12. Двуликий Янус

 Звезда с названием Солнце находится в самом центре нашей Солнечной системы – части Галактики. Солнце ответственно за многие физические процессы, происходящие в Солнечной системе. С двуликим Янусом сравнивал эту звезду наш соотечественник А.Чижевский. Ниже мы поймём, почему это так…

Рис.12.1 На диаграмме Герцшпрунга-Ресселя показана зависимость между светимостью звёзд (по отношению к светимости Солнца) и поверхностной температурой. Солнце – жёлтый карлик – находится приблизительно в середине главной последовательности

12.1. Наша Звезда на звёздной шкале

    В астрономии существует зависимость, описывающая скорость энерговыделения (светимость) звёзд от их температуры на поверхности. Эта зависимость называется диаграммой Герцшпрунга-Ресселя (рис.12.1). Из неё следует, что мы соседствуем в общем-то с ничем не примечательной звездой нашей Вселенной: она находится в средней части Главной последовательности. Именно в пределах Главной последовательности находятся большинство звёзд. Их очень много – только в нашей Галактике их насчитывается миллиарды. Солнце находится на расстоянии более 30000 световых лет от центра Галактики. Однако до ближайшей к нам звезды – “всего” немногим более четырёх световых лет!
   Полагают, что Солнце сформировалось вследствие уплотнения межзвёздной материи в спиральном рукаве Ориона более нескольких миллиардов лет назад. В таблице можно увидеть основные физические параметры нашей звезды – Солнца.

Табл. 12.1. Физические параметры Солнца

    Что является источником энергии Солнца? Ещё в середине прошлого века учёные пришли к выводу, что термоядерные реакции так называемого протон-протонного и углеродного циклов являются теми генераторами энергии, которые приводят к наблюдаемой светимости Солнца. Вот эти реакции:

¹Н + ¹Н²Н+е⁺+ + 0.42 МэВ
¹Н + ²Н³Н + + 5.5 МэВ
³Не + ³Не⁴Не + 2¹Н + 12.8 МэВ

    Отсюда следует, что каждые четыре протона, превращаясь в ядра гелия, высвобождают энергию около 26 МэВ или ~6^.10¹⁸ эрг на 1 г водорода (с учетом энергии, уносимой нейтрино).
    Углеродные реакции (соединение водорода и азота с образование гелия) реализуются в глубине Солнца, где температуры для достаточно высоки. Таким образом, происходит преобразование ядерной энергии в тепловую.
    Эволюция нашей Звезды такова, что углеродные реакции в её недрах неизбежно приводят к утолщению её гелиевого ядра и преимущественному протеканию ядерных реакций в достаточно тонком наружном слое. Медленный рост относительно тяжёлого ядра при возрастании его температуры должен привести к доминированию углеродных реакций и превращению Солнца – жёлтого карлика в красный гигант (см. рис.1.5).
    Что будет дальше? Наше Солнце будет тяжелеть из-за преобладания ядерных реакций с образованием всё более тяжёлых элементов. Из красного гиганта она постепенно превратится в белого карлика или… ей может быть заготовлена судьба сверхновой (см. рис.1.7): нашу Звезда взорвётся и даст жизнь новым звёздам.
    Но пока Солнце светит, оно определяет множество разнообразных процессов, происходящих в окрестности. Рассмотрение их выходит за рамки данной книги, но ниже мы рассмотрим те, которые влияют на характеристики космических лучей – странников Вселенной, попадающих в “сферу влияния” нашего светила.

Рис. 12.2. Структура основных областей Солнца. На врезке – солнечная корона, сфотографированная в год мощной солнечной активности с использованием коронографа

    Солнце имеют довольно сложную структуру (рис. 12.2). В его сердцевине плотность чрезвычайно велика и достигает ~150 г/см3. Это в 8 раз больше, чем плотность золота. Следующий за сердцевиной звезды поверхностный слой носит название фотосфера и имеет очень малую толщину – не более 400 км. Фотосфера, или по-гречески “светящаяся сфера” - весьма необычная оболочка Солнца. Она – тонка и непрозрачна. Именно она излучает в окружающее пространство свет и тепло. Эта оболочка гораздо холоднее области, находящейся под ней – конвективного слоя. Если в конвективном слое температура достигает миллиона градусов, то в фотосфере – всего несколько тысяч. За фотосферой следует хромосфера, или “окрашенная сфера”. Она нагрета сильнее фотосферы и, если её разглядывать в телескоп с Земли, можно различить красноватый оттенок языков пламени вырывающихся из этой области. Ну, а выше хромосферы расположена корона Солнца. Фотосфера, хромосфера и корона – составляющие единой атмосферы Солнца. Эта область чрезвычайно динамична. Подчас языки пламени расширяющейся солнечной короны вырываются на многие миллионы километров и изменяют физические свойства межпланетной среды, находившейся до этого момента в спокойном, стационарном состоянии.
   Плотность внешних оболочек очень низка – более, чем в 10.000 раз меньше плотности воздуха. Средняя плотность звезды – 1.9 г/см³, т.е. вещество Солнца в среднем в два раза более плотное, чем вода. Солнце, как и большинство звёзд Вселенной, состоит большей частью из водорода – во внешних оболочках звезды его количество достигает ~70% (остальное вещество – в основном гелий (~28%) с небольшими добавками более тяжёлых элементов).
   Эти оболочки различаются своей температурой. Чем дальше от центра Солнца, тем меньше становится температура его оболочек, достигая величины ~5000К в фотосфере. Но затем температура вновь начинает расти! И, как показывают измерения, температура короны почти в тысячу раз выше, чем фотосферы, достигая 2 миллионов градусов Кельвина.
   Солнце является мощным источником полностью ионизированного газа – плазмы в нашей Солнечной системе. Этот газ, постоянно “вылетающий” из солнечной атмосферы, носит название солнечного ветра. Рассмотрим более подробно это замечательное явление.

12.2. Спринклер Солнечной системы

    Спринклер, или поливалка, должна быть хорошо известна читателю. Трава в саду растёт хорошо, если её поливать. Поливалка-спринклер, вращаясь, разбрасывает водяные струи в радиальном направлении и образует в пространстве так называемые спирали Архимеда. Великий грек Архимед обратил внимание на особую форму траектории тела, подвергающегося одновременно радиальному и вращательному движению.
   История открытия солнечного ветра занимательна и поучительна. Ещё М.В. Ломоносов говорил о внеземном электричестве, связанным с нашим светилом. В начале прошлого века Биркеленд, пожалуй, стал первым, кто сказал, что из особых областей Солнца – пятен происходит постоянное истечение плазмы. Солнечные пятна связаны с активными физическими процессами, происходящими в его атмосфере. Иногда они заканчиваются мощными локальными выделениями энергии – взрывами. Эти взрывы получили название солнечных вспышек. И к ним мы вернёмся ниже, а пока обратимся к истории открытия солнечного ветра.
    Биркеленд настаивал на постоянном истечении плазмы из солнечных пятен, а другие физики, Чепмен и Ферраро, тридцатью годами позже стали утверждать о спорадической генерации плазменных потоков на Солнце только во время вспышек. Но затем, в 1940 г. К. Хофмайстер и Л. Бирман вновь вернулись к идее постоянного истечения плазмы от Солнца на основе наблюдений кометных хвостов: они всегда были обращены в сторону, противоположную Солнцу. Естественным было предположение о постоянстве давления солнечных частиц на кометное вещество полётных хвостов. Это явно не тривиальный результат: Солнце непрерывно эммитирует во внешнюю среду вещество, из которого оно состоит.
    Полным доказательством этого могли бы стать только прямые эксперименты по регистрации частиц солнечного ветра. Задача была решена с началом экспериментов на космических аппаратах.
    В 1959 г., вслед за запуском первых околоземных спутников, началась лунная эпопея космических исследований. Первые советские полёты к Луне ставили своей целью прямое попадание в наш естественный спутник.
    На второй “лунник” - станцию “Луна-2” К. Грингауз поставил специальный детектор для регистрации солнечной плазмы. Его детектор постоянно “ощущал” поток частиц вдоль всей трассе полёта к Луне. Это было первым экспериментальным доказательством постоянного истечения плазмы от Солнца. Затем американский “Маринер-2”, направленный в сторону Венеры, подтвердил результаты К. Грингауза. Непрерывность истечения солнечного ветра была доказана.
    После многих лет экспериментальных исследований мы теперь знаем, что солнечный ветер – это ионизированный газ – плазма солнечной короны состоит из электронов и протонов с малой примесью тяжёлых ионов. Плотность этих частиц очень велика (до миллиарда частиц в см³) и резко убывает с высотой. Это вещество, родителем которого являются недра Солнца, здесь, в короне, оказывается уже гравитационно не связанным со звездой, и начинает жить своей собственной жизнью. Именно с постоянным истечением плазмы связан разогрев самой внешней оболочки Солнца, однако детали этого явления пока не вполне ясны.
   Частицы солнечного ветра разгоняются до значительных скоростей: вблизи Земли их средняя скорость около 400 км/сек (3 миллиона километров в час). Во время солнечных вспышек из активных областей вырываются потоки высокоскоростной плазмы, её потоки распространяются в Солнечной системе со скоростями ~1000 км/сек и более. Рекордная скорость солнечного ветра, зарегистрированная, кстати, недавно, во время экстремальных солнечных событий октября-ноября 2003 г., достигла более 2000 км/сек.
    Солнце представляет собой сложный плазменный астрофизический объект, тело которого пронизывает множество “кровеносных сосудов” – направленных струй частиц, создающих электрические токи. Известно, что электрический ток образует внешнее магнитное поле, напряжённость которого зависит от силы тока. Магнитные поля на Солнце - очень нестационарное явление, обусловленное сложной динамикой и пространственным распределением самих токовых систем в недрах Солнца.
   Если сравнить энергию выносимого солнечного ветра с энергией магнитного поля, то, оказывается, что солнечная плазма - гораздо более мощный компонент. Более того, магнитное поле становится “вмороженным” в плазму. Это подразумевает, что динамика солнечных частиц определяет распределение магнитных полей и на расстояниях, далёких от Солнца.

Рис.12.3. Постоянно вытекающий солнечный ветер “вытягивает” магнитное поле Солнца в межпланетное пространство, создавая межпланетное магнитное поле. Магнитные поля планет (магнитосферы) представляют собой препятствия для солнечного ветра

    Плазма как бы вытягивает магнитное поле Солнце наружу, формируя внешнее магнитное поле. Нельзя, конечно, не учитывать и того, что в самой внешней среде существуют токи, генерирующие свои магнитные поля, которые вместе с вынесенным наружу магнитным полем Солнца формирует единое межпланетное магнитное поле. Его пространственная структура довольно сложна, но в первом приближении она повторяет структуру потоков плазмы, т.е. архимедовы спирали (рис. 12.3).
    На Солнце величина индукции магнитного поля изменяется от 1 Гс в полярных областях до 3000 Гс в районе пятен – активных областях. С увеличением расстояния от Солнца она быстро падает и на орбите Земли её величина в сотни и тысячи раз меньше.

12.3. Активная жизнь нашей звезды

    Динамизм внешних оболочек Солнца– солнечная активность, наводит на мысль об изменчивости поведения центрального тела нашей Солнечной системы. Это так, но… как посмотреть… Действительно, есть понятие “солнечной постоянной” - полное количество излучения, падающего в течение одной минуты на единицу площади в один квадратный сантиметр на орбите Земли. Величина солнечной постоянной составляет 1.97 так называемой Большой калории. Интригующим для науки является тот факт, что солнечная постоянная неизмена во времени с точностью 1%! Но это в среднем. Для всех видов излучений. Если мы посмотрим на динамику отдельных видов излучений Солнца, то вывод о постоянстве здесь не применим.
   Изучение активности Солнца началось, вероятно, с тех “тёмных мест” на его поверхности, которые были замечены людьми сотни лет назад и получивших название “солнечных пятен”. Солнечные пятна и их движение по диску Солнца открыты Галилеем в 1611 г. Если вспомнить об отечественных исследователях пятен на Солнце, то первым из них был, наверное, патриарх Никон. Именно в его летописи (17 век) мы находим слова о том, что “места черны по Солнцу, аки гвозди…”.
    Теперь мы многое знаем о солнечных пятнах – областях в фотосфере Солнца, отличающихся более низкой температурой (примерно на 1500 градусов). Они возникают там, где прежде “горели” небольшие “факелы” - локальные извержения солнечной плазмы.

Рис.12.4. Периодичность активности Солнца по измерениям числа солнечных пятен (закономерность Швабе-Вольфа). Средний период между двумя последовательными циклами составляет 11,1 лет, хотя отдельные периоды продолжались от 7 до 17 лет

Рис. 12.5. Распределение числа солнечных пятен по диску Солнца, напоминающее крылья порхающей бабочки (Закон Шпёрера)

    Два астронома, Г. Швабе в Германии и Р. фон Вольф в Швейцарии, решили заняться подсчётом солнечных пятен и обнаружили, что число их на диске меняется с удивительной цикличностью. Каждые 11 лет (приблизительно, конечно) число солнечных пятен достигает своего минимума или максимума. Был введён так называемый индекс солнечной активности – число Вольфа – W: W = f + 10g. В этой формуле f – число пятен, а g – число групп пятен, видимых на Солнце. Так был открыт солнечный цикл. Отсчёт солнечных циклов ведётся с 18 века, поэтому мы сейчас живём в эпоху минимума 23 цикла (рис. 12.4).
    Но цикличность изменения числа солнечных пятен – не единственная закономерность активного Солнца. Оказалось, что пятна образовавшись на средних широтах, “сползают” со временем к экватору, практически исчезая в годы минимума солнечной активности. Эта закономерность получила название “диаграммы бабочки” и гораздо полнее описывает цикл солнечной активности по числу пятен (рис.12.5).
    Пятна обладают ещё одним характерным свойством: они концентрируют очень сильные магнитные поля, превышающие средние поля в окрестности в тысячи раз. Появление магнитного поля есть следствие существования электрических токов. Более сильное поле генерируется более мощным током. Токи, вызывающие наблюдаемые в пятнах поля, могут достигать огромных величин – 10¹² Ампер (напомним, что 10⁹ – это миллиард).
    Отсюда возникает понятие активной области на Солнце: это тот участок в фотосфере Солнца, где факелы порождают пятна с концентрированными магнитными полями и гигантскими электрическими токами. При близком расположении пятен может происходить перезамыкание полей, и они приобретают более сложную структуру. Если посмотреть на Солнце “глазами” наземного магнитографа, то можно увидеть причудливую картину извивающихся магнитных силовых линий, покрывающих всю поверхность Солнца. Однако эта причудливость не мешает выявить области усиленной напряжённости магнитного поля, соответствующим местам расположения пятен. Другими словами, “магнитная картинка” Солнца во многом повторяет оптическую: тёмные пятна на светлом диске.

12.4. Солнечные бури

Рис. 12.6. Две активные области на Солнце связаны друг с другом петлевидными структурами, близкими к дипольному магнитному полю. Свечение петель есть не что иное, как движение разогретой плазмы вдоль магнитных петель. Наиболее яркие участки (вблизи фотосферы Солнца) соответствуют более высоким температурам плазмы

    Взаимное существование плазмы и магнитных полей в атмосфере Солнца сложно и многообразно. Но два процесса их взаимодействия во многом определяют структуру активных областей. Плазма – потоки ионизированных, т.е. заряженных частиц, подвергаются воздействию магнитного поля, которое заставляет их двигаться по спиралевидным траекториям вокруг силовых линий. С другой стороны, концентрированные потоки плазмы, обладая большой энергией, контролируют поведение самого поля. Как результат, подчас в атмосфере Солнца мы наблюдаем сложную арочную или петлеобразную структуру магнитных полей и плазмы (рис. 12.6).
   Иногда потоки солнечной плазмы вылетают из хромосферы, увлекая за собой магнитные поля. Это так называемые протуберанцы.
    Особенно сильным проявлением солнечной активности являются солнечные или хромосферные вспышки.
    Британские астрономы Р. Каррингтон и Р. Ходжсон были первыми, кто в 1859 г. подробно описали мощнейшую вспышку на Солнце. Они увидели увеличение яркости пятен в “белом свете”. В “белом свете” означает, что они наблюдали вспышку без применения специальных светофильтров, настолько мощной она была. Отметим также, что Каррингтон был первым, кто документально “связал” проявление вспышечной активности на Солнце с изменением магнитного поля Земли – геомагнитной бурей.
    Солнечная вспышка – это мощное выделение энергии на Солнце. Оценки показывают, что энергия солнечной вспышки может достигать ~10²⁵ Джоулей. Конечно, это далеко до энергии взрыва сверхновой (10⁴⁵ Джоулей), но на многие порядки превосходит рукотворную взрывную энергию атомных бомб, созданных человеком. (Энергия, выделяемая при взрыве 50-килотонной бомбы ~2^.10¹⁴ Джоулям.)
    Однако мощные потоки плазмы и сильные магнитные поля – не единственные проявления солнечных вспышек. Во время вспышек на Солнце наблюдатели на Земле и на спутниках регистрируют целую гамму различных явления. Это: рентгеновское излучение, результат тепловой эмиссии плазмы в короне, нагретой до 10⁷ К; радиоизлучение в гигагерцовом (10⁹ Гц) и терагерцовом (10¹² Гц) диапазонах длин волн, возникающее вследствие движения релятивистских электронов в магнитных полях; жёсткое гамма-излучение, как продукт ядерных реакций, происходящих в атмосфере Солнца. И, наконец, это – солнечные энергичные заряженные частицы (протоны, электроны, ядра). Их, часто называют солнечными космическими лучами (СКЛ). Эти частицы приобретают значительные энергии как в результате действия различных ускорительных механизмов как в атмосфере Солнца, так и в процессе их распространения в межпланетной среде.
   Какая максимальная энергия частиц, генерируемых на Солнце во время мощных солнечных событий? Измерения показывают, что энергия этих частиц может достигать ~1 ГэВ = 10⁹ эВ. Это значительно меньше, чем энергии частиц, генерируемых при взрывах сверхновых (~1 ПэВ = 10¹⁵ эВ), но, тем не менее, их энергии перекрываются во время самых мощных событий с низкоэнергичной частью спектра космических лучей, приходящих к нам из Галактики.
   Ускорение этих частиц может происходить на самой ранней фазе развития вспышки, т.е. внутри солнечной атмосферы. Сейчас ясно, что солнечная вспышка носит взрывной характер сопровождающаяся эрупцией солнечного вещества в межпланетное пространство. Быстрые изменения магнитных полей (как по напряжённости, так и по пространственной конфигурации) приводят к генерации мощных индукционных электрических полей, которые, собственно, и могут разгонять частицы до наблюдаемых энергий.
    Однако, следует принимать во внимание и возможность существования, наряду с солнечным ускорителем, расположенным вблизи Солнца, дополнительного механизма разгона частиц.

