الجسيمات المشحونة للرياح الشمسية. ما هي الرياح الشمسية؟ الرياح الشمسية: الأصل والخصائص

في بي بارانوف، موسكو جامعة الدولةهم. م.ف. لومونوسوف

يتناول المقال مشكلة التوسع الأسرع من الصوت للهالة الشمسية (الرياح الشمسية). يتم تحليل أربع مشاكل رئيسية: 1) أسباب تدفق البلازما من الهالة الشمسية؛ 2) هل هذا التدفق متجانس؟ 3) التغيرات في معلمات الرياح الشمسية مع المسافة من الشمس و 4) كيفية تدفق الرياح الشمسية إلى الوسط بين النجوم.

مقدمة

لقد مر ما يقرب من 40 عامًا منذ أن تنبأ الفيزيائي الأمريكي إي. باركر نظريًا بهذه الظاهرة، التي كانت تسمى "الرياح الشمسية" والتي تم تأكيدها تجريبيًا بعد عامين من قبل مجموعة العالم السوفيتي ك. جرينجوس باستخدام أدوات مثبتة على الكوكب. المركبة الفضائية لونا 2" و"لونا-3". الرياح المشمسةهو تدفق من بلازما الهيدروجين المؤينة بالكامل، أي غاز يتكون من إلكترونات وبروتونات لها نفس الكثافة تقريبًا (حالة شبه الحياد)، والتي تتحرك من الشمس بسرعة تفوق سرعة الصوت. في مدار الأرض (وحدة فلكية واحدة (AU) من الشمس)، تبلغ سرعة هذا التدفق حوالي 400-500 كم/ثانية، وتركيز البروتونات (أو الإلكترونات) ne = 10-20 جسيمًا لكل سنتيمتر مكعب، ونسبتها درجة الحرارة Te تساوي حوالي 100000 كلفن (درجة حرارة الإلكترون أعلى قليلاً).

بالإضافة إلى الإلكترونات والبروتونات، تم اكتشاف جسيمات ألفا (بنسبة عدة بالمائة)، وكمية صغيرة من الجسيمات الأثقل، بالإضافة إلى مجال مغناطيسي في الفضاء بين الكواكب. متوسط ​​القيمةوالتي تبين أن تحريضها يتم بترتيب عدة غاما في مدار الأرض (1

= 10-5 جم).

القليل من التاريخ المتعلق بالتنبؤ النظري للرياح الشمسية

خلال التاريخ غير الطويل للفيزياء الفلكية النظرية، كان يُعتقد أن جميع الأجواء النجمية في حالة توازن هيدروستاتيكي، أي في حالة تكون فيها قوة جذب النجم متوازنة مع القوة المرتبطة بتدرج الضغط في غلافه الجوي (مع التغير في الضغط لكل وحدة المسافة r من النجوم المركزية). رياضيا، يتم التعبير عن هذا التوازن على أنه عادي المعادلة التفاضلية

(1)

حيث G هو ثابت الجاذبية، وM* كتلة النجم، وp هو ضغط الغاز الجوي،

- كثافته الكتلية. إذا تم إعطاء توزيع درجة الحرارة T في الغلاف الجوي، فمن معادلة التوازن (1) ومعادلة الحالة للغاز المثالي

(2)

حيث R هو ثابت الغاز، يمكن الحصول بسهولة على ما يسمى بالصيغة البارومترية، والتي في حالة معينة من درجة حرارة ثابتة T سيكون لها الشكل

(3)

في الصيغة (3)، تمثل القيمة p0 الضغط عند قاعدة الغلاف الجوي للنجم (عند r = r0). من هذه الصيغة يتضح أنه بالنسبة لـ r

أي أنه على مسافات كبيرة جدًا من النجم، يميل الضغط p إلى حد محدود، وهو ما يعتمد على قيمة الضغط p0.

وبما أنه كان يعتقد أن الغلاف الجوي الشمسي، مثل أجواء النجوم الأخرى، في حالة توازن هيدروستاتيكي، فقد تم تحديد حالته من خلال صيغ مشابهة للصيغ (1)، (2)، (3). بالنظر إلى الظاهرة غير العادية والتي لا تزال غير مفهومة تمامًا المتمثلة في الارتفاع الحاد في درجة الحرارة من حوالي 10000 درجة على سطح الشمس إلى 1000000 درجة في الإكليل الشمسي، طور تشابمان (انظر، على سبيل المثال) نظرية الإكليل الشمسي الساكن، والذي كان من المفترض أن ينتقل بسلاسة إلى الوسط البينجمي المحيط بالنظام الشمسي.

ومع ذلك، في عمله الرائد، لفت باركر الانتباه إلى حقيقة أن الضغط عند اللانهاية، الذي تم الحصول عليه من صيغة مثل (3) للهالة الشمسية الساكنة، تبين أنه تقريبًا أكبر من قيمة الضغط التي تم تقديرها للغاز بين النجوم على أساس الملاحظات. لحل هذا التناقض، اقترح باركر أن الهالة الشمسية ليست في حالة توازن ثابت، ولكنها تتوسع باستمرار في الوسط بين الكواكب المحيط بالشمس. علاوة على ذلك، بدلاً من معادلة التوازن (1)، اقترح استخدام المعادلة الهيدروديناميكية لحركة النموذج

(4)

حيث في نظام الإحداثيات المرتبط بالشمس، تمثل القيمة V السرعة القطرية للبلازما. تحت

يشير إلى كتلة الشمس.

بالنسبة لتوزيع معين لدرجة الحرارة T، فإن نظام المعادلتين (2) و (4) له حلول من النوع المعروض في الشكل. 1. في هذا الشكل، تشير a إلى سرعة الصوت، وr* هي المسافة من نقطة الأصل حيث تكون سرعة الغاز مساوية لسرعة الصوت (V = a). من الواضح أن المنحنيين 1 و 2 فقط في الشكل. 1 لها معنى فيزيائي لمشكلة تدفق الغاز من الشمس، حيث أن المنحنيين 3 و 4 لهما قيم سرعة غير فريدة عند كل نقطة، والمنحنيان 5 و 6 يتوافقان مع سرعات عالية جدًا عند الجو الشمسيوهو ما لا يمكن ملاحظته في التلسكوبات. قام باركر بتحليل الظروف التي بموجبها يتحقق المحلول المقابل للمنحنى 1 في الطبيعة، وأظهر أنه من أجل مطابقة الضغط الناتج من مثل هذا المحلول مع الضغط في الوسط النجمي، فإن الحالة الأكثر واقعية هي انتقال الغاز من تدفق دون سرعة الصوت (في ص< r*) к сверхзвуковому (при r >r*)، ويسمى هذا التدفق بالرياح الشمسية. ومع ذلك، كان هذا البيان محل نزاع في أعمال تشامبرلين، الذي يعتقد ذلك أكثر من غيره الحل الحقيقي، الموافق للمنحنى 2، الذي يصف "النسيم الشمسي" دون سرعة الصوت في كل مكان. في الوقت نفسه، فإن التجارب الأولى على المركبات الفضائية (انظر، على سبيل المثال)، التي اكتشفت تدفقات الغاز الأسرع من الصوت من الشمس، لا تبدو، وفقًا للأدبيات، موثوقة بما فيه الكفاية لتشامبرلين.

أرز. 1. الحلول الممكنة لمعادلات ديناميكيات الغاز أحادية البعد لسرعة تدفق الغاز V من سطح الشمس في وجود الجاذبية. المنحنى 1 يتوافق مع حل الرياح الشمسية. هنا a هي سرعة الصوت، r هي المسافة من الشمس، r* هي المسافة التي تساوي فيها سرعة الغاز سرعة الصوت، وهي نصف قطر الشمس.

لقد أثبت تاريخ التجارب في الفضاء الخارجي ببراعة صحة أفكار باركر حول الرياح الشمسية. يمكن العثور على مواد مفصلة حول نظرية الرياح الشمسية، على سبيل المثال، في الدراسة.

