Солнечный ветер: что это такое и как он влияет на Землю?
Здравствуйте, друзья!
Поговорим сегодня о солнечном ветре — что это такое и как он влияет на Землю.
Солнечный ветер — это непрерывный поток протонов и электронов из самой внешней атмосферы Солнца — короны.
Эти заряженные частицы пролетают через Солнечную систему со скоростью от 250 миль (400 километров) в секунду до 500 миль (800 километров) в секунду в состоянии плазмы, по данным Национального центра прогнозирования космической погоды.
Когда солнечный ветер достигает Земли, он посылает поток заряженных частиц в магнитосферу и вдоль силовых линий магнитного поля Земли к полюсам.
Взаимодействие этих частиц с атмосферой Земли может привести к появлению светящихся полярных сияний над полярными регионами.
Существование солнечного ветра было впервые предложено астрофизиком-первопроходцем Юджином Паркером (Eugene Parker), чье имя украшает миссию NASA Parker Solar Probe.
По данным Чикагского университета, в 1957 году Паркер работал доцентом в Чикагском университете, когда понял, что перегретая солнечная корона теоретически должна испускать заряженные частицы с высокой скоростью.
Этот перегрев — один из самых загадочных аспектов поведения Солнца, и физики-солнечники до сих пор не до конца понимают, почему атмосфера Солнца горячее, чем его поверхность.
Теория Паркера описывала, что в солнечной короне плазма постоянно нагревается, и температура в этой области достигает невероятных 3,5 миллионов градусов по Фаренгейту (2 миллиона градусов по Цельсию).
В конце концов, плазма становится настолько горячей, что гравитация Солнца больше не может удерживать ее, поэтому она выбрасывается в космос в виде солнечного ветра, увлекая за собой магнитное поле Солнца.
Солнечный ветер постоянно высвобождается из внешней атмосферы Солнца. На иллюстрации этого художника изображен солнечный ветер, исходящий от солнца.
В то время его теория подвергалась широкой критике, вспоминал Паркер в 2018 году.
Первый рецензент на статью сказал: «Что ж, я бы посоветовал Паркеру пойти в библиотеку и прочитать на эту тему, прежде чем он попытается написать статью об этом, потому что это полная чепуха».
Наконец, поддержку этой теории дал астрофизик Субрахманьян Чандрасекар (Subrahmanyan Chandrasekhar), который спустя десятилетия стал тезкой рентгеновской обсерватории Чандра НАСА.
Хотя Чандрасекару не нравилась идея частиц, он принял теорию Паркера, потому что не смог найти никаких проблем с математикой Паркера, сообщили в Чикагском университете.
Затем, в 1962 году, космический корабль НАСА «Маринер-2» обнаружил присутствие частиц солнечного ветра во время своего полета к Венере.
Помимо постоянных потоков солнечного ветра, Солнце иногда испускает огромное количество этих заряженных частиц за один раз.
Эти события, известные как корональные выбросы массы (КВМ), могут вызвать геомагнитные бури в окружающей среде вокруг Земли, которые связаны с красивыми проявлениями полярного сияния, но также могут нанести ущерб энергосистемам, телекоммуникационным сетям и спутникам, вращающимся вокруг планеты.
Как далеко дует солнечный ветер?
Солнечный ветер, состоящий из заряженных частиц и магнитного поля Солнца, бомбардирует магнитосферу Земли.
Солнечный ветер проносится через Солнечную систему далеко за пределы орбиты Плутона, образуя большой «пузырь», называемый гелиосферой.
По данным НАСА, гелиосфера имеет форму длинного ветрового носка, поскольку она движется вместе с солнцем.
Ближайшая граница гелиосферы находится примерно в 100 а. е. от Солнца, согласно заявлению ЕКА.
1 а. е. или астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, оно эквивалентно примерно 93 миллионам миль (150 миллионам километров).
Гелиосфера действует как защитный щит, защищая нас от космических лучей, состоящих из энергичных частиц, которые могут повредить живые клетки.
Комические лучи генерируются за пределами нашей Солнечной системы и распространяются почти со скоростью света.
