Журнал «Вокруг Света» №2 за 2003 год - Вокруг Света

Для тщательного изучения химического и изотопного состава солнечного вещества в земных лабораториях нельзя взять его пробы прямо с поверхности, как это делается при изучении планет и метеоритов, потому что поверхность Солнца – это турбулентная среда с температурой около 6 000°С, однако можно собрать солнечный материал, «вытекающий» из Солнца в межпланетное пространство, называемый солнечным ветром. Сделать это можно с помощью космического аппарата, размещенного вне земного магнитного поля, способного захватить образцы солнечного ветра и доставить их на Землю. Сравнивая же химический состав и обилие изотопов солнечного ветра с уже известным планетарным составом, можно добыть еще один кусочек знаний для решения головоломки под названием «Происхождение Солнечной системы и ее эволюция».

Истечение вещества самой внешней оболочки атмосферы Солнца – солнечной короны называется солнечным ветром. При существующих в солнечной короне высоких температурах давление вышележащих слоев не может уравновесить газовое давление вещества короны, и поэтому она постоянно расширяется в пространство. Теоретически это явление было предсказано американским физиком Е. Паркером, а экспериментально подтверждено при помощи приборов, установленных на советских космических аппаратах «Луна-2» и «Луна-3», которые и обнаружили потоки заряженных частиц в межпланетном пространстве. Однако с тех пор ученые узнали о солнечном ветре много нового.

Корона – это плазма, то есть смесь заряженных частиц (ионов и электронов), которые в магнитном поле двигаются вдоль силовых линий. Известны два типа линий магнитного поля: «закрытые» и «открытые». Закрытые проходят через две точки фотосферы и выглядят, как петли или арки (их можно увидеть в движении солнечных протуберанцев). Открытые же, начинаясь в одной точке фотосферы, вытягиваются в межпланетное пространство. Области открытых полей – это те области, где корона может распространяться наружу в форме солнечного ветра. Так как солнечный ветер представляет собой расширение горячей короны, то и он состоит в основном из ионов и электронов. Распределение в нем ионов, в общем, соответствует распределению элементов на Солнце. Расширяется корона неравномерно во все стороны пространства, скорости ее расширения, или скорости солнечного ветра, меняются от 300 км/сек до 1 500 км/сек в зависимости от процессов, происходящих на Солнце.

Источниками высокоскоростного солнечного ветра являются корональные дыры – области с низкой плотностью, возникающие над поверхностью там, где магнитное поле Солнца открывается в межпланетное пространство. Во время минимума солнечной активности корональные дыры обычно появляются над полюсами Солнца и протягиваются на очень большие расстояния. Причину быстрого солнечного ветра – корональные дыры – впервые обнаружила космическая станция Skylab, а Ulysses, вращавшийся вокруг Солнца с южного полюса, подтвердил существование быстрого солнечного ветра от солнечных полюсов. Японский космический аппарат Yohkoh наблюдал истечение частиц солнечного ветра из короны, а также получил рентгеновское изображение корональной дыры.

Солнечные извержения, названные корональным истечением массы (coronal mass ejection – СМЕ), связывают с разрывом закрытых линий магнитного поля над поверхностью Солнца.

В зависимости от энергии, реализованной при извержении, солнечный ветер от СМЕ имеет либо высокие, либо низкие скорости. Частота появления СМЕ синхронна с циклом солнечной активности. Умеренный солнечный ветер течет от корональных лучей – ярких, плотных структур. «Спокойная корона» между дырами и лучами также может проводить медленные потоки солнечного вещества.

Динамические свойства солнечного ветра очень тесно связаны с короной и ее магнитным полем. Значительная часть солнечного магнитного поля, вытягиваясь, увлекается уносящимся от Солнца ветром. Он же дует во все стороны, наполняя заряженными частицами все околосолнечное пространство, всю нашу планетную систему, создавая межпланетное магнитное поле, поддерживаемое за счет ветра.

Эта спектрограмма была получена при помощи одного из инструментов обсерватории SOHO. Масс-спектрометр CELIAS имеет прекрасное разрешение для изучения состава солнечного ветра; им уже были измерены редкие элементы и изотопы, которые прежде вообще не удавалось наблюдать. На изображении пики на черной линии соответствуют элементам, традиционно наблюдаемым во всех исследованиях солнечного ветра: углерод (C), кислород (O), неон (Ne), магний (Mg), кремний (Si) и железо (Fe).