Рис. 12.7. Средняя распространённость элементов (атомных ядер) в галактических и солнечных космических лучей

    Состав солнечных космических лучей не идентичен составу галактических космических лучей. Средний элементный состав ГКЛ и СКЛ можно увидеть на рис. 12.7. Различие определяется, в первую очередь, отсутствием в солнечных частицах лёгких элементов – Li, Be и В. Эти элементы, будучи вторичными в космических лучах (предполагается, что они “выгорают” в термоядерных реакциях в звезде), просто не успевают рождаться в ядерных реакциях при прохождении частиц СКЛ от Солнца до Земли. Кроме того, элементный состав СКЛ может меняться при их проникновении внутрь магнитного поля Земли, т.к. эффективность проникновения зависит от их жёсткости, а сама жёсткость определяется типом частицы и её скоростью (см. главу 13).
    Развитие космических методов наблюдений Солнца в различных диапазонах длин волн позволило получить “картинки” активных процессов с очень хорошим временным и пространственным разрешением. Учёные-солнечники обратили внимание на существование ещё одного процесса, связанного с активизацией Солнца, но, вероятно, отличного от солнечной вспышки.
    Это – “корональные инжекции массы” (“coronal mass ejection” – CME). Они представляют собой магнитные облака плазмы, свободно распространяющиеся в межпланетном пространстве. Удивительно то, что в 90% вспышек СМЕ не наблюдаются, что наводит на мысль о независимости физического процесса, их вызывающего, от генератора солнечных вспышек. Однако какая-то связь всё же есть, т.к. только 60% СМЕ происходит без вспышек. В максимуме цикла солнечной активности может наблюдаться до 2-х СМЕ в день. В минимуме эти явления гораздо реже – не более 1-го в неделю.
    Какое же отношение СМЕ могут иметь к ускорению солнечных частиц до высоких энергий? Дело в том, что, распространяясь в межпланетной среде, эти “магнитно-плазменные” облака нарушают спокойную структуру “вялотекущего” солнечного ветра с вмороженным в него магнитным полем Солнца. По сути, в межпланетной среде происходит распространение ударной волны, ограниченной в пространстве размерами облака СМЕ.

Рис. 12.8. Корональная инжекция солнечного вещества представляет собой магнитно-плазменное облако, распространяющееся в межпланетном пространстве. Ударная волна, следующая вместе с инжектированным облаком, может ускорять окружающие её частицы до высоких энергий, формируя тем самым потоки солнечных космических лучей

    Если это так, то мы вновь сталкиваемся с космическим ускорителем, очень типичным для Вселенной. Как и в ударные волны от сверхновых, ударные волны СМЕ могут ускорять частицы посредством стохастического механизма типа Ферми (рис. 12.8). Как показывают расчёты Е. Бережко, мощности таких явлений в межпланетном пространстве вполне достаточно для ускорения частиц до сотен МэВ.
    Как частота солнечных бурь (вспышек на Солнце, корональных инжекций масс) соотносится с солнечной активностью? Действительно, в годы, близкие к максимуму цикла солнечной активности, наблюдается большее число солнечных событий, чем, скажем, в глубоком минимуме. Так в максимуме можно наблюдать порой до нескольких вспышек в день. Однако, отмечено, что в годы, близкие к минимуму, особенно на фазе спада цикла солнечной активности, проявление вспышечной активности Солнца и инжекций масс (порой по своим параметрам достигающих экстремальных значений) – нередкие события. Только в течение последнего периода спада активности, с 2000 по 2005 гг., их было несколько. Последнее событие – 20 января 2005 г., когда мощная активная область на Солнце произвела потоки столь энергичных частиц – солнечных космических лучей, которые не наблюдались с 1989 г. И это произошло практически в минимуме цикла солнечной активности. Поэтому вопрос о связи циклов солнечной активности и её проявлениях в виде таких высокоэнергетических процессов в межпланетной среде, как солнечные вспышки и корональные инжекции массы, остаётся открытым.
    Насколько мощны и интенсивны солнечные бури на нашем жёлтом карлике? Смотря с чем сравнивать. Например, вспышечная активность Солнца меньше вспышечной активности самых активных красных карликов на ~4 порядка величины.

12.5. Плазменная бутыль солнечной системы

    Итак, наша звезда является постоянным источником плазмы и магнитных полей. Плазма с вмороженным в неё магнитным полем распространяется в радиальном направлении от Солнца, заполняя гелиосферу – межпланетное пространство, в котором находятся планеты нашей Солнечной системы, крупные астероиды, прилетающие к нам кометы и другие более мелкие объекты Вселенной. Безусловно, солнечный ветер должен оказывать влияние на все эти тела, но это – отдельный предмет космической физики.
    Сейчас же зададимся вопросом, что может произойти с солнечным ветром и магнитным полем на далёких расстояниях, там, где солнечная система “кончается”?
    В связи с этим вопросом вспомним структуру нашей Галактики (см. рис. 1.6). Солнечная система совершает круговое движение вокруг центра Галактики на расстоянии около 25000 парсек. Скорость движения солнечной системы относительно межзвёздной среды составляет “всего” 25 км/сек. Межзвёздная среда не пуста, она заполнена нейтральным газом, магнитными полями и космическими лучами. И они противодействуют движущемуся на них потоку частиц солнечного ветра. Учитывая, что плотность частиц солнечного ветра падает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца и используя оценки для плотностей нейтралов, космических лучей и магнитного поля в межзвёздной среде, можно получить оценку расстояния до той границы, где давление частиц солнечного ветра сравняется с давлением межзвёздной среды. Эта граница получила название гелиопаузы. Она определяет искомую границу нашей солнечной системы (рис. 12.9). Можно показать, что эта пограничная область формирует в пространстве нечто наподобие бутыли, или кокона, обращённого в направлении “вверх по потоку” в межзвёздном пространстве. А внутри этого кокона, как показывают расчёты, должна образоваться пограничная ударная волна (termination shock). За ней скорость солнечного ветра резко замедляется.
    Как далеко от Солнца расположены гелиопауза и ударная волна? Расчёты дают оценку расстояния до ударной волны – не менее 70-100 АЕ.