مفاهيم التدفق الموحد للبلازما من الهالة الشمسية

من معادلات ديناميكيات الغاز أحادية البعد يمكن الحصول عليها نتيجة معروفة: في غياب قوى الكتلة، يمكن أن يكون التدفق المتماثل كرويًا للغاز من مصدر ثابت في كل مكان إما دون سرعة الصوت أو فوق سرعة الصوت. يؤدي وجود قوة الجاذبية في المعادلة (4) (الجانب الأيمن) إلى ظهور حلول مثل المنحنى 1 في الشكل. 1، أي مع الانتقال من خلال سرعة الصوت. دعونا نرسم تشبيهًا بالتدفق الكلاسيكي في فوهة لافال، وهو أساس جميع المحركات النفاثة الأسرع من الصوت. يظهر هذا التدفق بشكل تخطيطي في الشكل. 2.

أرز. 2. مخطط التدفق في فوهة لافال: 1 - خزان يسمى جهاز الاستقبال، حيث يتم توفير الهواء الساخن جدًا بسرعة منخفضة، 2 - منطقة الضغط الهندسي للقناة من أجل تسريع تدفق الغاز دون سرعة الصوت، 3 - مساحة التوسع الهندسي للقناة من أجل تسريع التدفق الأسرع من الصوت.

يتم إمداد الغاز المسخن إلى درجة حرارة عالية جدًا إلى الخزان رقم 1، المسمى المستقبل، بسرعة منخفضة جدًا (الطاقة الداخلية للغاز أكبر بكثير من طاقة الغاز الطاقة الحركيةحركة الاتجاه). ومن خلال ضغط القناة هندسيًا، يتم تسريع الغاز في المنطقة 2 (التدفق دون الصوتي) حتى تصل سرعته إلى سرعة الصوت. ولتسريع ذلك بشكل أكبر، من الضروري توسيع القناة (المنطقة 3 من التدفق الأسرع من الصوت). في منطقة التدفق بأكملها، يحدث تسارع الغاز بسبب التبريد الأديباتيكي (بدون إمداد بالحرارة) (تتحول الطاقة الداخلية للحركة الفوضوية إلى طاقة الحركة الموجهة).

وفي مشكلة تكون الرياح الشمسية قيد النظر، يلعب دور المستقبل الإكليل الشمسي، كما أن دور جدران فوهة لافال هو قوة جاذبية الجذب الشمسي. وفقا لنظرية باركر، يجب أن يحدث الانتقال عبر سرعة الصوت في مكان ما على مسافة عدة أنصاف أقطار شمسية. ومع ذلك، أظهر تحليل الحلول التي تم الحصول عليها في النظرية أن درجة حرارة الإكليل الشمسي ليست كافية لتسارع غازه إلى سرعات تفوق سرعة الصوت، كما هو الحال في نظرية فوهة لافال. يجب أن يكون هناك مصدر إضافي للطاقة. يعتبر مثل هذا المصدر حاليًا هو تبديد حركات الأمواج الموجودة دائمًا في الرياح الشمسية (التي تسمى أحيانًا اضطراب البلازما)، المتراكبة على التدفق المتوسط، ولم يعد التدفق نفسه ثابت الحرارة. ولا يزال التحليل الكمي لمثل هذه العمليات يتطلب المزيد من البحث.

ومن المثير للاهتمام أن التلسكوبات الأرضية تكتشف المجالات المغناطيسية على سطح الشمس. يُقدر متوسط ​​قيمة الحث المغناطيسي B بـ 1 G، على الرغم من أنه في التكوينات الضوئية الفردية، على سبيل المثال في البقع الشمسية، يمكن أن يكون المجال المغناطيسي أكبر من حيث الحجم. وبما أن البلازما موصل جيد للكهرباء، فمن الطبيعي أن تتفاعل المجالات المغناطيسية الشمسية مع تدفقها من الشمس. في هذه الحالة، توفر نظرية ديناميكية الغاز البحتة وصفًا غير كامل للظاهرة قيد النظر. تأثير حقل مغناطيسيولا يمكن النظر إلى تدفق الرياح الشمسية إلا في إطار علم يسمى الديناميكا المائية المغناطيسية. ما هي النتائج التي تؤدي إليها مثل هذه الاعتبارات؟ ووفقا للعمل الرائد في هذا الاتجاه (انظر أيضا)، فإن المجال المغناطيسي يؤدي إلى ظهور تيارات كهربائية j في بلازما الرياح الشمسية، والتي بدورها تؤدي إلى ظهور قوة دافعة للثقل j x B، والتي يتم توجيهها في عمودي على الاتجاه الشعاعي. ونتيجة لذلك، تكتسب الرياح الشمسية عنصر سرعة عرضية. هذا المكون أصغر بمرتين تقريبًا من المكون الشعاعي، لكنه يلعب دورًا مهمًا في إزالة الزخم الزاوي من الشمس. ومن المفترض أن الظروف الأخيرة قد تلعب دورا هاما في تطور ليس فقط الشمس، ولكن أيضا النجوم الأخرى التي تم اكتشاف "الرياح النجمية" فيها. على وجه الخصوص، لتفسير الانخفاض الحاد في السرعة الزاوية لنجوم الطبقة الطيفية المتأخرة، غالبًا ما يتم الاستناد إلى فرضية نقل الزخم الدوراني إلى الكواكب المتكونة حولها. إن الآلية المدروسة لفقدان الزخم الزاوي للشمس من خلال تدفق البلازما منها تفتح إمكانية مراجعة هذه الفرضية.

الرياح المشمسة- تيار مستمر من البلازما ذات الأصل الشمسي، ينتشر بشكل شعاعي تقريبًا من الشمس ويملأ النظام الشمسي حتى مركز الشمس. المسافات R ~ 100 أ. إي.س.ف. يتم تشكيلها أثناء ديناميكية الغاز. توسع الهالة الشمسية (انظر شمس) إلى الفضاء بين الكواكب. عند درجات الحرارة المرتفعة التي تتواجد في الإكليل الشمسي (1.5*10 9 كلفن)، فإن ضغط الطبقات التي تعلوها لا يستطيع موازنة ضغط الغاز الخاص بمادة الإكليل، فيتوسع الإكليل.

أول دليل على وجود البريد. تم الحصول على تدفقات البلازما من الشمس بواسطة L. Biermann في الخمسينيات. على تحليل القوى المؤثرة على ذيول البلازما للمذنبات. في عام 1957، أظهر يو باركر (إي. باركر)، الذي قام بتحليل ظروف توازن مادة الإكليل، أن الإكليل لا يمكن أن يكون في ظروف هيدروستاتيكية. التوازن، كما كان مفترضًا سابقًا، ولكن يجب أن يتوسع، وهذا التوسع، في ظل الظروف الحدودية الحالية، يجب أن يؤدي إلى تسارع المادة الإكليلية إلى سرعات تفوق سرعة الصوت (انظر أدناه). لأول مرة، تم تسجيل تدفق البلازما من أصل شمسي في المركبة الفضائية السوفيتية. المركبة الفضائية "لونا -2" عام 1959. مشاركة الوجود. تم إثبات تدفق البلازما من الشمس نتيجة لعدة أشهر من القياسات في أمريكا. فضاء جهاز مارينر 2 عام 1962

تزوج. خصائص S. v. ترد في الجدول. 1. تدفقات س. يمكن تقسيمها إلى فئتين: بطيئة - بسرعة 300 كم/ث، وسريعة - بسرعة 600-700 كم/ث. وتأتي التدفقات السريعة من مناطق الإكليل الشمسي، حيث توجد بنية المجال المغناطيسي. الحقول قريبة من شعاعي. بعض هذه المناطق هي الثقوب الإكليلية. التدفقات البطيئة في القرن الشمالي. من الواضح أنها مرتبطة بمناطق التاج، حيث يوجد، بالتالي، مكون مغناطيسي عرضي. مجالات.

طاولة 1.- متوسط ​​خصائص الرياح الشمسية في مدار الأرض

سرعة
تركيز البروتون
درجة حرارة البروتون
درجة حرارة الإلكترون
قوة المجال المغناطيسي
كثافة تدفق بايثون ....	2.4*10 8 سم-2*ج-1
كثافة تدفق الطاقة الحركية	0.3 أرج*سم-2*ث-1

طاولة 2.- نسبي التركيب الكيميائيالرياح الشمسية

	المحتوى النسبي

	المحتوى النسبي

بالإضافة إلى الرئيسية مكونات الماء الشمسي هي البروتونات والإلكترونات، كما توجد في تركيبته جزيئات عالية التأين. أيونات الأكسجين والسيليكون والكبريت والحديد (الشكل 1). عند تحليل الغازات المحتجزة في الرقائق المكشوفة على القمر، تم العثور على ذرات Ne وAr. تزوج. الكيمياء النسبية تكوين S. v. ويرد في الجدول. 2. التأين. حالة المادة S. v. يتوافق مع المستوى الموجود في الإكليل حيث يكون وقت إعادة التركيب قصيرًا مقارنة بزمن التمدد قياسات التأين درجة حرارة الأيونات S. v. جعل من الممكن تحديد درجة حرارة الإلكترون للإكليل الشمسي.

