Солнечный ветер: Как Солнце создает космическую погоду
Что такое солнечный ветер и как он влияет на Солнечную систему?
Когда мы думаем о Солнце, то обычно представляем себе светящийся шар в космическом пространстве, горящий при температуре в тысячи градусов по Фаренгейту и излучающий свет на все объекты Солнечной системы, вращающиеся вокруг него. Но на самом деле Солнце куда более активно, и все благодаря солнечному ветру.
реклама
На первый взгляд словосочетание "солнечный ветер" может быть не совсем интуитивно понятным, но это одно из самых интересных явлений нашего Солнца. Но что это такое и что он означает для нас, живущих на Земле?
К счастью, солнечный ветер не может навредить нашей планете ( во всяком случае, в прямом смысле), но он является причиной одного из самых известных природных явлений в мире и поэтому вы, скорее всего, знакомы с солнечным ветром гораздо больше, чем думаете.

Что такое солнечный ветер?
Солнечный ветер - это непрерывный поток заряженных частиц, исходящий от Солнечной короны в космическое пространство. Он образуется в результате выброса плазмы с поверхности Солнца, вызванного сильным нагревом в результате реакций ядерного синтеза, происходящих внутри звезды. Это тепло создает огромное внешнее давление, которое противостоит внутреннему притяжению гравитации Солнца. Этот баланс между расширяющейся плазмой и силой сжатия создает атмосферу Солнца, известную как корона. Солнечный ветер возникает, когда тепло и давление снизу оказываются сильнее гравитации, и заряженная плазма в короне способна вырваться в космос вдоль линий магнитного поля Солнца.
реклама
Этот процесс происходит по всей поверхности Солнца, а поскольку Солнце вращается, это приводит к тому, что линии его магнитного поля закручиваются над его полюсами. А поскольку заряженные частицы, вылетающие от Солнца, движутся вдоль этих линий магнитного поля, они постоянным потоком устремляются по этой спирали в космос.

Является ли солнечный ветер настоящим ветром?
Солнечный ветер состоит из заряженных частиц, поэтому он не является полным аналогом ветра, который наблюдается у нас на Земле, но всё-таки сходство между ними есть и весьма существенное. Хотя солнечный ветер постоянно генерируется, его интенсивность не является постоянной, как у земных ветров.
Во время затишья в 11-летнем солнечном цикле, когда сложные структуры, такие как корональные дыры и солнечные пятна, возникают реже, солнечный ветер можно сравнить с бризом. В периоды, когда Солнце более активно, солнечный ветер приобретает гораздо более сложный характер.
Хотя это можно считать аналогом сезонных изменений в климате Земли - например, сезона ураганов или снежной зимы в высоких широтах - сравнение немного сложнее из-за зарядов частиц в самом ветре. Однако более прямым аналогом земного ветра является то, что солнечный ветер обычно истекает от Солнца в полярных областях почти в два раза быстрее, чем вблизи экватора.
реклама
Такая разница в скоростях приводит к образованию областей с высокой и низкой плотностью, где высокоскоростной ветер взаимодействует с низкоскоростным, образуя так называемые области коротационного взаимодействия.Эти области имеют гораздо более высокую плотность и сильное магнитное поле. Если придерживаться аналогий, то такие области коротационного взаимодействия подобны штормовым фронтам на Земле. Не случайно же их называют космической погодой.

Из чего состоит солнечный ветер?
Солнце в основном состоит из атомов водорода, но в процессе ядерного синтеза образуется и ряд других элементов, и все они образуют солнечный ветер. Подавляющую часть солнечного ветра составляет ионизированный водород (отдельные протоны и электроны), и менее 10% - ионизированный гелий.
Реакции, происходящие в ядре Солнца, очень сложны, если не сказать больше. В результате слияния водорода и гелия с другими частицами образуются литий, бериллий, углерод, кислород, азот, кремний и другие тяжелые элементы, вплоть до железа. Все эти элементы можно найти в солнечном ветре, хотя тяжелые элементы составляют лишь малую часть его общего состава. Единственное, чего вы не найдете, так это атомов с равным количеством электронов и протонов. Линии магнитного поля удерживают электроны и ионизированные частицы по мере распространения солнечного ветра по Солнечной системе.
реклама
Каково влияние солнечного ветра?
Солнечный ветер - это поток высокозаряженных частиц, движущихся со скоростью сотни километров в секунду. И хотя мы говорим только об электронах и отдельных заряженных ионах, состоящих в основном из водорода, невозможно предположить, что солнечный ветер окажет такое большое влияние.
Однако следует помнить, что речь идет о большом количестве заряженных частиц, вылетающих с поверхности Солнца. И если вы когда-нибудь наблюдали полное солнечное затмение, то видели яркое огненное кольцо вокруг него - это и есть солнечная корона. Подобные языки пламени, уходящие в космос, могут тянуться на миллионы километров, а постепенно превращаясь в солнечный ветер.
Если бы мы здесь, на Земле, попали под одиночный всплеск солнечного ветра с такого расстояния, эффект был бы едва заметен (за исключением некоторых особенностей, к которым мы вернемся чуть позже). Но дело в том, что ничто в Солнечной системе не подвергается лишь одиночному взаимодействию с частицами. Нас постоянно обдаёт поток протонов и электронов, и все эти частицы взаимодействуют между собой и различными атомами.
Со временем эти процессы могут привести к разрушительным последствиям. Считается, что еще 3 миллиарда лет назад на Марсе была атмосфера, очень похожая на земную, однако теперь от нее практически ничего не осталось. В настоящее время существует мнение, что постоянный поток заряженных частиц фактически уничтожил атмосферу Марса. Отсутствие защитной атмосферы могло привести к испарению первобытных озер и океанов красной планеты, оставив после себя бесплодный, безжизненный мир. Все в Солнечной системе, так или иначе, подвержено влиянию солнечного ветра, хотя некоторые объекты, например Земля, переносят его лучше, чем другие.
Что защищает Землю от солнечного ветра?
К счастью, у Земли есть преимущество: твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро, состоящие в основном из железа. Все это действует как динамо, создающее сильное магнитное поле вокруг планеты. А поскольку солнечный ветер состоит из заряженных частиц, он интенсивно взаимодействует с этим магнитным полем и перемещается по линиям вокруг магнитного поля Земли, вместо того чтобы безостановочно бомбардировать нашу планету.
Без мощного магнитного поля Земля, вероятно, была бы похожа на современный Марс, и вполне возможно, что жизнь никогда бы не эволюционировала дальше самых простых архей и одноклеточных организмов, прежде чем наша планета стала бы абсолютно непригодной для жизни в том виде, в котором мы ее знаем сейчас.

Что же происходит, когда солнечный ветер попадает на Землю?
Хотя магнитное поле Земли достаточно сильное, чтобы отразить большую часть солнечного ветра, некоторым частицам все же удается прорваться сквозь него в местах, где линии магнитного поля, (по которым движутся частицы), проходят через магнитные полюса Земли.
Эти частицы взаимодействуют с атмосферой и создают впечатляющее световое шоу, которое мы называем Авророй или Полярным сиянием. Обычно они наблюдаются в самых северных и южных широтах вокруг арктических и антарктических кругов, но когда солнечный ветер усиливается - например, в особо активные периоды солнечного цикла - эти авроры можно увидеть и в более низких широтах.
Все это не означает, что солнечный ветер не представлял для нас проблемы в последние годы. До повсеместной электрификации и изобретения электроники наше отношение к солнечному ветру ограничивалось лишь появлением аврор. Однако, как только мы начали использовать электричество для питания большей части нашего современного мира, солнечный ветер стал куда более серьезной проблемой.
И даже если он не разрушает что-то напрямую, то все равно может оказать непредсказуемое воздействие на окружающую среду, которую мы только начинаем понимать. Компания SpaceX потеряла около 40 новых спутников Starlink вскоре после запуска, когда мощные солнечные ветра взаимодействовали с атмосферой Земли, заставляя ее расширяться.
Эта геомагнитная буря создала неожиданное и резкое увеличение атмосферного сопротивления, которое не позволило спутникам подняться на запланированную орбиту. В результате чего они были выведены из строя и сгорели в плотных слоях атмосферы.

Кто открыл солнечный ветер
Учитывая, что два самых впечатляющих небесных зрелища, авроры и полное солнечное затмение, тесно связаны с солнечным ветром, немного удивительно, что никто не установил эту связь, пока она не была обнаружена в 1957 году физиком из США по имени Юджин Паркер.
Предложив сложное взаимодействие между термоядерным синтезом, электромагнетизмом и высокозаряженной солнечной плазмой, Паркер назвал результат "солнечным ветром". Когда Паркер представил статью об этой идее в "Астрофизический журнал", рецензенты отнеслись к ней язвительно. Однако редактор журнала, известный астрофизик Субрахманьян Чандрасекхар, не смог найти ничего предосудительного в математике Паркера, поэтому он отменил решение рецензентов и опубликовал статью.
Всего три года спустя зонд NASA Mariner II во время своего путешествия к Венере получил данные, которые подтвердили правоту Паркера, и его теория вскоре стала научным консенсусом. Как только человечество научилось выводить спутники на орбиту, появилась возможность подтвердить более подробную информацию о природе солнечного ветра.
"Многие из его новаторских работ, которые были подтверждены последующими космическими миссиями, определили многое из того, что мы знаем о взаимодействии системы Солнце-Земля", - писало NASA о Паркере. "Более полувека спустя, космический аппарат Parker Solar Probe предоставляет ключевые возможности для наблюдений за новаторскими теориями и идеями Паркера, которые дали информацию целому поколению ученых о физике Солнца и магнитных полях вокруг звезд".

В чем разница между солнечной вспышкой и солнечным ветром?
Солнечные вспышки и солнечный ветер похожи по звучанию, но между ними есть несколько ключевых различий, поскольку это совершенно разные явления.
Во-первых, солнечные вспышки - это внезапное, локализованное извержение электромагнитного излучения в атмосфере Солнца и это не извержение частиц.
Во-вторых, они образуются в результате другого процесса, нежели солнечный ветер. По этому вопросу до сих пор ведутся споры, но в целом считается, что солнечные вспышки возникают в высокомагнитно активных областях солнечной атмосферы, когда заряженные быстрые частицы ускоряются почти до скорости света и взаимодействуют с плазмой Солнца.
Одной из возможных причин этого может быть явление, известное как магнитное пересоединение - физический процесс, при котором сильные линии магнитного поля взаимодействуют и перестраиваются. При этом магнитная энергия преобразуется в кинетическую и тепловую, что может привести к внезапному ускорению заряженных частиц, таких как электроны.
Одна из теорий того, как это происходит на Солнце, заключается в том, что солнечные аркады - плотные серии корональных петель - формируются вдоль линий магнитного поля, которые затем магнитно соединяются с другой аркадой и образуют внезапно разъединенную магнитную спираль. Это разъединение приводит к высвобождению огромного количества энергии в электромагнитном спектре, что мы видим как солнечную вспышку.
Причина, по которой большинство людей ассоциируют солнечные вспышки с солнечным ветром, заключается в явлении, которое мы иногда наблюдаем после солнечной вспышки. За этим всплеском энергии в короне иногда следует выброс корональной массы, который представляет собой внезапное извержение заряженной плазмы из короны в направлении солнечного ветра
Если провести аналогию то корональный выброс массы в сравнении с солнечным ветру, это как торнадо и приятный летний денёк на пляже. Большинство наших опасений по поводу того, что космическая погода выведет из строя спутники, нарушит работу электросетей и даже приведет к сбоям в работе Интернета, на самом деле связаны только с выбросами корональной массы.
Количество плазмы, которое может быть выброшено в космос при выбросе корональной массы, на порядки больше, чем при самом активном солнечном ветре. Если бы сегодня на Землю обрушился большой выброс корональной массы, он преодолел бы магнитное поле Земли и обрушил бы на планету мощные потоки заряженных частиц.
Для большей ясности, если не считать тех, кто имеет кардиостимуляторы или подобные медицинские приборы, это не окажет существенного влияния на нашу жизнь.Мало кто заметил бы какие-либо изменения - за исключением, может быть, нескольких удивленных взглядов на небо над Эквадором, которое внезапно засияет аврорами. На самом деле, ученые считают, что за последние 4,5 миллиарда лет Земля подвергалась подобным корональным выбросам массы бесчисленное количество раз, и всё же, несмотря на это мы все еще живы.
Тем не менее, мы живем в современном мире, и, учитывая их частоту и элементарную вероятность, в какой-то момент в будущем мы получим еще один мощный выброс корональной массы и, возможно гораздо раньше, чем многие из нас думают. Мы должны быть полностью готовы к этой неизбежности, и важной частью этой работы является изучение космической погоды и роли, которую играет солнечный ветер в формировании нашей Солнечной системы.
Лента материалов
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила