Солнечный ветер
Солнечный ветер – это поток заряженных частиц, исходящий из верхнего, наиболее горячего слоя Солнца – солнечной короны. С ним связано много явлений, таких, как, например, магнитная буря или полярное сияние.
Как появляется поток ионизированных частиц и из чего он состоит
Солнечный ветер состоит из положительно и отрицательно заряженных ионов. В свою очередь, они формируются в недрах Солнца, где, не прекращаясь, происходят термоядерные реакции образования гелия из водорода. Температура термоядерных реакций – десятки миллионов градусов. Горячий газ, состоящий из ионизированных частичек, вырывается из звезды и распространяется на миллионы километров. Поразительно, но таким образом наша дневная звезда теряет каждую секунду приблизительно один миллион тонн вещества.
Солнечный ветер состоит из:
В малом количестве в солнечный ветер входят ядра прочих элементов. Кинетическая энергия заряженных частиц – от 0,5 до 10 электронвольт.
Размеры Солнца огромны: его объём в 109 раз больше земного. Из-за гравитационных сил ионизированный газ находится внутри этого гигантского объёма, однако под действием высокой температуры вырывается наружу в виде микровзрывов. Из-за этого солнечная корона нагревается до миллиона градусов и выше.
Как был открыт солнечный ветер
Впервые предположение о том, что существует постоянный поток заряженных частиц, распространяющихся от Солнца, высказал Р. Керрингтон в середине позапрошлого века. В 1916 г. норвежцем К. Биркеландом было установлено, что солнечный ветер состоит из электронов и положительно заряженных ионов. Позже было установлено, что протоны и электроны распространяются от Солнца.
Английский геофизик, астроном С. Сепмен предположил, что солнечная атмосфера является устойчивой. Ю. Ньюмен, американский астрофизик доказал, что материя может истекать из солнечной короны. Было установлено, что по мере удаления от дневной звезды скорость солнечного ветра возрастает, а потом снижается. Границы же распространения солнечного ветра до сих пор остаются неопределёнными. Позже астрономы определили, что любая звезда может источать звёздный ветер.
Германским учёным Л. Бирманом было предположено существование так называемого корпускулярного излучения Солнца. Он обнаружил, что заряженные частицы прорываются через участки Солнца, не покрытые магнитным полем в космическое пространство. Технические параметры солнечного ветра были измерены в 1959 году советской межпланетной станцией «Луна-2».
В 1962 году американский спутник «Маринер-2» провёл исследования солнечного ветра. В дальнейшем изучения проводились станцией SOHO и другими космическими программами.
В 2016 году американские учёные зафиксировали процесс формирования солнечного ветра. Этот процесс похож на выброс воды. Поначалу поток идёт единой струёй, а затем распадается на многочисленные потоки. Так образуется облако из газа, которое способно достигать нашей планеты.
В 2020 году американский зонд записал «звуки», которые издаёт поток ионизированных частиц. Эти звуки напоминают свист, шуршание и «чириканье». Механизм возникновения этих звуков остаётся невыясненным. Предполагается, что зонд будет приближаться к Солнцу и сделает примерно 21 оборот вокруг него. За это время многие особенности звезды будут детально изучаться. Вероятно, перед человечеством откроются некоторые загадки появления этого явления.
Быстро ли распространяется солнечный ветер
Непосредственно с Солнца заряженные частицы распространяются со скоростью от 300 до 450 километров в секунду. Во время вспышек на Солнце солнечный ветер может двигаться со скоростью 1200 километров в секунду или даже больше.
Отдаляясь от Солнца, заряженные частицы начинают двигаться быстрее. Скорость их движения около Земли – от 400 до 800 км в секунду. Заряженные частицы распространяются на расстояние десятков миллиардов километров от Солнца. Начиная с 10 млрд километров, скорость потоков ионизированных частиц неуклонно снижается.
Существует несколько видов солнечного ветра.
- Медленный. Он возникает в недрах Солнца, когда ионизированные газы подвергаются температурному расширению. Корональная плазма ускоряется до 400 километров в секунду. Медленный поток обладает большей плотностью и шириной.
- Быстрый. Этот солнечный ветер образуется в корональных дырах. Эти дыры чаще всего возникают на полюсах и в низких широтах Солнца. Потоки ионизированных частиц высокой энергии в этом случае могут распространяться длительное время. Период атаки Земли этими частицами – 27 суток.