في القرن الشمالي. لوحظت الاختلافات. أنواع الموجات: لانجميور، الصفارات، الأيونية الصوتية، المغناطيسية، ألففين، إلخ. (انظر. موجات في البلازماتتولد بعض الموجات من نوع ألففين في الشمس، وبعضها الآخر يكون متحمسًا في الوسط بين الكواكب. يؤدي توليد الموجات إلى تنعيم انحرافات وظيفة توزيع الجسيمات عن وظيفة ماكسويل، بالإضافة إلى تأثير المغناطيسية. الحقول الموجودة على البلازما تؤدي إلى حقيقة أن S. v. يتصرف وكأنه وسيلة مستمرة. تلعب موجات من نوع ألففين دورًا كبيرًا في تسريع المكونات الصغيرة للموجات الشمسية. وفي تشكيل وظيفة توزيع البروتون. في القرن الشمالي. ويلاحظ أيضًا انقطاع الاتصال والدوران المميز للبلازما الممغنطة.

أرز. 1. الطيف الكتلي للرياح الشمسية. على طول المحور الأفقي توجد نسبة كتلة الجسيم إلى شحنته، وعلى طول المحور الرأسي يوجد عدد الجزيئات المسجلة في نافذة الطاقة للجهاز خلال 10 ثوانٍ. تشير الأرقام التي تحمل علامة "+" إلى شحنة الأيون.

تيار N. في. هو أسرع من الصوت بالنسبة لسرعات تلك الأنواع من الموجات التي توفر التأثير. نقل الطاقة إلى القرن S. (الفين والموجات الصوتية والمغنطيسية). الفين والصوت رقم ماخ C.الخامس. في مدار الأرض 7. عندما يتدفق حول الشمال الشرقي. العوائق القادرة على تشتيت انتباهها بشكل فعال (المجالات المغناطيسية لعطارد أو الأرض أو المشتري أو زحل أو الأيونوسفير الموصل للزهرة والمريخ على ما يبدو) تتشكل موجة صدمة القوس المغادرة. S. V. يتباطأ ويسخن في مقدمة موجة الصدمة، مما يسمح لها بالتدفق حول العائق. في الوقت نفسه، في القرن الشمالي. يتم تشكيل تجويف - الغلاف المغناطيسي (سواء كان خاصًا به أو مستحثًا)، ويتم تحديد شكل الشكل وأبعاده من خلال توازن الضغط المغناطيسي. مجالات الكوكب وضغط تدفق البلازما المتدفقة (انظر. الغلاف المغناطيسي للأرض، الغلاف المغناطيسي للكواكب). في حالة التفاعل مع S. v. مع جسم غير موصل (على سبيل المثال، القمر)، لا تحدث موجة الصدمة. يمتص السطح تدفق البلازما، ويتشكل تجويف خلف الجسم، والذي يمتلئ تدريجياً بالبلازما من البلازما.

يتم فرض العملية الثابتة لتدفق بلازما الهالة من خلال عمليات غير ثابتة مرتبطة بـ التوهجات الشمسية. أثناء التوهجات القوية، يتم إطلاق المواد من الأسفل. مناطق الاكليل في الوسط بين الكواكب. في هذه الحالة، يتم تشكيل موجة الصدمة (الشكل 2)، والتي تتباطأ تدريجيا، وتنتشر في بلازما النظام الشمسي. يؤدي وصول موجة الصدمة إلى الأرض إلى ضغط الغلاف المغناطيسي، وبعد ذلك يبدأ عادة تطور المغناطيسية. العواصف (انظر الاختلافات المغناطيسية).

أرز. 2. انتشار موجة الصدمة بين الكواكب والمقذوفات من التوهج الشمسي. تظهر الأسهم اتجاه حركة بلازما الرياح الشمسية، والخطوط التي لا تحتوي على تسمية توضيحية هي خطوط المجال المغناطيسي.

أرز. 3. أنواع الحلول لمعادلة تمدد الإكليل. يتم تطبيع السرعة والمسافة إلى السرعة الحرجة vk والمسافة الحرجة Rk الحل 2 يتوافق مع الرياح الشمسية.

يتم وصف توسع الإكليل الشمسي من خلال نظام معادلات حفظ الكتلة والزخم الزاوي ومعادلات الطاقة. الحلول التي تلبي مختلف وتظهر طبيعة التغير في السرعة مع المسافة في الشكل. 3. يتوافق الحلان 1 و2 مع السرعات المنخفضة عند قاعدة التاج. يتم تحديد الاختيار بين هذين الحلين من خلال الظروف عند اللانهاية. الحل 1 يتوافق مع معدلات تمدد منخفضة للإكليل ويعطي قيم كبيرة للضغط عند اللانهاية، أي أنه يواجه نفس الصعوبات التي يواجهها النموذج الساكن. التيجان الحل 2 يتوافق مع انتقال معدل التوسع من خلال سرعة قيم الصوت ( الخامس ل) على بعض الحرجة. المسافة R إلى والتوسع اللاحق بسرعة تفوق سرعة الصوت. يعطي هذا الحل قيمة صغيرة جدًا للضغط عند اللانهاية، مما يجعل من الممكن التوفيق بينها وبين الضغط المنخفض للوسط بين النجوم. هذا النوع من التدفق كان يسمى S. بواسطة يو باركر. شديد الأهمية وتكون النقطة فوق سطح الشمس إذا كانت درجة حرارة الإكليل أقل من قيمة حرجة معينة. قيم ، حيث m هي كتلة البروتون، وهي الأس ثابت الحرارة، وهي كتلة الشمس. في التين. ويبين الشكل 4 التغير في معدل التوسع من مركزية الشمس. المسافة اعتمادا على درجة الحرارة متساوي الحرارة. كورونا الخواص. النماذج اللاحقة من القرن S. تأخذ في الاعتبار التغيرات في درجة حرارة الإكليل مع المسافة، والطبيعة السائلة للوسط (غازات الإلكترون والبروتون)، والتوصيل الحراري، واللزوجة، وغير كروية. طبيعة التوسع.

أرز. 4. ملامح سرعة الرياح الشمسية لنموذج الإكليل متساوي الحرارة عند قيم مختلفة لدرجة حرارة الإكليل.

S. V. يوفر الأساسية تدفق الطاقة الحرارية من الإكليل، منذ انتقال الحرارة إلى طبقة الكروموسفير، المغن. إشعاع كورونا والتوصيل الحراري للإلكترون غير كافية لإنشاء التوازن الحراري للإكليل. تضمن التوصيل الحراري الإلكتروني انخفاضًا بطيئًا في درجة الحرارة المحيطة. مع المسافة. S. V. لا يلعب أي دور ملحوظ في طاقة الشمس ككل، حيث أن تدفق الطاقة الذي تحمله هو ~10 -7 لمعانشمس.

S. V. يحمل المجال المغناطيسي الإكليلي معه إلى الوسط بين الكواكب. مجال. تشكل خطوط المجال لهذا المجال المجمدة في البلازما مجالًا مغناطيسيًا بين الكواكب. المجال (MMP). على الرغم من أن كثافة صندوق النقد الدولي منخفضة وكثافة طاقته تقريبية. 1% من الكثافة الحركية طاقة الطاقة الشمسية، فهي تلعب دورًا كبيرًا في الديناميكا الحرارية للطاقة الشمسية. وفي ديناميكيات تفاعلات S. v. مع أجسام النظام الشمسي، وكذلك تيارات الشمال. بين أنفسهم. مزيج من التوسع في القرن S. مع دوران الشمس يؤدي إلى حقيقة أن ماج. خطوط القوة المجمدة في القرن الشمالي لها شكل قريب من دوامة أرخميدس (الشكل 5). شعاعي ب روالمكونات المغناطيسية السمتية. تتغير الحقول بشكل مختلف مع المسافة بالقرب من مستوى مسير الشمس:

أين أنج. سرعة دوران الشمس, و- المكون الشعاعي لسرعة الهواء المركزي، المؤشر 0 يتوافق مع المستوى الأولي. وعلى مسافة مدار الأرض تكون الزاوية بين اتجاه المغناطيس. الحقول و رحوالي 45 درجة. بحجم كبير L مغناطيسي. المجال عمودي تقريبًا على R.

