Солнечный ветер — постоянный поток плазмы, который срывается с солнечной короны и несется сквозь Солнечную систему. Заряженные частицы летят со скоростью в сотни километров в секунду, несут с собой магнитное поле Солнца и ударяют по магнитному щиту Земли. Именно они зажигают полярные сияния и вызывают магнитные бури.
Солнечный ветер — это разреженная плазма, а не воздух и не солнечный свет.
Поток состоит из протонов и электронов с небольшой примесью ядер гелия и тяжелых ионов.
В районе земной орбиты частицы летят со скоростью от 300 до 800 км/с.
Путь от Солнца до Земли занимает от двух до пяти суток, тогда как свет преодолевает эту дистанцию за восемь минут.
Ветер разделяют на медленный и быстрый, а мощные корональные выбросы порождают плотные ударные фронты.
Магнитное поле и атмосфера Земли защищают людей на поверхности, но сильные порывы ветра способны повредить спутники, нарушить радиосвязь и перегрузить электросети.
Что такое солнечный ветер простыми словами
Солнечный ветер — это вещество внешней атмосферы Солнца, которое непрерывно улетает в открытый космос.
Внешний слой звезды называют солнечной короной. Она раскалена до миллионов градусов. В таком пекле атомы теряют электроны, а газ переходит в плазму — смесь свободных электронов и положительно заряженных ионов.
Горячая плазма не может удержаться силой притяжения звезды. Она расширяется и уносится прочь. По мере разгона поток преодолевает скорость звука в плазме. Этот сверхзвуковой поток и называют солнечным ветром.
С земным ветром у него общее только название. В атмосфере Земли ветер — это перемещение плотного воздуха. Солнечный ветер летит сквозь глубокий вакуум и остается чрезвычайно разреженным.
Со светом его тоже нельзя путать. Солнечный свет состоит из фотонов и доходит до Земли за восемь минут. Частицы плазмы обладают массой и летят гораздо медленнее: путь до нашей планеты занимает у них несколько суток.
Вместе с плазмой в космос уходит и магнитное поле звезды. Плазма отлично проводит электрический ток, поэтому силовые линии буквально вморожены в поток и путешествуют вместе с ним.
Солнечный ветер заполняет пространство далеко за орбитой Плутона и образует гелиосферу — гигантский пузырь, где преобладает влияние Солнца. На границе системы поток сталкивается с межзвездным веществом и резко тормозит. Этот рубеж удален от Солнца примерно на 80—100 астрономических единиц.
С этим потоком звезда ежесекундно сбрасывает около миллиона тонн вещества. Однако Солнце настолько огромно, что за миллиарды лет потеряло меньше одной сотой процента своей массы.
Состав, скорость, температура и другие свойства солнечного ветра
Параметры потока непрерывно меняются: около Земли плотность, скорость и температура плазмы колеблются каждый час.
Состав. Основу потока формируют заряженные частицы:
около 95% положительных ионов — протоны (ядра водорода);
примерно 4% — альфа-частицы (ядра гелия);
менее 1% приходится на ионы тяжелых элементов: углерода, азота, кислорода, кремния и железа.
Вместе с ионами движутся электроны. Отрицательные и положительные заряды уравновешивают друг друга, поэтому физики называют солнечную плазму квазинейтральной. В поток также встроено межпланетное магнитное поле.
Скорость. Около земной орбиты плазма несется со скоростью от 300 до 800 км/с. В среднем приборы фиксируют около 450—470 км/с. При скорости 400 км/с путь в 150 миллионов километров частицы проходят за 4,3 дня, а при 750 км/с долетают за 2,3 дня. Во время мощных вспышек поток разгоняется еще сильнее.
Температура. В районе Земли электроны нагреты в среднем до 140 000 кельвинов, а протоны — примерно до 70 000 кельвинов. Столь высокие числа не означают, что космический аппарат сгорит. Температура в физике отражает лишь то, насколько быстро движутся отдельные частицы. Самих частиц вокруг слишком мало, чтобы передать обшивке заметное количество тепла.