    Более тридцати лет назад в направлении от Солнца были запущены четыре космических аппарата: “Pioneer - 10,-11” и “Voyager - 1,-2”. Сейчас все они находятся в месте предполагаемого расположения пограничной ударной волны (см. рис. 12.9). Каков результат? Как это часто бывает в науке, мнения учёных разошлись.
    Действительно, по мере приближения к предполагаемой ударной волне, детекторы заряжённых частиц на “Вояджерах” начали регистрировать необычные флуктуации их потоков. Это могло бы быть свидетельством ускорения на ударной волне частиц солнечного происхождения, долетевших до этих расстояний. И здесь мы вновь сталкиваемся с ускорением частиц на ударных волнах! Однако у такой интерпретации экспериментальных данных пока есть противники, утверждающие, что пока доказательств существования ударной волны “Вояджеры” не представили… Что ж, надо ждать новых экспериментов и анализировать вновь поступающие экспериментальные данные.
    Но доказательства существования границы гелиосферы могут быть получены и другими методами и не только с помощью прямых измерений частиц и полей на космических аппаратах. Такие сведения нам могут дать космические лучи, попадающие в гелиосферу из межзвёздного пространства. Итак, что же происходит с теми частицами, которые, будучи ускоренными во Вселенной, проникают внутрь нашей Солнечной системы?

13. Последнее пристанище странников

    Космические лучи, рождаясь и распространяясь во Вселенной, попадают и в Солнечную систему – среду, где их параметры могут изменяться. Что именно происходит с космическими лучами в окрестности Солнца – предмет рассмотрения данной главы.

13.1. Солнечная метла

    Обратите внимание на рис. 12.3. Cпринклер – архимедовы спирали солнечной плазмы с вмороженным в них магнитным полем – будут, безусловно, взаимодействовать с заряженными частицами, попадающими в гелиосферу из внешнего пространства. Межпланетное магнитное поле будет искривлять траектории галактических космических лучей, стремясь уменьшить интенсивность входящих в это пространство частиц. Известно, что на частицу, попавшую в магнитное поле, будет действовать сила Лоренца, величина которой зависит от её скорости. Для описания движения частиц в магнитном поле используется величина жёсткости R, являющейся отношением импульса частицы (mv) к её заряду (Q). Частицы с одинаковой жёсткостью имеют одинаковые траектории в магнитном поле.С увеличением скорости частицы, или её энергии, сила Лоренца уменьшается. Поэтому, чем больше энергия частицы, или её жёсткость, тем менее эффективно воздействует магнитное поле на частицу. Следовательно, для галактических космических лучей можно ожидать ослабление их потока только в низкоэнергичной части спектра

Рис. 13.1. Модуляция космических лучей (нижняя панель) по наблюдениям на станциях расположенных в экваториальной и в полярной (где пороговая жёсткость частиц меньше) областях. Вверху показано изменение солнечной активности (по числам Вольфа) за тот же период времени

    Чем вам не метла? Это явление называется модуляцией космических лучей. Эффективность модуляции зависит не только от расстояния до Солнца, но и от солнечной активности. В периоды более сильной активности Солнца, когда потоки плазмы более мощные, а магнитное поле более неоднородное в пространстве, мы будем наблюдать менее интенсивные потоки галактических космических лучей внутри гелиосферы. И, наоборот, в минимуме цикла солнечной активности потоки космических лучей будут максимальны. Это наглядно демонстрируется сравнением кривых, отображающих число солнечных пятен и потоков космических лучей (рис.13.1). Они, как говорят физики, находятся в “противофазе”: минимум солнечной активности соответствует максимуму потока космических лучей и наоборот.
    Эффективность модуляции потока зависит от расстояния. Чем дальше от Солнца, тем меньше будут изменения потоков космических лучей.
    Именно анализируя такие данные, т.е. зависимость степени модуляции галактических космических лучей от радиального расстояния, исследователи приходят к оценкам положения внешней границы области модуляции на расстояниях менее 100 а.е. Поэтому где-то в этом месте должна располагаться и пограничная ударная волна гелиосферы и гелиопауза.
    Теперь попытаемся вообразить трёхмерную, объёмную картину области эффективной модуляции космических лучей. Мы мало об этом знаем. Предполагается, что эта область имеет форму эллипсоида, приплющенного в перпендикулярных от плоскости эклиптики направлениях. Вблизи Солнца такая структура эллипсоида диктовалась предположением существования более однородного магнитного поля Солнца вблизи его полюсов. Так было до начала миссии космического аппарата “Ulysses”, запущенного в начале 90-х.
    Это был первый космический аппарат, вылетевший за пределы плоскости эклиптики. Дело в том, что аппараты, запущенные в космическое пространство со 2-й космической скоростью, будут лететь, как и все планеты, в плоскости эклиптики. Для того, чтобы космическому аппарату вылететь из неё, нужен дополнительный импульс. Его можно создать двигателем, а можно… гравитационным манёвром. Именно так был “запрограммирован” “Ulysses”. Его запустили не в сторону Солнца, а в обратном направлении. Долетев до Юпитера, самой массивной планеты Солнечной системы, он резко изменил траекторию своей орбиты, “вылетел” из плоскости эклиптики и полетел в сторону Солнца. Он несколько раз пролетел над полюсами Солнца, предоставив учёным уникальную информацию о структуре плазмы, магнитных полей и космических лучей вне плоскости эклиптики.

