Сонячний вітер, особливості міжпланетного простору (Сонце

Сонячний вітер, особливості міжпланетного простору (Сонце - Планети )

Астрономія

Міністерство освіти РФ

Санкт-Петербурзький державний електротехнічний

університет «ЛЕТІ» ім. В.І. Ульянова (Леніна)

Кафедра изос

Реферат з екології на тему:

«СОНЯЧНИЙ ВІТЕР, ОСОБЛИВОСТІ Міжпланетні

ПРОСТОРУ (СОНЦЕ -- ПЛАНЕТИ) »

Роботу виконав: Локсеев К.О.

ФКТІ, 3311 група

Роботу перевірив: Бойцов А.А.

Санкт-Петербург

2004

С О Д Е Р Ж А Н И Е < p> 1. ВСТУП ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 3

2. СОНЯЧНИЙ ВІТЕР, ОСОБЛИВОСТІ

Міжпланетні

ПРОСТОРУ (СОНЦЕ - ПЛАНЕТИ) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3

2.1. СОНЦЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... .. 3

2.2. ЗЕМЛЯ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 7

2.3. КОМЕТИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 11

2.3.1. Поверхня кометного ядра як джерело газовогопотоку ... .... 13

2.3.2. Фізичні процеси в потоці газу, що минає з поверхні кометного ядра ... ... ... ... ... ... ... ... ..

2.3.3. Математична модель витікання газу від комет ... ... ... ... ... ... ...

2.3.4. Взаємодія кометних іоносфери з сонячним вітром ... ... ...

2.3.5. Що передбачила теорія перед польотами

космічних апаратів до комети Галлея

в березні 1986 року ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20

2.4. ПЛАНЕТИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 24

3. ВИСНОВОК ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 25

4. ЛІТЕРАТУРА ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 26

-2 -

1. ВСТУП

Здається, що в світі немає нічого більш постійного, ніж Сонце.
Спостережувані з давніх часів плями на диску Сонця комусь здавалисякурйозом, а комусь - підступами диявола. Лише в XIX столітті було відмічено, щопісля появи сонячних плям на Землі посилюються полярні сяйва іреєструються коливання геомагнітного поля - магнітні бурі. На початку XXстоліття видатний російський вчений А. Л. Чижевський (1897-1964) впершевисловив ідею про вплив сонячної активності на неживий світ, біосферу ісоціальні процеси і назвав її "космічної погодою". Так як фізичніоснови подібного впливу були тоді зовсім невідомі, погляди
Чижевського багато хто вважав близькими до містицизму. Це трагічно позначилосяна долю вченого, а його основоположні праці були видані тільки черезбагато років. В даний час завдяки космічним дослідженням природанашої залежності від Сонця стала більш зрозумілою, а попередження провплив сонячних спалахів і магнітних бур на стан здоров'я іпрацездатність технічних систем стали частиною нашого життя. [5]

2. СОНЯЧНИЙ ВІТЕР, ОСОБЛИВОСТІ Міжпланетні

ПРОСТОРУ (СОНЦЕ - ПЛАНЕТИ)

2.1 СОНЦЕ

Сонячний вітер - безперервний потік плазми сонячного походження,що поширюється приблизно радіально від Сонця і заповнює собою
Сонячну систему до геліоцентричної відстані близько 100 а.е. С.В.утворюється при газодинамічне розширення сонячної корони в міжпланетнийпростір.

Перші свідчення існування С.В. отримані Л. Бірманом (ФРН) в
1950-х рр.. з аналізу сил, що діють на плазмові хвости комет. У 1957р. Ю. Паркер (США), аналізуючи умови рівноваги речовини корони, показав,що корона не може перебувати в умовах гідростатичного рівноваги, якце раніше передбачалося, а повинна розширюватися, і це розширення принаявних граничних умовах повинно приводити до розгону корональноїречовини до надзвукових швидкостей.

Середні характеристики С.В. на орбіті Землі: швидкість 400 км/с,щільність протонів - 6 на 1 куб.см, температура протонів 50 000 К,температура електронів 150 000 К, напруженість магнітного поля 5.10 -5Ерстед.

-3 -

Потоки С.В. можна розділити на два класи: повільні - зі швидкістю бл.
300 км/с і швидкі - зі швидкістю 600-700 км/с.

С.В., що виникає над областями Сонця з різною орієнтацієюмагнітного поля, утворює потоки з різне орієнтованим міжпланетниммагнітним полем - т. зв. секторні структуру міжпланетного магнітного поля.

Міжпланетна секторна структура - це поділ спостерігаєтьсявеликомасштабної структури С.В. на парне число секторів з різнимнапрямком радіального компонента міжпланетного магнітного поля.
Характеристики С.В. (швидкість, температура, концентрація часток і ін)також у середньому закономірно змінюються в перетині кожного сектора, щопов'язане з існуванням всередині сектора швидкого потоку С.В. Межісекторів зазвичай розташовуються всередині повільного потоку С.В. Найчастішеспостерігаються дві або чотири сектори, що обертаються разом із Сонцем. Цяструктура, що утворюється при витягуванні С.В. великомасштабного магнітногополя корони, може спостерігатися протягом декількох обертів Сонця.
Секторна структура є наслідком існування струмового шару вміжпланетної середовищі, який обертається разом із Сонцем. Струмовий шарстворює стрибок магнітного поля: вище шару радіальний компонентміжпланетного магнітного поля має один знак, нижче - інший. Струмовий шаррозташовується приблизно в площині сонячного екватора і маєскладчасту структуру. Обертання Сонця призводить до закручування складокструмового шару в спіралі (т. зв. "ефект балерини"). Знаходячись поблизуплощині екліптики, спостерігач виявляється то вище, то нижче токовогошару, завдяки чому потрапляє в сектори з різними знаками радіальногокомпонента міжпланетного магнітного поля.

При обтіканні С.В. перешкоди, здатних ефективно відхиляти С.В.
(магнітні поля Меркурія, Землі, Юпітера, Сатурна або проводять іоносфери

-4 -
Венери і, очевидно, Марса), утворюється головний відійшла ударна хвиля.
С.В. гальмується і розігрівається на фронті ударної хвилі, що дозволяє йомуПри цьому в С.В. формується порожнина - магнітосфера,форма і розмір якої визначаються балансом тиску магнітного поляпланети і тиску обтічного потоку плазми. Товщина фронту ударної хвилі
- Порядку 100 км. У випадку взаємодії С.В. з непроводящая тілом (Місяць)ударна хвиля не виникає: потік плазми поглинається поверхнею, а затілом утворюється поступово заповнюється плазмою С.В. порожнину.

На стаціонарний процес закінчення плазми корони накладаютьсянестаціонарні процеси, пов'язані зі спалахами на Сонці. При сильнихсонячних спалахах відбувається викид речовини з нижніх областей корони вміжпланетну середу.поступово сповільнюється при русі через плазму С.В.

Прихід ударної хвилі до Землі призводить до стиснення магнітосфери, післяякого зазвичай починається розвиток магнітної бурі.

С.В. тягнеться до відстані бл. 100 а.е., де тиск міжзоряногосередовища врівноважує динамічний тиск С.В. Порожнина, замітає С.В. вміжзоряної середовищі, утворює геліосферу. Розширюється С.В. разом звмороженностью в нього магнітним полем перешкоджає проникненню в Сонячнусистему галактичних космічних променів малих енергій і приводить доваріації космічних променів великих енергій.

Явище, аналогічне С.В., виявлено і в деяких типів інших зірок
(зоряний вітер). [7]

Потік енергії Сонця, що живиться термоядерної реакцією в його центрі, дощастя, виключно стабільний, на відміну від більшості інших зірок.
Більша його частина врешті-решт випускається тонким поверхневим шаром
Сонця - фотосферою - у вигляді електромагнітних хвиль видимого і інфрачервоногодіапазону. Сонячна постійна (величина потоку сонячної енергії наорбіті Землі) дорівнює 1370 Вт/м 2. Можна уявити, що на кожен квадратнийметр поверхні Землі припадає потужність одного електричного чайника.
Всього Сонце тоді можна замінити трохи більше ніж 1014 чайниками.

Над фотосферою розташована корона Сонця - зона, видима з Землі тількипід час сонячних затемнень і заповнена розрідженої і гарячою плазмою зтемпературою в мільйони градусів. Це сама нестабільна оболонка Сонця, вякій зароджуються основні прояви сонячної активності, що впливають на
Землю. Кошлатий вид корони Сонця демонструє структуру його магнітногополя - світяться згустки плазми витягнуті уздовж силових ліній. Гарячаплазма, що закінчується з корони, формує сонячний вітер - потік іонів
(який складається на 96% з ядер водню - протонів і на 4% з ядер гелію - альфа -частинок) і електронів, що розганяється в міжпланетний простір зшвидкістю 400-800 км/с.

