Феномены, порождаемые солнечным ветром

Электромагнитное (волновое) излучение Солнца изучено в настоящее время довольно обстоятельно по всему диапазону длин волн - от низкочастотных радиоволн до гамма-излучения (см., например, 1, 2). Коротковолновое (ультрафиолетовое и рентгеновское) излучение, с длинами волн от нескольких ангстрем (A) до 1000 A, почти полностью поглощается в верхних слоях земной атмосферы, приводя к их ионизации, т. е. к появлению ионосферы. Основные параметры ионосферы - концентрация электронов, распределение концентрации с высотой - существенно зависят от солнечной активности Ионосфера является естественным экраном, препятствующим проникновению к Земле радиоволн космического происхождения на частотах от нескольких герц до нескольких мегагерц (подробнее см. [4, 5]). На больших частотах на поверхности Земли возможны радиоастрономические наблюдения, в том числе и радионаблюдения Солнца [6, 29]. При изменении уровня солнечной активности интенсивность излучения в вышеназванном диапазоне сильно меняется (близ 10 A - в 1000 раз, см. [3]). Текущие в ионосфере электрические токи, изменяющиеся, конечно, при вариациях коротковолнового излучения Солнца, вносят вклад в фоновые электромагнитные поля на поверхности Земли в области сверхнизких частот

Корпускулярное излучение Солнца не является определяющим фактором в его энергетическом балансе (только миллионная доля энергии уносится с поверхности Солнца в виде частиц), но играет важную роль в процессах, связанных с влиянием солнечной активности на Землю. По современным представлениям, все околосолнечное пространство заполнено водородной плазмой, непрерывно истекающей из верхнего слоя солнечной атмосферы - короны.

Течение с точностью до нескольких градусов происходит радиально. По современной терминологии, название этого грандиозного явления - солнечный ветер Практически любое проявление солнечной активности сказывается на тех или иных характеристиках солнечного ветра. Если средняя скорость ветра около 400 км/сек, то эти возмущения могут быть зарегистрированы на орбите Земли спустя четыре с половиной дня после того, как они произошли на Солнце. Соответственно при больших скоростях - через 2-3 суток, а то и раньше. Хотя плазма солнечного ветра имеет очень малую плотность (обычно около пяти ионов водорода в 1 см3), обтекание ею крупных тел происходит так, как если бы ее можно было рассматривать как непрерывную среду. В частности, обтекание солнечным ветром Земли очень похоже на движение сверхзвукового самолета в атмосфере, с полуденной стороны «поджатое» магнитное поле Земли останавливает солнечный ветер; образуется стоячая ударная волна. Это происходит на расстоянии 7+10 земных радиусов.

С ночной стороны «сдуваемые» ветром силовые линии геомагнитного поля образуют длинный шлейф, простирающийся далеко за орбиту Луны. Таким образом, частицы солнечного ветра не попадают на поверхность Земли - сама Земля с ее ионосферой и поясами радиации оказывается внутри полости, получившей название магнитосферы (см. [7]). Комплекс сложных, еще не вполне изученных процессов, протекающих на границе магнитосферы, - это по сути дела «переработка» явлений солнечной активности в их земные следствия. Даже слабые «порывы» солнечного ветра (а возмущения в ветре, напомним, обусловлены разного рода эффектами солнечной активности1) приводят к возмущениям целого ряда факторов внешней среды на поверхности Земли. Важную роль играет при этом межпланетное магнитное поле. Установлено, что это поле солнечного происхождения. Солнечный ветер вытягивает силовые линии магнитного поля Солнца. Если смотреть со стороны полюса Солнца, то в проекции на плоскость гелиоэкватора силовые линии межпланетного магнитного поля имеют вид раскручивающихся спиралей.

Гелиосферный то́ковый слой представляет собой поверхность в пределах Солнечной системы, при пересечении которой изменяется полярность магнитного поля Солнца. Эта поверхность простирается вдоль экваториальной плоскости Солнца и достигает границ гелиосферы. Форма токового слоя определяется воздействием вращающегося магнитного поля Солнца на плазму, находящуюся в межпланетном пространстве. Толщина токового слоя составляет порядка 10000 км. В токовом слое наблюдается слабый электрический ток (откуда и название) - около 10×10−10 А/м². Возникающий ток формирует часть гелиосферного токового контура. Иногда гелиосферный токовый слой называют межпланетным токовым слоем.

