Юрий Мизун - Полярные сияния
Первые два типа частиц (протоны и небольшое количество тяжелых ядер) образуются в результате процессов ускорения во время самой ранней стадии вспышки. Эти частицы доходят до орбиты Земли, которая в результате окружается протонами высокой энергии. Эти высокоэнергичные заряженные частицы почти не влияют на межпланетное и геомагнитное поле: плотность энергии их слишком мала.
Иначе обстоит дело с облаками плазмы. В них плотность частиц достигает 1—25 см-3, энергия — 10 кэВ. При таких концентрациях существует очень сильное электростатическое взаимодействие между протонами и электронами облака плазмы. Это заставляет частицы противоположного заряда двигаться вместе. При движении такого облака в солнечной атмосфере возбуждаются плазменные колебания, наблюдаемые на Земле как радиовсплески типа II. Частота этого излучения уменьшается от 200 до 10 МГц примерно за 10 мин. Скорости облака плазмы находятся в пределах 200—1500 км/с. Эти скорости сравнимы со скоростями плазмы, которая вызывает магнитосферные бури. Поэтому можно предположить, что радиоизлучение типа II свидетельствует об уходе от Солнца плазмы, вызывающей бурю.
Облака плазмы в отличие от высокоэнергичных протонов способны исказить межпланетные магнитные поля. Это повлияет на движение галактических космических лучей. Важно отметить еще раз, что выброс облака плазмы из вспышек сопровождается радиовсплесками типа II. На это также указывает движение вверх области генерации излучения типа IV. Корона вблизи области вспышки становится очень горячей и излучает как мягкое рентгеновское излучение, так и интенсивное ультрафиолетовое и далекое ультрафиолетовое излучение. Рис. 3 позволяет судить об основных процессах, которые происходят во время типичной солнечной бури.
Мы не будем рассматривать солнечные космические лучи и электроны высоких энергий. Они представляют малый интерес для проблемы полярных сияний. Остановимся на процессах выброса и движения к Земле облаков солнечной плазмы, которая вызывает на Земле магнитные бури и полярные сияния, а также другие сопутствующие явления.
Солнечный ветер. Длительное время считалось вполне естественным, что за пределами короны Солнца находится пустое пространство. В таком случае выброс (инжекция) облака солнечной плазмы во время солнечной бури должен происходить в свободное пространство. Однако дальнейшие исследования показали, что из поверхности Солнца непрерывно истекает плазма, названная солнечным ветром.
Изучение этой проблемы связывается прежде всего с именем Паркера. Он предположил, что внезапное увеличение температуры в короне над областью вспышки генерирует взрывную волну, которая распространяется сферически от точечного источника в неподвижном межпланетном газе, плотность которого падает. Структура ударной волны зависит в основном от того, каким образом энергия бури инжектируется в межпланетную плазму. Обычно продолжительность инжекции меньше, чем время, за которое волна доходит до земной орбиты. В некоторых случаях картина развивается более медленно: облако плазмы действует как поршень.
Были сделаны попытки обнаружить движущуюся солнечную плазму за фронтом ударной волны, а также солнечный ветер после прохождения ударной волны. Удалось измерить отношение Не+++/Н+, которое довольно заметно увеличивается через несколько часов после прохождения ударной волны. Это соответствует значительному различию в составе солнечной плазмы.
Рис. 3. Схема основных процессов, которые происходят во время типичной солнечной бури
Рис. 4. Схема, иллюстрирующая механизм выталкивания диамагнитной солнечной плазмы из неоднородного магнитного поля
Для проблемы солнечно-земных связей важен вопрос о выбросе солнечной плазмы. Однако рассматривать его подробно мы не можем. Приведем только схематически возможный механизм такого выброса (рис. 4). Как видим, происходит выталкивание диамагнитной солнечной плазмы из неоднородного магнитного поля. При этом часть выброшенного вещества вызывает уярчение, которое подобно вспышке. В этом механизме до высот 2000—3000 км плазма быстро ускоряется, затем после продолжительного движения с постоянной скоростью она быстро замедляется под действием гравитации.
Межпланетное магнитное поле
Если бы межпланетное пространство было вакуумом, то единственными магнитными полями в нем могли быть лишь поля Солнца и планет, а также поле галактического происхождения, которое простирается вдоль спиральных ветвей нашей Галактики. При этом поля Солнца и планет в межпланетном пространстве были бы крайне слабы.
На самом деле межпланетное пространство не является вакуумом, а заполнено ионизованным газом, испускаемым Солнцем (солнечным ветром). Концентрация этого газа 1—10 см-3, типичные величины скоростей между 300 и 800 км/с, температура близка к 105 К (напомним, что температура короны 2*106 К).
Поскольку газ солнечного ветра почти полностью ионизованный, то его электропроводность очень велика (102 Mo/см). Проводники с высокой проводимостью имеют особенность сопротивляться изменению магнитного поля. Другими словами, проникновение магнитного поля в такой проводник невозможно.
Движущийся солнечный ветер будет уносить солнечное магнитное поле в межпланетное пространство. Так как поток плазмы начинается в короне Солнца (или ниже нее), то в солнечном ветре имеются магнитные поля. Величина магнитных полей на Солнце составляет от 1 до 1000 Гс.
Поток солнечной плазмы «выметает» из внутренней части солнечной системы планетные и галактические магнитные поля. Солнечный ветер будет «гнать» галактическое поле перед собой до тех пор, пока не будет достигнуто динамическое равновесие между давлением солнечного ветра и давлением галактической среды. Это происходит на расстоянии от 10 до 100 астрономических единиц (а. е.). Следовательно, межпланетное пространство ограничено полостью в галактической среде, размеры которой дают верхнюю границу величины солнечно-межпланетного магнитного поля,
Силовые линии магнитного поля солнечного ветра простираются в межпланетное пространство за орбиту Земли, при этом один их конец находится на Солнце. Характеристики солнечного ветра и межпланетных магнитных полей нерегулярны и асимметричны из-за волокнистой структуры короны, нерегулярностей магнитных полей в фотосфере и т. д.
Радиальная компонента межпланетного магнитного поля Вr должна уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца (т. е. как r-2). Она может быть выражена через величину радиальной компоненты поля на поверхности Солнца. Если на Солнце магнитное поле равно Вr0 = 0,5 Гс, то на расстоянии 1 а.е. поле Br ≈ 1γ.
Рис. 5. Спиральное солнечно-межпланетное магнитное поле в плоскости солнечного экватора (или в плоскости эклиптики) для спокойного Солнца
Истечение плазмы из Солнца происходит таким образом, что плазма просто отталкивает силовые линии поля и покидает Солнце в радиальном направлении. Если бы Солнце не вращалось, то такое радиальное истечение плазмы привело бы к тому, что силовые линии магнитного поля были бы также радиальны и параллельны движению частиц. Поскольку Солнце вращается, то магнитное поле приобретает поперечную компоненту (в плоскостях, перпендикулярных оси вращения) и силовые линии магнитного поля становятся спиральными (рис. 5).
Направление спирального поля можно оценить, если предположить, что один конец силовой линии закреплен на Солнце и вращается вместе с ним. Тогда частицы, которые непрерывно испускаются данной областью вращающейся короны, будут двигаться в экваториальной плоскости по спиралям Архимеда. (Это напоминает работу вращающегося поливального устройства). Таким образом, межпланетное магнитное поле приобретает и поперечную компоненту Bφ. Можно оценить, что вблизи орбиты Земли угол спирали с радиусом составляет около 45° и радиальная и поперечная компоненты Bφ = Br = 1γ.
Рис. 6. Секторная структура межпланетного магнитного поля
Стрелками и знаками обозначено направление межпланетного магнитного поля. Спиралями Архимеда отделены воображаемые границы секторов
Первые измерения магнитных полей за пределами магнитосферы Земли были проведены на спутнике «Пионер-1» в октябре 1958 г. Они позволили установить существование и положение области перехода от внешней части геомагнитного поля к межпланетному пространству. Эти результаты были подтверждены измерениями на других ИСЗ. Экспериментально было установлено, что имеются значительные нерегулярности, наложенные на спиральное межпланетное поле.