    Оказалось, что степень модуляции космических лучей над полюсами вовсе не такая эффективная, как это предполагалось ранее (рис.13.2). Модуляционная картина галактических космических лучей оказалась мало отличающейся от той, которая наблюдается в плоскости эклиптики. А это значит, что упомянутый выше модуляционный эллипсоид не такой уж и приплюснутый…
    Если теперь обратиться к энергетическому спектру галактических космических лучей (см. рис.13.3), то можно видеть характерный максимум в спектре при энергии около 400 МэВ/нукл. Его появление как раз и связано с модуляцией космических лучей внутри гелиосферы: частицы с энергиями меньшими ~ 400 МэВ/нукл “выметаются” из cолнечной системы нашей звездой. В годы максимума солнечной активности падение потоков слева от максимума спектра больше, а в минимумах меньше. Вот так наша звезда защищает нас от потока ускоренной во Вселенной межзвёздной пыли…

13.2. Аномальные частицы в гелиосфере

    Гелиосфера заполнена разнообразными частицами – это и галактические частицы, проникающие в неё извне, из межзвёздного пространства, и солнечные: плазма солнечного ветра и солнечные космические лучи. Однако есть ещё один компонент, открытый в начале 70-х годов.
    Исследователи космических лучей обратили внимание на то, что в энергетическом спектре частиц имеется характерная особенность – локальный максимум при энергиях 10-15 МэВ/нуклон (рис. 13.3). Интересным оказался факт его существования не для всех частиц, а только для кислорода, гелия, неона и ряда других элементов. Т.е. химический состав этих частиц существенно отличался от состава других частиц (как солнечного, так и галактического происхождения). Было также обнаружено, что эта компонента космических лучей подвергается солнечной модуляции, однако гораздо более мощной, чем в случае “обычных” галактических частиц. Именно в силу этих обстоятельств такие частицы получили название “аномальных космических лучей” (АКЛ). Встал вопрос об их происхождении.

Рис. 13.4. Механизм образования аномальных космических лучей по Л.Фиску

    Американский астрофизик Л. Фиск вскоре после их экспериментального обнаружения предложил весьма оригинальную гипотезу (рис. 13.4) их происхождения. Она состояла в том, что эти частицы рождаются из межзвёздной пыли, “подхватываемой” нашей гелиосферой из межзвёздного пространства. Эти частицы проникают в гелиосферу, т.к. она движется в галактическом пространстве со скоростью 25 км/сек, и та часть нейтральных пылинок, которая достигает окрестности Солнца – ионизируется за счёт его ультрафиолетового излучения и обмена зарядами с плазмой солнечного ветра. Частицы становятся заряжёнными. Но их энергия пока очень мала по сравнению с аномальными космическими лучами (сопоставима с энергией частиц солнечного ветра). Эти частицы надо ускорить.
    Л. Фиск предположил, что вместе с плазмой солнечного ветра они начинают путешествие к внешним областям гелиосферы вдоль архимедовых спиралей. Ну, а там, на границе, их ожидает ударная волна. Логика мыслей очевидна: если есть ударная волна, то следует ожидать ускорения частиц. Однако проблема заключается в том, что надо доказать существование самой ударной волны на границе гелиосферы (как об этом упоминалось выше, здесь есть пока разные точки зрения), смоделировать взаимодействие частиц с ней и попытаться получить ту форму энергетического спектра и те энергии частиц, которые реально наблюдаются в эксперименте. Пока здесь есть ряд вопросов, ответы на которые ещё не получены. Однако, в целом концепция Л. Фиска, пожалуй, верна. Это следует из того, что экспериментально доказано, что эти частицы, в отличие от галактических и солнечных, имеют заряд, близкий к 1+. Это означает, что атомы элементов, входящих в состав АКЛ, “ободраны” не полностью – практически все их электронные оболочки сохранены, не хватает лишь одной или двух…
    И это весьма важно, т.к. может произойти лишь в одном случае: если источники этих частиц где-то совсем близко от нашей гелиосферы. Расчёты показывают, что они должны располагаться не далее 0.2 парсека. Это - совсем рядом. Именно нейтральная пыль межзвёздного газа из этой области и пополняет околосолнечное пространство “аномальными частицами”.
    Как было доказано, что эти частицы имеют такое низкий заряд? Для этого использовали магнитное поле Земли в качестве “сепарирующего детектора” частиц с разными зарядами. К этому вопросу мы вернёмся ниже в связи с рассмотрением проблемы проникновения космических лучей в магнитное поле Земли.
    Итак, частицы высокой энергии, заполняющие гелиосферу, имеют различное происхождение. Некоторые из этих частиц – галактического и внегалактического происхождения, рождающиеся при взрывах сверхновых звёзд или в других астрофизических объектах Вселенной. Помимо этих источников, Солнце, в периоды усиления своей активности, генерирует энергичные частицы, которые могут иногда достигать энергий галактических. И, наконец, локальная межзвёздная среда забрасывает нам пыль, из которой рождаются новые энергичные частиц.
    Мы живём на небольшой планете, и космические лучи, оказавшиеся внутри гелиосферы, могут достигнуть и её окрестностей. Давайте вместе с космическими лучами начнём приближаться к Земле…

13.3. Магнитная “броня” планеты Земля

Приближаясь к Земле, космические лучи встречают два мощных препятствия. Одно из них – атмосфера планеты. Взаимодействие космических лучей с атмосферой было рассмотрено в главе 3. Лишь незначительная доля первичных частиц достигает Земли. Как правило, космические лучи образуют широкие атмосферные ливни вторичных частиц, которые в основном гибнут в атмосфере, выделяя при этом энергию.
   Однако есть ещё одна преграда для заряжённых частиц, несущихся в сторону Земли. Это её магнитное поле.
    …У английской королевы Елизаветы был придворный врач У. Гильбер. Он впервые доказал, что Земля является вращающимся магнитом.

Рис. 13.5. Проникновение космических лучей в дипольное магнитное поле Земли. Частицы с большей жесткостью R проникают глубже внутрь поля, и часть их достигает атмосферы. Вблизи полюсов, где поле ослаблено, проникают частицы в широком диапазоне R. Внутри поля возможно формирование замкнутых траекторий частиц (захват частиц

Рис. 13.6. Магнитосфера Земли – полость в космическом пространстве, формируемая воздействием солнечного ветра на магнитное поле Земли

    Форма магнитного поля Земли очень близка к дипольной (рис. 13.5), т.е. оно весьма неоднородно в пространстве: вблизи полюсов поле ослаблено (что демонстрируется разрежением магнитных силовых линий) по сравнению с экваториальными областями на тех же расстояниях r от центра Земли и уменьшается с расстоянием согласно закону r^-3. Напряжённость магнитного поля определяется магнитным моментом нашей планеты. Интересно заметить, что величина магнитного момента медленно меняется со временем (это – так называемые вековые вариации). В настоящее время эта величина уменьшается. Расчёты показывают, что к концу четвёртого тысячелетия (в 3991 г.) Земля может остаться на какое-то время без магнитного поля. Ещё одним интересным фактом является инверсия направления магнитного поля Земли (переполюсовка): в течение последних 600 миллионов лет это происходило около 1000 раз! Причём время инверсии достаточно длительное: от тысячи до нескольких тысяч лет. В эти периоды времени поле практически исчезает и … Земля становится беззащитной от космических заряженных частиц. Пока вопрос о последствиях этого явления недостаточно изучен.
   Теорий, касающихся возникновения магнитного поля, несколько: от вращающегося расплавленного шара до термоядерного реактора, наподобие солнечного в центре нашей планеты. Разнообразие теорий указывает на нерешённость данной проблемы.
    Магнитное поле Земли существует не в вакууме, а в среде, наполненной потоками солнечной плазмы и межпланетным магнитным полем. Безусловно, они взаимодействуют друг с другом. Для солнечного вещества и магнитного поля Земля с её собственным магнитным полем представляет собой реальную преграду: они вынуждены “обтекать” её. В результате такого “обтекания” магнитное поле Земли, изначально имевшее дипольную форму, превращается в сложную структуру, названную магнитосферой (рис.13.6).
    Открытию магнитосферы мы обязаны исследованиям на спутниках Земли. Именно благодаря космическим экспериментам было обнаружено, что земное магнитное поле имеет полоидальную форму с направленной на Солнце лобовой частью, постоянно омываемой солнечным ветром. На ночной стороне Земли силовые линии вытягиваются в антисолнечном направлении, образуя хвост магнитосферы. Открытие его в 60-х годах американским физиком Н. Нессом на спутниках IMP, имевших апогеи на ~20 радиусах Земли на ночной стороне, сыграло в дальнейшем выдающуюся роль в космической физике. Ему отводится роль накопителя солнечной энергии, которая высвобождается при явлениях, названных магнитными бурями. Мы ещё к ним вернёмся, а пока проследим судьбу космических лучей, оказавшихся внутри магнитосферы Земли.

13.4. Земная ловушка для космических странников

    В середине прошлого века магнитное поле Земли сыграло решающую роль в определении природы космического излучения. Безусловно, исследователей космических лучей с самого начала волновал вопрос о том, какая доля первичного космического излучения проходит через магнитное поле, и от каких факторов зависят условия проникновения частиц.
    Подробно движение заряженных частиц в магнитном поле изучал К. Штёрмер. Именно он определил основные особенности их траекторий в магнитном поле Земли (см. рис.13.5). Им были определены основные закономерности вариаций потоков частиц с изменением широты, долготы и высоты точки их наблюдения. Эти расчёты помогли исследователям правильно интерпретировать экспериментальные данные.
    Заряжённые частицы, попадая внутрь магнитного поля Земли, испытывают воздействие силы Лоренца, зависящей от заряда частицы (Q), её скорости (v) и величины напряжённости магнитного поля (В). Сила Лоренца увеличивается как с увеличением Q, так и с увеличением произведения v^.B. Можно показать, что радиус кривизны траектории частицы с равными величинами mv/Q (m – масса частицы), называемой жёсткостью (R), имеют одинаковые траектории. Ясно, что такими частицами могут быть любые – и протоны, и электроны, и ядра.
    Именно поэтому в физике космических лучей удобно пользоваться величиной жёсткости для описания движения частиц в магнитных полях. Таковы основные закономерности движения галактических космических лучей вблизи Земли.
   Так, например, азимутальный эффект прохождения частиц разного знака через магнитное поле (напомним, что частицы разного знака, например, протоны и электроны имеют траектории, направленные в противоположные стороны) помог пионерам исследования космических лучей понять их природу, а именно, доказать, что они состоят из положительно заряжённых частиц. Расчёты показывают, что на экватор могут проникать только частицы с энергией, превышающей 15-17 ГэВ.