Как оказалось, имеет место следующая закономерность- направление силовых линий (например, от Солнца северная полярность) сохраняется в течение некоторого времени, затем скачкообразно меняется на противоположное, чтобы спустя несколько дней - вновь скачком принять прежнее направление. Обычно в условиях умеренной солнечной активности за один солнечный оборот (27 дней) наблюдается два или четыре таких перехода. Соответственно говорят о секторах межпланетного магнитного поля. Протяженность сектора обычно составляет 6 7 дней (четыре сектора) или 12-14 дней (двухсекторная структура). В последние годы установлено, что прохождение секторной границы близ Земли хорошо заметно по изменениям всех индексов геомагнитной возмущенности и приводит даже к таким эффектам, как изменения в типе циркуляции, земной атмосферы [8, 9] и мощности грозовой активности [10]. Дополнительную информацию о солнечном ветре читатель может найти в [11 13]

Солнечные космические лучи - это разогнанные до скоростей, близких скорости света, ядра атомов водорода, гелия и более тяжелых элементов. Они могут регистрироваться близ Земли после мощных хромосферных вспышек Это единственный вид корпускулярного излучения Солнца, который иногда может наблюдаться на поверхности Земли в ВИДЕ неожиданных возрастаний потока вторичных космических лучей. В отличие от галактических космических лучей солнечные космические лучи сильно поглощаются атмосферой. Подробнее о них см. [14].

В процессе вращения Солнца его магнитное поле извивается в особой формы спираль Паркера, представляющую собой вид архимедовой спирали и названную так по имени её первооткрывателя Юджина Паркера. Магнитное поле спирали разделено на две части токовым слоем, математическая модель которого была впервые разработана в начале 70-х. Завивающееся спиралью магнитное поле меняет свою полярность и приобретает сложную форму волнистых спиральных складок, более всего напоминающих многослойную юбку балерины.

Причину формирования такой сложной формы иногда называют «эффектом садового шланга». Именно такую поверхность описывает струя воды, если перемещать шланг вверх-вниз и одновременно поворачиваться вокруг своей оси. В случае с Солнцем роль водяной струи играет солнечный ветер.

Гелиосферный токовый слой вращается вместе с Солнцем, делая один оборот за 27 дней. За этот период Земля, вместе со своей магнитосферой, проходит через горбы и впадины токового слоя, взаимодействуя с ним в течение которого пиков и впадин в юбку через земную магнитосферу, взаимодействующие с ним. Магнитная индукция на поверхности Солнца составляет примерно 10×10−4 тесла. Если бы магнитное поле имело дипольную форму, его сила уменьшалась бы пропорционально кубу расстояния и в районе орбиты Земли составила бы 10×10−11 тесла. Существование гелиосферного токового слоя приводит к тому, что фактические показатели в районе Земли в 100 раз больше.

В соответствии с законами электродинамики электрический ток в токовом слое направлен перпендикулярно магнитному полю, т.е ток движется почти по окружности вблизи Солнца и направлен почти радиально на больших расстояниях. Замыкает «электрическую цепь» направленный от Солнца ток, который идёт в направлениях, перпендикулярных экватору от солнечных полюсов, затем по гелиопаузе спускается к экватору, к гелиосферному токовому слою. Общая сила тока в этой цепи составляет порядка 3×109 ампер. Для сравнения токи, приводящие к возникновению полярных сияний на Земле примерно в тысячу раз слабее и имеют порядок миллиона ампер. Максимальная плотность тока в листе составляет порядка 10×10−10 А/м² (10×10−4 A/км²).

Солнечная система, гелиосфера, облако Оорта и альфа Центавра, наложенные на логарифмическую шкалу.

