Сонячний вітер. Частина друга.

Корона і вітер

Здається, що потік корпускул повинен випромінюватися чимось, що існує весь час над поверхнею Сонця, Але який процес відповідальний за це? Ідея можливої відповіді виникла в один з днів 1957 року, під час роботи Чепмена в лабораторії високогірної обсерваторії в Боулдері.

Чепмен вивчав сонячну корону під кутом зору того, чи змогла вона бути причиною нагрівання зовнішніх шарів земної атмосфери. Вивчення верхньої атмосфери виявило цікавий факт: зі збільшенням висоти вона не тільки не охолоджувалася, але навіть нагрівалася. Це підтверджувало думку про те, що верхні шари повітря нагрівалися гарячими газами зовнішнього простору. Чепмен припустив, що ці гарячі гази існують за рахунок сонячної корони.

Корона – це розріджена зовнішня атмосфера Сонця. Вона дійсно дуже розріджена: навіть близько до Сонця корона містить тільки приблизно від 100 мільйонів до 1 мільярда атомів водню на кожен кубічний сантиметр – ця щільність відповідає одній сто мільярдній частині щільності повітря, яким ми дихаємо. Однак температура корони, якщо її визначати за швидкістю її атомів, досить висока – приблизно мільйон градусів. В результаті такої температури газ корони повністю іонізований, інакше кажучи, складається з роздільних протонів і електронів.

Виходячи з теоретичних досліджень, Чепмен знав, що розріджений іонізований газ при температурі в мільйон градусів повинен мати надзвичайну здатність проводити тепло. За його розрахунками, збільшення потоку тепла через іонізований газ приблизно пропорційно у чотири рази збільшенню температури. Це означало, що при температурі в мільйон градусів доводиться мати справу з величезним тепловим потоком. Якщо корона простягається навіть до земної орбіти, то її температура і на настільки великій відстані від Сонця, розрахував Чепмен, була б все ж близько 200 тисяч градусів.

Це міркування було дуже важливим у підтримці його теорії про можливість того, що корона нагріває верхню атмосферу Землі.

Але Чепмен зробив і інше відкриття. Він продовжив деякі розрахунки, щоб визначити, чи справді корона поширюється до Землі. Для цього він використовував рівняння барометричного закону, яким встановлено очевидний факт: на будь-якій висоті тиск в атмосфері має бути саме достатнім для того, щоб підтримати вагу вище лежачої частини атмосфери (якби це було не так, атмосфера не могла б бути стійкою). Виходячи з відомої щільності корони поблизу Сонця (встановленої наближено), він визначив її щільність поблизу від Землі. Вона виявилася приблизно рівною від 100 до 1 тисячі атомів водню на кубічний сантиметр. Іншими словами: не дивлячись на те, що корона дуже розріджена, вона все ж заповнює простір від Сонця до Землі і простягається навіть далі.

Це було вражаючим відкриттям: Земля, рухаючись по орбіті навколо Сонця, весь час знаходиться всередині гарячої сонячної корони, яка заповнює всю Сонячну систему.

Корона в русі

Розглянемо твердження Чепмена, зіставивши його з поданням Бірманна про корпускулярну радіацію, в результаті якої хвости комет відхиляються в сторону від Сонця.

Припущення про те, що є два роди сонячного розрідженого газу: нерухома корона і потік частинок, що з високою швидкістю рухається від Сонця, – стало б неспроможним. У магнітному полі (а простір Сонячної системи, як відомо, заповнений магнітним полем) один потік заряджених частинок не може вільно проходити через інший. Отже, корона і сонячний потік не можуть бути чимось незалежним один від одного. Вони повинні бути одним і тим же. Корона, ведуча себе як статична атмосфера поблизу Сонця, на досить великій відстані від нього повинна являти собою високошвидкісний потік. Але як це може бути?

Я перевірив математичну інтерпретацію барометричного закону більш детально і переконався, що при відсутності значного тиску, спрямованого з Сонячної системи в бік нашого світила, високотемпературна корона повинна розтікатися від Сонця. Виявивши природу цієї течії, я застосував рівняння гідродинаміки для газового потоку. Ці нелінійні рівняння виявилися настільки складними, що не могло бути й мови про знаходження спільного рішення, придатного для всіх можливих випадків. Я вибрав як приклад випадок, наближено розглянутий Чепменом, а саме: температура корони залишається високою протягом декількох мільйонів кілометрів від Сонця, а потім падає. Це зробило математичне рішення відносно простим.

Математичне рішення рівняння показує, що зі збільшенням відстані від Сонця корона набуває все більшої тенденції розширюватися. Спочатку розширення йде повільно, але в міру віддалення від Сонця тиск внутрішніх шарів корони все більше перевищує вагу зовнішнього по відношенню до Сонця газу, і швидкість розширення збільшується. На відстані 10 мільйонів кілометрів (приблизно 6 мільйонів миль) від Сонця корона розширюється зі швидкістю в кілька сотень кілометрів на секунду – швидше, ніж швидкість звуку. З цієї точки зору корона тут більше нагадує надзвуковий вітер, ніж сонячну атмосферу. Корона продовжує збільшувати швидкість розширення, і ця швидкість в кілька разів перевищує звукову у міру її (корони) виходу з гравітаційного сонячного поля.

Я назвав цей потік сонячним вітром, тому що це найменування здається мені більш відповідним для опису явища. Хвости комет Бірманна – дійсно результат сонячного вітру. Вони безпосередньо і переконливо свідчать про розширення корони.

Тепло вітру

Чому корона так сильно нагріта (її температура поблизу Сонця близько мільйона градусів)? Ми знаємо, що температура сонячної фотосфери становить близько 6 тисяч градусів і, здавалося б, що знаходячись за межами фотосфери корона повинна бути холодніше. Однак вже приблизно 15 років тому Мартін Швардшільд з Прінстонського університету і Бірманн дали нове, тепер загальноприйняте пояснення парадоксу високої температури корони. Корона так сильно розріджена, що потрібна дуже мала кількість тепла для її нагрівання. Шварцшильд і Бірманн припустили, що турбулентний рух газу біля поверхні Сонця генерує низькочастотні хвилі, що і забезпечує достатню енергію для нагрівання корони до мільйона градусів. Це явище в якійсь мірі подібно добування вогню тертям. Адже шляхом тертя двох шматків дерева один об інший можна отримати температуру, достатню для виникнення вогню, – в кілька сотень градусів, хоча температура тіла людини, яка це робить, становить всього 37°С.

Наші теоретичні обчислення не могли дати точних значень швидкості і щільності сонячного вітру, так як для цього потрібно зовсім точно знати те, про що ми поки мали тільки грубе уявлення, – температуру і щільність корони поблизу Сонця. Але якщо прийняти, що температура біля основи корони дорівнює мільйону градусів, то ми можемо отримати таку приблизну картину виникнення і розвитку сонячного вітру. В основі корони газ майже стаціонарний (в космічному поданні), він рухається від сонячної поверхні зі швидкістю, що становить лише кілька сотень метрів в секунду. Так як газ все ж «йде» від поверхні Сонця, простір що звільняється заповнюється новими порціями газу, що утворюється з фотосфери. Потік газу корони збільшує свою швидкість поступово: для покриття відстані в мільйон кілометрів потрібно приблизно п’ять днів. Після цього потік газу рухається вже зі швидкістю до сотень кілометрів в секунду і приблизно за чотири дні може пройти 93 мільйони миль.

Газ, який ми бачимо в основі корони в неділю, доходить до нас приблизно у вівторок на наступному тижні. Двома тижнями пізніше цей газ досягає Юпітера.

Далі буде.

Автор: Е. Паркер, переклад з англійської.