Рис. 13.7. Реальные траектории протонов в магнитном поле Земли

    Движение заряжённых частиц в магнитном поле описывается уравнениями, в основе которых лежат законы Ньютона и сила Лоренца. Для вычисления траекторий частиц по этим уравнениям нужны модели магнитного поля и параметры первичных космических лучей. Мы видели (см. рис. 13.6), что магнитное поле Земли – магнитосфера – это существенно искажённый магнитный диполь под воздействием солнечного ветра. Поэтому траектории частиц в реальном поле далеки от плавной кривой для частиц, изображённой на рис. 13.5. Скорее, они напоминают запутанные спиралевидные линии с уменьшающимися радиусами кривизны по мере продвижения частицы к Земле (рис. 13.7). Однако в этой сложной картине можно выделить три основные закономерности.
    Частицы с малой жёсткостью будет отражаться от магнитной брони нашей Земли, частицы с большой жёсткостью будут проникать внутрь поля, и они либо погибнут в атмосфере, либо уйдут вновь в космическое пространство. А для некоторой доли частиц – с промежуточными величинами жёсткости магнитное поле представляет собой ловушку – частицы окажутся захваченными в нём (см.рис. 13.5).
    Магнитное поле Земли сослужило большую роль в определении природы аномальной компоненты космических лучей. Эксперимент, выполненный российско-американской коллаборацией в начале 90-х годов с использованием спутников Земли, по своей идее был достаточно прост. Для определения заряда частиц АКЛ – кислорода – использовались одновременные измерения частиц как на борту американского спутника IMP-8, летавшего за пределами магнитосферы, и нашего – “Космоса”, орбита которого была расположена вблизи Земли на низких высотах.
    Частицы разного заряда имеют разные траектории в магнитном поле. Расчёты показали, что на орбиту “Космоса” могут проникнуть ионы кислорода лишь с зарядом 1+ и не могут с большими зарядами. Совместные эксперименты показали полную идентичность вариаций потоков АКЛ вне и внутри магнитосферы и позволили точно определить заряд частиц АКЛ. Он действительно оказался близким к 1+. Это и послужило доказательством справедливости гипотезы Л. Фиска о происхождении АКЛ.
    Но, ведь есть ещё солнечные космических лучи, – энергичные частицы, ускоренные во время солнечных вспышек. Как они ведут себя в магнитном поле Земли?
    Энергия этих частиц, как правило, значительно меньше, чем частиц ГКЛ (см. рис. 13.3). Поэтому для них весьма проблематичным выглядит возможность достижения низких высот или атмосферы Земли. Лишь во время экстремальных солнечных событий энергия этих частиц приближается к галактическим. Именно во время таких событий спутники на низких орбитах могут зарегистрировать частицы солнечного происхождения. Однако, для этих частиц (как, впрочем, и для всех других) в магнитном поле Земли существует “дыра”, куда частицы могут проникать практически беспрепятственно. Это полярные области, так называемые северные и южные полярные шапки. Здесь магнитное поле ослаблено, и солнечные буревые частицы могут достичь границы атмосферы. Нетрудно сообразить, что в связи с этим явлением могут возникнуть проблемы с трансатлантическими авиалайнерами, залетающих на полярные широты. Потоки солнечных космических лучей достаточно большие, чтобы вызвать заметное увеличение доз радиации у экипажа и пассажиров этих самолётов. К этому вопросу мы вернёмся позже, а пока зададимся вопросом: насколько картина проникновения частиц космических лучей, нарисованная выше, стабильна во времени?
    Ведь наша магнитная броня находится под постоянным воздействием давления солнечного ветра, которое иногда может испытывать существенные пространственные деформации. Представьте себе столкновение ударной волны плазменного облака – СМЕ, летящего со скоростью 2000 км/с и несущего в себе мегатонны солнечного вещества, с магнитосферой Земли. Безусловно, магнитное поле на дневной, обращённой к Солнцу стороне, сплющится и очень сильно. Эксперименты показывают, что в такие моменты времени дневная граница магнитосферы, обычно находящаяся на расстоянии около 10 радиусов Земли, может приблизиться к Земле на расстояние до 3-х радиусов! На ночной стороне также произойдёт сильная деформация поля. Безусловно, для таких периодов времени расчеты проникновения космических лучей, выполненные для стационарных условий, когда солнечный ветер имеет скорость, близкую к 400 км/сек, становятся несостоятельными. Надо использовать модели возмущённой магнитосферы.

Рис. 13.8. Пространственная структура кольцевого тока – плазменного тора, сформированного во время магнитной бури. Такой плазменный тор создаёт понижение напряжённости магнитного поля Земли (нижняя панель)

Рис. 13.9. Изменение границ проникновения солнечных частиц: в условиях магнитной бури (возмущённая магнитосфера) границы смещаются к экватору

    Что такое возмущённая магнитосфера? Оказывается, это не только та деформация поля, которая вызывается набегающим на Землю потоком солнечной плазмы. Как правило, после этого вблизи Земли происходит грандиозное явление, называемое магнитной бурей. Рассмотрение этого очень интересного геофизического явления выходит за рамки этой книги. Здесь лишь отметим, что магнитная буря – глобальное искажение магнитного поля Земли - обусловлена генерацией электрических токов внутри самой магнитосферы через некоторое время (минуты-десятки минут) после первоначального толчка облака солнечной плазмы. Именно электрические токи, связанные с движением заряженных частиц плазмы внутри магнитосферной полости, вызывают искажение естественного магнитного поля Земли. Почему? Из физики известно, что ток, текущий по проводнику, генерирует вокруг себя магнитное поле (его называют индукционным). То же самое происходит и в магнитосфере. Индукционное поле создаётся токами и в области его локализации общее, суммарное магнитное поле, конечно, будет отличаться от естественного.
    Где в магнитосфере текут эти токи? Оказывается, наиболее мощный ток во время магнитных бурь формируется вблизи Земли, на расстоянии 3-х - 4-х радиусов от её поверхности. Это так называемый “кольцевой ток”. Он состоит как из частиц солнечной плазмы, так и и земной: ионосферной (рис. 13.8). Кольцевой ток во время бурь генерирует мощное индукционное поле в этой области и вызывает уменьшение, депрессию, общего магнитного поля Земли на низких и средних широтах. Это и есть магнитная буря.
    Но какое отношение магнитная буря имеет к космическим лучам? Самое непосредственное. Искажение магнитного поля, его ослабление на расстояниях менее 5-6 радиусов Земли (там, где расположен кольцевой ток) существенно меняет траектории космических лучей, проникающих в магнитосферу. Ранее упоминалось о заполнении высокоширотных областей солнечными энергичными частицами во время вспышек. Очень часто генерация частиц на Солнце (точнее, их приход к Земле) совпадает с магнитными бурями. Магнитное поле в эти моменты ослабевает и позволяет частицам проникать глубже в магнитосферу. Для “полярных” частиц это проявляется в виде смещения низкоширотной границы проникновения ближе к экватору: зона заполнения солнечными частицами полярных областей во время магнитных бурь становится более обширной, сдвигаясь к экватору (рис. 13.9).
    Такова, в основном, картина проникновения галактических и солнечных космических лучей в магнитное поле Земли. Безусловно, частицы космических лучей, достигшие верхних границ атмосферы, не исчезают бесследно в её недрах. Они оставляют “следы”. Причём, как мы теперь понимаем, очень значимые как для среды обитания человека, технологий, созданных человеком, так и для самого человека, как, впрочем, и любых других биологических структур на Земле…