Плотность. Около орбиты Земли в одном кубическом сантиметре пространства летит всего от 3 до 10 частиц (в среднем около 8,8). Обычный комнатный воздух плотнее в триллионы раз, поэтому плазма ветра прозрачнее идеального лабораторного вакуума.
Давление и магнитное поле. Поток непрерывно давит на околоземное пространство с силой в несколько нанопаскалей. Вместе с плазмой летит слабое межпланетное поле силой от двух до пяти нанотесла. Чем плотнее и быстрее летит плазма, тем сильнее сжимается освещенная Солнцем сторона земной магнитосферы. Спутники в точке Лагранжа L1 встречают частицы за полтора миллиона километров от Земли и предупреждают ученых о приближении мощного потока за 15–60 минут.
Виды солнечного ветра
Свойства потока зависят от участка солнечной короны, из которого он вырвался. Астрофизики разделяют ветер на два постоянных типа — медленный и быстрый:
Медленный солнечный ветер. Разгоняется до 300–500 км/с. Он выходит из спокойных экваториальных областей короны и границ корональных дыр. Этот поток плотнее (около 12 частиц на кубический сантиметр), но протоны в нем холоднее — около 34 000 кельвинов.
Быстрый солнечный ветер. Мчится со скоростью 500–800 км/с. Его выбрасывают корональные дыры — участки короны с разомкнутыми магнитными линиями, откуда плазме проще уйти в открытый космос. Этот поток разреженнее (около 4 частиц на кубический сантиметр), зато протоны в нем раскалены до 230 000 кельвинов. Корональные дыры живут месяцами, поэтому быстрый поток бьет по Земле каждые 27 дней — за это время Солнце делает один оборот вокруг оси.
В 1990-х годах зонд «Улисс» вышел из плоскости орбит планет и доказал, что скорость ветра зависит от широты. В период «спокойного Солнца», когда на звезде затихают вспышки и почти нет пятен, с ее полюсов срывается исключительно быстрый ветер со скоростью свыше 700 км/с, а в районе солнечного экватора формируется медленный поток.
Кроме быстрого и медленного ветра ученые выделяют возмущенные структуры:
Корональные выбросы массы. Звезда выстреливает в межпланетное пространство гигантские сгустки плазмы, скованные замкнутыми магнитными жгутами. Это облако врезается в спокойный солнечный ветер, сжимает его и несет к планетам сильные геомагнитные бури.
Области взаимодействия потоков. Быстрый ветер легко догоняет медленный поток. В месте их стыка плазма резко уплотняется и формирует ударный фронт.
Гелиосферный токовый слой. Волнообразная мембрана вдоль солнечного экватора, которая разделяет зоны с противоположной полярностью магнитного поля.
В спокойные фазы солнечного цикла быстрый и медленный ветер занимают больше половины времени наблюдений, корональные выбросы — около пятой части, а остальное приходится на области сжатия и токовый слой.
История изучения солнечного ветра
Сначала ученые догадывались о существовании потока частиц только по косвенным уликам.
В 1859 году астроном Ричард Кэррингтон наблюдал мощную солнечную вспышку, а на следующий день на Земле разразилась сильнейшая геомагнитная буря. Кэррингтон связал эти два события, а физик Джордж Фицджеральд позже предположил: звезда сбрасывает потоки вещества, которым требуется пара дней, чтобы долететь до Земли.
В начале XX века Кристиан Биркеланд и Фредерик Линдеманн рассчитали, что Солнце испускает смесь из положительных и отрицательных зарядов — протонов и электронов.
В 1950-х годах немецкий астрофизик Людвиг Бирманн обратил внимание на кометы. Хвосты комет всегда направлены строго от Солнца, даже когда сама она удаляется от звезды. Бирманн понял: хвост отклоняет непрерывное давление потока солнечных частиц.