Сонячний вітер розтягує, і забирає з собою сонячне магнітне поле.
Це відбувається тому, що енергія спрямованого руху плазми в зовнішнійкороні більше, ніж енергія магнітного поля, і принцип вмороженностьюзахоплює

-5 --поле за плазмою. Комбінація такого радіального закінчення з обертанням Сонця
(а магнітне поле "прикріплено" і до його поверхні) призводить до утворенняспіральної структури міжпланетного магнітного поля - так званої спіралі
Паркера. Сонячний вітер і магнітне поле заповнюють всю Сонячну систему,і, таким чином, Земля і всі інші планети фактично знаходяться в короні
Сонця, відчуваючи вплив не тільки електромагнітного випромінювання, але щеі сонячного вітру і сонячного магнітного поля.

Цікаво, що вперше про існування сонячного вітру здогадалися щедо настання космічної ери при вивченні комет. Якщо б на кометидіяло тільки світлове тиск Сонця, то їх хвости були бспрямовані точно від Сонця. Американський вчений Людвіг Бірман в 1951 роцівиявив, що хвости комет відхилені в середньому на 4 градуси від цьогонапряму. Таке відхилення можна пояснити тільки наявністю потоку іоніві електронів - "вітру", "дме" від Сонця зі швидкістю близько 400 км/с.
Пізніше дані, отримані першими радянськими космічними апаратами
"Луна" в 1959 році, дозволили співробітнику Інституту космічних досліджень
К. І. Грінгаузу з колегами вперше експериментально знайти сонячнийвітер.

Така коротко сучасне уявлення про стабільний Сонце. Повідомленняпро сонячні плями, помітних у вигляді помутнінь на фотосфері, сталі,ймовірно, першими історичними свідченнями сонячної мінливості.
Незважаючи на те, що випадки спостереження окремих великих плям відомі зантичних часів, їх "офіційне" відкриття датується 1611 роком, коливинахід телескопа дозволило розпочати постійні дослідження. У середині
XIX століття німецький учений Рудольф Вольф, зібравши практично всі відомізгадки про плями, виявив приблизно 11-річну періодичність їхпояви (самі плями можуть існувати за кілька місяців). З тих піркількість плям, пораховані за особливою формулою, - число Вольфа - служитьосновною характеристикою сонячної активності. У роки спокійного Сонця - всонячний мінімум - плям практично немає, а під час максимуму сонячноїактивності число плям може сягати кількох десятків.

Щоб зрозуміти причини сонячної активності, нам доведеться познайомитисяближче з магнітним полем Сонця. У період мінімуму активності конфігураціясонячного магнітного поля близька до дипольний і схожа на форму магнітногополя Землі. При наближенні до максимуму активності структура магнітногополя по не цілком зрозумілих причин ускладнюється. Одна з найбільш красивихгіпотез свідчить, що при обертанні Сонця магнітне поле як би навивається нанього, поступово занурюючись під фотосфери. З часом, протягом якразсонячного циклу, магнітний потік, накопичений під поверхнею, стаєтаким великим, що джгути силових ліній починають виштовхувати назовні. Місцявиходу силових ліній утворюють плями на фотосфері і магнітні петлі вкороні, видимі як області підвищеного свічення плазми на рентгенівськихзображеннях Сонця. Величина поля всередині сонячних плям досягає 0,01тесла, в сто разів більше, ніж поле спокійного Сонця.

-6 -

Інтуїтивно енергію магнітного поля можна пов'язати з довжиною і кількістюсилових ліній: їх тим більше, чим вище енергія. При підході до сонячногомаксимуму накопичена у полі величезна енергія починає періодичновибуховим чином вивільнятися, витрачаючи на прискорення і розігрів частиноксонячної корони. Різкі інтенсивні сплески короткохвильовогоелектромагнітного випромінювання Сонця, що супроводжують цей процес, носятьназва сонячних спалахів. На поверхні Землі спалахи реєструються ввидимому діапазоні як невеликі збільшення яскравості окремих діляноксонячної поверхні. Проте вже перші виміри, виконані на бортукосмічних апаратів, показали, що найбільш помітним ефектом спалахіввиявляється значне (до сотень разів) збільшення потоку сонячногорентгенівського випромінювання та енергійних заряджених часток - сонячнихкосмічних променів. Під час деяких спалахів відбуваються також викидизначної кількості плазми і магнітного поля в сонячний вітер - такзваних магнітних хмар, які починають швидко розширюватися вміжпланетний простір, зберігаючи форму магнітної петлі з кінцями,спираються на Сонце. Щільність плазми і величина магнітного поля всерединіхмари в десятки разів перевершують типові для спокійного часу значенняцих параметрів в сонячному вітрі.

Незважаючи на те, що під час великої спалаху може виділитися до 1025джоулів енергії (воістину астрономічна величина), загальне збільшенняпотоку енергії в сонячний максимум невелика і складає всього 0,1-0,2%.
Можна сказати, що сонячна активність - це всього лише гримаса на чистомуі спокійному сонячному диску, обігріває Землю. Але так само як виразобличчя людини може інколи ранить болючіше, ніж будь-яке його дію, такі міжпланетний простір та околиці Землі дуже чутливі досплесків сонячної активності та їх проявам в міжпланетному просторі
- Сонячних космічних променів, магнітним хмар, короткохвильовомуелектромагніт ному випромінювання. Подивимося, що Земля може протиставити всвій захист. [5]

2.2 ЗЕМЛЯ

Якщо основний потік сонячного випромінювання у видимому й інфрачервономудіапазоні необхідний для існування біосфери, то сонячне рентгенівськеі ультрафіолетове випромінювання згубно для живої матерії. На щастя,практично все воно поглинається ще в атмосфері Землі при іонізації їїверхніх шарів. Що утвориться в результаті цього на висотах від 80 додекількох сотень кілометрів оболонка, в якій плазма є сусідами знейтральними атомами і молекулами, називається іоносферою. Іоносфера --найближчий до поверхні Землі шар, який проводить електрику. Вона лежить наізоляторі - нейтральній атмосфері. На відміну, наприклад, від сонячноговітру, іоносфера "вміє" проводить струм поперек силових ліній магнітногополя. Цю здатність створюють часті зіткнення іонів та електронів знейтральними атомами, у великій кількості присутніми на такихвисотах. Стикаючись, заряджені частинки змінюють

-7 --напрямок руху та переходять від однієї силової лінії до іншої, руйнуючиїх ізоляцію.

Від потоку сонячних космічних променів і сонячного вітру Землю захищаємагнітний щит. Хоча цю оболонку неможливо побачити, люди здавнакористувалися земне магнітне поле для визначення напрямку за допомогоюкомпаса. Після здогадки що жив в XVI столітті англійського фізика Вільяма
Гільберта, що Земля - величезний магніт, стало зрозуміло, що геомагнітнеполе існує і в навколоземному просторі. Якщо на її поверхнівеличина магнітного поля складає (3-5) ґ10-5 тесла, залежно відшироти місця виміру, то з видаленням від Землі магнітне поле слабшаєпропорційно третього ступеня відстані і скоро стає доситьслабким, щоб відчувати вплив міжпланетної середовища.

Сонячний вітер у орбіти Землі сильно розріджене і непостійний - середняконцентрація часток у ньому складає близько 1-10 см-3, швидкість - 250-1000км/с, величина міжпланетного магнітного поля - (1-10) ґ10-9 тесла. Так якзаряджені частинки неохоче змінюють силові лінії магнітного поля, потіксонячного вітру не змішується з геомагнітним полем і навколоземногоплазмовим населенням, а оточує їх, утворюючи геомагнітну порожнину --магнітосферу Землі. Кордон магнітосфери - магнітопауза - проходить там, детиск сонячного вітру зрівнюється тиском геомагнітного поля. Усоняшниковій точці вона знаходиться в середньому на відстані дев'яти радіусів
Землі (55-60 тисяч кілометрів) від її центру. Повний зусилля, якесонячний вітер робить на магнітосферу, мале, воно приблизно дорівнюєвазі води у великому басейні, але тим не менше зовнішні області магнітосфери,заповнені слабким геомагнітним полем, сильно спотворені щодопочатковій - дипольний - форми. З боку Сонця (денний сто?? они)магнітосфера сплющується, а з протилежного - нічний - витягується,утворюючи магнітний хвіст, що тягнеться на сотні радіусів Землі, більше мільйонакілометрів. А оскільки потік сонячного вітру надзвуковий, то передмагнітосфери, як перед надзвуковим літаком, утворюється ударна хвиля.

Зовнішня магнітосфера містить розріджену (менше 1 см-3) плазмусонячного і іоно-Сферна походження, нагріту до мільйонів і сотеньмільйонів градусів. Але при таких низьких щільностях поняття температури якзаходи теплоти об'єкта, що знаходиться в термодинамічній рівновазі,стає безглуздим і замість температури використовують величину середньоїенергії заряджених часток, виражену в електрон-вольт (еВ). Частка зодиничним зарядом набуває (або втрачає, в залежності від знаку заряду)один електрон-вольт енергії, пройшовши різниця потенціалів 1 В. Температураплазми в цих одиницях складає від 1 до 100 кілоелектрон-вольт (кеВ).

Незважаючи на те, що повна маса гарячих часток зовнішньої магнітосферистановить усього близько тонни, їх роль у побудові магнітосфери дужеважлива. Тільки найпростіші конфігурації магнітного поля типу дипольний можутьіснувати в просторі самі по собі, в створенні ж більш складних форм,до яких належить і магнітосфера, згідно з рівнянням Максвелла,повинні

-8 --брати участь електричні струми. Таку замкнуту систему струмів, що течуть поздебільшого в місцях різких змін напрямку магнітного поля --навколо Землі вздовж магнітопаузи (струм Чепмена-Ферраро), поперек магнітногохвоста і деяких інших, і формують частинки плазми.

Загалом вплив сонячного вітру на магнітосферу досить сильно, алеїї форма спотвореного диполя завжди зберігається. Так як частинки легкопересуваються уздовж силових ліній магнітного поля, особливості різнихобластей магнітосфери проектуються вздовж ліній і на малі висоти, віоносферу. Силові лінії з більш віддалених областей підходять до Землі вбільш близьких до полюсів районах. Приполярні райони - "полярні шапки" --завжди заповнені так званими "відкритими" силовими лініями, інший кінецьяких іде в міжпланетний простір. Все більш близькі до екваторасилові лінії замкнуті, і обидва їх кінця впираються в Землю. Лінії, найбільшвіддалені точки яких знаходяться в околицях магнітопаузи і в магнітномухвості - найдинамічніших областях магнітосфери, сильно реагують назміни у сонячному вітрі, підходять до Землі в зонах так званогоавроральних овалу, розташованих на 65-72 градусах магнітної широти.
(Тут треба пам'ятати, що магнітні полюси зміщені щодогеографічних і південний магнітний полюс знаходиться на півночі канадськогоархіпелагу, в точці з координатами 71 ° північної широти і 265 ° довготи). Уекваторіальній області до Землі підходять лінії з більш стабільноювнутрішньої магнітосфери, що зберігає дипольні конфігурацію поля.

Описана вище схема магнітосфери була вперше запропонована американськимифізиками Сідні Чeпменом і Вінцентом Ферраро в 30-х роках XX століття. Вонавдало описувала форму магнітосфери, але не могла пояснити раптовихвідхилень геомагнітного поля від свого постійного значення. Таківідхилення історично називають геомагнітної активністю.

Більш близькою до реальності виявилася запропонована в 1961 роцібританським ученим Джеймсом Данжі модель "відкритої" магнітосфери, якавраховувала взаємодію геомагнітного і міжпланетного магнітних полів.
Відповідно до цієї моделі, коли напрямок міжпланетного магнітного полястає протилежним напрямку геомагнітного поля на деннійстороні, починається процес так званого пересоедіненія. При зближенніпротилежно спрямованих силових ліній магнітне поле звертається в нульі принцип вмороженностью порушується. З "замкнутою" геомагнітної лінії і
"вільної" лінії міжпланетного поля утворюються дві "відкриті" силовілінії, які одним кінцем починаються на Землі в полярній шапці, а іншим
- Йдуть у міжпланетний простір. Пересоедіненіе "вигідно" зенергетичної точки зору, тому що сумарна довжина силових лінійзменшується. Потік сонячного вітру відносить "відкриті" лінії на нічнусторону. Тут протилежно спрямовані лінії знову зближуються, іпроцес нічного пересоедіненія відтворює лінії сонячного вітру ізамкнуті геомагнітні лінії, які поступово повертаються на деннусторону. При цьому магнітосфера і іоносфера виявляються залученими вкругообіг - глобальну конвекцію. Інтенсивність

-9 - конвекції залежить від величини і напрямку міжпланетного поля, а такожшвидкості сонячного вітру, що визначає "кількість" його силових ліній,падаючих на магнітопаузу. Так як геомагнітне поле на екваторі направленона північ, "відкриває" магнітосферу "південне" напрям міжпланетного поля.
Коли його напрям "північне", процес пересоедіненія не йде імагнітосфера "закрита".

Швидкість пересоедіненія на нічній стороні зазвичай менше, ніж наденний, тому в хвості магнітосфери відбувається накопичення відкритихсилових ліній і, отже, магнітної енергії. Розмір полярної шапкизростає, і зона авроральних овалу зсувається ближче до екватора на кількаградусів. Через деякий час (1 - 2 години) магнітний хвіст,
"переповнений" магнітним полем, втрачає стійкість, процеспересоедіненія на нічній стороні приймає вибуховий характер, і закілька хвилин надмірні силові лінії скидаються. Цей циклічнийпроцес називається магнітосферної суббурями і супроводжується значнимобуренням всієї зовнішньої магнітосфери Землі. Фактично відбувається обривчастини магнітного хвоста, а його залишок підтискається до Землі. У цей моментчастина плазми зовнішньої магнітосфери стає "зайвої" і скидається посиловим лініям в авроральних зону іоносфери. Тут енергійні іони іелектрони стикаються з нейтральними атомами і змушують їх випромінюватифотони. Саме так виникають чудові по своїй красі полярні сяйва
(auroras borealis - по-латині), що дали свою назву авроральной зоні.