Внешняя структура гелиосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с потоком частиц в межзвёздном пространстве. Потоки солнечного ветра движутся во все стороны от Солнца, вблизи Земли имея скорости в несколько сотен километров в секунду. На определённом расстоянии от Солнца, далеко за орбитой Нептуна, этот сверхзвуковой поток начинает снижать свою скорость. Это торможение происходит в несколько этапов:

Солнечный ветер имеет сверхзвуковую скорость внутри солнечной системы. На так называемой границе ударной волны происходит падение скорости солнечного ветра до звуковых значений.

Потеряв сверхзвуковую скорость, солнечный ветер начинает взаимодействовать с окружающим межзвёздным веществом. Это взаимодействие между галактическим веществом и движущимся в нём Солнцем приводит к тому что гелиосфера приобретает каплеобразную форму, вытянутую хвостом в сторону, противоположную движению Солнца. Эта область пространства называется гелиосферной мантией (мантией Солнечной системы)

Поверхность, которая ограничивает гелиосферную мантию и на которой происходит окончательное торможение солнечного ветра и смешение его с набегающим межзвёздным веществом называют гелиопаузой. Она является границей всей гелиосферы.

Движение Солнца в межзвёздной среде приводит к тому, что в окружающем межзвёздном пространстве происходят возмущения. Точно так же, как солнечный ветер на границе ударной волны теряет свою скорость, межзвёздный ветер, движущийся навстречу движению Солнца, изменяет свою скорость на аналогичной границе, называемой дуговой ударной волной. Она находится за пределами гелиосферы, и здесь происходит торможение не солнечного, а межзвёздного ветра.

Наглядная демонстрация границы ударной волны. Окружность, на которой поток воды теряет свою энергию и начинает резко замедляться, и есть граница ударной волны

Граница ударной волны — это точка внутри гелиосферы, в которой происходит резкое замедление солнечного ветра до звуковых скоростей (относительно скорости самого Солнца). Это происходит из-за того, что вещество солнечного ветра «наталкивается» на межзвёздное вещество. Полагают, что в нашей Солнечной системе граница ударной волны находится на расстоянии 75-90 астрономических единиц (около 11-13,5 млрд км).[6] В 2007 году Вояджер-2 пересёк границу ударной волны[7]. (Фактически он пересекал её пять раз, из-за того, что граница непостоянна и меняет свое расстояние от Солнца в результате колебаний солнечной активности и испускаемого Солнцем вещества).

Ударная волна возникает потому, что частицы солнечного ветра движутся со скоростью около 400 км/с, в то время как скорость звука в межзвёздном пространстве составляет примерно 100 км/с (точное значение зависит от плотности, и потому может меняться). Хотя межзвёздное вещество имеет очень малую плотность, оно все-таки создаёт постоянное, хоть и незначительное давление, которого на определённом расстоянии от Солнца становится достаточно, чтобы затормозить солнечный ветер до звуковых скоростей. В этом месте и возникает ударная волна.

Подобные границы ударных волн могут наблюдаться в земных условиях. Простейший пример можно видеть, наблюдая за поведением потока воды в раковине. Ударяясь о раковину, струя воды растекается во все стороны со скоростью, превышающей скорость распространения механических волн в воде. Формируется диск из быстро растекающейся воды очень малой толщины, который представляет собой сверхзвуковой поток солнечного ветра. На краях этого диска образуется водяной вал, за которым вода течёт со скоростью, меньшей скорости распространения механических волн.

Свидетельства, представленные Эдом Стоуном на встрече Американского Геофизического союза в мае 2005 года, утверждают, что космический аппарат Вояджер-1 пересёк границу ударной волны в декабре 2004, когда находился на расстоянии 94 а.е. от Солнца. Такой вывод был сделан по изменению показателей магнитного поля, получаемых с аппарата. Аппарат Вояджер-2, в свою очередь, зафиксировал обратное движение частиц уже на расстоянии 76 а.е. в мае 2006. это говорит о несколько несимметричной форме гелиосферы, северная половина которой больше южной[8].

