Солнечный ветер. Часть третья.
Магнетизм ветра
Солнечный ветер несет с собой магнитное поле, так как газ ионизирован. (Он остается ионизированным на всем пути через Солнечную систему, хотя его температура может существенно снизиться; газ настолько разрежен, что разделенные протоны и электроны имеют весьма малую вероятность соединения.) Какова природа этого магнитного поля?
По-видимому, источник его — общее магнитное поле Солнца. Корона не может уносить локальные, концентрированные солнечные поля солнечных пятен и активных областей, так как они достаточно основательно предохранены. Общее магнитное поле Солнца измеряется одним или двумя гауссами (земное магнитное поле составляет примерно половину гаусса).
Если бы Солнце не вращалось (а на самом деле оно совершает один оборот за 25 дней), солнечный ветер образовывал бы свое общее магнитное поле таким образом, что его силовые линии были бы направлены радиально от Солнца, и стрелка компаса всегда показывала бы направление на Солнце или от него. Вращение Солнца налагает, однако, на это радиальное поле, поле круговое, в результате чего поле, создаваемое солнечным ветром, имеет спиральную форму.
Действие радиального магнитного поля, подобно действию гравитации света, ослабляется пропорционально квадрату возрастания дистанции от источника. Можно подсчитать, что на дистанции, соответствующей расстоянию от Солнца до Земли, магнитное поле, создаваемое солнечным ветром, должно было бы составлять примерно три или четыре стотысячных гаусса.
Свидетельства, исходящие из космических исследований
Что можно сказать о солнечном ветре на основании исследования космического пространства? Многие космические аппараты были снабжены оборудованием для регистрации заряженных частиц, с которыми происходит столкновение в космическом пространстве. Прежде всего, нужно сказать, что эти исследования подтвердили существование ветра. Солнечный ветер обнаружен и измерен несколькими американскими космическими аппаратами, включая «Маринер II» и спутник «Эксплорер X». Все эти аппараты доказали, что ветер дует непрерывно во всем космическом пространстве, которое было исследовано, и что вблизи Земли скорость его, по-видимому, составляет около 400 километров в секунду.
Ветер дует иногда с постоянной интенсивностью, иногда — порывами. Он имеет тенденцию к турбулентности (завихрению) и движется быстрее, когда Солнце активно. Плотность ветра определенно небольшая. Спутники зарегистрировали интенсивность потока: в среднем, 100 миллионов протонов на квадратный сантиметр в секунду, «Эксплорер X» и «Маринер II» нашли, что плотность вблизи Земли лежит (в большинстве случаев) в пределах от одного до 10 протонов на кубический сантиметр. Эти данные соответствуют модели солнечной короны, принятой учеными. Согласно этой модели, температура солнечной короны находится в пределах миллиона градусов, включая и значительное удаление от Солнца.
Кроме того, измерения магнитного поля в межпланетном пространстве подтвердили теоретические представления о солнечном ветре. «Маринер 11» и «Эксплорер X» произвели измерения поля, обнаружив несколько стотысячных гаусса, и «Маринер II» зафиксировал спиральную форму линий. Обнаружены петли в наблюдаемой форме линий поля, но они только подтверждают, что солнечный ветер иногда имеет порывистый характер.
Получив из всех приведенных фактов подтверждение о природе солнечного ветра, мы можем перейти к исследованию некоторых других интересных вопросов. Например, существенное значение имеет вопрос о том, сколь много энергии и вещества выносит солнечный ветер в космос. Можно подсчитать, что он уносит из Солнца около миллиона тонн водорода в секунду. Однако для Солнца эти потери несущественны. За всю предполагаемую длительность жизни Солнца, за 15 биллионов лет, потеря его массы за этот счет составляет немногим более сотой процента солнечной массы. А расход энергии короны на создание скорости солнечного ветра составляет примерно миллионную долю общей выработки энергии Солнцем. Энергия ветра на единицу объема так незначительна, что ни один объект космического пространства не может быть сколько-нибудь существенно нагрет за ее счет.
Как далеко дует ветер!
Как далеко распространяется солнечный ветер в космическом пространстве? Этот вопрос значительно более важен, чем вопрос об «истощении» Солнца, так как он касается возможности использования солнечного ветра в качестве зонда в межзвездном пространстве.
Плотность ветра падает пропорционально квадрату увеличения расстояния от Солнца. В конце концов, ветер должен стать столь разреженным, что он прекращает свое существование под воздействием других тонкодисперсных газов и слабых магнитных полей в межзвездном пространстве. Общее магнитное поле пространства нашей Галактики оценивается не более чем двумя стотысячными гаусса. Если мы примем это максимальное значение как силу сопротивления солнечному ветру, а в качестве показателя плотности ветра используем наименьшее значение его плотности, измеренное вблизи Земли (один атом на кубический сантиметр), то, как говорят вычисления, солнечный ветер должен прекратить свое существование на расстоянии около 12 астрономических единиц от Солнца (расстояние от Солнца до Земли, увеличенное в 12 раз), то есть примерно на орбите Сатурна.
Другое предельное значение можно получить, приняв минимально возможное значение магнитного поля, оказывающего сопротивление (одна двухсоттысячная гаусса), и максимальную величину плотности ветра вблизи Земли (10 атомов на кубический сантиметр). В этом случае солнечный ветер должен исчезнуть, пройдя дистанцию в 160 астрономических единиц, то есть пройдя учетверенную дистанцию от Солнца до наиболее удаленной планеты — Плутона. Таким образом, установлены пределы распространения солнечного ветра – Солнечный ветер распространяется не менее чем на 12 и не более чем на 160 астрономических единиц от Солнца.
В нашем распоряжении имеются две возможности для исследования пределов распространения ветра, Одна из них основывается на том, что водород, когда он возбужден, наблюдается в межзвездном пространстве по испусканию слабой ультрафиолетовой радиации. Последние анализы такой эмиссии, выполненные Томасом Н. Л. Латтерсоном, Френсисом С., Джонсоном и Виллиамом Б. Хансоном, заставляют предполагать, что предел распространения солнечного ветра составляет примерно 20 астрономических единиц от Солнца.
Вторая возможность следует из факта, что магнитное поле солнечного ветра имеет тенденцию «выметать» космические лучи из Солнечной системы. В годы высокой солнечной активности интенсивность космических лучей, приходящих на Землю, сокращается как минимум наполовину. Мы вычислили, что снижение этой величины означает, что солнечный ветер распространяется значительно за пределы Юпитера (пять астрономических единиц от Солнца). Симпсон представил прямые доказательства того, что солнечный ветер распространяется не менее как на 40 или 50 астрономических единиц.
Анализируя снижение и повышение интенсивности космических лучей в период одиннадцатилетнего цикла солнечных пятен, он нашел, что возрастание интенсивности частиц высоких энергий космических лучей происходит как минимум через шесть месяцев после падения солнечной активности. Запаздывание по времени, по-видимому, и есть критерий для измерения расстояния наибольшего распространения солнечного ветра. Точно так же как требуется определенное время для данного возмущения, начавшегося в середине пруда, чтобы достигнуть берега пруда, так требуется определенное время и для передачи возрастания или понижения интенсивности солнечного ветра к внешней границе распространения ветра.
Поэтому и существует различие во времени между падением солнечной активности, вызывающей ослабление солнечного ветра и проявлением ослабления ветра на предельной дистанции, на которой ветер еще действует в качестве барьера, препятствующего проникновению космических лучей в Солнечную систему. После того как Симпсон обнаружил упомянутый выше разрыв во времени, составляющий минимально шесть месяцев, и принимая, что ветер движется со скоростью одной астрономической единицы за четыре дня, простой расчет показывает, что расстояние до границы солнечного ветра составляет как минимум 40—45 астрономических единиц.
Создают ли другие звезды ветры, подобные солнечному? Очень возможно. Главное условие этого — наличие у звезды короны. Наша солнечная корона возникает в результате перемешивания и конвекции газа фотосферы. В соответствии с теоретической моделью внутреннего строения звезд подповерхностная конвекция, вероятно, происходит в обычных водородных звездах с температурой поверхности не менее чем 6 400 градусов. Большинство звезд в нашей Галактике попадает в этот класс, и поэтому звездные ветры должны, по-видимому, существовать.
Автор: Е. Паркер, перевод с английского.