Інший важливий наслідок суббурями - зміни в системі магнитосферныхструмів. При "відриві" магнітного хвоста електричний струм, в нормальнихумовах поточний впоперек хвоста, змушений обійти цей розрив черезіоносферу, використовуючи "резервну ланцюг": уздовж силових ліній до Землі, потімуздовж авроральной зони іоносфери і назад в хвіст. Сила що виникає прице іоносферного струму - електроджета - складає більше мільйона ампер, амагнітне поле, що наводяться їм на поверхні землі в авроральной зоні,вносить суттєві, до 10-6 тесла (2% величини стабільного поля), варіаціїв геомагнітне поле. Поряд з полярними сяйвами поява варіацій служитьосновною ознакою початку суббурями, а їх величина, яка називається індексом АЕ, --головною характеристикою сили суббурями.

Напрямок міжпланетного магнітного поля постійно змінюється більш -менш випадковим чином, тому "рядові" суббурями, пов'язані з "південними"полями, трапляються кілька разів за добу, незалежно від поточної сонячноїактивності. Більш відомі широкому читачеві магнітні бурі реєструютьсярідше. Вони безпосередньо пов'язані зі спалахами сонячної активності, аточніше, з попаданням Землі в зони аномально інтенсивного сонячного вітру ів міжпланетні магнітні хмари.
Величина поля в магнітному хмарі у орбіти Землі зростає до 50-100нанотесл (1нТл = 10-9 Тл), а швидкість сонячного вітру - до 1000 км/с.
Ефект такого збільшення подібний зміні легкого вітерця на ураган.
Інтенсивність магнітного пересоедіненія на денній стороні зростає напорядок, приводячи до розростання області, займаної полярної шапкою. Підчас сильної бурі найпотужніші

-10 -

магнітні суббурями слідують одна за одною, а авроральних зона розширюєтьсяаж до помірних широт. Конвекція, перш непомітна на тлі вибуховихпроцесів у хвості, починає домінувати, бунтували внутрішню магнітосферуі створюючи кільцевої струм, оперізуючий Землю на висоті 20-30 тисячкілометрів. У її поверхні струм створює магнітне поле, спрямованепротилежно основному геомагнітної. Амплітуда реєструється врезультаті зменшення повного поля називається Dst-індексом і служитьосновною характеристикою сили магнітної бурі. Так, під час найбільшої буріцього сонячного максимуму, що розігралася 31 березня 2001 і тривалабільше доби, індекс Dst склав _358 нТл, а полярні сяйва спостерігалисянавіть у Москві. Енергія, що виділилася тоді в магнітосфері Землі, склалаблизько 5ґ1017 Дж, що приблизно дорівнює енергії вибуху 100 мегатонн тротилу.
[5]

| Сонячний вітер поблизу орбіти Землі: |
| |
| Швидкість |
| 400 - 700 |
| км/с |
| |
| Температура |
| 5 • 10 4 - 5 • 10 5 |
| К |
| |
| Магнітна індукція |
| 10 -9 - 10 -8 |
| Тл |
| |
| Концентрація |
| 1 - 10 |
| 1/см3 |
| |
| Потік маси |
| 10 8 - 10 10 |
| кг/с |
| |
| Потік енергії |
| 10 19 |
| Вт |
| |

2.3 КОМЕТИ

Деякі сучасні вчені впевнені, що Джотто зобразив черговепроходження поблизу Землі в 1301 досить активної комети, названоїкометою Галлея на честь англійського астронома Едмунда Галлея (1656-1742),обчислено 76-річний період її обертання навколо Сонця і передбачити їїчергове появу поблизу Землі в 1758 році. З картин художників можнаотримати візуальні історичні докази появи комет поблизуорбіти Землі в ті далекі часи, коли ще не існувало ніспектрофотометричних досліджень за допомогою наземних телескопів, ні тимбільше досліджень за допомогою космічних апаратів. Висновок космічнихапаратів за межі земної атмосфери дозволив вченим проводити не тількидистанційні спектрофотометричні дослідження комет у всьому діапазоніхвильових частот, але і прямі вимірювання фізичних параметрів поблизу їхповерхні. Цікаво, що саме комета Галлея виявилася першою кометою,яка була досліджена в березні 1986 року за допомогою запущених до неїкосмічних апаратів "Джотто" (Європейське космічне агентство), "Вега-
1 "і" Вега-2 "(СРСР)," Суіссеі "і" Сакігаке "(Японія). Поблизу орбіти Землі,тобто на відстані близько 1 а.е. (астрономічна одиниця, або відстаньвід Землі до Сонця), яскраві комети зазвичай складаються з трьох частин: чудововидимого гігантського хвоста, дуже маленького розміру (порівняно зхвостом) і невидимого ядра і світиться атмосфери, що оточує ядро ізваної комою комети. Кома разом із ядром зазвичай називається головоюкомети. Незважаючи на відносно малі розміри, ядро є головноючастиною комети. Кома і хвіст утворюються як наслідок закінчення речовини зядра комети.