Элементы и изотопы, впервые обнаруженные в составе солнечного ветра с помощью SOHO, показаны красными пиками: изотопы кремния (29Si, 30Si), фосфор (P), изотоп серы (34S), хлор (Cl) и его изотоп 37Cl, изотоп аргона 38Ar, изотопы кальция 42Ca и 44Ca, титан (Ti), хром (Cr) и его изотоп 53Cr, изотопы железа (54Fe и 57Fe), марганец (Mg), никель (Ni) и его изотопы (60Ni, 62Ni). Единственное исключение в этом ряду составляет аргон-38, который хотя и был обнаружен ранее во время экспериментов Apollo с фольгой, но с большой долей неопределенности.

Зеленым цветом отмечены элементы и изотопы, которые при стандартных экспериментах с солнечным ветром обычно не обнаруживаются: азот (N), изотоп неона (22Ne), натрий (Na), изотопы магния (25Mg и 26Mg), алюминий (Al), сера (S), аргон (Ar) и кальций (Ca). Неон и аргон были обнаружены во время экспериментов Apollo. Что же касается азота, натрия, изотопов магния, алюминия и кальция, то они впервые наблюдались на аппарате WIND примерно за 13 месяцев до SOHO. Масс-спектрометр на космическом аппарате ACE успешно измерил изотопный состав серы в солнечном ветре. Обилие элементов серы можно точно измерить спектроскопически, но изотопный состав серы на Солнце нельзя измерить непосредственно. Сера достаточно летучий элемент по сравнению с тугоплавкими марганцем и кремнием, поэтому определение ее изотопного состава на Солнце может дать ценную информацию о составе ранней Солнечной системы. Материя попадает в корону и в солнечный ветер из внешней конвективной зоны (ВКЗ) Солнца.

Изотопное обилие менее летучих элементов в солнечной атмосфере, очевидно, очень схоже с земным, лунным и метеоритным. Благодаря этим элементам возможно сделать заключение о величине изотопного фракционирования при изменяющихся условиях в областях, являющихся источниками солнечного ветра. Иногда солнечный ветер – единственный источник информации, важной для исследований в области космохимии и астрофизики. Знание изотопного состава ВКЗ даст информацию о ранней солнечной туманности, из которой образовалось Солнце, и об истории Солнечной системы.

Солнечный ветер оказывает заметное влияние на все планеты, он, подобно конвейерной ленте, переносит последствия событий, происходящих на солнечной поверхности, в межпланетное пространство. Когда он сталкивается с удаленным небесным телом, то вызывает в пространстве вокруг него изменения электрических свойств, что может оказывать значительные воздействия на атмосферу планет, и особенно на их собственное магнитное поле, в том случае, если оно есть. Поток солнечного ветра настигает и нашу мирно движущуюся по своей околосолнечной орбите планету. Но его встречает и блокирует оболочка Земли, называемая магнитосферой. Обтекая магнитосферу, солнечный ветер делает ее похожей на бутылку, «дно» которой обращенно к Солнцу. Узкое же «горлышко» этой бутылки именуется хвостом магнитосферы.

Вопрос о том, насколько далеко в пространство уходит этот хвост и открыта или закрыта «магнитная бутылка» (замыкаются ли на ночной стороне геомагнитные силовые линии или происходит их перезамыкание с силовыми линиями межпланетного магнитного поля), долгое время оставался дискуссионным. Вообще же, идея магнитного перезамыкания для объяснения процессов, позволявших потоку частиц солнечного вещества втекать в магнитосферу, была выдвинута более 40 лет назад. Но лишь совсем недавно, используя космический аппарат WIND, исследователи смогли сделать редкие прямые наблюдения магнитного перезамыкания, которое позволяет магнитному полю Солнца, проводимому солнечным ветром, связываться с магнитным полем Земли, пропуская при этом плазму и энергию от Солнца в земное пространство, что вызывает полярные сияния и магнитные бури. Предыдущие исследования фиксировали в основном последствия перезамыкания – поток плазмы и энергии в направлении к Земле или от нее, в то время как сам процесс в действии был неуловим. А ведь перезамыкание – один из фундаментальных физических процессов во Вселенной. На Солнце он, по всей видимости, играет основополагающую роль в развитии солнечных вспышек и истечении корональных масс. И единственное место, где можно наблюдать этот процесс непосредственно, – это земная магнитосфера. Ее глобальную картину показал космический аппарат IMAGE, регистрировавший изменения солнечного ветра, а другой летательный аппарат – ACE – измеряет его интенсивность и предупреждает о времени усиления его порывов и «штормов», способных вызывать перегрузки в электрических сетях, нарушение спутниковой связи и представляющих потенциальную опасность для космонавтов.