أرز. 5. شكل خط المجال المغناطيسي بين الكواكب. - السرعة الزاوية لدوران الشمس، و- المكون الشعاعي لسرعة البلازما، R - مسافة مركزية الشمس.

S. v.، تنشأ فوق مناطق الشمس المختلفة. التوجه المغناطيسي الحقول، تتدفق الأشكال مع التربة الصقيعية ذات التوجهات المختلفة. فصل البنية واسعة النطاق المرصودة للنظام الشمسي. لعدد زوجي من القطاعات مع مختلفة يسمى اتجاه المكون الشعاعي لصندوق النقد الدولي. هيكل القطاع بين الكواكب. خصائص S. v. (السرعة، ودرجة الحرارة، وتركيز الجسيمات، وما إلى ذلك) أيضًا يوم الأربعاء. التغير الطبيعي في المقطع العرضي لكل قطاع والذي يرتبط بوجود تدفق سريع للمياه الشمسية داخل القطاع. وتقع حدود القطاعات عادة ضمن التدفق البطيء للشمال. في أغلب الأحيان، يتم ملاحظة قطاعين أو 4 قطاعات، تدور مع الشمس. يتكون هذا الهيكل عندما يتم سحب S. للخارج. ماج على نطاق واسع. حقول الاكليل، يمكن ملاحظتها لعدة. دورات الشمس. الهيكل القطاعي لصندوق النقد الدولي هو نتيجة لوجود طبقة تيار (CS) في الوسط بين الكواكب، والتي تدور مع الشمس. TS يخلق طفرة مغناطيسية. الحقول - المكونات الشعاعية لصندوق النقد الدولي لها علامات مختلفة على جوانب مختلفة من السيارة. ويمر هذا TS، الذي تنبأ به H. Alfven، عبر تلك الأجزاء من الإكليل الشمسي المرتبطة بالمناطق النشطة في الشمس، ويفصل هذه المناطق عن المناطق المختلفة. علامات المكون الشعاعي للمغناطيس الشمسي. مجالات. يقع TS تقريبًا على مستوى خط الاستواء الشمسي وله هيكل مطوي. يؤدي دوران الشمس إلى التواء طيات TC في شكل حلزوني (الشكل 6). كونه بالقرب من مستوى مسير الشمس، يجد المراقب نفسه إما أعلى أو أسفل TS، مما يجعله في القطاعات ذات العلامات المختلفة للمكون الشعاعي لصندوق النقد الدولي.

بالقرب من الشمس في الشمال. هناك تدرجات في السرعة الطولية والعرضية ناتجة عن الاختلاف في سرعات التدفقات السريعة والبطيئة. كلما ابتعدت عن الشمس، تصبح الحدود بين الجداول في الشمال أكثر انحدارًا. تنشأ تدرجات السرعة الشعاعية، مما يؤدي إلى التكوين موجات صدمية غير تصادمية(الشكل 7). أولاً، يتم تشكيل موجة صدمة، تنتشر للأمام من حدود القطاعات (موجة صدمة أمامية)، ثم يتم تشكيل موجة صدمة عكسية، تنتشر نحو الشمس.

أرز. 6. شكل الطبقة الحالية للغلاف الشمسي. تقاطعه مع مستوى مسير الشمس (يميل إلى خط الاستواء الشمسي بزاوية ~ 7 درجات) يعطي هيكل القطاع المرصود للمجال المغناطيسي بين الكواكب.

أرز. 7. هيكل قطاع المجال المغناطيسي بين الكواكب. الأسهم القصيرة توضح اتجاه تدفق بلازما الرياح الشمسية، الخطوط ذات الأسهم - خطوط المجال المغناطيسي، الخطوط المنقطة - حدود القطاع (تقاطع مستوى الرسم مع الطبقة الحالية).

وبما أن سرعة موجة الصدمة أقل من سرعة الطاقة الشمسية، فإن البلازما تقوم بتحريك موجة الصدمة العكسية في الاتجاه البعيد عن الشمس. تتشكل موجات الصدمة بالقرب من حدود القطاع على مسافات تبلغ حوالي 1 وحدة فلكية. هـ ويمكن تتبعها إلى مسافات عدة. أ. هـ- تعمل موجات الصدمة هذه، بالإضافة إلى موجات الصدمة بين الكواكب الناتجة عن التوهجات الشمسية وموجات الصدمة المحيطة بالكواكب، على تسريع الجسيمات، وبالتالي فهي مصدر للجسيمات النشطة.

S. V. يمتد إلى مسافات ~ 100 AU. على سبيل المثال، حيث يوازن ضغط الوسط بين النجوم الديناميكية. ضغط الدم التجويف الذي اجتاحت S. v. في الوسط البينجمي يشكل الغلاف الشمسي (انظر. البيئة بين الكواكب).توسيع S. v. جنبا إلى جنب مع المغناطيس المجمدة فيه. يمنع المجال تغلغل جزيئات المجرة في النظام الشمسي. فضاء أشعة ذات طاقات منخفضة وتؤدي إلى تغيرات كونية. أشعة عالية الطاقة. كما تم اكتشاف ظاهرة مشابهة لظاهرة S.V. في بعض النجوم الأخرى (انظر: الرياح النجمية).

أشعل.:باركر إن، العمليات الديناميكية في الوسط بين الكواكب، عبر. من الإنجليزية، م.، 1965؛ براندت ج.، الرياح الشمسية، عبر. من الإنجليزية، م.، 1973؛ هوندهاوزن أ.، توسع كورونا والرياح الشمسية، عبر. من الإنجليزية، م، 1976. او ال وايزبيرج.

الرياح المشمسة

- تيار مستمر من البلازما ذات الأصل الشمسي، ينتشر بشكل شعاعي تقريبًا من الشمس ويملأ النظام الشمسي حتى مركز الشمس. المسافات ~ 100 AU S. V. يتم تشكيلها أثناء ديناميكية الغاز. التوسع في الفضاء بين الكواكب. عند درجات الحرارة المرتفعة الموجودة في الإكليل الشمسي (K)، لا يمكن لضغط الطبقات التي تعلوه أن يوازن ضغط الغاز في مادة الإكليل، فيتوسع الإكليل.

تم الحصول على أول دليل على وجود تدفق مستمر للبلازما من الشمس بواسطة L. Biermann (ألمانيا) في الخمسينيات من القرن الماضي. على تحليل القوى المؤثرة على ذيول البلازما للمذنبات. في عام 1957، أظهر يو باركر (الولايات المتحدة الأمريكية)، بتحليل ظروف توازن مادة الإكليل، أن الإكليل لا يمكن أن يكون في ظروف هيدروستاتيكية. التوازن، كما كان مفترضًا سابقًا، يجب أن يتوسع، وهذا التوسع، في ظل الظروف الحدودية الحالية، يجب أن يؤدي إلى تسارع المادة الإكليلية إلى سرعات تفوق سرعة الصوت.

متوسط ​​خصائص S.v. ترد في الجدول. 1. لأول مرة، تم تسجيل تدفق البلازما من أصل شمسي على المركبة الفضائية السوفيتية الثانية. صاروخ لونا -2 عام 1959. تم إثبات وجود تدفق مستمر للبلازما من الشمس نتيجة لعدة أشهر من القياسات في أمريكا. إيه إم إس مارينر 2 عام 1962

الجدول 1. متوسط ​​خصائص الرياح الشمسية في مدار الأرض

سرعة	400 كم / ثانية
كثافة البروتون	6 سم-3
درجة حرارة البروتون	ل
درجة حرارة الإلكترون	ل
قوة المجال المغناطيسي	ه
كثافة تدفق البروتون	سم -2 ق -1
كثافة تدفق الطاقة الحركية	0.3 ergsm -2 ق -1

تيارات ن.ف. يمكن تقسيمها إلى فئتين: بطيئة - بسرعة كم/ث، وسريعة - بسرعة 600-700 كم/ث. تأتي التدفقات السريعة من مناطق الإكليل حيث يكون المجال المغناطيسي قريبًا من الشعاعي. بعض هذه المناطق هي . التيارات البطيئة N.W. يبدو أنها مرتبطة بمناطق التاج حيث يوجد معنى. مكون عرضي ماج. مجالات.