- Возмущённый. Такой поток появляется в результате бурного коронального выброса.
Распространяясь всё дальше от Солнца, солнечный ветер постепенно ослабевает. Примерно на расстоянии 95 астрономических единиц происходит торможение «ветра», и его скорость становится меньше скорости звука. Дальше, на расстоянии 135 астрономических единиц, поток заряженных частиц полностью тормозится. Эта граница называется гелиопаузой.
Как заряженные частицы влияют на Землю
Постоянно изменяющиеся потоки заряженных частиц могли бы полностью уничтожить всё живое на нашей планете. Однако Земля имеет мощную защиту от этой опасности – магнитное поле. Благодаря магнитному полю Земле удаётся избежать столкновения с космическими врагами. Однако из-за неустойчивости магнитного поля и изменяющегося потока заряженных частиц на планете часто появляются магнитные бури.
Параметры солнечного ветра
Благодаря деятельности советского учёного А. Чижевского удалось установить действие изменяющейся активности звезды не только на организм человека, но и на урожайность культурных растений, размножение, активность животных. Также обнаружена цикличность изменения магнитного поля.
Солнечный ветер вызывает магнитные бури, полярные сияния. Установлено также, что количество молний зависит от интенсивности потока ионизированных частиц. Он способен вызывать усиление выхода газообразного радона из поверхности Земли. Магнитные бури повышают активность электрического поля у земной поверхности, что приводит к изменениям атмосферного давления.
Солнечный ветер представляет опасность:
- нарушает радиосвязь;
- создаёт помехи в работе компьютерной техники;
- вызывает сбои в инженерных сетях;
- нарушает работу некоторых приборов.
Угрозы внезапных магнитных бурь создали потребность в их прогнозировании, тщательном наблюдении за главным светилом Солнечной системы. На всех метеостанциях земного шара работает оборудование, которое сигнализирует об изменении магнитного поля планеты.
Солнечный ветер и магнитосфера Земли
Можно ли использовать солнечный ветер
Учёные всего мира работают над проблемами и перспективами использования солнечного ветра для блага цивилизации. Так, финский учёный П. Янхунен создал так называемые «электрические паруса» и «солнечные паруса». Это космические аппараты, которые двигаются за счёт заряженных частиц, исходящих от Солнца. Попытка запуска космического паруса была неудачной, он не раскрылся.
Существуют проекты использования заряженных частиц для передачи и сохранения информации, создания на планетных орбитах космических электростанций. К примеру, американский учёный Ф. Дайсон предположил, что в будущем высокоразвитой земной цивилизации будет доступно создание некоего сферообразного объекта вокруг Солнца, который бы собирал всю энергию. Этот же Дайсон допустил, что таким способом можно будет искать внеземные цивилизации.
Исследователи Вашингтонского университета разработали практичную концепцию применения 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 тыс. км. позволит человечеству полностью отказаться от всех видов энергии, перейдя только на ту, что извлекается из ионизированного потока частиц. Этот источник энергии (триллион миллиардов мегаватт) практически неиссякаем.
Существуют проекты передачи энергии, получаемой из спутника Дайсона-Харропа с помощью лазерных лучей. На данном этапе развития человеческой цивилизации создать такой луч (по сути, «кабель») невозможно. Сам спутник должен быть вне плоскости эклиптики, а лазерный луч даст такое пятно, что покроет собой всю планету. А вот применение небольших спутников, заменяющих мощные солнечные батареи вполне возможно. Предположительно, что в недалёком будущем ими можно будет заменить ядерные реакторы.
Какое будущее нашей звезды
Солнце ещё будет существовать как минимум 5 миллиардов лет. Каждую секунду в недрах звезды 600 млн тонн водорода превращается в гелий. При этом масса Солнца уменьшается ежесекундно на 4 млн тонн. После исчерпания водородных запасов Солнце превратится сначала в красного гиганта, а затем и в белого карлика. При этом будут исчерпаны и все запасы гелия. В этих условиях рано или поздно перед человечеством встанет проблема переселения на другие планеты. Использование солнечного ветра для этих целей является перспективным.
Если Солнце станет красным гигантом, оно будет испускать поток заряженных частиц. Предположительно, что его мощность заметно возрастёт. Для Земли это не будет иметь никакого значения, так как она может быть поглощённой Солнцем. Но даже если планета и останется (это более вероятно, потому что она несколько удалится от звезды), для неё наступят не самые лучшие времена. Сначала под воздействием высокой температуры, парникового эффекта погибнут высшие формы жизни. В дальнейшем наша планета полностью избавится от океанов (они испарятся). По мере дальнейшего повышения температуры планета станет выжженной и полностью непригодной для жизни. Это случится примерно через 4 млрд лет.