За границей ударной волны находится гелиопауза, где происходит окончательное торможение солнечного ветра и смешивание его с межзвёздным веществом, а ещё дальше — головная ударная волна, при прохождении которой частицы межзвёздного ветра испытывают торможение, аналогичное торможению солнечного ветра.

В июне 2011 года было объявлено, что благодаря исследованиям «Вояджеров» стало известно, что магнитное поле на границе Солнечной системы имеет структуру, похожую на пену. Это происходит из-за того, что намагниченные материя и мелкие космические объекты образуют местные магнитные поля, которые можно сравнить с пузырями[9].

Диаграмма, изображающая положение Вояджера-1 в гелиосферной мантии. В настоящее время Вояджер-2 также находится в мантии.

Гелиосферная мантия — область гелиосферы за пределами ударной волны. В ней солнечный ветер тормозится, сжимается и его движение приобретает турбулентный характер. Гелиосферная мантия начинается на расстоянии 80-100 а.е. от Солнца. Однако, в отличие от внутренней области гелиосферы, мантия не имеет сферической формы. Её форма скорее похожа на вытянутую кометную кому, простирающуюся в противоположном движению Солнца направлении. Толщина мантии со стороны набегающего межзвёздного ветра намного меньше, чем с противоположной[10]. Текущая миссия Вояджеров состоит в сборе данных о гелиосферной мантии.

Гелиопауза — это граница между гелиосферой и межзвёздной средой. При приближении солнечного ветра к гелиопаузе скорость его резко уменьшается, приводя к формированию ударной волны.

Гелиопауза — теоретическая граница, на которой происходит окончательное торможение солнечного ветра. Его давление уже неспособно оттеснять межзвёздное вещество из Солнечной системы и происходит перемешивание вещества солнечного ветра с межзвёздным.

Согласно одной из гипотез[11], между головной ударной волной и гелиопаузой существует область, заполненная горячим водородом, называемая водородной стеной. Эта стена содержит межзвёздное вещество, сжатое взаимодействием с гелиосферой. Когда частицы, испускаемые Солнцем, сталкиваются с частицами межзвёздного вещества, они теряют свою скорость, преобразовывая кинетическую энергию в тепловую, что приводит к формированию области нагретого газа.

В качестве альтернативы предлагается определение, что гелиопауза — это магнитопауза, граница, ограничивающая солнечную магнитосферу, за которой начинается общегалактическое магнитное поле.

Гипотеза утверждает, что Солнце так же создаёт ударную волну при движении через межзвёздное вещество, как и звезда на снимке справа. Эта ударная волна имеет форму дуги натянутого лука, из-за чего и получила своё второе название — дуговая. Она подобна волне, возникающей на водной поверхности перед носом движущегося судна, и возникает по тем же самым причинам. Головная волна возникнет в случае, если межзвёздное вещество движется навстречу Солнцу со сверхзвуковой скоростью. «Ударяясь» о гелиосферу, межзвёздный ветер тормозится и формирует ударную волну аналогичную волне, которая формируется внутри гелиосферы при торможении солнечного ветра. Специалисты NASA Robert Nemiroff и Jerry Bonnell считают, что солнечная головная волна может существовать на расстоянии 230 а.е. от Солнца[12].

Наблюдения орбитального телескопа GALEX показали, что у звезды Мира созвездия Кита есть похожий на кометную кому хвост из извергнутого звёздного вещества, а также чётко различимая головная ударная волна (англ.)русск., находящаяся в направлении движения звезды через космос (на скорости 130 км/с)

Гелиосфера — область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется от Солнца с некоторой ненулевой скоростью. Извне гелиосфера условно ограничена бесстолкновительной ударной волной, определяемой балансом давлений солнечного ветра с одной стороны, с другой — давлением магнитного поля и межзвездной среды[1].

Первые десять миллиардов километров скорость солнечного ветра составляет около миллиона километров в час[2][3]. По мере того, как он сталкивается с межзвёздной средой, происходит его торможение и смешение с ней. Граница на которой происходит замедление солнечного ветра, носит название границы ударной волны; граница, вдоль которой уравновешивается давление солнечного ветра и межзвёздной среды, носит название гелиопаузы; граница, на которой происходит столкновение межзвёздной среды с набегающим солнечным ветром — головная ударная волна.

