Солнечный поток и огненные потоки. Представления об однородном истечении плазмы из солнечной короны

Как применяется на Земле

Солнечный поток

Другие потоки

Энергетический баланс Земли

Наука солнечная геоинженерия

Характеристики

История

Характеристики

Феномены, порождаемые солнечным ветром

В культуре

Примечания

Литература

См. также

Ссылки

2. Квазистационарные потоки

Медленный солнечный ветер

Быстрый солнечный ветер

Высокоскоростные потоки

Медленный солнечный ветер

Быстрый солнечный ветер

Возмущенные потоки

3. Нестационарные потоки

Введение

2.1 Высокоскоростной поток от корональных дыр

Кромка ВСП

ГТС и стример

Межпотоковая плазма

Солнечные бури

Исчезновение волокон

Вспышечные и волоконные потоки

28 сентября cильная магнитная буря (уровня 3 по пятибалльной шкале) происходит на Земле из-за попадания нашей планеты в поток быстрого солнечного ветра. Об этом свидетельствуют данные космического аппарата ACE, находящегося на линии Солнце-Земля в точке гравитационного равновесия L1, сообщает Лаборатория рентгеновской астрономии Солнца, ФИАН .

Солнце, 28 сентября 2017 года. Изображение с сайта SDO

Солнечным ветром, усиленное воздействие которого испытывает сейчас наша планета, называется поток плазмы, непрерывно вытекающий из атмосферы Солнца во всех направлениях и заполняющий собой всю солнечную систему. Скорость солнечного ветра увеличивается с удалением от Солнца и на уровне орбиты Земли составляет в среднем около 400 км/сек. Если бы Солнце представляло собой идеально симметричный объект без каких-либо особенностей, скорость солнечного ветра была бы постоянной. Однако, так как на Солнце присутствуют центры активности, а также области более высокой и более низкой температуры, это отражается на скорости вытекающих потоков плазмы - она может как повышаться, так и понижаться по отношению к среднему значению. Как ни парадоксально звучит, наиболее быстрые потоки солнечного ветра вытекают из наиболее холодных участков солнечной короны, которые из-за пониженной температуры выглядят более темными и по этой причине называются корональными дырами.
Так как корональные дыры часто «живут» по несколько оборотов Солнца (то есть по несколько месяцев), то производимые ими быстрые потоки ветра также являются стабильными образованиями. Некоторые из них за это время ударяют по Земле несколько раз - при каждом повороте Солнца к Земле соответствующей стороной. Возникающие при таких ударах магнитные бури являются повторяющимися - они оказываются разделены шагом 27 дней, совпадающим с периодом вращения Солнца. Это дает возможность прогнозировать такие бури на 27 дней вперед, то есть является основной для долгосрочного прогноза.

Земля вошла в поток быстрого ветра вчера около 9:00 по московскому времени, когда скорость окружающей плазмы увеличилась с 300-350 км/сек (уровень на котором она держалась последние дни) до примерно 500 км/сек. Первое соприкосновение с потоком перевело магнитное поле Земли в возмущенное состояние, в котором оно находилось до конца дня. Примерно около полуночи скорость солнечного ветра, обдувающего Землю, увеличилась до 650-700 км/сек, и сейчас находится на этом уровне, превышающем среднее значение почти в 2 раза. Судя по всему, в настоящий момент наша планета проходит наиболее скоростную часть потока и испытывает наибольшее воздействие. Уровень колебаний магнитного поля Земли, принимающего на себя основное воздействие, соответствует сейчас уровню Kp=7, что классифицируется как сильная магнитная буря.

Исходя из углового размера потока, Земля будет находиться внутри него еще около суток. В течение всего этого времени вероятность возмущений магнитного поля нашей планеты будет существенно повышена. Тем не менее, свой максимум буря, судя по всему, проходит именно сейчас и более высокого уровня достигнуть уже не сможет. Полностью успокоиться магнитное поле Земли должно к середине завтрашнего дня, 29 сентября.

из сборника ПГИ "Физика околоземного космического пространства", т.2, Апатиты, 2000"

1. Введение

2. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ ПОТОКИ
2.1Высокоскоростной поток от корональных дыр
2.2 Кромка ВСП
2.3 ГТС и стриммер
24 Межпотоковая плазма

3. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПОТОКИ
3.1 Солнечные бури
3.2 Исчезновение волокон
3.3 Вспышечные и волоконные потоки

Типы солнечного ветра можно разделить на две основные группы: квазистационарные и нестационарные.
Квазистационарные потоки солнечного ветра связаны со структурными образованиями магнитного поля Солнца с характерным временем жизни от нескольких суток до нескольких недель-месяцев. К нестационарным относятся потоки, источниками которых являются нестационарные явления на Солнце с временем жизни менее суток. В литературе нет законченной классификации типов солнечного ветра .
Если для квазистационарных типов солнечного ветра нет особых отличий в определении (это высокоскоростные потоки от корональных дыр (ВСП от КД), гелиосферный токовый слой (ГТС) с корональными стримерами вокруг него), то определения нестационарных типов и их солнечных источников несколько отличаются. Так Huddleston et al.,(1995) к нестационарным потокам относят транзиентные течения от выбросов корональных масс (coronal mass ejection, CME) и области между межпланетными ударными волнами и лидирующими кромками корональных выбросов масс, следующими за ударной волной. к нестационарным потокам относят течения от выбросов корональных масс (СМЕ) и плазму ударной волны.
С другой стороны Иванов(1996) нестационарные потоки определяет по их солнечным источникам, а именно: спорадические явления, такие как вспышки, внезапные исчезновения волокон в активных областях Солнца и внезапные исчезновения волокон вне активных областей.

Рис. 1 Топологии магнитного поля и связанные с ней типы солнечного ветра

Топологии магнитного поля и связанные с ней типы солнечного ветра показаны рис.1.
Ниже будет дано описание разных типов солнечного ветра и их солнечных источников, а также идентификация этих типов потоков на орбите Земли.