بالإضافة إلى المكونات الرئيسية لـ S.v. - البروتونات والإلكترونات - تم العثور أيضًا في تركيبها على جزيئات وأيونات الأكسجين عالية التأين والسيليكون والكبريت والحديد (الشكل 1). عند تحليل الغازات المحتجزة في الرقائق المكشوفة على القمر، تم العثور على ذرات Ne وAr. متوسط ​​الكيمياء. تكوين S.v. ويرد في الجدول. 2.

الجدول 2. التركيب الكيميائي النسبي للرياح الشمسية

عنصر	نسبي محتوى
ح	0,96
3 هو
4 هو	0,04
يا
ني
سي
آر
الحديد

التأين حالة المادة S.v. يتوافق مع المستوى الموجود في الإكليل حيث يصبح زمن إعادة التركيب صغيرا مقارنة بزمن التمدد، أي. على المسافة . قياسات التأين درجات حرارة الأيونات S.v. جعل من الممكن تحديد درجة حرارة الإلكترون للإكليل الشمسي.

S. V. يحمل المجال المغناطيسي الإكليلي معه إلى الوسط بين الكواكب. مجال. تشكل خطوط المجال لهذا المجال المجمدة في البلازما مجالًا مغناطيسيًا بين الكواكب. المجال (MMP). على الرغم من أن كثافة صندوق النقد الدولي منخفضة وكثافة طاقته تقريبية. 1% حركية طاقة الطاقة الشمسية، فهي تلعب دورًا كبيرًا في الديناميكا الحرارية للطاقة الشمسية. وفي ديناميكيات التفاعلات بين S.v. مع أجسام النظام الشمسي وتيارات الشمال. بين أنفسهم. مزيج من التوسع S.v. مع دوران الشمس يؤدي إلى حقيقة أن ماج. ليونيوم الطاقة المجمدة في S. V. لها شكل قريب من حلزونات أرخميدس (الشكل 2). المكون الشعاعي والسمتي للماج. تتغير الحقول القريبة من مستوى مسير الشمس مع المسافة:
,
أين ر- مركزية الشمس المسافة، - السرعة الزاوية لدوران الشمس، ش ر- مكون السرعة الشعاعية S.v.، الفهرس "0" يتوافق مع المستوى الأولي. وعلى مسافة مدار الأرض الزاوية بين الاتجاهات المغناطيسية. الحقول والاتجاه إلى الشمس، على مركزية الشمس الكبيرة. تكون مسافات صندوق النقد الدولي متعامدة تقريبًا مع الاتجاه نحو الشمس.

S.v.، تنشأ فوق مناطق الشمس ذات التوجهات المغناطيسية المختلفة. الحقول والأشكال تتدفق في التربة الصقيعية ذات التوجهات المختلفة - ما يسمى. المجال المغناطيسي بين الكواكب.

في ن.ف. يتم ملاحظة أنواع مختلفة من الموجات: لانجموير، صفارات، أيون سونيك، مغناطيسي، إلخ. (انظر). تتولد بعض الموجات في الشمس، والبعض الآخر متحمس في الوسط بين الكواكب. يؤدي توليد الموجات إلى تنعيم انحرافات وظيفة توزيع الجسيمات عن وظيفة ماكسويل ويؤدي إلى حقيقة أن S.V. يتصرف وكأنه وسيلة مستمرة. تلعب موجات من نوع ألففين دورًا كبيرًا في تسريع المكونات الصغيرة لموجة S.V. وفي تشكيل وظيفة توزيع البروتون. في ن.ف. كما لوحظت انقطاعات الاتصال والدوران، وهي سمة من سمات البلازما الممغنطة.

تيار N.w. يافل. الأسرع من الصوت فيما يتعلق بسرعة تلك الأنواع من الموجات التي توفر نقلًا فعالًا للطاقة إلى S.V. (ألففين، الموجات الصوتية والمغنطيسية)، ألففين وأرقام ماخ الصوتية S.v. في مدار الأرض. عند تقليم S.V. العوائق التي يمكن أن تنحرف بشكل فعال عن S.v. (المجالات المغناطيسية لعطارد أو الأرض أو المشتري أو ستورن أو الأيونوسفير الموصل للزهرة والمريخ على ما يبدو) تتشكل موجة صدمة القوس. S. V. يتباطأ ويسخن في مقدمة موجة الصدمة، مما يسمح لها بالتدفق حول العائق. في نفس الوقت في ن.ف. يتم تشكيل تجويف - الغلاف المغناطيسي (إما خاص به أو مستحث)، ويتم تحديد شكل وحجم الهيكل من خلال توازن الضغط المغناطيسي. مجالات الكوكب وضغط تدفق البلازما المتدفقة (انظر). تسمى طبقة البلازما الساخنة الموجودة بين موجة الصدمة والعائق الانسيابي. المنطقة الانتقالية. يمكن أن تزيد درجات حرارة الأيونات في مقدمة موجة الصدمة بمقدار 10-20 مرة، والإلكترونات - بمقدار 1.5-2 مرة. ظاهرة موجة الصدمة. يتم ضمان تسخين التدفق من خلال عمليات البلازما الجماعية. يبلغ سمك واجهة موجة الصدمة حوالي 100 كم ويتم تحديده بواسطة معدل النمو (المغنطيسي و/أو الهجين السفلي) أثناء تفاعل التدفق القادم وجزء من التدفق الأيوني المنعكس من الأمام. في حالة التفاعل بين S.v. مع جسم غير موصل (القمر)، لا تنشأ موجة صدمية: يمتص السطح تدفق البلازما، ويتشكل خلف الجسم SW الذي يمتلئ تدريجيًا بالبلازما. تجويف.

يتم فرض العملية الثابتة لتدفق بلازما الهالة من خلال عمليات غير ثابتة مرتبطة بـ. أثناء التوهجات الشمسية القوية، يتم إخراج المادة من المناطق السفلية من الإكليل إلى الوسط بين الكواكب. في هذه الحالة، يتم تشكيل موجة الصدمة أيضًا (الشكل 3)، وتتباطأ الحواف تدريجيًا عند التحرك عبر بلازما SW. يؤدي وصول موجة الصدمة إلى الأرض إلى ضغط الغلاف المغناطيسي، وبعد ذلك يبدأ عادة تطور المغناطيسية. العواصف

يمكن الحصول على المعادلة التي تصف توسع الإكليل الشمسي من نظام معادلات حفظ الكتلة والزخم الزاوي. تظهر حلول هذه المعادلة، التي تصف الطبيعة المختلفة للتغير في السرعة مع المسافة، في الشكل. 4. يتوافق الحلان 1 و2 مع السرعات المنخفضة عند قاعدة التاج. يتم تحديد الاختيار بين هذين الحلين من خلال الظروف عند اللانهاية. الحل 1 يتوافق مع معدلات تمدد الإكليل المنخفضة ("النسيم الشمسي" حسب ج. تشامبرلين، الولايات المتحدة الأمريكية) ويعطي قيم ضغط كبيرة عند اللانهاية، أي. يواجه نفس الصعوبات التي يواجهها النموذج الثابت. التيجان الحل 2 يتوافق مع انتقال معدل التوسع من خلال سرعة الصوت ( ضد ك) على الروم معينة الحرجة. مسافة آر كوالتوسع اللاحق بسرعة تفوق سرعة الصوت. يعطي هذا الحل قيمة صغيرة جدًا للضغط عند اللانهاية، مما يجعل من الممكن التوفيق بينها وبين الضغط المنخفض للوسط بين النجوم. أطلق باركر على هذا النوع من التيار اسم الرياح الشمسية. شديد الأهمية وتكون النقطة فوق سطح الشمس إذا كانت درجة حرارة الإكليل أقل من قيمة حرجة معينة. القيم، حيث م- كتلة البروتون، - مؤشر ثابت الحرارة. في التين. ويبين الشكل 5 التغير في معدل التوسع من مركزية الشمس. المسافة اعتمادا على درجة الحرارة متساوي الحرارة. كورونا الخواص. النماذج اللاحقة من S.v. تأخذ في الاعتبار التغيرات في درجة حرارة الإكليل مع المسافة، والطبيعة السائلة للوسط (غازات الإلكترون والبروتون)، والتوصيل الحراري، واللزوجة، والطبيعة غير الكروية للتمدد. النهج إلى المادة S.v. كيفية وجود وسيلة مستمرة له ما يبرره من خلال وجود صندوق النقد الدولي والطبيعة الجماعية للتفاعل بين البلازما SW، الناجمة عن أنواع مختلفة من عدم الاستقرار. S. V. يوفر الأساسية تدفق الطاقة الحرارية من الهالة، لأن نقل الحرارة إلى الكروموسفير والمغناطيس الكهربائي. الإشعاع الناتج عن مادة الهالة شديدة التأين والتوصيل الحراري الإلكتروني للطاقة الشمسية. غير كافية لإنشاء الحرارية توازن التاج. تضمن التوصيل الحراري الإلكتروني انخفاضًا بطيئًا في درجة الحرارة المحيطة. مع المسافة. S. V. لا يلعب أي دور ملحوظ في طاقة الشمس ككل، لأن تدفق الطاقة الذي يحمله هو ~ 10 -8