Якщо глянути в телескоп на тій, що з'явилася комету, що знаходитьсяна відстані від Сонця в 3-5 а.е. і більше, то можна побачити бліду, ледвесвітиться кулясту туманність. У міру наближення до Сонця атмосферакомети стає все більш і більш активною, збільшуючись в розмірах і пояскравості, змінюючи форму від кульовий до овальної. Поступово в антісолнечномнапрямку розвивається і її хвіст.

За атмосферної активності комети відрізняються один від одного. Багатокомети, ядра яких багаті летучими речовинами, такими, як CO2 і CO,починають проявляти активність вже на відстані від Сонця d 3 а.е.
Комети, речовина яких складається в основному з молекул води (H2O),виявляють значну активність тільки при d а.е. Природа жвзаємодії атмосфер комет з надзвуковими потоками плазми від Сонця
(з сонячним вітром) в сильному ступені залежить від цієї активності, яка,у свою чергу, визначається відстанню комети від Сонця і складомкометного ядра. Розрахунки показали, що атмосфера комети, ядро якоїрадіусом Rn = 1 км складається в основному з H2O, практично не єперешкодою для течії сонячного вітру при d 4 а.е. Потік плазмисонячного вітру безперешкодно падає в цьому випадку на поверхнюкометного ядра. Коли ж така комета знаходиться на відстані d = 1 а.е. від
Сонця, то в ній як результат сублімації речовини з її поверхні іподальшого його розширення розвивається настільки потужна атмосфера, що вонастає суттєвою перешкодою для течії сонячного вітру. У цьому

-12 --випадку сонячний вітер відчуває кометних атмосферу на відстані, щона 5-6 порядків величини і більше може перевищувати розмір самого ядракомети.

Треба зауважити, що структуру течії, що виникає при обтіканні кометсонячним вітром, практично неможливо досліджувати наземними приладами.
Це можна було зробити тільки за допомогою встановлених на космічнихапаратах приладів, які проводили прямі вимірювання поблизу комет. Саметому в 2.3.5 проводиться порівняння деяких результатівекспериментальних досліджень обтікання комети Галлея сонячним вітром,отриманих за допомогою космічних апаратів в березні 1986 року, зпередбаченнями теорії.

2.3.1. Поверхня кометного ядра як джерело газового потоку

Про взаємодію сонячного вітру з кометами можна говорити тількитоді, коли комета має досить протяжний і щільну атмосферу. У цьомувипадку атмосфера повинна безперервно розширюватися в навколишній міжпланетнийгаз дуже низького тиску, оскільки маленьке кометної ядро маєпренебрежимо малу гравітацію і не може утримувати свою атмосферу врівновазі. Основною причиною виникнення атмосфери є випаровуваннятвердої речовини, з якого складається ядро, внаслідок його прогріваннясонячним випромінюванням. При цьому випаровування відбувається прямо з твердогостану без переходу в рідку фазу (сублімація).

Оскільки кометної ядро майже невидимо за допомогою астрономічнихприладів, то важливим є побудова його теоретичних моделей. Уданий час вважається, що ядро - це конгломерат кам'янистих частинок ізамороженої летючої компоненти (це можуть бути молекули CO2, H2O, CH4 татощо). У ядрі крижані шари з заморожених газів чергуються з пиловимишарами. У міру прогрівання сонячним випромінюванням гази (типу випаровується
"сухого" льоду) закінчуються назовні (в навколишній комету вакуум), тягнучи засобою хмари пилу. У результаті ядро комети є джереломгазопилового потоку, що випливає назустріч сонячному вітрі. Розглянемоспочатку кількісну модель закінчення потоку речовини з поверхнікомети.

Якщо вважати, що процес сублімації відбувається рівноважної, то, яквідомо з курсу фізики, справедливо рівняння Клапейрона-Клапейрона
| | (1) |

де ns - концентрація молекул випаровується речовини, Ts - їхтемпература, k - постійна Больцмана, NA - число Авогадро, L - прихованатеплота випаровування, що при написанні рівняння (1) вважається постійноювеличиною, а величина n0kT0 відповідає тиску пари при Ts = T0 (вдеяких теоретичних моделях для ядер з замерзлого льоду H2Oвикористовувалися значення n0 = 1,94 1019 см-3, T0 = 373 K, L = 5
1011 ерг/моль). Крім того, на поверхні кометного ядра повинновиконуватися рівняння балансу енергії, яке при ряді що спрощуютьприпущень, і зокрема в припущеннях сферично-симетричного ядраі рівномірному його нагріванні (рівномірне нагрівання поверхні можливий задосить швидкому обертанні кометного ядра), буде мати вигляд
| | (2) |
| -13 - | |

У рівнянні (2) - болометріческое альбедо, що характеризуєздатність поверхні відбивати падаюче на неї випромінювання, --відстань від комети до Сонця (в а.е.), - сонячна постійна, - излучательной здатність поверхні ядра в інфрачервоному діапазонічастот, - постійна Стефана-Больцмана, - швидкість витіканнямолекул з поверхні ядра в результаті процесу сублімації. Фізичний сенсрівняння (2) полягає в балансі компанії, що поглинається кометних ядром енергіїпадаючого сонячного випромінювання (ліва частина) та енергії, що віддається ядром
(перший член справа відповідає енергії електромагнітного випромінювання зповерхні нагрітого ядра, а другий член - енергії що залишають ядромолекул). Система рівнянь (1) і (2) не є замкнутим для визначеннятрьох невідомих величин,,. Тому в літературі частовикористовується додаткове припущення, що швидкість витікання молекулдорівнює швидкості звуку для ядер комет з малим вмістом пилу, тобто
| | (3) |

де і - питомі теплоємності при постійному тиску іобсязі відповідно, а - ма?? са випарувавшись молекули. Для комет звеликим вмістом пилу часто приймається співвідношення типу співвідношення
(3), але з коефіцієнтом Ms <1, який характеризує відношення швидкостігазу до швидкості звуку - так зване число Маха.

Результат рішення системи рівнянь (1) - (3) при = 0,63, =
0,37 і = 5/4 представлений на рис. 2, де, як і даніфункції відстані від Сонця d. Видно, що з наближенням до Сонцязбільшується як швидкість витікання, так і концентрація молекул кометногоречовини, тобто збільшується кількість молекул, що залишають поверхнюкометного ядра в одиницю часу (як побачимо далі, цей параметрдуже важливий для проблеми взаємодії сонячного вітру з кометноїатмосферою).
| |
| Рис. 2. Концентрація ns молекул випаровується з |
| поверхні комети речовини, їх швидкість Vs і |
| температура Ts як функції відстані d від Сонця |
| -14 - |

2.3.2. Фізичні процеси в потоці газу, що минає з поверхні кометного ядра

Вивчення спектрів випромінювання кометної коми не дозволяє з достатньоюступенем точності визначити розподіл параметрів газового потоку відкомети як функції відстані від кометного ядра (швидкості, концентраціїпродуктів розпаду молекул кометного походження, їх температури і т.п.).
Навіть дослідження комети Галлея в березні 1986 року за допомогою космічнихапаратів не дуже сильно просунуло розуміння характеру витікання речовиниз поверхні комет, оскільки не вдалося наблизитися до ядра комети натаке близьку відстань (близько сотень кілометрів). Знання ж цихпараметрів необхідно для визначення характеру взаємодії кометногогазу з сонячним вітром. Тому побудова газодинамічних моделей такоготечії є важливим завданням.

Переважна більшість моделей виходить з припущення про сферично -симетричному закінчення кометного газу у вакуум. При цьому рішення рівняньгазової динаміки допускає або всюди надзвукове протягом, або всюдидозвукові, якщо наявність пилу не є суттєвим. У присутності жпилової компоненти, як показав американський аеродинаміки Пробстейн,можливий перехід від дозвуковою закінчення з поверхні ядра донадзвуковому течією далеко від неї. Тому майже у всіх моделяхостаннього часу швидкість на поверхні ядра задається надзвуковийу відповідності з рівнянням (3). Цьому припущенням сприяло ще йте, що для комети Галлея витрата пилу достатньо малий, щоб вплинути нагазодинамічне перебіг. Для розрахунку течії газу від джерела, якимє кометної ядро, потрібно знання перш за все хімічного складузакінчується газу і відбуваються в потоці хімічних реакцій, головними зяких є процеси Фотоліз і фотоіонізації кометних молекулсонячною радіацією. Якщо, наприклад, кометної ядро являє собою восновному лід H2O, то в результаті хімічних реакцій в потоці утворюєтьсяодинадцять головних компонентів: H2O, OH, H, O, H2, O2, H3O +, H2O +, OH +, O +і H +. Облік 27 можливих реакцій при вирішенні газодинамічнихдиференціальних