Описание образования КД и ее свойств даны в работе[Коваленко, 1983]. Фотосферные магнитные поля на Солнце представляют собой большие области, в пределах которых доминирует одна полярность с открытой конфигурацией магнитного поля. Они разделены нейтральными линиями. Внутри больших униполярных магнитных областей могут образовываться корональные дыры, если размеры этих областей не меньше 300. Границы КД повторяют форму нейтральной линии на некотором расстоянии от нее. Между краем КД и нейтральной линией, образующей край магнитной ячейки, существует определенная пограничная зона. В пределах КД нет нейтральных линий и нет никаких замкнутых структур. Низкоширотные КД могут образовываться между активными областями с замкнутой конфигурацией магнитного поля.
Эволюция КД происходит с изменением структуры магнитного поля на ее границе. Рождение и разрушение КД однозначно связано с изменением фотосферных магнитных полей и соответствующей перестройкой конфигурации полей короны. КД являются долгоживущими образованиями со средним временем жизни для фазы спада солнечного цикла от 3 до 20 солнечных оборотов, а для фазы около максимума солнечной. активности около 1-2 солнечных оборотов. Время жизни униполярных структур превышает время жизни КД.
Размеры и положение КД на поверхности Солнца зависят от конфигурации магнитных полей Солнца, с чем и связаны изменения КД в цикле солнечной активности. Полярные КД уменьшаются в размерах на фазе роста активности и совсем исчезают в максимуме, причем максимальные размеры КД имеют на. фазе спада активности. Экваториальные КД, располагающиеся между двумя активными областями, изменяются в солнечном цикле в зависимости от изменений активных областей: число КД резко уменьшается в минимуме и сильно увеличивается на спаде цикла, когда много биполярных магнитных областей, и широта, на которой они наблюдаются, заметно снизилась. Малые КД могут образовываться всегда.

Патрульные наблюдения КД на Земле проводятся в линии Не1 1083 нм, и на спектрогелиограммах получают локализацию КД. Главным отличием КД от нормальной спокойной короны является то, что их электромагнитное излучение меньше во всем диапазоне длин волн. Особенно хорошо КД видны на диске в мягких Х-лучах и в крайнем ультрафиолетовом излучении. КД - это области короны с аномально низкой концентрацией, причем концентрация плазмы уменьшается, а величина скорости плазмы значительно растет с увеличением степени нерадиальности конфигурации магнитного поля.

Корональные дыры являются солнечным источником высокоскоростного потока (ВСП) солнечного ветра. Механизм формирования высокоскоростных потоков от КД рассмотрен в работе [Коваленко, 1983] и сводится к тому, что из-за расходимости магнитного поля концентрация плазмы понижается, и часть волновой энергии Солнца идет на увеличение скорости солнечного ветра.
Основные параметры ВСП изучены изучены и известны [Ермолаев, 1990; Коваленко, 1983] . Размеры ВСП на орбите Земли в среднем приблизительно в два раза больше соответствующей ему КД. Максимальная скорость ВСП зависит от степени дивергенции магнитного поля в корональной дыре, Продолжительность пересечения Землей тела ВСП от 1 до 10 дней. Средние значения параметров для тела ВСП составляют:

vp=450-650 км/с; np=6 см-3; В=(4+9) нТ, Тр=10.104 К.(растет при увеличении скорости); параметр β <1; высокое содержание гелия (4 –:6)% . [Ермолаев,1990; Yermolaev, Stupin, 1997].

Рис 2. Типичный пример распределения параметров. в теле ВСП. .

Параметры ВСП от КД очень сильно изменяются как от потока к потоку, так и внутри потока, но основные свойства, а именно, не изменяющаяся в теле потока величина модуля магнитного поля В, низкая, часто ниже, чем для спокойного солнечного ветра, концентрация n , высокая скорость, очень медленно падающая в течение нескольких дней, остаются обязательными для тела ВСП от КД.
Характерным для ВСП является существование в теле потока длительных цугов альвеновских волн, распространяющихся от Солнца (High Intensity Long Duration Continuous AE Activity, HDLDCAA). Период этих альвеновских нюлн у орбиты Земли может составлять в среднем Т=З+8 часов. Эти волны ответственны за появление - Bz компоненты у орбиты Земли. Типичный пример распределения параметров. в теле ВСП показан на рис.2 .

Кромка ВСП есть область взаимодействия ВСП и низкоскоростного солнечного ветра, отделяющая плазму отчетливо разных свойств и происхождения (interface). Лидирующая передняя кромка ВСП от КД образуется в результате вращения ВСП вместе с Солнцем, и здесь быстрый ветер догоняет медленный, образуя область сжатия. Строго говоря, лидирующая кромка ВСП не является квазистационарным течением, ее следует относить скорее к нестационарным явлениям, хотя они редко становятся настолько резкими, чтобы сформировать ударные юлны внутри 1AU. . Для кромки характерны следующие изменения параметров: увеличивается скорость от уровня спокойного солнечного ветра до скорости в теле ВСП (в среднем от v= 350 до 550 км/с); концентрация п резко увеличивается от спокойного солнечного ветра (=5см-3) до 20 см-3 и затем резко падает до 5 см-3 и менее; Т возрастает приблизительно от (2К до (10-15).104 К в теле ВСП; распределение В имеет колоколообразную форму с максимумом около 12+15 нТ.

т. о. для кромки ВСП: vp=550 км/с; np=20 см-3; Тр=(10-15).104 К.

Помимо передней кромки, у ВСП есть и вторая, задняя кромка, однако она очень размыта и идентифицируется только по небольшим увеличениям п и В. Скорость при этом уже почти уменьшена до скорости спокойного солнечного ветра, и эта кромка мало геоэффективна. Пересечение Землей кромки ВСП продолжается около 12-15 часов.

По описанным выше характеристикам КД и истекающих из них ВСП можно идентифицировать высокоскоростные потоки на орбите Земли. В данной работе мы берем только те потоки, для которых имелись корональные дыры на Солнце соответствующей магнитной полярности со смещением около 2.5+3 дней относительно даты прохождения КД через центральный меридиан для учета времени транспортировки солнечной плазмы от Солнца.

К квазистационарным типам солнечного ветра относятся также гелиосферный токовый слой (ГТС) и корональный стример. ГТС образуется как разделяющая поверхность между потоками, переносящими крупномасштабные магнитные поля противоположной полярности. Гелиосферный токовый слой опоясывает Солнце и он является центральной частью гелиосферного плазменного слоя представляющего из себя пояс корональных лучей (стримеров). Эти корональные лучи начинаются из вершин шлемовидных структур, которые имеют в основании замкнутую конфигурацию магнитных силовых линий, но магнитные поля самих лучей имеют открытую, не сходящуюся конфигурацию рис.2).

Из-за специфической конфигурации магнитного поля в ГТС и в стримере плотность потоки уменьшается с расстоянием медленнее, чем при обычном радиальными течении, обеспечивая, таким образом, высокую плотность плазмы к потоке [Коваленко, 1983] . Гелиосферный токовый слой виден на диске Солнца как нейтральная линия, где радиальная компонента равняетеи нулю: Вr=0.
ГТС является очень стабильным образованием во всей гелиосфере и существует без существенных изменений годы, хотя форми ГТС, определяемая распределением крупномасштабных магнитных полей на Солнце, может меняться от одного солнечного оборота к другому. Форма ГТС и его расположение особенно ярко изменяются в течение цикла солнечной активности: в годы минимума ГТС находится примерно в экваториальной плоскости Солнца, в остальное время, особенно н максимуме цикла, его форма и расположение могут быть произвольными [Коваленко, 1983]. На орбите Земли ГТС идентифицируется как граница секторной структуры межпланетного магнитного поля (ММП).

В литературе при определении типов потоков солнечного ветра одни авторы рассматривают плазменный слой и ГТС вместе, а другие - раздельно. Однако ГТС имеет на орбите Земли несколько иные параметры: именно в ГТС происходит смена знака радиальной составляющей ММП, здесь самая минимальная скорость и самая высокая плотность солнечного ветра. Именно по этим свойствам происходит идентификация ГТС. Для стримера характерны меньшая чем в ГТС, но все же увеличенная по сравнению с невозмущенным ветром, плотность, большая чем в ГТС скорость, увеличение по сравнению с ГТС модуля В. Вообще, самым важным отличием от других типов солиечного ветра для гелиосферного плазменного слоя и ГТС является смена знака ММП, и как внутренне присущее им свойство, высокая плотность. В среднем для спокойного стримера характерны следующие величины параметров

vp=360 км/с; np=(10-15) см-3; Тр=5.104 К; В=(7-10) нТ,

а для спокойного ГТС:

vp=350 км/с; np=(20-30) см-3; Тр=5.104 К.

Для спокойного плазменного слоя характерна симметричность величин параметров по обе стороны от ГТС.
Возмущенный стример на орбите Земли появляется в результате его взаимодействия с возмущенными потоками солнечного ветра, которые могут тормозиться плотной плазмой стримера, образуя к моменту прихода к Земле сложное возмущение. В результате этого может происходить нарушение симметрии стримера, увеличение всех параметров стримера и ГТС, которые могут сильно отличаться от одного события к другому: здесь возможны одни из самых высоких значений для солнечного ветра плотности (n>50 см-3), скорости могут увеличиваться до (450-500) км/с, возрастание модуля В, увеличение потока массы и плотности потока энергии. Для ГТС с повышенной концентрацией до n=(30-40)см-3 наблюдались β >1 .

Среди квазистационарных потоков в работе выделен также тип низкоскоростной холодной плотной плазмы, который возникает в солнечном ветре между стримером и высокоскоростными потоками от КД. Этот тип на орбите Земли идентифицируется как некомпрессионное увеличение плотности типа III Noncompressive Dencity Enhancement, NCDE) [Коваленко, Филиппов, 1982] и характеризуется малой величиной модуля В=З нТ; низкой Т=2.104 К; низкой скоростью v =350 км/с и несколько повышенной плотностью n=(10-2 см-3). Особенно часто этот тип потока солнечного ветра встречается на спаде солнечного цикла, когда до 75% всех крупномасштабных корональных дыр сопровождались NCDE в солнечном ветре. Продолжительность пересечения этих потоков Землей составляет приблизительно 14 ч.

Нестационарные потоки солнечного ветра вызываются нестационарными спорадическими явлениями на Солнце. Наиболее ффективным из них является так называемая солнечная буря, когда значительное количество энергии (1эрг выделяется за сравнительно короткое время (=2.103 с).
В оптическом диапазоне солнечная буря видна как солнечная вспышка, проявляющаяся в основном во внезапном увеличении яркости излучения в линии Нα . Одновременно наблюдаются интенсивные рентгеновское, ультрафиолетовое и радиоизлучения, ударные волны, выбросы облаков плазмы. Исторически обычно солнечную бурю называют просто кромосферной вспышкой, а все другие события - сопровождающими, хотя все это является единым, очень сложным явлением, которое охватывает практически все слои от фотосферы до короны и межпланетного пространства.
Параметрами оптической вспышки является балл, определяемый по величине площади по пятибалльной шкале, длительность и яркость. Вспышки видны от нескольких минут до нескольких часов, наиболее вероятная длительность вспышки около 1 ч для балла 3 и 4. По сопровождающим вспышку всплескам мягкого рентгеновского излучения и по их максимальной интенсивности в интервале 1-8 А вспышки делят на 3 класса : (С, М, Х ). Между характеристиками вспышек по оптическими и рентгеновским признакам нет однозначного соответствия, Большинстве солнечных вспышек возникает в сложных мультиполярных активных областях в период их быстрой эволюции.

Последовательность развития солнечных бурь ("сценарий") не является общепринятой. Ниже мы приводим некоторые из них. В работе [Могилевский, 1987] предполагается, что первоосновой этих событий являются нелинейные волновые процессы в виде уединенных возмущений (МГД - солитоны, цуги МГД-волн), выходящие из подфотосферных слоев активных областей. Последние могут обеспечить:оответствующий выход энергии и вещества (=1016 г), достаточные не только для появления оптических вспышек, но и обеспечивающие генерацию корональных транзиентов. Корональные транзиенты, связанные каким-либо образом с оптическими вспышками, называются F - транзиентами. Энергия корональных транзиентов на порядок больше энергии самых больших оптических вспышек, и начинаются они на уровне фотосферы и хромосферы на 15-25 минут раньше. По-видимому, весь комплекс вспышечных явлений может рассматриваться как вторичный, определяемый прохождением F-транзиента через активную область. Корональные транзиенты более известны под названием корональный выброс масс (CME - Coronal Mass Enjection).

В работах предлагается, что сновной причиной солнечной активности является эволюция солнечного магнитного поля. При этом в результате неустойчивостей, пересоединения, всплытия нового фотосферного материала с другой полярностью выбрасывается значительная масса вещества (СМЕ), которая, распространяясь в короне и солнечном ветре, может генерировать ударную волну и приводить к ускорению некоторой части частиц в короне и солнечном ветре до значительных энергий. Достигая обиты Земли, это межпланетное возмущение может стать причиной, геомагнитной бури, когда Земля сталкивается сначала с ударной волной, а затем с самим СМЕ, идентифицируемым на орбите Земли как магнитное облако, хотя так и остается непонятным, является ли материал внутри CME рожденным во вспышке, то есть в хромосфере, или в самой короне.

В работе Браво описан несколько иной сценарий. Всплывание нового фотосферного материала противоположной полярности, что само по себе является обычным явлением на Солнце, приводит к перестройке магнитных полей в солнечной фотосфере. Если это происходит вблизи коронального шлема или корональной дыры, то перестройка магнитного поля может привести к СМЕ, которое будет распространяться вдоль открытых силовых линий магнитного поля вплоть до орбиты Земли.

Еще одним возможным источником спорадического нестационарного потока солнечного ветра является корональный транзиент типа ЕР [Черток, 1987] его проявлением на поверхности солнца служит внезапное исчезновение больших темных волокон, наблюдаемых на диске в поглощении линии Н>α. Характерное время этого события составляет от десятков минут до часов. Волокно, видимое на лимбе, называется протуберанцем, а его исчезновение видно как эрупция Этого протуберанца, иногда большой длительности и на расстояниях до нескольких радиусов Солнца.
Длительность жизни волокон составляет от минут до недель, протуберанец отличается большой плотностью и более низкой температурой, чем окружающая корональная плазма. По характеру движения и изменчивости они делятся на три класса: спокойные, ативные и эруптивные. Активные волокна обычно имеют петельную форму (одна или несколько друг за другом). Для эруптивных волокон характерны бурные и внезапные изменения. Некоторые из них тесно связаны с солнечными вспышками, составляя часть вспышечного процесса. Однако исчезновение волокна может быть и самостоятельным процессом как в активной области, так и вне ее.
Исчезновение волокна может сопровождаться в радиодиапазоне шумовой бурей и/или слабым всплеском IV типа. На гелиоцентрическом расстоянии r=1.5+10 Rc корональные транзиенты типа ЕР имеют форму расширяющейся петли, пузыря или целой системы петель. Хотя могут быть и другие формы: веерообразные , светящиеся гало, диффузные облака. Характерная скорость расширения - от 100 до 400 км/с, иногда до 800 км/с.

Выделяющаяся энергия составляет в среднем 1эрг. Существует ли тесная связь между движущимся волокном и СМЕ? Скорее всего, волокно в короне можно рассматривать как СМЕ или его часть. Таким обрмом, на выходе из короны имеется выброшенный материал (СМЕ), связанный с друтими формами солнечной активности, такими как солнечные вспышки и эруптивные протуберанцы. СМЕ рождаются в областях с закрытыми линиями магнитного поля в нижней короне. Типично, что эти закрытые области магнитного поля находятся у основания коронального стримера, однако СМЕ могут также появляться на значительно более высоких гелиоширотах и без связи с активными областями.

В тех спорадических событиях солнечной активности, когда СМE и вспышки находятся в близкой временной связи, СМЕ начинается раньше на 15-25 минут, и часто место вспышки находится около одного из краев СМЕ, так как СМЕ много шире (десятки градусов). СМЕ часто (1/3 всех случаев) происходит в сочетании с событиями большой в продолжительности (много часов) в мягком ренгеновском диапазоне (LDE - Long Duration Events). Вероятно, LDE связано с перестройкой солнечной короны после выброса СМЕ и включает в себя формирование новых петель горячего материала низко в короне.

Лидирующие кромки быстрых СМЕ имеют радиальные скорости от Солнца значительно большие, чем скорости солнечного ветра, позтому перед СМЕ должна образовываться ударная волна. Действительно, фактически все ударные волны в солнечном ветре происходят от движения СМЕ, которые на 1AU характеризуются следующими признаками:

1. Встречный поток (counterstreaming) (вдоль поля) гало электронов;

2. Встречный поток (counterstreaming) энергичных протона (>20 кэВ);

3. Увеличенное содержание гелия (Не++/Н+ >-0.08);

4. Уменьшенная температура ионов и электронов;

5. Сильные магнитные поля (> 8 нТ);

6. Низкое плазменное число β<1);

7. Малые вариации напряженности магнитного поля;

8. Вращение магнитного поля.

Однако самым надежным из них является встречньй (counterstreaming) поток сверхтепловых гало электронов с энергией >80 эВ, означающий закрытую топологию магнитного поля, типичную для СМЕ, в отличие от открытой топологии линий поля внутри нормального солнечного ветра.
Только 1/3 СМЕ сопровождается ударной волной, и только 1/6 часть СМЕ, направленных к Земле, вызывает большую геомагнитную бурю. Межпланетные токовые жгуты обычно известны как магнитные облака, если напряженность магнитного поля превышает на 1AU≈10 нТ. Частота появления СМЕ значительно меняется в цикле с:олнечной активности, составляя около 6 случаев в месяц в годы максимума и 8 случаев в год в минимуме солнечной активности. Межпланетные возмущения, связанные с быстрыми СМЕ, для которых свойственны высокая скорость и большие напряженности магнитного поля (часто с большой южной компонентой), могут быть очень геоэффективными. Очень сильные магнитные поля в таких возмущениях являются главным образом результатом сжатия в межпланетной среде. Ориентация поля впереди СМЕ (это есть пространство между фронтом ударной волны и самим СМЕ, называемое ударным слоем) является эффектом драпировки силовых линий около ОМЕ, тогда как ориентация поля внутри самих СМЕ определяется условиями на Солнце.
Очень большие геомагнитные бури вызываются CME с ударной волной или только ударной волной, большие бури могут вызываться также и только СМЕ. Очевидно, что ударная волна может наблюдаться в отдельной точке и без СМЕ, так как ударная волна занимает значительно большее пространство (), чем вызывающий а СМЕ (50-700).
Таким образом, транзиентные выбросы материала от Солнца з форме СМЕ являются лучшим связующим звеном между солнечной активностью и нерекуррентными событиями в земной магнитосфере.
Пюведение СМЕ во времени смоделировано .
Нестационарные потоки в межпланетном пространстве на орбите Земли имеют две большие структурные области: ударные волны и иагнитные облака. Приход ударной волны на Землю идентифицируется по основным двум критериям [Застенкер, Бородкова, 1984; Borrini et al.,1982; Иванов, 1996] :