Без нашего защитного пузыря эти высокоэнергетические фрагменты атомов постоянно бомбардировали бы Землю.
«Без гелиосферы жизнь, безусловно, развивалась бы по-другому, а может быть, и не развивалась бы вообще», — говорит гелиофизик Ричард Марсден (Richard Marsden) в заявлении ЕКА.
Скорость солнечного ветра
Обсерватория солнечно-земных отношений НАСА, или STEREO, изучает солнечный ветер. Это изображение визуально представляет обработанные компьютером данные о солнечном ветре.
Хотя солнечный ветер течет от Солнца постоянно, его свойства, такие как плотность и скорость, меняются в течение 11-летнего цикла активности Солнца.
Во время этого цикла количество солнечных пятен, уровни радиации и выбрасываемого материала колеблются от солнечного максимума к солнечному минимуму.
Эти изменения влияют на свойства солнечного ветра, включая силу его магнитного поля, скорость, с которой он движется, температуру и плотность.
Согласно веб-сайту прогноза космической погоды SpaceWeatherLive.com, средняя постоянная скорость солнечного ветра на Земле составляет около 190 миль (300 километров) в секунду (м/с).
Во время пролета «Mariner-2» мимо Венеры космический корабль не только обнаружил присутствие солнечного ветра, но и идентифицировал два отдельных потока солнечного ветра, один быстрый, а другой медленный.
По данным НАСА, скорость медленного потока составляла около 215 миль в секунду, в то время как скорость быстрого потока была в два раза выше.
Происхождение быстрого потока солнечного ветра было определено в 1973 году с помощью рентгеновских снимков солнечной короны, сделанных «Skylab».
Виновниками быстрых солнечных ветров являются корональные дыры, более холодные области Солнца с открытой структурой силовых линий магнитного поля, что позволяет солнечному ветру уйти с относительной легкостью.
Аномально быстрые солнечные ветры могут генерироваться во время событий выброса корональной массы (CME).
По данным SpaceWeatherLive.com, во время выброса корональной массы скорость ветра может достигать более 600 миль (1000 километров) в секунду.
Выброс корональной массы (CME), полученный НАСА и Солнечной и гелиосферной обсерваторией ЕКА (SOHO).
Несмотря на впечатляющие головокружительные скорости, достигаемые некоторыми потоками солнечного ветра, именно более медленный солнечный ветер заставил ученых почесать затылки.
«Медленный солнечный ветер во многих отношениях является еще большей загадкой», — сказал Джим Климчук (Jim Klimchuk), физик-солнечник из Центра космических полетов имени Годдарда, в Гринбелте, штат Мэриленд, в заявлении НАСА.
Миссия НАСА «Ulysses», запущенная в 1990 году, уже выявила некоторые подсказки к происхождению медленного потока ветра, когда он облетал полюса Солнца.
Было установлено, что в периоды минимальной солнечной активности солнечный ветер возникает в основном с экватора Солнца.
«По мере продвижения солнечного цикла к своему максимуму структура солнечного ветра меняется от двух различных режимов — быстрого на полюсах и медленного на экваторе — к смешанному, неоднородному потоку», — согласно заявлению НАСА о солнечном зонде Parker и рождении солнечного ветра.
Зонд «Parker Solar Probe» расследует эту тайну во время своей семилетней миссии по наблюдению за солнцем.
«Это открывает большие перспективы для выявления принципиально нового понимания», — сказал Климчук.
Последствия солнечного ветра
Воздействие нашей ветреной звезды ощущается во всей Солнечной системе.
«Я чувствую, что если солнце чихает, Земля простужается, потому что мы всегда чувствуем влияние того, что происходит на солнце, благодаря солнечному ветру», — сказал Ники Фокс (Nicky Fox), директор отдела гелиофизики в штаб-квартире НАСА в научной статье НАСА.
На Земле солнечный ветер отвечает за ослепительные световые шоу северного сияния в полярных регионах.
В Северном полушарии это явление называется северным сиянием (Aurora Borealis), а в Южном полушарии — южным сиянием (Aurora Australis).
Если скорость солнечного ветра достаточно высока, могут возникнуть геомагнитные бури, которые могут привести к расширению полярных сияний ближе к экватору, чем это возможно в более спокойных условиях космической погоды.
Выбросы корональной массы могут вызвать сильные геомагнитные бури, которые приводят к впечатляющим полярным сияниям, подобным этому, изображенному на Аляске.
Геомагнитные бури также могут нанести ущерб спутникам и электрическим сетям и угрожать астронавтам в космосе.
Во время этих штормов астронавтам на Международной космической станции необходимо искать убежище, все выходы в открытый космос приостанавливаются, а чувствительные спутники отключаются до тех пор, пока радиационный шторм не пройдет.
SpaceX уже воочию убедилась, какой ущерб может нанести космическая погода, когда геомагнитная буря уничтожила до 40 спутников «Starlink» на сумму более 50 миллионов долларов в феврале 2022 года.
Поскольку спутники «Starlink» выводятся на очень низкие орбиты (от 60 до 120 миль (100 до 200 километров), они полагаются на бортовые двигатели, чтобы преодолеть силу лобового сопротивления, поднимаясь на конечную высоту около 350 миль (550 километров).
Во время геомагнитной бури атмосфера Земли поглощает энергию бури, нагревается и расширяется вверх, что приводит к значительно более плотной термосфере, которая простирается примерно от 50 миль (80 километров) до примерно 600 миль (1000 километров) над поверхностью Земли.
Более плотная термосфера означает большее сопротивление, что может быть проблемой для спутников.
В феврале 2022 года партия недавно выпущенных спутников «Starlink» не смогла преодолеть значительно возросшее сопротивление геомагнитной бури и начала падать обратно на Землю, в конечном итоге сгорая в атмосфере.
Солнечная погода может иметь крайне дорогостоящие последствия, поэтому важно расширять наше понимание, мониторинг и прогнозирование таких явлений.
Ученые изучают солнечный ветер, чтобы пролить свет на космическую погоду и улучшить прогнозы космической погоды.
«Мы не можем игнорировать космическую погоду, но мы можем принять соответствующие меры, чтобы защитить себя», — говорит НАСА.
Как ученые изучают солнечный ветер?
Обсерватория гелиофизической системы содержит флот космических аппаратов, предназначенных для изучения нашей динамической Солнечной системы.
Гелиофизические миссии изучают солнце и его влияние на Солнечную систему, в том числе влияние солнечного ветра.
По данным НАСА, цель этих миссий заключается в том, чтобы «понимать все, от того, как сформировалась планетарная атмосфера, до того, как космическая погода может повлиять на астронавтов и технологии вблизи Земли, до физики, которая определяет наше соседство в космосе».
Понимание солнечной среды — немалый подвиг, поэтому существует целый флот космических миссий, посвященных изучению нашего Солнца и его поведения.
Эти миссии в совокупности можно рассматривать как единую обсерваторию, Системную обсерваторию гелиофизики (HSO — The Heliophysics System Observatory).
HSO состоит из нескольких солнечных, гелиосферных, геокосмических и планетарных космических аппаратов, в том числе солнечного зонда Parker, выполняющего смелую миссию «прикоснуться» к Солнцу, Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO) — совместной работы НАСА и Европейского космического агентства (ЕКА), Солнечно-земная обсерватория (STEREO), состоящая из двух почти идентичных обсерваторий, одна расположена впереди орбиты Земли, а другая позади, и солнечный орбитальный аппарат ЕКА, который впервые изучает неизведанные полярные области Солнца.
Как солнечный ветер влияет на нас?
Прорывное открытие изменило наше представление о космосе и Солнечной системе.
Ученые пришли к пониманию, что солнечный ветер течет не только мимо Земли, но и по всей Солнечной системе и за ее пределами.
Он также и защищает нас, и угрожает нам.
«Солнечный ветер магнитно покрывает Солнечную систему, защищая жизнь на Земле от частиц еще более высокой энергии, приходящих из других уголков галактики», — объяснила астрофизик из Калифорнийского университета в Чикаго Анджела Олинто (Angela Olinto).
«Но это также влияет на сложную спутниковую связь, которая у нас есть сегодня.
Поэтому понимание точной структуры, динамики и эволюции солнечного ветра имеет решающее значение для цивилизации в целом».
Художественное изображение частиц солнечного ветра, приближающихся к Земле.
Обычно магнитное поле Земли защищает нас от большинства этих частиц.
Но иногда солнце «отрыгивает», выбрасывая в космос миллиарды тонн материала, летящего со скоростью несколько тысяч километров в секунду.
Это называется выбросами корональной массы, и если на Землю обрушится большой выброс, ударная волна может вызвать хаос и повредить наши системы связи.
«Это может заставить магнитное поле, окружающее Землю, звенеть, как колокол», — сказал профессор Джастин Каспер (Justin Kasper), выпускник Чикагского университета и физик Мичиганского университета.
Такой сценарий вызовет всевозможные помехи: самолеты потеряют радиосвязь, GPS будет отброшен на несколько миль, а банковские, коммуникационные и электронные системы могут выйти из строя.
Это действительно случалось раньше: в 1859 году гигантское солнечное извержение, известное как событие Кэррингтона, отключило телеграф и электрические системы на несколько дней.
Северное сияние было настолько сильным, что люди сообщали, что могли читать газеты при его свете даже в час ночи.
«На горизонте севера стояло жуткое великолепие, из которого вздымались фантастические шпили света, а розовое сияние простиралось, как дым, окрашенный огнем, до зенита», — писала «Cincinnati Daily Commercial».
Но в 1859 году мы не зависели от электроники так, как сегодня.
Исследование, проведенное в 2013 году лондонским агентством «Lloyd’s», показало, что подобный шторм, обрушившийся сегодня на Землю, может нанести ущерб только Соединенным Штатам на сумму до 2,6 триллиона долларов и вызвать массовые отключения электроэнергии и повреждения электрических сетей.
Есть некоторые меры предосторожности, которые мы могли бы принять, если бы у нас было предварительное уведомление, поэтому инженеры хотят знать, когда приближается солнечная буря.
К счастью, несколько космических аппаратов, вращающихся вокруг Солнца, делают снимки и отправляют их обратно на Землю, чтобы НАСА могло следить за извержениями.
Но анализ этих изображений по-прежнему требует, чтобы извержение впервые появилось на поверхности Солнца, что дает предупреждение только за минуты или часы.
На данный момент нет способа предсказать такие извержения до того, как они произойдут.
Лучшее понимание солнечного ветра также влияет на другое человеческое предприятие: космические путешествия.
Некоторые частицы солнечного ветра обладают чрезвычайно высокой энергией и могут пробить крошечные отверстия в важном оборудовании космического корабля, не говоря уже о человеческих телах.
Чтобы защитить астронавтов, НАСА необходимо понимать компоненты, характеристики и частоты таких частиц, а также то, как заранее прогнозировать космическую погоду для безопасных путешествий.
Какие тайны остаются о солнечном ветре?
Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются синоптики космической погоды, заключается в том, что мы до сих пор не знаем, почему атмосфера Солнца намного горячее, чем поверхность.
Эта комбинация трех длин волн света из Обсерватории солнечной динамики НАСА привела к серии медленных корональных вспышек 17 января 2013 года.
В повседневной жизни вы ожидаете, что температура будет неуклонно снижаться по мере удаления от источника тепла, как если бы вы убрали руку от огня.
Но это не то, что происходит на солнце.
В этом случае тепло исходит от синтеза, происходящего в солнечном ядре, которое постепенно охлаждается до 6000 градусов по Фаренгейту на поверхности, а затем снова поднимается до миллионов градусов в короне.
Было предложено много теорий.
Ученым известно, что вся поверхность Солнца постоянно взбалтывается и извергается — возможно, существуют более мелкие «нановспышки» (каждая из которых содержит энергию 10-мегатонной водородной бомбы), постоянно извергающиеся по всей поверхности Солнца и переносящие тепло в атмосферу.
