–PAGE_BREAK–
3. Термоядерные реакции на Солнце
В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году. Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет. Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9•109 лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.
4. Фотосфера Солнца
Наблюдаемое излучение Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который называется фотосферой. Толщина этого слоя 0,001R = 700 км. В фотосфере образуется видимое излучение Солнца, имеющее непрерывный спектр. «Видимая» поверхность Солнца определяется той глубиной в атмосфере, ниже которой она практически непрозрачна. Солнце – газовый шар, не имеющий четких границ. Однако мы видим его резко очерченным потому, что практически все излучение Солнца исходит из фотосферы. Видимый нами свет излучается отрицательными ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера быстро теряет прозрачность. На поверхности Солнца можно разглядеть много деталей. Вся фотосфера Солнца состоит из светлых зернышек, пузырьков. Эти зернышки называются гранулами. Размеры гранул невелики, 1000–2000 км (около 1″ дуги), расстояние между ними – 300–600 км. На Солнце наблюдается одновременно около миллиона гранул. Каждая гранула существует несколько минут. Гранулы окружены темными промежутками, как бы сотами. В гранулах вещество поднимается, а вокруг них – опускается. Грануляция – проявление конвекции в более глубоких слоях Солнца. Гранулы создают общий фон, на котором можно наблюдать несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные пятна и др.
5. Хромосфера Солнца
Хромосфера Солнца видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как небольшое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой короной. Размеры хромосферы 10–15 тысяч километров, а плотность вещества в сотни тысяч раз меньше, чем в фотосфере. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов. Рост температуры объясняется воздействием магнитных полей и волн, проникающих в хромосферу из зоны конвективных движений. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени – хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Температура этих струй выше, чем температура фотосферы. Во время полного солнечного затмения можно получить спектр хромосферы, который называется спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода бальмеровской серии, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения.
6. Солнечная корона
Самая внешняя, самая разреженная и самая горячая часть солнечной атмосферы – корона. Она прослеживается от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Несмотря на сильное гравитационное поле Солнца, это возможно благодаря огромным скоростям движения частиц, составляющих корону. Корона имеет температуру около миллиона градусов и состоит из высокоионизированного газа. Возможно, причиной такой высокой температуры являются поверхностные выбросы солнечного вещества в виде петель и арок. Миллионы колоссальных фонтанов переносят в корону вещество, нагретое в глубинных слоях Солнца. Яркость короны в миллионы раз меньше, чем фотосферы, поэтому корону можно видеть только во время полного солнечного затмения, либо с помощью коронографа. Наиболее яркую ее часть принято называть внутренней короной. Она удалена от поверхности Солнца на расстояние не более одного радиуса. Внешняя корона Солнца имеет протяженные границы. Важной особенностью короны является ее лучистая структура. Корональные лучи имеют самую разнообразную форму. С одиннадцатилетним циклом Солнца меняется общий вид солнечной короны. В эпоху минимума корона имеет округлую форму, она как бы «причесана». В эпоху максимума корональные лучи раскинуты во все стороны.
7. Вспышки, протуберанцы и корональные арки
Часто, особенно когда на Солнце имеются большие группы пятен, в хромосфере возникают вспышки. Причины вспышек пока еще плохо изучены; по-видимому, они вызываются резким изменением магнитного поля в хромосфере. Энергия вспышки выделяется в вершине корональной петли, затем распространяется в сторону фотосферы, вызывая нагрев и испарение более холодных слоев. При этом излучение резко возрастает не только в видимой области спектра, но и в ультрафиолете, и в рентгеновской области спектра, увеличивается поток космических лучей. Вспышки вызывают изменения в магнитном поле Земли и могут даже повредить системы электроснабжения. Другим проявлением солнечной активности является появление плазменных образований в магнитном поле солнечной атмосферы – волокон. Если эти волокна видны на краю Солнца, то они наблюдаются как протуберанцы. Протуберанцами называются огромные образования в короне Солнца. Плотность и температура протуберанцев такая же, как и вещества хромосферы, но на фоне горячей короны протуберанцы – холодные и плотные образования. Температура протуберанцев около 20 000 К. Некоторые из них существуют в короне несколько месяцев, другие, появляющиеся рядом с пятнами, быстро движутся со скоростями около 100 км/с и существуют несколько недель. Отдельные протуберанцы движутся с еще большими скоростями и внезапно взрываются; они называются эруптивными.