1. Регистрация в магнитном поле Земли внезапного начала SC или внезапного импульса SI;

2. Большое резкое и одновременное изменение параметров солнечного ветра:

dv>150 км/с; n

могут увеличиться в-несколько раз;

dВ>0,

повышение флуктуаций электрического поля и потока плазмы, резкое увеличение потока энергии.

Время запаздывания ударной волны относительно солнечной бури составляет dT = tsc - tбури=24-48 ч.

Исторически сложилось так, что спорадические потоки, инициированные большими солнечными бурями с солнечными вспышками, называют вспышечными (пример поведения параметров во вспышечном потоке показан на рис.3), а инициированные внезапными исчезновениями волокон - волоконными. Поскольку они имеют на орбите Земли несколько разные характеристики, то будем рассматривать их отдельно и называть вспышечными и волоконными. В моделях вспышечных потоков выделяют либо, как в работе [Хундхаузен, 1976] , две границы: фронт быстрой МГД - ударной волны и граница вспышечного выброса и две структурные области: ударный слой и вспышечный выброс, либо как в работах Иванова пять структурных границ: фронт быстрой ударной волны Sf, фронт медленной ударной волны Ss магнитопауза магнитного облака Ri; внутренняя граница пограничного слоя Rl"; граница плазмы, обогащенной He++ (плазмопауза) Rп/SUB> и соответственно пять структурных областей: Sf - Ss - головной ударный слой быстрой волны (плотная, горячая турбулентная плазма с увеличенным магнитным полем, dt - часы;) Ss - Ri - ударный слой медленной волны (плотная, n=nmax для всего потока, горячая турбулентная плазма с уменьшенным магнитным полем, В=Вmin для всего потока); Ri - Ri" пограничный слой в сильном поле с падающей n, относительно высокий уровень турбулентности; Ri" - Rп - внутренняя часть магнитного облака с сильным В=Вmax для всего потока, регулярным полем, направление которого, как правило отличается от направления в окружающей среде, и с низкими значениями плотности; за Rп - плазмосфера.

Рис 3. Типичное распределение параметров во вспышечном потоке .

Для волоконных потоков, причиной которых, вероятно, являются транзиенты ЕР-типа, самым ярким является большое увеличение плотности (в 2-7 раз) относительно спокойного солнечного ветра. Часто эти возрастания плотности могут быть несжатыми (NCDE 1 типа [Коваленко, Филиппов, 1982] , для них характерны: резкий фронт, небольшая длительность (dt=10 часов), время распространения до Земли составляет 3-4 дня, высокая плотность (n>≈ 25 см ~), скорость v>400 км/с и увеличенная величина ММП (В>10 нТ). Ударной волны перед ними часто нет. Однако приблизительно у половины таких явлений увеличение плотности происходит одновременно с ростом скорости и температуры протонов [Иванов, Харшиладзе, 1994] . Для таких "сжатых" увеличений плотности часто имелись внезапные начала (SC и SI) и ударная волна. По сравнению со вспышечными потоками, волоконные потоки являются плотными, медленными, холодными.

Остановимся еще на одном аспекте солнечно-земного взаимодействия. Часто солнечная активность развивается так, что на орбиту Земли могут приходить потоки одновременно от нескольких солнечных источников; это зависит как от сценария солнечной бури, так и от местоположения этих источников, когда взаимодействуют как квазистационарные потоки, так и транзиентные. В результате на орбите Земли появляется составной поток с очень сложными характеристиками, часто с несколькими максимумами и со значительно более увеличенными параметрами, чем характерные для одиночного источника. Именно эти составные потоки в солнечном ветре могут вызывать на Земле самые большие геомагнитные и авроральные события.

Таким образом, потоки от разных источников на Солнце обладают разными, но вполне определенными пределами параметров на орбите Земли. Кроме того, квазистационарные потоки в солнечном ветре не меняют своих характеристик за время, необходимое Земле для того, чтобы пересечь эти потоки при своем движении по орбите вокруг Солнца. Дня нестационарных процессов характерно быстрое изменение параметров потока как при его образовании, так и при его распространении, и самым характерным примером нестационарного течения является ударная волна.

Основные параметры различных типов солнечного ветра суммированы в таблице.

Характеристики различных типов потоков солнечного ветра

Погоду и климат на Земле как и все формы жизни определяет солнечная энергия поступающая от Солнца и обеспечивая энергетический баланс.

Энергетический баланс Земли достигается тем, что если входящее и исходящее излучения равны, то климат находится в равновесии.

Этот баланс достигается или не достигается в зависимости от того как солнечная энергия взаимодействует на нашей планете с объектами посредством таких явлений, как рассеяние, отражение, поглощение и преобразование из одной формы в другую. Солнечную энергию можно хранить, транспортировать в различных формах или преобразовывать между различными видами. В целом, то, как действуют ресурсы после того, как достигают Земли играет значительную роль в климате.

Потоки солнечной энергии — это энергетические преобразования и движения, которые происходят после того, как они достигли планеты. Эти потоки описывают, как распределяется способность выполнять работу и как они взаимодействуют с объектами, определяя климатические свойства.