Наконец, Солнце пройдёт фазу развития красного гиганта. Его внешняя оболочка взорвётся, образуя планетарную туманность. В её центре образуется белый карлик. На протяжении миллиардов лет эта звезда будет медленно угасать. Следовательно, и интенсивность солнечного ветра будет постепенно сходить на нет. После остывания образуется чёрный карлик. Для его остывания до температуры минус 268 градусов потребуется около 5 квадриллионов лет.
Звёздный ветер испускают все звезды, и Солнце не исключение. Потоки заряженных частиц способны распространяться на десятки миллиардов километров. Солнечный ветер имеет огромное влияние на всё живое и на хозяйственную деятельность человека. Овладение колоссальной энергией заряженных частиц открывает перед человечеством перспективы полного преодоления энергетического дефицита.
Источник
Солнечный ветер: что это такое, история изучения, виды, фото, видео
Что такое солнечный ветер?
Каждое мгновение Солнце излучает в космос поток ионизированных частиц испускаемый внешним слоем (солнечной короной) на огромной скорости, достигающей 1200 км/с. Данное явление носит название «солнечный ветер». Его бесконечные «вихри» окружают Землю, пронизывают пространство Солнечной системы, и даже выходят далеко за её пределы. Испускать его могут все звёзды, и в таком случае называется он звёздным ветром. Поток частиц Солнца также можно назвать звёздным ветром Солнца и ошибки в этом не будет.
Солнечный ветер
История возникновения понятия
Научное представление человека об окружающем мире постоянно претерпевает изменения. Процесс отрицания предшествующих догм и понятий даёт возможность по-новому взглянуть на существующую действительность.
Длительное время наука считала статичной корону любой звезды. То есть, сила притяжения как бы уравновешивала силу давления ядерных и термоядерных взрывов, и не давала отпускать от себя в окружающее пространство потоки раскалённой материи.
Английский геофизик и астроном Сидни Чепмен в своём время создал и развил теорию устойчивости солнечной атмосферы. Его гипотеза разделила астрофизическое сообщество. Всё так и продолжалось бы до нашего времени. Однако нашёлся человек решительно и бесповоротно опровергший взгляды знаменитого учёного.
Солнечная корона
Имя его – Юджин Ньюмен Паркер. Американский астрофизик нанёс сокрушающий удар по концепции своего английского коллеги. Своими пионерскими разработками он смог доказать необратимость истечения материи из короны. Более того, выяснился очень любопытный факт: по мере удаления от Солнца скорость солнечного ветра значительно возрастает, достигая сверхзвуковых величин, затем снижается и становится стабильной. Кстати, границы его распространения до сих пор не определены и ждут своих первооткрывателей.
Замеры, проводимые на первых межпланетных космических аппаратах, подтвердили правильность выводов Ю. Паркера. Немногим позже, астрономы обнаружили аналогичные звёздные ветра на просторах ряда Галактик.
Как появляется солнечный ветер?
Причиной появления потока, состоящего из смеси положительно и отрицательно заряженных частиц, является постоянно образующаяся внутри Солнца плазма. Возникает она в результате бесконечно протекающих реакций термоядерного синтеза, нагревающих центр звезды до нескольких десятков миллионов градусов по Цельсию. Разогретый таким образом ионизированный газ, стремительно вырывается из условно «ограниченного объёма», разлетаясь далеко за пределы нашей звёздной системы.
Появление солнечного ветра
В сентябре 2016 года американским учёным с помощью обсерваторий NASA STEREO впервые удалось засечь процесс возникновения солнечного ветра. Согласно их заявлению, происходящее идентично выбросу воды: сначала поток идёт одной струёй, затем распадается на отдельные частички, которые становятся всё меньше и меньше, пока не образуется газообразное «облако».
NASA STEREO
Изучение явления
За семь лет до Ю. Паркера западногерманский астроном Людвиг Бирман, изучая структуру хвостов комет, предположил существование корпускулярного излучения Солнца, называемого сейчас солнечным ветром. Поток заряженных частиц, прорываясь сквозь корональные дыры (районы на поверхности нашей звезды не закрытые магнитным полем), устремляется в открытое космическое пространство.
Впервые измерение технических параметров солнечного ветра было произведено на советской межпланетной автоматической станции «Луна-2» в 1959 году.
Автоматическая межпланетная станция “Луна-2”
Через три года американский спутник «Маринер-2» выполнил многомесячные исследования уникального космического явления. В дальнейшем изучения были продолжены международной станцией SOHO и целым рядом программ национального управления – НАСА, США. Научная деятельность по изучению солнечного ветра расширила свои горизонты от поверхности Солнца до самого края звёздной системы.
Скорость солнечного ветра
Большой научно-практический интерес представляет измерение, а также изучение закономерностей движения потока водородной плазмы, составляющий основу солнечного ветра.
Первоначально ионизированные частицы гелия, водорода, железа, кремния, серы и ряда других химических элементов движутся, со скоростью 300-450 км/сек.
В дальнейшем скорость солнечного ветра потока нарастает, достигая 400 – 800 км/сек около Земли (именно здесь заканчивается его ускорение). 1 500 000 км/час (420 км/сек) в районе Марса. На расстоянии до 10 млрд. км от источника излучения скорость движения солнечных заряженных частиц примерно составляет – 1 000 000 км/час (280 км/сек). Далее, под воздействием межзвёздной среды, она ослабевает.
Динамика движения солнечного ветра находится под воздействием двух факторов: силы притяжения светила и силы давления внутри потока. Расчёты, подкреплённые практическими исследованиями (полёты американских «Вояджер – 1, – 2» и «Пионер – 10, – 11») показали постоянство скорости истечения разноимённо заряженных частиц уже за пределами орбиты нашей планеты.
Виды солнечного ветра
Характер ионизированного потока Солнца упорядочен и подразделяется на два вида:
- спокойный (медленный или быстрый);
- возмущённый.
Спокойный – медленный
Медленный солнечный ветер возникает в недрах экватора нашего светила, в периоды температурного расширения ионизированных газов. Динамический процесс разгоняет корональную плазму до сверхзвуковых скоростей, примерно равных 400 км/сек. По своему строению, медленный поток плотнее и шире, чем быстрый.
Спокойный – Быстрый
Местом рождения быстрого солнечного ветра служат корональные дыры. Потоки данного ветра могут истекать месяцами, «атакуя» Землю с периодичностью вращения Солнца продолжительностью в 27 суток.
Возмущённый
Причиной возникновения возмущённых потоков является: проявление самого коронального выброса, а также появление в межпланетном пространстве мест сжатия перед наступающими корональными выбросами массы или быстрым солнечным ветром.
Межпланетная ударная волна
Появлению космической ударной волны предшествует: «Нападение» быстрого солнечного ветра на «медленного брата», Столкновение заряженного потока корональных частиц с магнитосферой Земли, взрыв сверхновой звезды, столкновение галактик.
Ударная волна – это область столкновения быстро движущейся среды (газа) с каким-либо препятствием (к примеру: солнечного ветра с магнитосферой Земли), порождающая при этом «фронт» резкого изменения физических параметров набегающего потока (давления, плотности, температуры, уровня заряда частиц и ряда других показателей).
Распространение солнечного ветра в космосе
Удаляясь всё дальше от своего «прародителя» – Солнца, ветер ослабевает и проходит несколько пограничных областей. Первая из них удалена от светила на расстояние 95 а.е. (а.е. – астрономическая единица, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляющая 149 598 100 ± 750 км). Так называемая – «граница ударной волны». Именно на ней происходит торможение солнечного ветра со сверхзвуковых скоростей.
Распространение солнечного ветра в космосе
Пролетев ещё 40 а.е., поток ионизированных частиц под воздействием межзвёздного вещества полностью тормозится. Определяемая астрофизическими процессами граница торможения носит название гелиопаузы. Пространственная область, ограниченная гелиопаузой получила название – гелиосфера. Размеры её неодинаковы:
- 73 а.е. с южной стороны;
- 85 а.е. с северной стороны.
Астрофизические данные были получены благодаря запуску 2-х американских космических аппаратов серии «Вояджер», предназначенных для исследования границ Солнечной системы. Совсем недавно «Вояджер-2» подтвердил данные «Вояджер-1».
Солнечный ветер и Земля
Постоянно изменяющиеся потоки солнечного ветра запросто могли бы уничтожить всё живое на поверхности Земли. Для защиты от столь «грозного оружия» имеется «надёжный щит» в виде магнитосферы. Паритет данного противостояния довольно изменчив и часто вызывает геомагнитные бури. Не удивительно, что в 1990 году приобрёл актуальность термин – «космическая погода», в основном отражающий текущее состояние магнитного поля Земли.
Создателем науки гелиобиологии, изучающей воздействие нашего светила на жизненные функции земных организмов, стал советский учёный А. Л. Чижевский. Благодаря ему и целому ряду других исследователей удалось выяснить закономерности воздействия перепадов солнечной активности на организм человека, повышение и понижение урожайности культурных растений, размножение и сокращение популяций птиц, рыб, животных.
Обнаружена и изучена цикличность периодов воздействия Солнца на Земле. Регулярные сообщения об уровне активности геомагнитного фона стали обычным явлением. Люди, страдающие хроническими заболеваниями, имеют необходимую информацию для своевременного принятия нужных лекарств. Современное растениеводство и животноводство также «вооружено» знаниями, чтобы вести свою деятельность наиболее оптимально.
Интересный факт: По наблюдениям Н. С. Щербинского, периодичность прихода саранчи на поля совпадает с 11-и летним ритмом Солнца.
Наука идёт вперёд и зовёт за собой молодых. Сегодня каждый из них может получить специальность гелиобиолога, закончив профильное высшее учебное заведение.
Вызываемые солнечным ветром природные явления
Солнечный ветер, пролетая вокруг Земли, вызывает массу природных явлений. Среди них: магнитные бури, полярные сияния, радиационные пояса планеты. Не так давно выяснилась закономерность увеличения количества молний от роста потока ионизированных частиц нашей звезды.
Северное сияние
Есть целый ряд геофизических явлений, порождаемых солнечным ветром. В ряде местностей возрастет выход газообразного радона из земной поверхности, что может привести к повышению радиоактивности в атмосфере. Имеется зависимость между солнечной активностью и ростом числа землетрясений. Магнитная буря значительно изменяет напряжённость электрического поля на поверхности Земли и приводит к скачкам атмосферного давления.
Опасность солнечного ветра
Мощные выбросы с поверхности светила нарушают радиосвязь, создают помехи в работе компьютеров, вызывают сбои в инженерных сетях, порождают «вредное» протекание электрического тока в металлоконструкциях и приборах.
Угрозы атак солнечного ветра, приводящих к множеству проблем, создали потребность в тщательном наблюдении и прогнозировании магнитных бурь на нашей планете. Метеослужбы всего мира оснащены необходимым оборудованием, и постоянно сигнализируют о колебаниях магнитного фона Земли. Отработана технология выявления будущих очагов сейсмической активности и предупреждения населения о предстоящей опасности.
Перспективы использования солнечного ветра
В свете всех существующих особенностей такого уникального космического явления, как солнечный ветер, становится очень интересно найти ему практическое применение.
Первопроходцем создания так называемого «электрического паруса», «солнечного паруса» (космический аппарат, двигающийся за счёт энергии заряженных частиц солнечного ветра) стал финский учёный – Пекка Янхунен.
Весной 2013 года эстонский спутник ESTCube-1, оснащённый этим устройством был выведен на орбиту. К сожалению, попытка была неудачной, так как парус не смог раскрыться.
Есть и другие заманчивые проекты: использование потоков коронального вещества для передачи информации, или создания на орбитах планет «ионостанций» для выработки электрической энергии.
Будущее нашего Солнца
Научный анализ даёт прогноз на 5 млрд. лет существования нашего светила. Теряя ежесекундно до 600 млн. тонн водорода, оно обречено стать сначала красным гигантом, а потом – белым карликом. Попутно исчерпав все свои энергетические запасы в виде водорода и гелия. Самое неприятное, что беспрерывно расширяясь, Солнце расплавит Меркурий, Венеру, возможно и Землю. Во всяком случае, жизнь на планете полностью исчезнет.
Значит, человечество обязано подумать о своём будущем и организовать переселение на другие миры за пределами нашей Солнечной системы. Это неизбежно. Великие умы: русский учёный Циолковский, британский астрофизик Стивен Хокинг, прямо говорили об этом. Луна, Марс, Церера, Плутон – список потенциальных колоний ширится. Итак: «Пусть дует солнечный ветер в паруса космических кораблей землян, штурмующих просторы Вселенной!»
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник