Сонячний вітер. Частина третя.
Магнетизм вітру
Сонячний вітер несе з собою магнітне поле, так як газ іонізований. (Він залишається іонізованим на всьому шляху через Сонячну систему, хоча його температура може істотно знизитися; газ настільки розріджений, що розділені протони й електрони мають дуже малу ймовірність з’єднання.) Яка природа цього магнітного поля?
Мабуть, джерело його – загальне магнітне поле Сонця. Корона не може нести локальні, концентровані сонячні поля сонячних плям і активних областей, так як вони досить ґрунтовно забезпечені. Загальне магнітне поле Сонця вимірюється одним або двома Гаусса (земне магнітне поле становить приблизно половину Гаусса).
Якби Сонце не оберталося (а насправді воно робить один оборот за 25 днів), сонячний вітер утворював би своє загальне магнітне поле таким чином, що його силові лінії були б спрямовані радіально від Сонця, і стрілка компаса завжди показувала б напрямок на Сонце або від нього. Обертання Сонця накладає, однак, на це радіальне поле, поле кругове, в результаті чого поле, створюване сонячним вітром, має спіральну форму.
Дія радіального магнітного поля, подібно до дії гравітації світла, послаблюється пропорційно квадрату зростання дистанції від джерела. Можна підрахувати, що на дистанції, що відповідає відстані від Сонця до Землі, магнітне поле, створюване сонячним вітром, мало б становити приблизно три або чотири стотисячних Гаусса.
Свідоцтва, які виходять із космічних досліджень
Що можна сказати про сонячний вітер на підставі дослідження космічного простору? Багато космічних апаратів були забезпечені обладнанням для реєстрації заряджених частинок, з якими відбувається зіткнення в космічному просторі. Перш за все, потрібно сказати, що ці дослідження підтвердили існування вітру. Сонячний вітер виявлений і виміряний декількома американськими космічними апаратами, включаючи «Маринер II» і супутник «Експлорер X». Всі ці апарати довели, що вітер дме безперервно у всьому космічному просторі, яке було досліджено, і що поблизу Землі швидкість його, мабуть, становить близько 400 кілометрів на секунду.
Вітер дме іноді з постійною інтенсивністю, іноді – поривами. Він має тенденцію до турбулентності (завихрення) і рухається швидше, коли Сонце активно. Щільність вітру виразно невелика. Супутники зареєстрували інтенсивність потоку: в середньому, 100 мільйонів протонів на квадратний сантиметр за секунду, «Експлорер X» і «Марінер II» знайшли, що щільність поблизу Землі лежить (в більшості випадків) в межах від одного до 10 протонів на кубічний сантиметр. Ці дані відповідають моделі сонячної корони, прийнятої вченими. Відповідно до цієї моделі, температура сонячної корони знаходиться в межах мільйона градусів, включаючи і значне віддалення від Сонця.
Крім того, вимірювання магнітного поля в міжпланетному просторі підтвердили теоретичні уявлення про сонячний вітер. «Маринер 11» і Експлорер X» справили вимірювання поля, виявивши кілька стотисячних Гаусса, і «Марінер II» зафіксував спіральну форму ліній. Виявлено петлі в спостережуваної формі ліній поля, але вони тільки підтверджують, що сонячний вітер іноді має поривчастий характер.
Отримавши з усіх наведених фактів підтвердження про природу сонячного вітру, ми можемо перейти до дослідження деяких інших цікавих питань. Наприклад, істотне значення має питання про те, як багато енергії і речовини виносить сонячний вітер в космос. Можна підрахувати, що він забирає з Сонця близько мільйона тонн водню в секунду. Однак для Сонця ці втрати несуттєві. За всю передбачувану тривалість життя Сонця, за 15 більйонів років, втрата його маси за цей рахунок становить трохи більше сотої відсотка сонячної маси. А витрата енергії корони на створення швидкості сонячного вітру складає приблизно мільйонну частку загального виробітку енергії Сонцем. Енергія вітру на одиницю об’єму так незначна, що жоден об’єкт космічного простору не може бути скільки-небудь істотно нагрітий за її рахунок.
Як далеко дме вітер!
Як далеко поширюється сонячний вітер в космічному просторі? Це питання значно більш важливе, ніж питання про «виснаження» Сонця, так як воно стосується можливості використання сонячного вітру в якості зонда в міжзоряному просторі.
Щільність вітру падає пропорційно квадрату збільшення відстані від Сонця. Зрештою, вітер повинен стати настільки розрідженим, що він припиняє своє існування під впливом інших тонко дисперсних газів і слабких магнітних полів в міжзоряному просторі. Загальне магнітне поле простору нашої Галактики оцінюється не більше ніж двома стотисячним Гаусса. Якщо ми приймемо це максимальне значення як силу опору сонячному вітру, а в якості показника щільності вітру використовуємо найменше значення його щільності, виміряне поблизу Землі (один атом на кубічний сантиметр), то, як кажуть обчислення, сонячний вітер повинен припинити своє існування на відстані близько 12 астрономічних одиниць від Сонця (відстань від Сонця до Землі, збільшена в 12 раз), тобто приблизно на орбіті Сатурна.
Інша граничне значення можна отримати, прийнявши мінімально можливе значення магнітного поля, яке надає опір (одна двохсоттисячна Гаусса), і максимальну величину щільності вітру поблизу Землі (10 атомів на кубічний сантиметр). У цьому випадку сонячний вітер повинен зникнути, пройшовши дистанцію в 160 астрономічних одиниць, тобто пройшовши в чотири рази більшу дистанцію від Сонця до найвіддаленішої планети – Плутона. Таким чином, встановлено межі поширення сонячного вітру – Сонячний вітер поширюється не менш ніж на 12 і не більше ніж на 160 астрономічних одиниць від Сонця.
В нашому розпорядженні є дві можливості для дослідження меж поширення вітру, Одна з них ґрунтується на тому, що водень, коли він збуджений, спостерігається в міжзоряному просторі за випусканням слабкої ультрафіолетової радіації. Останні аналізи такої емісії, виконані Томасом Н. Л. Латтерсоном, Френсісом С., Джонсоном і Вілліама Б. Хансоном, змушують припускати, що межа поширення сонячного вітру складає приблизно 20 астрономічних одиниць від Сонця.
Друга можливість випливає з факту, що магнітне поле сонячного вітру має тенденцію «вимітати» космічні промені з Сонячної системи. У роки високої сонячної активності інтенсивність космічних променів, що приходять на Землю, скорочується як мінімум наполовину. Ми вирахували, що зниження цієї величини означає, що сонячний вітер поширюється значно за межі Юпітера (п’ять астрономічних одиниць від Сонця). Сімпсон представив прямі докази того, що сонячний вітер поширюється не менш як на 40 або 50 астрономічних одиниць.
Аналізуючи зниження і підвищення інтенсивності космічних променів в період одинадцятирічного циклу сонячних плям, він знайшов, що зростання інтенсивності частинок високих енергій космічних променів відбувається як мінімум через шість місяців після падіння сонячної активності. Запізнення з часу, мабуть, і є критерій для вимірювання відстані найбільшого поширення сонячного вітру. Точно так само як потрібен певний час для даного обурення, що почалося в середині ставу, щоб досягти берега ставка, так потрібен певний час і для передачі зростання або зниження інтенсивності сонячного вітру до зовнішнього кордону поширення вітру.
Тому й існує відмінність у часі між падінням сонячної активності, що викликає ослаблення сонячного вітру і проявом ослаблення вітру на граничній дистанції, на якій вітер ще діє в якості бар’єру, що перешкоджає проникненню космічних променів в Сонячну систему. Після того як Сімпсон виявив згаданий вище розрив у часі, що становить мінімально шість місяців, і приймаючи, що вітер рухається зі швидкістю однієї астрономічної одиниці за чотири дні, простий розрахунок показує, що відстань до кордону сонячного вітру складає як мінімум 40-45 астрономічних одиниць.
Чи створюють інші зірки вітри, подібні сонячному? Дуже можливо. Головна умова цього – наявність у зірки корони. Наша сонячна корона виникає в результаті перемішування і конвекції газу фотосфери. Відповідно до теоретичної моделі внутрішньої будови зірок підповерхнева конвекція, ймовірно, відбувається в звичайних водневих зірках з температурою поверхні не менше як 6 400 градусів. Більшість зірок в нашій Галактиці потрапляє в цей клас, і тому зоряні вітри повинні, мабуть, існувати.
Автор: Е. Паркер, переклад з англійської.