Есть также магнитные поля, взаимодействующие на поверхности Солнца — возможно, эти магнитные поля сталкиваются друг с другом со взрывной силой миллиарды раз в секунду — «гасят» друг друга, но при этом нагревают атмосферу.
Вопросы, на которые ученые хотели бы ответить, включают:
- Почему корона намного горячее поверхности Солнца? Как ускоряется солнечный ветер при удалении от Солнца?
- Как быстро движутся частицы и насколько сильно они нагреваются?
- Нагревают ли частицы магнитные поля или от поверхности Солнца исходят механические волны? (или оба варианта?)
Более глубокое понимание этих процессов может помочь спрогнозировать космическую погоду, влияющую на жизнь на Земле, узнать больше об условиях, с которыми столкнутся астронавты на орбите над нашим миром и в путешествиях на большие расстояния, и даже дать представление о том, какие виды звездной активности могут способствовать обитаемости на далеких планетах.
Но чтобы получить ответы, нам нужно приблизиться к самому солнцу.
Что такое Зонд NASA Parker?
Ученые стремились к полету к Солнцу с тех пор, как впервые стало возможным космическое путешествие.
Солнце не только жизненно важно для жизни на Земле, но и является самой близкой звездой, которую мы можем изучать.
Но экстремальные температуры означали, что ученым нужно было дождаться разработки технологии, которая могла бы защитить космический корабль от сильного жара и солнечной радиации.
В 2018 году эта мечта наконец-то сбылась.
Зонд NASA «Parker Solar Probe», названный именем Юджина Паркера в честь его новаторского исследования, начал семилетнее путешествие к обжигающе горячей солнечной короне 12 августа 2018 года.
Зонд — самый быстро движущийся объект, созданный людьми, движущийся со скоростью более 150 000 миль в час.
Он настолько быстр, что уже совершил несколько оборотов вокруг солнца.
Через год после запуска «Parker Solar Probe» ученый НАСА Никола Фокс (Nicola Fox) встречается с тезкой миссии, почетным профессором Юджином Паркером, чтобы обсудить свои выводы.
Теплозащитный экран зонда, изготовленный из менее чем пяти дюймов ультрасовременного углеродного композита, удерживает хрупкие инструменты корабля при температуре 85 градусов по Фаренгейту, даже когда снаружи бушует коронный разряд при температуре 3 000 000 градусов.
За исключением одного особенно прочного прибора, созданного выпускником Калифорнийского университета в Чикаго Джастином Каспером, который выглядывает из-за края корабля, чтобы улавливать частицы солнечного ветра.
Зонд уже отправил на Землю огромное количество данных, что привело к таким открытиям, как причудливые «обратные переключения» в солнечном ветре.
Паркер, которому тогда был 91 год, прилетел на мыс Канаверал со своей семьей, чтобы посмотреть запуск космического корабля НАСА.
«Столько всего было вложено в этот запуск, а затем увидеть, как все это медленно исчезает — исчезает в ночном небе, зная, что оно никогда не вернется — это был трогательный опыт», — сказал Паркер.
«У вас редко бывает космическая миссия, которая не приводит к неожиданностям, и на самом деле она будет становиться все более захватывающей по мере того, как миссия продолжается и пересекает регионы, в которых космический корабль никогда раньше не был.
Это просто увлекательно на каждом этапе пути».
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
Комментарии к этой статье:
Very Interesting!
Thank you!
Солнечный ветер имеет ещё одно следствие для Земли.
Поскольку Земля — магнит, а солнечный ветер — это по сути ток — то Земля здесь выступает в роли электрогенератора и заряжает себя как конденсатор ,где обкладки -ионосфера и литосфера, а диэлектрик между ними — тропосфера.И напряжение между ними — минимум 350 000 вольт. И эта электроэнергия доступна в любое время и в любом месте, надо только научиться её брать и преобразовывать в удобный нам вид 220В/50Гц.
Сергей, спасибо!