Понятие «Гелиосфера» является частным примером более общего явления — Астросферы (и в ближайшее время единственным доступным для исследования изнутри). Применительно к произвольным звёздам в англоязычной литературе также может использоваться синонимичный термин «Пузырь звёздного ветра». При этом физика формирования и существования пузырей в основном аналогична[источник не указан 58 дней] физике гелиосферы.

Возникновение ударных волн при столкновении солнечного ветра с межзвездной средой.

Солнечный ветер представляет собой расширяющуюся плазму солнечной короны, заполняющую всю гелиосферу. Солнечный ветер состоит из электронов, протонов, альфа-частиц и других ионов солнечного происхождения, а также захваченных ионов, образовавшихся из нейтральной компоненты в результате взаимодействия с излучением. Солнечный ветер является неравновесной системой с высоким уровнем турбулентности. Крупномасштабные структуры и динамические процессы в солнечной атмосфере проявляются в существовании в солнечном ветре до расстояний в несколько а. е. различных крупномасштабных структур, в которых значения параметров могут значительно отличаться. Вблизи максимума цикла солнечной активности нестационарные типы солнечного ветра могут составлять около половины времени наблюдений. На расстоянии 1 а. е. поток протонов солнечного ветра меняется от 108 до 1010 см − 2 с − 1, а скорость — от 300 до 1000 км/с, температура в среднем составляет 105 К. При увеличении расстояния от Солнца R поток протонов убывает как 1 / R2, скорость остаётся почти постоянной, а различия между структурами уменьшаются. Взаимодействие солнечного ветра с планетами и телами Солнечной системы определяет положение и состояние их внешних плазменных оболочек, состояние Космической погоды.

Медленный солнечный ветер порождается «спокойной» частью солнечной короны (областью корональных стримеров) при её газодинамическом расширении: при температуре короны около 2×106 К корона не может находиться в условиях гидростатического равновесия, и это расширение при имеющихся граничных условиях должно приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей. Нагрев солнечной короны до таких температур происходит вследствие конвективной природы теплопереноса в фотосфере солнца: развитие конвективной турбулентности в плазме сопровождается генерацией интенсивных магнитозвуковых волн; в свою очередь при распространении в направлении уменьшения плотности солнечной атмосферы звуковые волны трансформируются в ударные; ударные волны эффективно поглощаются веществом короны и разогревают её до температуры (1—3)×106 К.

Потоки рекуррентного быстрого солнечного ветра испускаются Солнцем в течение нескольких месяцев и имеют период повторяемости при наблюдениях с Земли в 27 суток (период вращения Солнца). Эти потоки ассоциированы с корональными дырами — областями короны с относительно низкой температурой (примерно 0,8×106 К), пониженной плотностью плазмы (всего четверть плотности спокойных областей короны) и радиальным по отношению к Солнцу магнитным полем.

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

По времени наблюдения различных крупномасштабных типов солнечного ветра быстрые и медленные потоки составляют около 53%, гелиосферный токовый слой 6%, CIR – 10%, CME – 22%, Sheath – 9%, и соотношения между временем наблюдения различных типов сильно изменяется в цикле солнечной активности.[12].

Корональный выброс массы (англ. Coronal mass ejection - CME) — выброс вещества из солнечной короны. Наблюдение корональных выбросов массы с поверхности Земли затруднено. По-видимому, первое наблюдение корональных выбросов в видимом диапазоне длин волн было выполнено в начале 1970-х годов с помощью коронографа, установленного на седьмой орбитальной солнечной обсерватории (OSO-7). Так как затмевающий диск коронографа вырезает из поля зрения прибора яркий диск Солнца, то наблюдения источника коронального выброса на поверхности Солнца с помощью коронографа оказываются невозможным, и предположения о возможном его источнике делаются на основе наблюдений другими приборами в других диапазонах волн [1]. Эта принципиальная трудность приводит к тому, что по наблюдениям со спутника вблизи Земли в ряде случаев оказывается невозможным определить направление движения выброса: движется ли он к Земле или от Земли. Для преодоления этой трудности в настоящее время используется пара космических аппаратов проекта STEREO, которые разведены на большие углы по орбите Земли.

В отличие от солнечных вспышек, во время которых магнитная энергия, накопленная в активных областях на Солнце, реализуется в основном в виде электромагнитного излучения, во время корональных выбросов массы эта энергия расходуется на ускорение огромных масс вещества. Солнечные вспышки и корональные выбросы являются независимыми процессами. Выброс включает в себя плазму, состоящую в основном из электронов и протонов наряду с небольшим количеством более тяжёлых элементов — гелия, кислорода, железа и других. Некоторые ионы часто имеют более низкие состояния ионизации (например, однократно ионизованные атомы гелия), чем окружающая спокойная плазма короны, что указывает на то, что значительная часть массы выброса может быть ускорена из областей с более низкой температурой, т. е. с уровня хромосферы. Характерной особенностью выброса является то, что общая топология выброса имеет форму гигантской петли, оба или одно основание которой закреплены за солнечную атмосферу, а магнитное поле в выбросе, как правило, выше, чем в спокойном солнечном ветре, и представляет собой скрученные в жгут магнитные силовые линии.

В межпланетном пространстве выбросы, как правило, обозначают английской аббривиатурой ICME (Interplanetary Coronal Mass Ejection), одной из разновидностью такого ICME явялется магнитное облако. Когда выброс достигает Земли, он может оказать сильное влияние на её магнитосферу, вызывая различные эффекты космической погоды. Среди возможных эффектов — полярные сияния, магнитные бури, нарушения в работе электрооборудования, ухудшение условий распространения радиоволн.

Космические лучи (заряженные частицы высоких энергий) имеют несколько видов, связанных с их происхождением. Космические лучи, несмотря на их высокую энергию, не оказывают влияния на локальное состояние плазмы солнечного ветра и магнитное поле из-за их низкой концентрации, однако на больших масштабах, особенно вблизи границ гелиосферы, где сильно падает концентрация солнечного ветра, космические лучи играют важную роль. Солнечные космические лучи ускоряются во время сильных солнечных вспышек или во время распространения в короне и в солнечном ветре ударных волн. При этом образуются протоны с энергией до несколько сот МэВ и электроны до нескольких десятков КэВ, в редких случаях образуются релятивистские электроны с энергией в несколько МэВ. Состав солнечных космических лучей близок к составу солнечной короны. Количество событий с солнечными космическими лучами сильно возрастает вблизи максимума цикла солнечной активности. Галактические космические лучи рождаются за пределами гелиосферы (во время взрыва новых и сверхновых звезд). Они представляют собой полностью ионизованные ядра различных элементов с энергией 108 — 1020 эВ. Они рассеиваются на неоднородностях межпланетного магнитного поля, и их поток в среднем падает с удалением от границ гелиосферы. Поток зависит также от времени и падает как на масштабах около суток при прохождении по гелиосфере выброса корональной массы (Форбуш понижение), так и на масштабах около года (вблизи максимума цикла солнечной активности). До орбиты Земли доходят только наиболее высокоэнергичные частицы (с энергией более нескольких сотен МэВ). Наблюдаются также аномальные космические лучи, которые в отличие от обыкновенных ГКС представляют собой однократно (редко двукратно) ионизованные атомы, их появление связывается с двумя возможными механизмами: (1) ионизация нейтральных атомов межзвездной среды и их ускорение на границах гелиосферы (гелиосферный интерфейс) и (2) вспышки на звездах, относящихся к красным и желтым карликам. Вблизи планет (особенно планет-гигантов Юпитер и Сатурн) наблюдаются менее интенсивные потоки энергичных частиц, рожденных на головной ударной волне и внутри магнитосферы. Интенсивность этих потоков зависит от условий на планетах и часто изменяется с периодом вращения планет.

Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе — наклонная прямая) (минимальные энергии — жёлтая зона, солнечная модуляция, средние энергии — синяя зона, ГКЛ, максимальные энергии — пурпурная зона, внегалактические КЛ)

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.

процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;

частицы космических лучей, их природу и свойства;

явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.

Классификация по происхождению космических лучей:

Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.

Химический спектр космических лучей в пересчете энергии на нуклон более чем на 94 % состоит из протонов, ещё на 4 % — из ядер гелия (альфа-частиц). Есть также ядра других элементов, но их доля значительно меньше. В пересчете энергии на частицу доля протонов составляет около 35 %, доля тяжёлых ядер соответственно больше[источник не указан 22 дня].

По количеству частиц космические лучи на 90 процентов состоят из протонов, на 7 процентов — из ядер гелия, около 1 процента составляют более тяжелые элементы, и около 1 процента приходится на электроны. При изучении источников космических лучей вне Солнечной системы протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей орбитальными гамма-телескопами, а электронная компонента — по порождаемому ею синхротронному излучению, которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны — при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей — и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами[1][2].

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что частицы КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы — электроны, протоны и ядра, — инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек.

Гелиосфера движется через местное межзвёздное облако, которое согласно косвенным наблюдениям представляет собой частично ионизованную среду с плотностью 0.2 см − 3 и температурой 104 К. Нейтральная компонента беспрепятственно проникает вовнутрь гелиосферы и достигает области вблизи Солнца, где начинается эффективная ионизация при взаимодействии с солнечным излучением и перезарядка при взаимодействии с солнечным ветром и солнечными космическими лучами. Незначительная часть нейтральной компоненты связана с потерей атомов планетами и другими телами солнечной системы.

Пылевая компонента межпланетной среды состоит в основном из частиц от 1 нм до 100 мкм, которые обладают зарядом и образуют плазменно-пылевую среду (или пылевую плазму). Более крупные частицы ведут себя как пробные частицы и их рассматривают как «частицы в плазме». Пылевая компонента заполняет всю гелиосфреру крайне неравномерно и сосредоточена в основном вблизи Солнца во внутренней гелиосфере и вблизи плоскости эклиптики, причем ее распределение сильно зависит от размера пылинок, так как их траектория описывается балансом разных сил, существенно зависящих от размеров. Пылевая компонента является источником таких явлений, как F-корона Солнца и зодиакальный свет. Основным источником пыли являются ядра комет и астероиды, наиболее мелкие частицы пыли под действием эффекта Пойнтинга—Робертсона приближаются к Солнцу и приобретают заряд. Вблизи Солнца из-за высокой температуры важным является процесс сублимации.

Межпланетное пространство заполнено электромагнитным излучением, в основном солнечного происхождения. Это излучение играет существенную роль в формировании других компонент межпланетной среды и является источником вторичного излучения, которое служит источником экспериментальных данных о межпланетной среде. Более слабые потоки электромагнитных волн генерируют планеты солнечной системы, границы гелиосферы и другие объекты Вселенной.

Межпланетная среда — вещество и поля, заполняющие пространство внутри Солнечной системы от солнечной короны до границ гелиосферы за исключением планет и тел Солнечной системы. Межпланетная среда в основном включает солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, космические лучи (заряженные частицы высокой энергии), нейтральный газ, межпланетную пыль и электромагнитное излучение. Межпланетная среда играет ключевую роль в солнечно-земной физике и ее практической части — космической погоде.

Движение заряженных частиц направляется магнитным полем. Для того чтобы проследить, как заряженные частицы, входящие в состав солнечного ветра, двигаются от Солнца к Земле, надо прежде всего рассмотреть свойства преодолеваемого ими пространства (межпланетного пространства). Основное свойство его — это наличие в этом пространстве магнитного поля.

Мы видели, что магнитное поле Солнца отличается от магнитного поля Земли. Оно весьма беспорядочно, хаотично и не поддается такому простому описанию, как дипольное поле Земли. Строго говоря, Солнце в целом обладает магнитным полем дипольного типа, которое направлено противоположно земному диполю. Измерения дают величину магнитного поля Солнца около 1 Гс. Это вдвое больше магнитного поля Земли. Но общее магнитив поле на Солнце является далеко не единственным. На

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: