же время, результаты измерений магнитного поля по широте Солнца космическим аппаратом Улисс, а также данные мониторинга межпланетного магнитного поля на орбите Земли космическими аппаратами ACE, Stereo и DSCOVR указывают на трехмерный характер магнитных силовых линий с замыканием их в т.ч. в меридиональной плоскости. Т.о., вопрос о трехмерной конфигурации магнитных силовых линий межпланетного магнитного поля остается открытым.

Также остается открытым и другой вопрос - о влиянии межпланетного магнитного поля на направление движения частиц солнечного ветра. В одних публикациях утверждается, что потоки солнечного ветра движутся строго радиально. В других публикациях указывается на наличие пондеромоторных сил, которые могут искривлять в определенной степени траектории движения частиц. В ряде работ приводятся схемы, в которых частицы солнечного ветра движутся строго вдоль магнитных силовых линий, будучи зазвачены ими, при этом утверждается, что на орбите Земли угол между вектором скорости частиц и направлением на Солнце может достигать 45 градусов.

влияние межпланетного магнитного поля на движение частиц солнечного ветра

Рис.4.9. Влияние межпланетного магнитного поля на движение частиц солнечного ветра

Слева - иллюстрация, на которой частицы солнечного ветра движутся радиально, независимо от направления силовых линий межпланетного магнитного поля (источник [6]). Справа - две иллюстрации, на которых частицы движутся под углом к направлению на Солнце, будучи захвачены магнитными силовыми линиями (первоисточник не определен)

 

Еще одним «мутным» явлением, связанным с взаимодействием плазмы солнечного ветра с межпланетным магнитным полем, является т.н. гелиосферный (межпланетный) токовый слой. Он представляет собой трехмерную спиральную поверхность сложной конфигурации, при переходе через которую силовые линии межпланетного магнитного поля меняют знак. Толщина этого слоя теоретически может достигать 10000 км, а величина тока в нем - 10^-10 А/м2.

гелиосферный токовый слой

Рис.4.10. Гелиосферный токовый слой

(источник изображения для иллюстрации - [6])

 

Следует также отметить, что полная энергия межпланетного магнитного поля составляет около одного процента от полной кинетической энергии солнечного ветра. Более подробно о межпланетном магнитном поле в его взаимодействии с потоками плазмы солнечного ветра см. в отдельном обзоре.

 

4.4. ИЗМЕРЕНИЕ И МОНИТОРИНГ

На момент написания настоящего обзора параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля измеряются в реальном времени несколькими космическими аппаратами США, к которым относятся:

 

# Упоминавшийся выше космический аппарат ACE (NOAA, США), расположенный на солнечной орбите между Землей и Солнцем в точке Лагранжа на удалении от Земли около полутора миллионов километров, что позволяет получать данные о солнечном ветре за один - полтора часа до достижения им магнитосферы Земли. Аппарат обеспечивает регистрацию параметров как суммарного потока солнечного ветра, так и его электронной и протонной составляющих, а также напряженности межпланетного магнитного поля в декартовой и радиальной системах координат. Данные мониторинга предоставляются для свободного доступа на файловых серверах NOAA, в т.ч. как в текстовом формате, так и в формате JASON, в т.ч. для различных интервалов усреднения.

пример данных аппарата ACE о параметрах солнечного ветра

Рис.4.11. Пример данных аппарата ACE в текстовом формате

Примечание. значение -9999.9 означает отсутствие данных по техническим причинам или в связи с попаданием аппарата в «мертвую зону» радиосвязи. В столбце S указывается признак недостоверности данных, 0 соответствует полностью достоверным данным)

 

# Упоминавшиеся выше космические аппараты Stereo, вращающиеся вокруг Солнца на орбитах, близких к орбите Земли, но с разными периодами, в т.ч. Stereo-A (Ahead - идущий вперед) с периодом обращения 347 дней (на момент написания настоящего обзора частично работоспособен) и Stereo-B (backward - идущий назад) с периодом обращения 387 дней (неработоспособен с 2014 года). Спутники были запущены с целью регистрации выбросов корональных масс Солнца CME, определения их параметров и слежения за их движением, что в конечном итоге должно было бы позволить прогнозировать время и параметры их воздействия на магнитосферу Земли с упреждением в несколько суток, а не за час - полтора, как позволяет информация со спутника ACE. Находящийся на связи аппарат Stereo-A предоставляет фотографии Солнца и околосолнечного пространства, по которым можно судить о произошедших выбросах корональных масс и их движении, однако точность этих данных в связи с потерей стереоскопического эффекта при выходе из строя аппарата Stereo-B, ниже проектной. В архивах также представлена информация с данными мониторинга параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в позиции нахождения аппарата.

фотографии Солнца, сделанные в различных участках спектра КА Stereo-A

Рис.4.12. Фотографии Солнца, сделанные в различных участках спектра КА Stereo-A

(источник изображений - [7])

 

# Космический аппарат DISCOVR (Deep Space Climate Observatory) - более современная модификация аппарата ACE, созданная совместными усилиями NOAA, NASA и USAF (US Air Force - ВВС США). Так же, как и ACE, этот аппарат находится между Землей и Солнцем в точке Лагранжа, что позволяет подавать «штормовые предупреждения» о магнитных бурях и протонных событиях, точно так же, как и космический аппарат ACE, за час - полтора до их возможного возникновения. Данные, получаемые с аппарата DISCOVR, размещены для свободного доступа на файловом сервере NOAA.

космический аппарат DISCOVR и его предшественник космический аппарат ACE

Рис.4.13. Космический аппарат DISCOVR и его предшественник космический аппарат ACE

(источник иллюстраций - сайт НАСА nasa.gov)

 

 

4.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЗЕМНЫЕ СФЕРЫ

Объектом воздействия солнечного ветра первой ступени является магнитосфера Земли, преодолевая защитный барьер которой частицы солнечного ветра воздействую как на параметры самой магнитосферы, так и проникают далее в ионосферу, изменяя также и ее параметры, о чем уже были кратко сказано в главе 1.

Результатом воздействия частиц солнечного ветра (высокоэнергичных протонов) на магнитосферу являются геомагнитные пульсации, подробно рассмотренные в следующей главе.

Высокоэнергичные частицы солнечного ветра проникают через магнитосферу в первую очередь в полярные и околополярные области ионосферы. Электроны, сталкиваясь с атомами кислорода и азота в этих областях на высотах 80 - 200 км, возбуждают их, стимулируя оптическое излучение, аналогичное по механизму излучению люминисцентных источников света. Результатом являются полярные сияния и свечение атмосферы. Как оптические феномены они в контексте настоящеого обзора интереса не представляют и далее здесь не рассматриваются. В то же время, полярные сияния связаны и с эффектами распространения радиоволн, но в этом контексте их рассмотрение более увязывается с проблематикой ионосферы, что выходит за рамки целей настоящего обзора.

Высокоэнергичные протоны, проникая через магнитосферу в область полярной шапки, резко повышают ионизацию слоя D ионосферы. В результате резко возрастает поглощение в ионосфере радиоволн высокочастотных диапазонов, что может привести к полной блокировке наземной и спутниковой радиосвязи. В диапазонах длинных и сверхдлинных волн при этом резко понижается высота границы отражения радиоволн, что приводит к уменьшению дальности связи. Данный эффект получил аббревиатуру PCA - Polar cap absorption (поглощение в области полярной шапки). Он может иметь длительный характер - от нескольких часов до нескольких суток. Его подробное рассмотрение также более специфично для проблематки ионосферы и выходит за рамки настоящего обзора.

 

В Н И М А Н И Е!

Вы можете получать информацию по текущим параметрам солнечного ветра и межпланетного магнитного поля и работать с архивными данными, пользуясь сервисами проекта
ЛАБОРАТОРИЯ ГЕОКОСМОСА

 

4.6. ИСТОЧНИКИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

1. Паркер Е. Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1965.
2. М.И.Пудовкин. Солнечный ветер.
3. Энциклопедия Солнца. Солнечный ветер
4. EISA. SCIENCE AND TECHNOLOGY. ULYSSES
5. Межпланетное магнитное поле
6. Астронет. Секторная структура межпланетная.
7. Stereo Science Center
8. DSCOVR Space Weather Data Portal

* * * * *

 

 

Опубликовано 14.03.2021. Последнее изменение 14.03.2021

© Janto 2021 Все права защищены