في عام 1957، تنبأ البروفيسور إي. باركر من جامعة شيكاغو نظريًا بهذه الظاهرة، والتي أطلق عليها اسم "الرياح الشمسية". استغرق الأمر عامين حتى يتم تأكيد هذا التنبؤ تجريبيًا باستخدام الأدوات المثبتة على المركبة الفضائية السوفيتية لونا-2 ولونا-3 بواسطة مجموعة كي.آي.جرينجوز. ما هي هذه الظاهرة؟

الرياح الشمسية عبارة عن تيار من غاز الهيدروجين المتأين بالكامل، والذي يُطلق عليه عادة بلازما الهيدروجين المتأينة بالكامل بسبب الكثافة المتساوية تقريبًا للإلكترونات والبروتونات (حالة شبه الحياد)، والتي تتسارع بعيدًا عن الشمس. في منطقة مدار الأرض (عند وحدة فلكية واحدة أو وحدة فلكية واحدة من الشمس)، تصل سرعتها إلى متوسط ​​قيمة V E » 400–500 كم/ثانية عند درجة حرارة البروتون T E » 100000 كلفن ودرجة حرارة إلكترون أعلى قليلاً ( يشير المؤشر "E" هنا وفيما يلي إلى مدار الأرض). في مثل هذه درجات الحرارة، تكون السرعة أعلى بكثير من سرعة الصوت بمقدار 1 وحدة فلكية، أي. إن تدفق الرياح الشمسية في منطقة مدار الأرض أسرع من الصوت (أو تفوق سرعته سرعة الصوت). تركيز البروتونات (أو الإلكترونات) المُقاس صغير جدًا ويصل إلى 10-20 جسيمًا لكل سنتيمتر مكعب. بالإضافة إلى البروتونات والإلكترونات، تم اكتشاف جسيمات ألفا (في حدود عدة بالمائة من تركيز البروتون)، وكمية صغيرة من الجسيمات الأثقل، بالإضافة إلى مجال مغناطيسي بين الكواكب في الفضاء بين الكواكب، حيث تبين متوسط ​​قيمة الحث أن تكون بترتيب عدة غاما في مدار الأرض (1g = 10 –5 غاوس).

انهيار فكرة الإكليل الشمسي الساكن.

لفترة طويلة كان يعتقد أن جميع الأجواء النجمية في حالة توازن هيدروستاتيكي، أي. في حالة تكون فيها قوة الجذب الثقالي لنجم معين متوازنة مع القوة المرتبطة بتدرج الضغط (التغير في الضغط في الغلاف الجوي للنجم على مسافة صمن وسط النجم . رياضيا، يتم التعبير عن هذا التوازن كمعادلة تفاضلية عادية،

أين ز- ثابت الجاذبية، م* - كتلة النجم، صو r – الضغط وكثافة الكتلة على مسافة ما صمن النجم. التعبير عن كثافة الكتلة من معادلة الحالة للغاز المثالي

ر= ص ر.ت

ومن خلال الضغط ودرجة الحرارة وتكامل المعادلة الناتجة نحصل على ما يسمى بالصيغة البارومترية ( ر- ثابت الغاز)، وهو في حالة معينة من درجة حرارة ثابتة تيشبه

أين ص 0 - يمثل الضغط عند قاعدة الغلاف الجوي للنجم (عند ص = ص 0). وبما أنه كان يُعتقد قبل عمل باركر أن الغلاف الجوي الشمسي، مثل الأجواء الخاصة بالنجوم الأخرى، كان في حالة توازن هيدروستاتيكي، فقد تم تحديد حالته من خلال صيغ مماثلة. مع الأخذ في الاعتبار الظاهرة غير العادية وغير المفهومة تمامًا المتمثلة في الارتفاع الحاد في درجة الحرارة من حوالي 10000 كلفن على سطح الشمس إلى 1000000 كلفن في الإكليل الشمسي، طور س. تشابمان نظرية الإكليل الشمسي الثابت، والتي كان من المفترض أن تكون للانتقال بسلاسة إلى الوسط البينجمي المحلي المحيط بالنظام الشمسي. ويتبع ذلك، وفقا لأفكار S. Chapman، فإن الأرض، مما يجعل ثوراتها حول الشمس، مغمورة في الهالة الشمسية الثابتة. وقد شارك علماء الفيزياء الفلكية وجهة النظر هذه لفترة طويلة.

وجه باركر ضربة لهذه الأفكار الراسخة بالفعل. ولفت الانتباه إلى أن الضغط عند اللانهاية (عند ص® з)، الذي تم الحصول عليه من الصيغة البارومترية، أكبر بحوالي 10 مرات من الضغط المقبول في ذلك الوقت للوسط البينجمي المحلي. وللقضاء على هذا التناقض، اقترح إي. باركر أن الإكليل الشمسي لا يمكن أن يكون في حالة توازن هيدروستاتيكي، بل يجب أن يتوسع باستمرار في الوسط بين الكواكب المحيط بالشمس، أي. سرعة شعاعية الخامسالهالة الشمسية ليست صفراً. علاوة على ذلك، بدلاً من معادلة التوازن الهيدروستاتيكي، اقترح استخدام معادلة هيدروديناميكية لحركة النموذج، حيث م E هي كتلة الشمس.

لتوزيع درجة حرارة معينة تكدالة للبعد عن الشمس، حل هذه المعادلة باستخدام الصيغة البارومترية للضغط ومعادلة حفظ الكتلة في الصورة

يمكن تفسيرها على أنها الرياح الشمسية وبالتحديد بمساعدة هذا الحل مع الانتقال من التدفق دون الصوتي (عند صص *) إلى الأسرع من الصوت (في ص > ص*) يمكن تعديل الضغط رمع الضغط في الوسط البينجمي المحلي، وبالتالي فإن هذا الحل المسمى بالرياح الشمسية هو الذي يتم تنفيذه في الطبيعة.

أكدت القياسات المباشرة الأولى لمعلمات البلازما بين الكواكب، والتي تم إجراؤها على أول مركبة فضائية تدخل الفضاء بين الكواكب، صحة فكرة باركر حول وجود الرياح الشمسية الأسرع من الصوت، واتضح أنها موجودة بالفعل في منطقة مدار الأرض سرعة الرياح الشمسية تفوق سرعة الصوت بكثير. ومنذ ذلك الحين، لم يكن هناك شك في أن فكرة تشابمان عن التوازن الهيدروستاتيكي للغلاف الجوي الشمسي خاطئة، وأن الإكليل الشمسي يتوسع باستمرار بسرعة تفوق سرعة الصوت في الفضاء بين الكواكب. وبعد ذلك بقليل، أظهرت الأرصاد الفلكية أن العديد من النجوم الأخرى لها “رياح نجمية” تشبه الرياح الشمسية.

على الرغم من أنه تم التنبؤ بالرياح الشمسية نظريًا بناءً على نموذج هيدروديناميكي متماثل كرويًا، فقد تبين أن الظاهرة نفسها أكثر تعقيدًا.