Вся энергия, которая циркулирует действует по-разному. Из всей солнечной энергии, вырабатываемой Солнцем, только 70% достигает поверхности нашей планеты каким-то образом. Как только эти 70% достигают Земли она движется в различных формах. Большая часть на на планете получается от нашей звезды и только 0,03% поступает из других источников. Это означает, что Солнце источник жизни на Земле , так как оно излучает наиболее доминирующий поток.

Всего на Землю «доходит» 174 000 ТВт (тераватт 10 * 10 в 11 степени) — это примерно работа произведенная сжиганием 4 млн тонн нефти в секунду. Это небольшая часть из 410 000 000 000 000 ТВт которое выпускает наша звезда во всех направлениях, но по-прежнему много.

Таким образом, роль солнца в жизни человека основополагающая.

Хотя поток солнечной энергии является наиболее доминирующим потоком, это не единственный источник на планете. Энергия от использования ядерного топлива, а также от приливов и тепловая из центра Земли все способствует общим ресурсам. Хотя эти потоки вносят гораздо меньший вклад, они по-прежнему жизненно важны для обеспечения энергетического баланса Земли.

Из 174 000 ТВт, доставленных на Землю, среднее значение определяется как энергетический баланс на одном квадратном метре земли. Однако эта величина усредняется по всей планете. Из этой мощности, примерно 30% отражается обратно в космос с отражением из-за атмосферы, облаков, океана, суши и льдов.

Оставшиеся 120 000 ТВт или около 70% от первоначальной мощности, которая достигает поверхности нашей планеты нагревает атмосферу. В атмосфере, молекулы парниковых газов поглощают это тепло и их температура повышается. После этого поглощения, газы излучают тепло обратно во всех направлениях. Затем эта тепловая мощность излучается обратно в космическое пространство. Именно это явление нагревает поверхность через естественный парниковый эффект.

Примерно 78 300 ТВт солнечной энергии используются для поддержания тепла атмосферы, чтобы в результате чего средняя температура оставалась на уровне 15°C.

Из исходной входящей солнечной энергии примерно 23% или 40 000 ТВт уходит на испарение воды и проходит гидрологический цикл. Здесь молекулы жидкой воды поглощают входящую энергию и меняют фазу от жидкости к газу. Мощность, потребляемая для испарения этой воды, затем скрыта в движении молекул пара. Молекулы могут затем конденсироваться, создавая дождь, снег и мокрый снег, который заполняет реки через стоки и формируя облака. Облака также выпускают скрытое тепло в атмосферу.

Это позволяет использовать гидроэнергию из которых люди используют ~ 1 ТВт.

Примерно на 1% или 1700 ТВТ превращается в ветер и морские течения. Это перемещает воздух и воду по всей планете, которые передает тепло, удерживаемое при движении молекул газа или жидкости. осуществляется ветроэнергетикой.

Очень небольшое количество, только около 0,08%, начальной солнечной энергии или 140 ТВт получается путем фотосинтеза, давая жизнь растениям. Фотосинтез позволяет растениям поглощать углерод из атмосферы в виде углекислого газа.

Из этих 140 ТВт почти вся солнечная энергия используется для жизненных сил. Растения получают свой рост от этого фотосинтеза, а затем животные либо едят растения, чтобы получить силу или едят животных, которые едят эти растения. Когда растения и животные умирают, они могут стать ископаемым топливом. Однако для этого требуется значительное время — миллионы лет.

Несмотря на то, что образование ископаемого топлива не является простым, большая часть химических ресурсов, накопленных в этих растениях и животных, распадается на тепло в атмосфере. Ресурсное топливо, используемое людьми, составляет всего около 14 ТВт.

Помимо солнечной энергии, ядерный поток способствует общим ресурсам на планете. Люди используют около 1 ТВт и эти ресурсы не исходят от Солнца. Это ядерное топливо осталось после взрыва, который образовал Солнечную систему. Это 1 TW является частью 0,02%, что не приходит от Солнца.

Геотермальный поток также является еще одним источником не исходящим от Солнца. , проходящая через земную кору, составляет примерно 44 ТВт или около 0,025%.

Остальная часть мощности исходящей не от Солнца, составляет ~3 ТВт или 0,0017%, поступающих от приливных сил, действующих между Землей и Луной. Это небольшой поток известен как приливы и отливы.

Наша планета излучает из всех потоков обратно в космос в виде теплового излучения соблюдая энергетический баланс Земли. Поэтому она остается почти полностью сбалансированной с точки зрения температуры благодаря тому, как потоки взаимодействуют друг с другом когда солнечная энергия достигает Земли. Это связано с энергетическим балансом Земли. Увеличение выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ и метан, приводит к тому, что в космос излучается немного меньше тепла, чем поступающая мощность. Эта разница составляет очень маленькую величину.

Но на протяжении нескольких десятилетий это привело к потеплению климата особенно теплых океанов, хотя это, казалось бы, незначительная сила, равная выходу примерно 1 лампочки на каждый квадратный метр поверхности Земли.

Солнечная геоинженерия — новая наука по смягчению последствий изменения климата из-за парниковых газов, влияющих на поступающую солнечную радиацию. Эта наука предлагает решения в том числе и геополитические вопросы сохранения климата.

Выбросы углекислого газа от сжигания угля, нефти и газа растут в течение последних десятилетий, в результате на нашей планете становится еще жарче и жарче.

Известно, что большие извержения вулканов охлаждают планету, создав множество мелких частиц в стратосфере которые отражают приходящее тепло. Идея солнечной геоинженерии состоит в постоянном пополнении слоя мелких частиц в стратосфере, имитируя вулканические последствия для рассеяния солнечного света обратно в космос.

Но теоретическая модель управления поступающей солнечной энергии пока не нашла поддержки.

Со скоростью 300–1200 км/с в окружающее космическое пространство.

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.

Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает реального состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых - уменьшается (FIP-эффект).

Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений активности и его источников. В зависимости от скорости потоки солнечного ветра делятся на два класса: медленные (примерно 300-400 км/с около орбиты ) и быстрые (600–700 км/с около орбиты Земли).

Существуют и спорадические высокоскоростные (до 1200 км/с) кратковременные потоки.

Медленный солнечный ветер порождается «спокойной» частью при её газодинамическом расширении: при температуре короны около 2 × 10 6 К корона не может находится в условиях гидростатического равновесия, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей. Нагрев солнечной короны до таких температур происходит вследствие природы теплопереноса в : развитие конвективной турбулентности в плазме сопровождается генерацией интенсивных магнитозвуковых волн; в свою очередь при распространении в направлении уменьшения плотности солнечной атмосферы звуковые волны трансформируются в ударные; эффективно поглощаются веществом короны и разогревают её до температуры 1 - 3 × 10 6 К.

Потоки рекуррентного быстрого солнечного ветра испускаются в течение нескольких месяцев, и имеют период повторяемости при наблюдениях с Земли в 27 суток (период вращения Солнца). Эти потоки ассоциированы с - областями короны с относительно низкой температурой (примерно 0,8 × 10 6 К), пониженной плотностью (всего четверть плотности спокойных областей короны) и радиальным по отношению к Солнцу .

Спорадические потоки при движении в пространстве, заполненном медленного солнечного ветра уплотняют плазму перед своим фронтом, образуя движущуюся вместе с ним . Ранее предполагалось, что такие потоки вызываются солнечными вспышками, однако в настоящее время (2005 г.) считается, что спорадические высокоскоростные потоки в солнечном ветре обусловлены корональными выбросами. Вместе с тем следует отметить, что и солнечные вспышки, и корональные выбросы связаны с одними и теми же активными областями на Солнце и между ними существует зависимость.

Вероятно, что первым предсказал существование солнечного ветра норвежский исследователь Кристиан Биркеланд (норв. Kristian Birkeland ) в г. «С физической точки зрения наиболее вероятно, что солнечные лучи не являются ни положительными ни отрицательными, но и теми и другими вместе». Другими словами, солнечный ветер состоит из отрицательных электронов и положительных ионов .

В 1930-х годах ученые определили, что температура солнечной короны должна достигать миллиона градусов, поскольку корона остается достаточно яркой при большом удалении от Солнца, что хорошо видно во время солнечных затмений. Позднее спектроскопические наблюдения подтвердили этот вывод. В середине 50-х британский математик и астроном Сидни Чепмен определил свойства газов при таких температурах. Оказалось, что газ становится великолепным проводником тепла и должен рассеивать его в пространство за пределы орбиты Земли. В то же время немецкий ученый Людвиг Бирманн (нем. Ludwig Franz Benedikt Biermann ) заинтересовался тем фактом, что хвосты комет всегда направлены прочь от Солнца. Бирманн постулировал, что Солнце испускает постоянный поток частиц, которые создают давление на газ, окружающий комету, образуя длинный хвост.

В 1955 году советские астрофизики С. К. Всехсвятский, Г. М. Никольский, Е. А. Пономарев и В. И. Чередниченко показали , что протяженная корона теряет энергию на излучение и может находиться в состоянии гидродинамического равновесия только при специальном распределении мощных внутренних источников энергии. Во всех других случаях должен существовать поток вещества и энергии. Этот процесс служит физическим основанием для важного явления - «динамической короны». Величина потока вещества была оценена из следующих соображений: если бы корона находилась в гидростатическом равновесии, то высоты однородной атмосферы для водорода и железа относились бы как 56/1, то есть ионов железа в дальней короне наблюдаться не должно. Но это не так. Железо светится во всей короне, причем FeXIV наблюдается в более высоких слоях, чем FeX, хотя кинетическая температура там ниже. Силой, поддерживающей ионы во «взвешенном» состоянии, может быть импульс, передаваемый при столкновениях восходящим потоком протонов ионам железа. Из условия баланса этих сил легко найти поток протонов. Он оказался таким же, какой следовал из гидродинамической теории, подтвержденной впоследствии прямыми измерениями. Для 1955 г. это было значительным достижением, но в «динамическую корону» никто тогда не поверил.

Тремя годами позже Юджин Паркер (англ. Eugene N. Parker ) сделал вывод, что горячее течение от Солнца в чепменовской модели и поток частиц, сдувающий кометные хвосты в гипотезе Бирманна - это два проявления одного и того же явления, которое он назвал «солнечным ветром» . Паркер показал, что даже несмотря на то, что солнечная корона сильно притягивается Солнцем, она столь хорошо проводит тепло, что остается горячей на большом расстоянии. Так как с расстоянием от Солнца его притяжение ослабевает, из верхней короны начинается сверхзвуковое истечение вещества в межпланетное пространство. Более того, Паркер был первым, кто указал, что эффект ослабления гравитации имеет то же влияние на гидродинамическое течение, что и сопло Лаваля : оно производит переход течения из дозвуковой в сверхзвуковую фазу.

Теория Паркера была подвергнута жесткой критике. Статья, посланная в 1958 году Astrophysical Journal была забракована двумя рецензентами и только благодаря редактору, Субраманьяну Чандрасекару попала на страницы журнала.

Однако, ускорение ветра до высоких скоростей еще не было понято и не могло быть объяснено из теории Паркера. Первые численные модели солнечного ветра в короне с использованием уравнений магнитной гидродинамики были созданы Пневманом и Кноппом (англ. Pneuman and Knopp ) в г.

В конце 1990-х с помощью Ультрафиолетового коронального спектрометра (англ. Ultraviolet Coronal Spectrometer (UVCS) ) на борту спутника SOHO были проведены наблюдения областей возникновения быстрого солнечного ветра на солнечных полюсах. Оказалось, что ускорение ветра много больше, чем предполагалось, исходя из чисто термодинамического расширения. Модель Паркера предсказывала, что скорость ветра становится сверхзвуковой на высоте 4 радиусов Солнца от фотосферы, а наблюдения показали, что этот переход происходит существенно ниже, примерно на высоте 1 радиуса Солнца, подтверждая, что существует дополнительный механизм ускорения солнечного ветра.

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов , протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.

Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной активности и его источников. Многолетние наблюдения на орбите Земли (около 150 000 000 км от Солнца) показали, что солнечный ветер структурирован и обычно делится на спокойный и возмущенный (спорадический и рекуррентный). В зависимости от скорости, спокойные потоки солнечного ветра делятся на два класса: медленные (примерно 300-500 км/с около орбиты Земли) и быстрые (500-800 км/с около орбиты Земли). Иногда к стационарному ветру относят область гелиосферного токового слоя , который разделяет области различной полярности межпланетного магнитного поля, и по своим характеристикам близок к медленному ветру.

Медленный солнечный ветер порождается «спокойной» частью солнечной короны (областью корональных стримеров) при её газодинамическом расширении: при температуре короны около 2·10 6 К корона не может находиться в условиях гидростатического равновесия, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей. Нагрев солнечной короны до таких температур происходит вследствие конвективной природы теплопереноса в фотосфере солнца: развитие конвективной турбулентности в плазме сопровождается генерацией интенсивных магнитозвуковых волн; в свою очередь при распространении в направлении уменьшения плотности солнечной атмосферы звуковые волны трансформируются в ударные; ударные волны эффективно поглощаются веществом короны и разогревают её до температуры (1-3)·10 6 К.

Потоки рекуррентного быстрого солнечного ветра испускаются Солнцем в течение нескольких месяцев и имеют период повторяемости при наблюдениях с Земли в 27 суток (период вращения Солнца). Эти потоки ассоциированы с корональными дырами - областями короны с относительно низкой температурой (примерно 0,8·10 6 К), пониженной плотностью плазмы (всего четверть плотности спокойных областей короны) и радиальным по отношению к Солнцу магнитным полем .

К возмущенным потокам относят межпланетное проявление корональных выбросов массы (СМЕ), а также области сжатия перед быстрыми СМЕ (называемыми в англоязычной литературе Sheath) и перед быстрыми потоками из корональных дыр (называемыми в англоязычной литературе Corotating interaction region - CIR). Около половины случаев наблюдений Sheath и CIR могут иметь впереди себя межпланетную ударную волну. Именно в возмущенных типах солнечного ветра межпланетное магнитное поле может отклоняться от плоскости эклиптики и содержать южную компоненту поля, которая приводит ко многим эффектам космической погоды (геомагнитной активности , включая магнитные бури). Ранее предполагалось, что возмущенные спорадические потоки вызываются солнечными вспышками , однако в настоящее время считается, что спорадические потоки в солнечном ветре обусловлены корональными выбросами. Вместе с тем следует отметить, что и солнечные вспышки , и корональные выбросы связаны с одними и теми же источниками энергии на Солнце и между ними существует статистическая зависимость.

По времени наблюдения различных крупномасштабных типов солнечного ветра быстрые и медленные потоки составляют около 53%, гелиосферный токовый слой 6%, CIR – 10%, CME – 22%, Sheath – 9%, и соотношение между временем наблюдения различных типов сильно изменяется в цикле солнечной активности. .

Солнечный ветер порождает на планетах Солнечной системы , обладающих магнитным полем , такие явления, как магнитосфера , полярные сияния и радиационные пояса планет.

«Солнечный ветер» - рассказ известного писателя-фантаста Артура Кларка , написанный в 1963 году .

Kristian Birkeland, «Are the Solar Corpuscular Rays that penetrate the Earth’s Atmosphere Negative or Positive Rays?» in Videnskapsselskapets Skrifter , I Mat - Naturv. Klasse No.1, Christiania, 1916.
Philosophical Magazine , Series 6, Vol. 38, No. 228, December, 1919, 674 (on the Solar Wind)
Ludwig Biermann (1951). «Kometenschweife und solare Korpuskularstrahlung». Zeitschrift für Astrophysik 29 : 274.
Всехсвятский С.К., Никольский Г.М., Пономарев Е.А., Чередниченко В.И. (1955). «К вопросу о корпускулярном излучении Солнца». Астрономический журнал 32 : 165.
Christopher T. Russell . Institute of Geophysics and Planetary Physics University of California, Los Angeles . Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 7 февраля 2007.
Roach, John . Astrophysicist Recognized for Discovery of Solar Wind , National Geographic News (August 27, 2003). Проверено 13 июня 2006.
Eugene Parker (1958). «Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields ». The Astrophysical Journal 128 : 664.
Luna 1 . NASA National Space Science Data Center. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 4 августа 2007.
(рус.) 40th Anniversary of the Space Era in the Nuclear Physics Scientific Research Institute of the Moscow State University , contains the graph showing particle detection by Луна-1 at various altitudes.
M. Neugebauer and C. W. Snyder (1962). «Solar Plasma Experiment». Science 138 : 1095–1097.
G. W. Pneuman and R. A. Kopp (1971). «Gas-magnetic field interactions in the solar corona». Solar Physics 18 : 258.
Ермолаев Ю. И., Николаева Н. С., Лодкина И. Г., Ермолаев М. Ю. Относительная частота появления и геоэффективность крупномасштабных типов солнечного ветра // Космические исследования . - 2010. - Т. 48. - № 1. - С. 3–32.
Cosmic Rays Hit Space Age High . НАСА (28 сентября 2009). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 30 сентября 2009. (англ.)

Паркер Е. Н. Динамические процессы в межпланетной среде / Пер. с англ. М.: Мир, 1965
Пудовкин М. И. Солнечный ветер// Соросовский образовательный журнал, 1996, No 12, с. 87-94.
Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер / Пер. с англ. М.: Мир, 1976
Физическая энциклопедия, т.4 - М.:Большая Российская Энциклопедия стр.586 , стр.587 и стр.588
Физика космоса. Маленькая энциклопедия, М.: Советская Энциклопедия, 1986
Гелиосфера (Под ред. И.С. Веселовского, Ю.И. Ермолаева) в монографии Плазменная гелиогеофизика / Под ред. Л. М. Зеленого, И. С. Веселовского. В 2-х т. М.: Физ-матлит, 2008. Т. 1. 672 с.; Т. 2. 560 с.

параметры

Стриммер

кромка ВСП

Ударный слой

V, км/с

Солнце
Структура	Ядро · Зона лучистого переноса · Конвективная зона
Атмосфера	Фотосфера · Хромосфера · Солнечная корона
Расширенная структура	Гелиосфера (Гелиосферный токовый слой · Граница ударной волны) · Гелиосферная мантия · Гелиопауза · Головная ударная волна
Относящиеся к Солнцу феномены	Солнечное затмение · Солнечная активность (Солнечные пятна ·