В 1958 году американский астрофизик Юджин Паркер объединил эти наблюдения в строгую гидродинамическую модель. Он доказал, что раскаленная корона не может удерживать форму: плазма неизбежно расширяется и преодолевает скорость звука. Паркер впервые назвал это явление «солнечным ветром». Рецензенты сочли идею абсурдной и дважды отклонили статью, поданную автором открытия в «Астрофизический журнал», пока в спор не вмешался редактор журнала Субраманьян Чандрасекар, пропустивший публикацию в печать.
Теорию быстро подтвердили практикой. В январе 1959 года советская межпланетная станция «Луна-1» впервые напрямую зафиксировала поток плазмы с помощью ловушек заряженных частиц, созданных под руководством Константина Грингауза. В 1962 году американский аппарат «Маринер-2» по пути к Венере подтвердил: солнечный ветер дует непрерывно, а его скорость постоянно скачет.
В XXI веке изучение плазмы вышло на новый уровень. Зонды Parker Solar Probe и Solar Orbiter подлетают вплотную к светилу, собирают пробы вещества прямо в короне и выясняют, какие именно процессы разгоняют частицы ветра до сверхзвуковых скоростей.
Опасен ли солнечный ветер и как он влияет на Землю
Людям на поверхности планеты солнечный ветер не угрожает: нас защищают атмосфера и мощное магнитное поле.
Поток плазмы непрерывно давит на земную магнитосферу: сминает ее с дневной стороны и вытягивает в длинный шлейф с ночной. Если силовые линии межпланетного поля поворачиваются на юг, они смыкаются с линиями земного щита. Энергия плазмы выплескивается внутрь околоземного пространства и порождает геомагнитные бури.
Этот же процесс зажигает полярные сияния. Заряженные частицы летят вдоль магнитных линий к полюсам и врезаются в верхние слои атмосферы. Атомы газов принимают удар и начинают светиться: кислород вспыхивает зеленым и красным светом, а молекулярный азот дает фиолетовые и синие полосы.
Главный ущерб штормы наносят технике:
микроэлектроника на космических спутниках выходит из строя;
обшивка орбитальных аппаратов накапливает опасный статический заряд;
верхние слои атмосферы нагреваются, вспухают и сильнее тормозят низкоорбитальные станции;
ухудшается сигнал спутниковой навигации;
затухает коротковолновая радиосвязь;
в линиях электропередачи и магистральных трубопроводах возникают паразитные индукционные токи, которые перегревают трансформаторы.
Спокойный солнечный ветер не несет смертельной радиации для космонавтов на орбите. Опасность представляют солнечные протоны высоких энергий, которые вылетают во время мощных вспышек. Инженеры обязательно учитывают их радиационный фон при подготовке пилотируемых миссий на Луну и Марс.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о солнечном ветре.
Сколько времени солнечный ветер летит до Земли?
От двух до пяти суток. При средней скорости 400 км/с частицы преодолевают расстояние за 4,3 дня, а быстрые потоки со скоростью 750 км/с долетают за 2,3 дня.
Почему солнечный ветер, раскаленный до сотен тысяч градусов, не плавит спутники?
Плазма в космосе предельно разрежена: около Земли в одном кубическом сантиметре летит всего несколько частиц. Температура показывает лишь высокую скорость движения этих частиц. Нагреть спутники они не могут из-за ничтожной массы.
Чем солнечный ветер отличается от солнечного света?
Свет состоит из фотонов, не имеет массы покоя и доходит до Земли за восемь минут. Солнечный ветер — это вещество: поток протонов, электронов и ядер гелия, которые обладают массой и тратят на путь до Земли несколько дней.
В чем разница между солнечным ветром, вспышкой и корональным выбросом массы?
Солнечный ветер дует непрерывно во все стороны. Вспышка — это мгновенный взрыв на поверхности звезды, испускающий электромагнитное излучение со скоростью света. Корональный выброс массы — колоссальный выстрел плазменного облака, который летит вслед за вспышкой сквозь обычный солнечный ветер.
Можно ли увидеть солнечный ветер невооруженным глазом?
Сам поток невидим, потому что состоит из разрозненных микрочастиц в вакууме. Человек может увидеть только результат его удара об атмосферу — полярные сияния.