8. Солнечные пятна
Пятна на Солнце – очевидный признак его активности. Это более холодные области фотосферы. Температура пятен около 3500 К, поэтому на ярком фоне фотосферы (с температурой около 6000 К) они кажутся темнее. Солнечные пятна имеют внутреннюю структуру: более темную центральную часть – ядро – и окружающую ее полутень. Солнечные пятна часто образуют группы, которые могут занимать значительную площадь на солнечном диске. Установлено, что пятна – места выхода в атмосферу сильных магнитных полей. Поля уменьшают поток энергии, исходящий из ядра, поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Пятна обычно возникают группами. Пятна на Солнце часто бывают окружены светлыми зонами, называемыми факелами. Они горячее атмосферы примерно на 2000 К и имеют ячеистую структуру (величина каждой ячейки – около 30 тысяч километров). Часто встречаются факельные поля, внутри которых пятен нет. Факелы образуются в результате конвекции из глубоких слоев Солнца. Они существуют недели и месяцы. В некоторых факельных полях между гранулами появляется черная точка, она начинает быстро расти и на следующий день превращается в пятно с резкой границей. Через 3–4 дня вокруг пятна образуется полутень. К десятому дню площадь пятна достигает максимума, после этого оно начинает уменьшаться и, наконец, исчезает. В группе пятен сначала исчезают самые мелкие пятна. Недалеко от пятен протягиваются темные нити длиной вплоть до сотен тысяч километров. Они представляют собой зоны нулевого магнитного поля и отделяют регионы с противоположной полярностью. В период минимума солнечной активности пятна появляются в средних широтах, в периоды максимума – около экватора. Около полюсов пятна практически не наблюдаются. Цикл активности солнечных пятен имеет прямое отношение к земному климату.
9. Солнечный ветер
Солнце является источником постоянного потока частиц. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, так называемый солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы – солнечной короны. Вблизи Земли его скорость составляет обычно 400–500 км/с. Поток заряженных частиц выбрасывается из Солнца через корональные дыры – области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем. Солнце вращается с периодом 27 суток. Траектории движения частиц солнечного ветра, движущихся вдоль линий индукции магнитного поля, имеют спиральную структуру, обусловленную вращением Солнца. В результате вращения Солнца геометрической формой потока солнечного ветра будет архимедова спираль. В дни солнечных бурь солнечный ветер резко усиливается. Он вызывает полярные сияния и магнитные бури на Земле, а космонавтам не следует в это время выходить в открытый космос. Под воздействием солнечного ветра хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца. Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают сантиметровые радиоволны, которые излучает хромосфера, и более длинные волны, излучаемые короной.
10. Магнитное поле
Геоэффективность СВ, т.е. эффективность передачи энергии СВ в магнитосферу Земли зависит от ориентации ММП и максимальна при отрицательной, южной ориентации и при больших величинах Bz. Если ситуация Bz>0 сохраняется больше 30-60 минут, можно с большой вероятностью ожидать развитие магнитосферной суббури. В возмущенном солнечном ветре отмечается несколько типов крупномасштабной конфигурации ММП — секторная структура, магнитные петли и пр.
10.1 Экспериментальные методы
Первые прямые измерения солнечного ветра были сделаны на советском космическом корабле в 1959 году (К.И. Грингауз) простой ионной ловушкой. В дальнейшем начали использовать детекторы частиц с все более лучшим энергетическим, временным и пространственным разрешением.
10.2 Вариации галактических космических лучей
Гелиосфера, изменчивость которой обусловлена процессами на Солнце, в свою очередь влияет на временное и пространственное распределение интенсивности галактических космических лучей. Влияние это проявляется в виде вариаций космических лучей, регистрируемых приборами, установленными на мировой сети станций космических лучей, космических аппаратах, спутниках и аэростатах.
Выделим следующие классы вариаций в порядке убывания периода: 11-летние вариации, связанные с соответствующей цикличностью солнечной активности. Интенсивность космических лучей в годы максимума солнечной активности на ниже, чем в минимуме. Амплитуда вариаций — от 10-50% в зависимости от энергетического диапазона и точки наблюдения регистрирующего прибора.
Двухлетние, годовые и сезонные вариации имеют меньшую амплитуду и отражают изменения солнечной активности, положения орбиты Земли относительно плоскости эклиптики и наклона земной оси.
27-дневные вариации обусловлены неоднородностью долготного распределения активных образований на Солнце и соответствующей секторной структурой солнечного ветра.
Форбуш-эффект, понижение интенсивности ГКЛ во время магнитных бурь. Главной причиной является экранирование Земли (и, соответственно, наземной регистрирующей аппаратуры) магнитными полями скоростных потоков солнечного ветра. Амплитуда эффекта может достигать 50%.
Суточные вариации связаны с анизотропией прихода ГКЛ к Земле, которая в свою очередь создается структурой магнитных полей гелиосферы. Амплитуда суточных вариаций — несколько процентов. На приведенном выше рисунке видна изменчивость амплитуды и фазы суточных вариаций.
