Солнечный ветер. Часть вторая.
Корона и ветер
Кажется, что поток корпускул должен излучаться чем-то, что существует все время над поверхностью Солнца, Но какой процесс ответствен за это? Идея возможного ответа возникла в один из дней 1957 года, во время работы Чепмена в лаборатории высокогорной обсерватории в Боулдере.
Чепмен изучал солнечную корону под углом зрения того, смогла ли она быть причиной нагревания внешних слоев земной атмосферы. Изучение верхней атмосферы выявило любопытный факт: с увеличением высоты она не только не охлаждалась, но даже нагревалась. Это подтверждало мысль о том, что верхние слои воздуха нагревались горячими газами внешнего пространства. Чепмен предположил, что эти горячие газы существуют за счет солнечной короны.
Корона — это разреженная внешняя атмосфера Солнца. Она действительно очень разреженная: даже близко к Солнцу корона содержит только примерно от 100 миллионов до 1 миллиарда атомов водорода на каждый кубический сантиметр — эта плотность соответствует одной сто миллиардной части плотности воздуха, которым мы дышим. Однако температура короны, если ее определять по скорости ее атомов, весьма высока — примерно миллион градусов. В результате такой температуры газ короны полностью ионизирован, иначе говоря, состоит из раздельных протонов и электронов.
Исходя из теоретических исследований, Чепмен знал, что разреженный ионизированный газ при температуре в миллион градусов должен иметь необычайную способность проводить тепло. По его расчетам, увеличение потока тепла через ионизированный газ примерно пропорционально учетверенному увеличению температуры. Это значило, что при температуре в миллион градусов приходится иметь дело с огромным тепловым потоком. Если корона простирается даже до земной орбиты, то ее температура и на столь большом удалении от Солнца, рассчитал Чепмен, была бы все же около 200 тысяч градусов.
Это соображение было очень важным в поддержке его теории о возможности того, что корона нагревает верхнюю атмосферу Земли.
Но Чепмен сделал и другое открытие. Он продолжил некоторые расчеты, чтобы определить, в самом ли деле корона распространяется до Земли. Для этого он использовал уравнение барометрического закона, которое устанавливает очевидный факт: на любой высоте давление в атмосфере должно быть как раз достаточным для того, чтобы поддержать вес выше лежащей части атмосферы (если бы это было не так, атмосфера не могла бы быть устойчивой). Исходя из известной плотности короны вблизи Солнца (установленной приближенно), он определил ее плотность поблизости от Земли. Она оказалась примерно равной от 100 до 1 тысячи атомов водорода на кубический сантиметр. Иными словами: несмотря на то, что корона весьма разрежена, она все же заполняет пространство от Солнца до Земли и простирается даже далее.
Это было поразительным открытием: Земля, двигаясь по орбите вокруг Солнца, все время находится внутри горячей солнечной короны, которая заполняет всю Солнечную систему.
Корона в движении
Рассмотрим утверждение Чепмена, сопоставив его с представлением Бирманна о корпускулярной радиации, в результате которой хвосты комет отклоняются в сторону от Солнца.
Предположение о том, что есть два рода солнечного разреженного газа: неподвижная корона и поток частиц, с высокой скоростью движущийся от Солнца,— явилось бы несостоятельным. В магнитном поле (а пространство Солнечной системы, как известно, заполнено магнитным полем) один поток заряженных частиц не может свободно проходить через другой. Следовательно, корона и солнечный поток не могут быть чем-то независимым друг от друга. Они должны быть одним и тем же. Корона, ведущая себя как статическая атмосфера вблизи Солнца, на достаточно большом удалении от него должна представлять собой высокоскоростной поток. Но как это может быть?
Я проверил математическую интерпретацию барометрического закона более детально и убедился, что при отсутствии значительного давления, направленного из Солнечной системы в сторону нашего светила, высокотемпературная корона должна растекаться от Солнца. Обнаружив природу этого течения, я применил уравнения гидродинамики для газового потока. Эти нелинейные уравнения оказались столь сложными, что не могло быть и речи о нахождении общего решения, пригодного для всех возможных случаев. Я выбрал в качестве примера случай, приближенно рассмотренный Чепменом, а именно: температура короны остается высокой на протяжении нескольких миллионов километров от Солнца, а затем падает. Это сделало математическое решение относительно простым.
Математическое решение уравнения показывает, что с увеличением расстояния от Солнца корона приобретает все большую тенденцию расширяться. Сначала расширение идет медленно, но по мере удаления от Солнца давление внутренних слоев короны все более превышает вес внешнего по отношению к Солнцу газа, и скорость расширения увеличивается. На расстоянии 10 миллионов километров (примерно 6 миллионов миль) от Солнца корона расширяется со скоростью в несколько сотен километров в секунду — быстрее, чем скорость звука. С этой точки зрения корона здесь больше напоминает сверхзвуковой ветер, чем солнечную атмосферу. Корона продолжает увеличивать скорость расширения, и эта скорость в несколько раз превышает звуковую по мере ее (короны) выхода из гравитационного солнечного поля.
Я назвал этот поток солнечным ветром, потому что это наименование кажется мне более подходящим для описания явления. Хвосты комет Бирманна — действительно результат солнечного ветра. Они непосредственно и убедительно свидетельствуют о расширении короны.
Тепло ветра
Почему корона так сильно нагрета (ее температура вблизи Солнца порядка миллиона градусов)? Мы знаем, что температура солнечной фотосферы составляет около 6 тысяч градусов и, казалось бы, что находящаяся за пределами фотосферы корона должна быть холоднее. Однако уже примерно 15 лет назад Мартин Швардшильд из Принстонского университета и Бирманн дали новое, теперь общепринятое объяснение парадокса высокой температуры короны. Корона так сильно разрежена, что требуется очень малое количество тепла для ее нагревания. Шварцшильд и Бирманн предположили, что турбулентное движение газа у поверхности Солнца генерирует низкочастотные волны, что и обеспечивает достаточную энергию для нагревания короны до миллиона градусов. Это явление в какой-то мере подобно добыванию огня трением. Ведь путем трения двух кусков дерева друг о друга можно получить температуру, достаточную для возникновения огня,— в несколько сотен градусов, хотя температура тела человека, который это делает, составляет всего 37°С.
Наши теоретические вычисления не могли дать точных значений скорости и плотности солнечного ветра, так как для этого нужно совершенно точно знать то, о чем мы пока имели только грубое представление, — температуру и плотность короны вблизи Солнца. Но если принять, что температура у основания короны равна миллиону градусов, то мы можем получить следующую приблизительную картину возникновения и развития солнечного ветра. У основания короны газ почти стационарен (в космическом представлении), он движется от солнечной поверхности со скоростью, составляющей только несколько сотен метров в секунду. Так как газ все же «уходит» от поверхности Солнца, освобождаемое им пространство заполняется новыми порциями газа, образующегося из фотосферы. Поток газа короны увеличивает свою скорость постепенно: для покрытия расстояния в миллион километров требуется примерно пять дней. После этого поток газа движется уже со скоростью до сотен километров в секунду и примерно за четыре дня может пройти 93 миллиона миль.
Газ, который мы видим у основания короны в воскресенье, доходит до нас примерно во вторник на следующей неделе. Двумя неделями позже этот газ достигает Юпитера.
Продолжение следует.
Автор: Е. Паркер, перевод с английского.