ما هو النمط الحقيقي لحركة الرياح الشمسية؟لفترة طويلة، اعتبرت الرياح الشمسية متناظرة كرويا، أي. مستقلة عن خطوط الطول والعرض الشمسية. بسبب ال مركبة فضائيةحتى عام 1990، عندما تم إطلاق المركبة الفضائية يوليسيس، كانت معظم الرحلات الجوية في المستوى البروسي، وكانت القياسات التي أجريت على هذه المركبة الفضائية تعطي توزيعات لمعلمات الرياح الشمسية فقط في هذا المستوى. أشارت الحسابات المستندة إلى ملاحظات انحراف ذيول المذنبات إلى استقلال تقريبي لمعلمات الرياح الشمسية عن خط العرض الشمسي، ومع ذلك، لم يكن هذا الاستنتاج المستند إلى ملاحظات المذنبات موثوقًا بدرجة كافية بسبب الصعوبات في تفسير هذه الملاحظات. على الرغم من أن الاعتماد الطولي لمعلمات الرياح الشمسية تم قياسه بواسطة أدوات مثبتة على المركبات الفضائية، إلا أنه كان إما غير مهم ومرتبطًا بالمجال المغناطيسي بين الكواكب ذو الأصل الشمسي، أو بعمليات غير ثابتة قصيرة المدى على الشمس (بشكل رئيسي مع التوهجات الشمسية). .

أظهرت قياسات معلمات البلازما والمجال المغناطيسي في مستوى مسير الشمس أن ما يسمى بهياكل القطاع ذات المعلمات المختلفة للرياح الشمسية واتجاهات مختلفة للمجال المغناطيسي يمكن أن توجد في الفضاء بين الكواكب. تدور مثل هذه الهياكل مع الشمس وتشير بوضوح إلى أنها نتيجة لبنية مماثلة في الغلاف الجوي الشمسي، وبالتالي تعتمد معالمها على خط الطول الشمسي. يظهر الهيكل النوعي المكون من أربعة قطاعات في الشكل. 1.

وفي الوقت نفسه، تكتشف التلسكوبات الأرضية المجال المغناطيسي العام على سطح الشمس. ويقدر متوسط ​​\u200b\u200bقيمته بـ 1 G، على الرغم من أنه في التكوينات الضوئية الفردية، على سبيل المثال، في البقع الشمسية، يمكن أن يكون المجال المغناطيسي أكبر من حيث الحجم. وبما أن البلازما موصل جيد للكهرباء، فإن المجالات المغناطيسية الشمسية تتفاعل بطريقة أو بأخرى مع الرياح الشمسية بسبب ظهور القوة الدافعة العميقة ي ґ ب. هذه القوة صغيرة في الاتجاه الشعاعي، أي. وليس لها أي تأثير عملياً على توزيع المكون الشعاعي للرياح الشمسية، إلا أن انعكاسها على اتجاه متعامد مع الاتجاه الشعاعي يؤدي إلى ظهور مكون السرعة العرضية في الرياح الشمسية. على الرغم من أن هذا المكون أصغر بمرتين تقريبًا من المكون الشعاعي، إلا أنه يلعب دورًا مهمًا في إزالة الزخم الزاوي من الشمس. يقترح علماء الفيزياء الفلكية أن الظرف الأخير قد يلعب دورًا مهمًا في تطور ليس فقط الشمس، ولكن أيضًا النجوم الأخرى التي تم اكتشاف رياح نجمية فيها. على وجه الخصوص، لتفسير الانخفاض الحاد في السرعة الزاوية لنجوم الطبقة الطيفية المتأخرة، غالبًا ما يتم الاستناد إلى الفرضية القائلة بأنها تنقل زخم الدوران إلى الكواكب المتكونة حولها. إن الآلية المدروسة لفقدان الزخم الزاوي للشمس بسبب تدفق البلازما منها في وجود مجال مغناطيسي تفتح إمكانية مراجعة هذه الفرضية.

أظهرت قياسات متوسط ​​المجال المغناطيسي ليس فقط في منطقة مدار الأرض، ولكن أيضًا على مسافات كبيرة من مركز الشمس (على سبيل المثال، على المركبة الفضائية Voyager 1 و2 وPioneer 10 و11) أنه في مستوى مسار الشمس، يتزامن تقريبًا مع مستوى خط الاستواء الشمسي، يتم وصف حجمه واتجاهه بشكل جيد من خلال الصيغ

تلقاها باركر. وفي هذه الصيغ، التي تصف ما يسمى بالدوامة باركيريان لأرخميدس، الكميات بص، ب j - المكونات الشعاعية والسمتية لمتجه الحث المغناطيسي، على التوالي، W - السرعة الزاوية لدوران الشمس، الخامس- المكون الشعاعي للرياح الشمسية، المؤشر "0" يشير إلى نقطة الإكليل الشمسي التي يعرف عندها حجم المجال المغناطيسي.

إن إطلاق وكالة الفضاء الأوروبية للمركبة الفضائية يوليسيس في أكتوبر 1990، والتي تم حساب مسارها بحيث تدور الآن حول الشمس في مستوى متعامد مع مستوى مسار الشمس، أدى إلى تغيير فكرة أن الرياح الشمسية متناظرة كرويًا تمامًا. في التين. يوضح الشكل 2 توزيعات السرعة الشعاعية وكثافة بروتونات الرياح الشمسية المقاسة على مركبة يوليسيس الفضائية كدالة لخط العرض الشمسي.

يوضح هذا الشكل الاعتماد القوي على خطوط العرض لمعلمات الرياح الشمسية. وتبين أن سرعة الرياح الشمسية تزداد، وتقل كثافة البروتونات مع خط العرض الشمسي. وإذا كانت السرعة الشعاعية في مستوى مسير الشمس في المتوسط ​​~ 450 كم / ثانية، وكثافة البروتون ~ 15 سم -3، إذن، على سبيل المثال، عند خط عرض شمسي 75 درجة، تكون هذه القيم ~ 700 كم / ثانية و ~5 سم – 3 على التوالي. يكون اعتماد معلمات الرياح الشمسية على خط العرض أقل وضوحًا خلال فترات الحد الأدنى من النشاط الشمسي.

العمليات غير الثابتة في الرياح الشمسية.

يفترض النموذج الذي اقترحه باركر التماثل الكروي للرياح الشمسية واستقلالية بارامتراتها عن الزمن (ثبات الظاهرة قيد النظر). ومع ذلك، فإن العمليات التي تحدث في الشمس، بشكل عام، ليست ثابتة، وبالتالي فإن الرياح الشمسية ليست ثابتة. الأوقات المميزة للتغيرات في المعلمات لها مقاييس مختلفة جدًا. وعلى وجه الخصوص، هناك تغيرات في معلمات الرياح الشمسية المرتبطة بدورة النشاط الشمسي التي تبلغ 11 عامًا. في التين. يوضح الشكل 3 متوسط ​​الضغط الديناميكي (أكثر من 300 يوم) للرياح الشمسية المقاس باستخدام المركبتين الفضائيتين IMP-8 وVoyager-2 (r الخامس 2) في منطقة مدار الأرض (عند 1 AU) لمدة 11 عامًا الدورة الشمسيةالنشاط الشمسي (الجزء العلوي من الشكل). في الجزء السفلي من الشكل. ويبين الشكل 3 التغير في عدد البقع الشمسية خلال الفترة من 1978 إلى 1991 (العدد الأقصى يتوافق مع الحد الأقصى للنشاط الشمسي). ويمكن ملاحظة أن معلمات الرياح الشمسية تتغير بشكل ملحوظ خلال فترة زمنية تبلغ حوالي 11 عامًا. في الوقت نفسه، أظهرت القياسات التي أجريت على المركبة الفضائية "يوليسيس" أن مثل هذه التغييرات لا تحدث فقط في مستوى مسير الشمس، ولكن أيضًا عند خطوط العرض الهيلوغرافية الأخرى (عند القطبين يكون الضغط الديناميكي للرياح الشمسية أعلى قليلاً منه عند خط الاستواء).

يمكن أن تحدث تغييرات في معلمات الرياح الشمسية أيضًا على نطاقات زمنية أصغر بكثير. على سبيل المثال، تؤدي التوهجات الشمسية والمعدلات المختلفة لتدفق البلازما من مناطق مختلفة من الإكليل الشمسي إلى تكوين موجات صدمية بين الكواكب في الفضاء بين الكواكب، والتي تتميز بقفزة حادة في السرعة والكثافة والضغط ودرجة الحرارة. تظهر آلية تكوينها نوعيا في الشكل. 4. عندما يلحق التدفق السريع لأي غاز (على سبيل المثال، البلازما الشمسية) بتدفق أبطأ، تظهر فجوة تعسفية في معلمات الغاز عند نقطة الاتصال، حيث قوانين الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة غير راضية. مثل هذا الانقطاع لا يمكن أن يوجد في الطبيعة وينقسم، على وجه الخصوص، إلى موجتين صادمتين (تؤدي قوانين حفظ الكتلة والزخم والطاقة عليهما إلى ما يسمى بعلاقات هوغونيو) وانقطاع عرضي (تؤدي نفس قوانين الحفظ إلى إلى حقيقة أن الضغط ومكون السرعة العادية يجب أن يكونا مستمرين). في التين. 4 تظهر هذه العملية في شكل مبسط لتوهج متناظر كرويًا. وتجدر الإشارة هنا إلى أن مثل هذه الهياكل، التي تتكون من موجة صدمية أمامية، وانقطاع عرضي، وموجة صدمية ثانية (صدمة عكسية)، تتحرك من الشمس بحيث تتحرك الصدمة الأمامية بسرعة أكبر من سرعة الشمس. الرياح الشمسية، تتحرك الصدمة العكسية من الشمس بسرعة أقل بقليل من سرعة الرياح الشمسية، وسرعة الانقطاع العرضي تساوي سرعة الرياح الشمسية. يتم تسجيل مثل هذه الهياكل بانتظام بواسطة الأجهزة المثبتة على المركبات الفضائية.

على التغيرات في معلمات الرياح الشمسية مع المسافة من الشمس.

يتم تحديد التغير في سرعة الرياح الشمسية مع المسافة من الشمس بواسطة قوتين: قوة الجاذبية الشمسية والقوة المرتبطة بتغيرات الضغط (تدرج الضغط). وبما أن قوة الجاذبية تتناقص مع مربع المسافة من الشمس، فإن تأثيرها يكون ضئيلاً على مسافات مركزية الشمس الكبيرة. تظهر الحسابات أنه بالفعل في مدار الأرض يمكن إهمال تأثيرها، وكذلك تأثير تدرج الضغط. وبالتالي يمكن اعتبار سرعة الرياح الشمسية ثابتة تقريبًا. علاوة على ذلك، فهو يتجاوز سرعة الصوت بشكل كبير (تدفق تفوق سرعته سرعة الصوت). ثم من المعادلة الهيدروديناميكية أعلاه للهالة الشمسية يترتب على ذلك أن الكثافة r تنخفض بمقدار 1 / ص 2. أكدت المركبة الفضائية الأمريكية Voyager 1 و 2 و Pioneer 10 و 11، التي تم إطلاقها في منتصف السبعينيات وتقع الآن على مسافة عدة عشرات من الوحدات الفلكية من الشمس، هذه الأفكار حول معلمات الرياح الشمسية. وأكدوا أيضًا وجود دوامة باركر أرخميدس المتوقعة نظريًا للمجال المغناطيسي بين الكواكب. ومع ذلك، فإن درجة الحرارة لا تتبع قانون التبريد الأديابي مع توسع الهالة الشمسية. وعلى مسافات كبيرة جدًا من الشمس، تميل الرياح الشمسية إلى الدفء. وقد يعود هذا التسخين إلى سببين: تبديد الطاقة المرتبط باضطرابات البلازما وتأثير ذرات الهيدروجين المحايدة التي تخترق الرياح الشمسية من الوسط النجمي المحيط بها. النظام الشمسي. ويؤدي السبب الثاني أيضًا إلى كبح بعض الرياح الشمسية على مسافات كبيرة من مركز الشمس، تم اكتشافها على المركبة الفضائية المذكورة أعلاه.

خاتمة.

وهكذا تكون الرياح الشمسية ظاهرة فيزيائيةوهي ليست فقط ذات أهمية أكاديمية بحتة مرتبطة بدراسة العمليات في البلازما الموجودة في الظروف الطبيعية للفضاء الخارجي، ولكنها أيضًا عامل يجب أخذه في الاعتبار عند دراسة العمليات التي تحدث في محيط الأرض، حيث أن هذه العمليات تؤثر بدرجة أو بأخرى على حياتنا. على وجه الخصوص، تؤثر تدفقات الرياح الشمسية عالية السرعة التي تتدفق حول الغلاف المغناطيسي للأرض على بنيته، ويمكن أن تؤدي العمليات غير الثابتة على الشمس (على سبيل المثال، التوهجات) إلى عواصف مغناطيسية تعطل الاتصالات اللاسلكية وتؤثر على سلامة الطقس. الناس الحساسين. وبما أن الرياح الشمسية تنشأ في الإكليل الشمسي فإن خصائصها في منطقة مدار الأرض تعتبر مؤشرا جيدا لدراسة مهمة الأنشطة العمليةشخص من الاتصالات الشمسية والأرضية. ومع ذلك، هذه منطقة مختلفة بحث علمي، وهو ما لن نتطرق إليه في هذا المقال.

فلاديمير بارانوف

ويمكن استخدامه ليس فقط كجهاز دفع للسفن الشراعية الفضائية، ولكن أيضًا كمصدر للطاقة. الاستخدام الأكثر شهرة للرياح الشمسية بهذه الصفة كان أول من اقترحه فريمان دايسون، الذي اقترح أن الحضارة المتطورة للغاية يمكن أن تخلق كرة حول نجم من شأنها أن تجمع كل الطاقة المنبعثة منه. وبناءً على ذلك، تم أيضًا اقتراح طريقة أخرى للبحث عن حضارات خارج كوكب الأرض.

وفي الوقت نفسه، اقترح فريق من الباحثين في جامعة واشنطن (جامعة ولاية واشنطن)، بقيادة بروكس هاروب، مفهومًا أكثر عملية لاستخدام طاقة الرياح الشمسية - أقمار دايسون-هاروب الصناعية. إنها محطات طاقة بسيطة إلى حد ما تحصد الإلكترونات من الرياح الشمسية. يتم تنشيط قضيب معدني طويل موجه نحو الشمس لتوليد مجال مغناطيسي يجذب الإلكترونات. وفي الطرف الآخر يوجد جهاز استقبال مصيدة الإلكترون يتكون من شراع وجهاز استقبال.

وفقًا لحسابات هاروب، فإن القمر الصناعي الذي يحتوي على قضيب يبلغ طوله 300 متر وسمكه 1 سم ومصيدة يبلغ طولها 10 أمتار في مدار الأرض سيكون قادرًا على "جمع" ما يصل إلى 1.7 ميجاوات. وهذا يكفي لتزويد حوالي 1000 منزل خاص بالطاقة. نفس القمر الصناعي، ولكن بقضيب يبلغ طوله كيلومترًا وشراعًا يبلغ طوله 8400 كيلومترًا، سيكون قادرًا على "جمع" مليار مليار جيجاوات من الطاقة (10 27 واط). كل ما تبقى هو نقل هذه الطاقة إلى الأرض للتخلي عن جميع أنواعها الأخرى.

يقترح فريق هاروب نقل الطاقة باستخدام شعاع الليزر. ومع ذلك، إذا كان تصميم القمر الصناعي نفسه بسيطًا جدًا وممكنًا تمامًا على المستوى التكنولوجي الحالي، فإن إنشاء "كابل" ليزر لا يزال مستحيلًا من الناحية الفنية. والحقيقة هي أنه من أجل جمع الرياح الشمسية بشكل فعال، يجب أن يقع القمر الصناعي دايسون-هاروب خارج مستوى مسير الشمس، مما يعني أنه يقع على بعد ملايين الكيلومترات من الأرض. عند هذه المسافة، سينتج عن شعاع الليزر بقعة قطرها آلاف الكيلومترات. سيتطلب نظام التركيز المناسب عدسة يتراوح قطرها من 10 إلى 100 متر. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن استبعاد العديد من المخاطر الناجمة عن فشل النظام المحتمل. ومن ناحية أخرى، فإن الطاقة مطلوبة أيضًا في الفضاء نفسه، وقد تصبح أقمار دايسون-هاروب الصناعية الصغيرة المصدر الرئيسي لها، لتحل محل الألواح الشمسية والمفاعلات النووية.