Физические процессы, вызывающие перечисленные выше эффекты модуляции космических лучей известны.
Это прежде всего диффузия заряженных космических лучей на неоднородностях магнитного поля солнечного ветра. Кроме того, регулярная составляющая магнитного поля приводит к эффекту частичной канализации траекторий частиц вдоль силовых линий, создавая анизотропию. И, наконец, электрические поля, связанные с движением вмороженного магнитного поля спокойного солнечного ветра и усиленные на фронтах скоростных потоков, меняют энергию заряженных частиц.
Эффекты торможения или ускорения невелики и могут быть выявлены на низкоэнергичном участке спектра космических лучей. Подробно о вариациях космических лучей см. на странице, созданной С.И. Свертиловым.
10.3 Структура магнитосферы
Магнитосферой Земли назовем окружающее ее космическое пространство, на состояние которого влияет магнитное поле Земли. Структура магнитосферы определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром.
Магнитное поле. На обращенной к Солнцу стороне поток заряженных частиц солнечного ветра встречает сопротивление магнитного поля Земли, в результате образуется две границы — плазменная граница, головная ударная волна и магнитопауза за которой начинается собственно магнитосфера. Эти две границы разделенны переходной областью.
Собственно магнитосферу принято делить на внутреннюю, где определяющим является влияние магнитного поля земного диполя и внешнюю, где магнитное поле задается преимущественно внешними источниками, токами, текущими по границам и внутри магнитосферы. В возмущенное время важную роль играет переходная область, где наблюдается динамическая конкуренция полей внутренних и внешних источников.
Структура магнитного поля наименее возмущена вблизи Земли. Здесь силовые линии имеют дипольный характер, плотность энергии магнитного поля намного выше плотности энергии захваченных частиц. Дальше от Земли, уже в максимуме внешнего пояса конфигурация значительно отличается от дипольной, силовые линии поджаты с дневной стороны и вытянуты на ночной. Переход от квазидипольной к хвостовой конфигурации в большинстве моделей магнитосферы имеет плавный характер, однако в реальных условиях, особенно в возмущенные периоды, существует резкая граница, для которой характерны быстрые движения в радиальном направлении и которая может быть неоднородна в азимутальном (поперек хвоста) направлении.
На дневной стороне важным структурным образованием является касп, или, точнее, два каспа, магнитные воронки в северном и южном полушарии, открытые для проникновения частиц солнечного ветра.
В хвостовой части к магнитопаузе примыкает мантия, затем идут доли хвоста, разделенные нейтральной плоскостью. Силовые линии магнитного поля, направленные в противоположные стороны вблизи нейтральной плоскости подходят близко друг к другу, создавая предпосылки для пересоединения силовых линий. Повидимому пересоединеение играет важную роль в динамике частиц в хвосте магнитосферы во время возмущений.
Плазма. Структуры и границы в магнитосфере определяются не только магнитным полем, но и популяциям плазмы и энергичных частиц. Ближе к Земле располагается облако плазмы, именуемое плазмосферой. Здесь частицы плазмы вращаются вместе с Землей, увлекаемые электрическим полем коротации. Граница плазмосферы нессиметрична — на вечерней стороне она отдаляется от Земли, образуя вечерний выступ или рог. Граница резко очерчена плазмопаузой — областью пониженной плотности плазмы. Дальше от Земли плотность плазмы снова растет, но это уже новое образование, плазменный слой, широкая плоская поверхность, простирающаяся далеко вдоль хвоста магнитосферы вплоть до орбиты Луны. Ближняя к Земле область плазменного слоя лежащая на замкнутых квазидипольных силовых линиях мангнитного поля и перекрывающаяся с областями захвата и квазизахвата энергичных частиц, называется центральным плазменным слоем. Его граница с хвостовой частью плазменного слоя проходит на расстоянии 7-20 Re в зависимости от уровня магнитной активности.
На восточной и западной границах плазменного слоя, примыкающих к границе магнитосферы, выделяют пограничный плазменный слой.
Радиационные пояса. Магнитосфера Земли является резервуаром энергичных частиц, электронов и ионов, преимущественно протонов. Частицы встречаются во всех частях магнитосферы, однако можно выделить области устойчивого захвата — внутренний и внешний радиационные пояса и область неустойчивого или квази-захвата.
Во внешней магнитосфере, в хвосте и в каспе наблюдаются транзиентные потоки энергичных частиц, отдельные всплески и фоновая радиация, часто повышенная по сравнению с фоном космических лучей. В отдельных событиях повышенный фон связан с приходом космических лучей солнечного или гелиосферного происхождения.
продолжение
–PAGE_BREAK–