Солнечный ветер

Характеристики

Солнечный ветер

Гелиосферный токовый слой — результат влияния вращающегося магнитного поля Солнца на плазму в солнечном ветре.

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.

Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает реального состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых — уменьшается (FIP-эффект).

Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной активности и его источников. Многолетние наблюдения на орбите Земли (около 150 млн км от Солнца) показали, что солнечный ветер структурирован и обычно делится на спокойный и возмущенный (спорадический и рекуррентный). Спокойные потоки, в зависимости от скорости, делятся на два класса:медленные (примерно 300—500 км/с около орбиты Земли) и быстрые (500—800 км/с около орбиты Земли). Иногда к стационарному ветру относят область гелиосферного токового слоя, который разделяет области различной полярности межпланетного магнитного поля, и по своим характеристикам близок к медленному ветру.

Параметры солнечного ветра
Параметр Средняя величина Медленный солнечный ветер Быстрый солнечный ветер
Плотность n, см−3 8,8 11,9 3,9
Скорость V, км/с 468 327 702
nV, см−2·с−1 3,8·108 3,9·108 2,7·108
Темп. протонов Tp, К 7·104 3,4·104 2,3·105
Темп. электронов Te, К 1,4·105 1,3·105 1,0·105
Te / Tp 1,9 4,4 0,45

Медленный солнечный ветер

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.

Быстрый солнечный ветер

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.

Возмущенные потоки

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 соотношение между временем наблюдения различных типов сильно изменяется в цикле солнечной активности.

Солнечный ветер

Солнечный ветер

Это направленное от Солнца движение ионизированных частиц в сторону выхода за пределы нашей системы. Причиной возникновения столь интересного явления служит разность сил гравитации и давления верхних слоёв солнечной короны, не способная удержать поток ядерной плазмы в пределах нашей звезды (существует звёздный ветер других небесных светил). Скорость его может доходить до 1200 км/сек, а потоки пронизывать всё космическое пространство.

Интересный факт: большая часть космических тел в Солнечной системе вращается вокруг Солнца в одной плоскости (эклиптика) и одном направлении. Причём оно совпадает с направлением вращения самой звезды.

Первооткрывателем данного явления стал американский астрофизик Юджин Паркер. Но задолго до него ряд учёных делал предположения об излучение заряженных частиц с поверхности светила. В частности, Людвиг Бирманн из Германии сделал очень любопытное наблюдение хвостов комет. Оказывается, они всегда направлены в сторону от Солнца. Значит, испытывают на себе какое-то физическое воздействие.

Распространение солнечного ветра в космосе

С началом космической эры, гипотеза Паркера нашла своё подтверждение. Были проведены замеры потоков солнечного ветра со станций: «Луна-1», «Маринер-2». Даже был организован 4-х спутниковый эксперимент по замеру силы ударной волны (столкновение солнечного ветра с магнитосферой планеты). В процессе удалось получить уникальные научные данные с высокой точностью измерений.

Как появляется солнечный ветер?

Причиной появления потока, состоящего из смеси положительно и отрицательно заряженных частиц, является постоянно образующаяся внутри Солнца плазма. Возникает она в результате бесконечно протекающих реакций термоядерного синтеза, нагревающих центр звезды до нескольких десятков миллионов градусов по Цельсию. Разогретый таким образом ионизированный газ, стремительно вырывается из условно «ограниченного объёма», разлетаясь далеко за пределы нашей звёздной системы.

Появление солнечного ветра
Интересный факт: пределы этого объёма обусловлены гигантскими силами гравитации, «как бы закупоривающими взрывы множества водородных бомб внутриограниченного объёма», возникающими вследствие огромных размеров нашего светила. А оно в 109 раз больше Земли. Итогом процесса является нагрев короны Солнца до миллиона градусов по Цельсию, за счёт серии микровзрывов «вырвавшейся на свободу» плазмы.

В сентябре 2016 года американским учёным с помощью обсерваторий NASA STEREO впервые удалось засечь процесс возникновения солнечного ветра. Согласно их заявлению, происходящее идентично выбросу воды: сначала поток идёт одной струёй, затем распадается на отдельные частички, которые становятся всё меньше и меньше, пока не образуется газообразное «облако».

NASA STEREO

Связь урожайности сельскохозяйственных растений и солнечной активности

Солнечный ветер

Вопрос о связи урожаев сельскохозяйственных культур с солнечной активностью имеет длинную историю. Известно, что еще в III в. до н. э. Катон Старший, римский писатель, заметил, что цены на рожь зависели от солнечной активности (от «помрачения Солнца»). При высокой солнечной активности урожаи ржи были лучше и поэтому цены на рожь снижались.

Связь между урожайностью и солнечной активностью осуществляется прежде всего через атмосферную циркуляцию, от которой зависит число осадков и температура. Но связь между солнечной активностью и атмосферной циркуляцией меняет свой характер (знак) примерно каждые 40 лет.

Прорастание семени

Недостаточность или отсутствие освещения очень пагубно сказываются на развитии культур по причине деактивации процесса фотосинтеза и, как следствие, ограниченного образования органических веществ. В результате растения вырастают слабыми, и у них наблюдаются различные дефекты роста и развития: вытянутость побегов и междоузлий, бледная окраска зеленой массы, уменьшение размеров листьев, скудность цветообразования или полное отсутствие цветения, пожелтение и опадание нижних листьев и т. д.

Хронический дефицит солнечной энергии приводит к гибели растений.

Избыточное освещение

Солнечный ветер

Культуры могут испытывать недостаток света при короткой продолжительности светового дня, а также при недостаточной интенсивности самого освещения. По требовательности к освещению растения делятся на:

  • светолюбивые (гелиофиты);
  • теневыносливые (сциогелиофиты);
  • тенелюбивые (сциофиты).

К первой группе относятся культуры, которые хорошо растут и развиваются под действием прямых солнечных лучей или яркого рассеянного света, а на уменьшение продолжительности и интенсивности освещения реагируют негативно. Как правило, это растения южных регионов, где солнечная активность позволяет им получать не менее 10 – 12 тысяч люксов за год. В эту категорию входят большинство огородных культур и плодоносящих деревьев, цитрусовые, пальмы, суккуленты, бугенвиллия, жасмин, гибискус, гардения, пассифлора, розы и пр.

Растения и свет

Не только интенсивность светового потока оказывает огромное влияние на жизнедеятельность растений. Также культуры очень чувствительны и к продолжительности освещения.

В зависимости от этой реакции различают растения длинного дня, для которых требуется световой период не менее 12 – 18 часов в сутки (пшеница, рожь, лен, ячмень, овес, чечевица, горох, мак, свекла и др.) и растения короткого дня, довольствующиеся солнечным светом в течение 8 – 12 часов (кукуруза, просо, соя, фасоль, табак, хлопчатник и пр.).

У культур, входящих в группу растений короткого дня, сокращение осветительного периода вызывает ускорение перехода от вегетативной стадии развития к репродуктивной. Обратная реакция наблюдается у растений длинного дня: более продолжительный осветительный период стимулирует более раннее вступление в фазу цветения.

Путем длительных экспериментов и наблюдений ученым удалось установить, что определенные диапазоны солнечного спектра по-разному воздействуют на растения, а с помощью правильно подобранного спектрального освещения можно стимулировать увеличение урожайности культур на 30%.

Солнечный ветер

Влияние солнца на качество почвы

Следует еще указать на один фактор, оказывающий влияние на рост растений. Это деятельность микроорганизмов в почве. Их роль в жизни растений огромна, так как они задерживают азот в почве.

Было доказано, что жизнь (в частности численность) микроорганизмов (аммонифицирующих бактерий) зависит от солнечной активности.

Образно говоря, солнечная активность сама удобряет почву. В зависимости от солнечной активности (не от температуры и влажности почвы!) изменяется численность различных микроорганизмов, таких как аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии, аэробные целлюлозоразлагающие бактерии и водоросли, которые используют в своей деятельности нитраты (а не только аммиак почвы).

Магнитные бури

Дальнейшие доказательства того, что Солнце излучает частицы, были получены уже много лет позднее на основе изучения магнитных бурь, которые ассоциируются с нарушением радио и телефонной связи.

Бури, как это было доказано, вызываются флуктуациями (отклонениями от нормы) в земном магнитном поле. Поскольку они, как правило, обнаруживаются двумя днями позже солнечных вспышек, их сначала приписывали действию ультрафиолетовой радиации, усиливающейся со вспышками.

Позднее английский геофизик Сидней Чепмен предположил, что корпускулярное излучение Солнца имеет более глубокие причины. В тридцатых годах он и Ферраро провели ряд вычислений и показали, что облако ионов, выброшенных Солнцем, двигаясь со скоростью 1 тысяча или 2 тысячи километров в секунду, может достигнуть Земли через день или два и произвести возмущение земного магнитного поля. Их теоретическая картина возмущения поля так близко совпадает с действительными флуктуациями во время магнитных бурь, что идея Чепмена была широко признана.

Третье проявление солнечных частиц было замечено в конце сороковых годов. Оно было связано с бомбардировкой Земли космическими лучами. Скотт Е. Форбуш из Института Карнеги в Вашингтоне обнаружил, что интенсивность космической радиации, достигающей Земли, ниже во время высокой солнечной активности и часто резко падает во время магнитной бури. Другими словами, большая активность Солнца соответствует меньшему числу частиц космических лучей, падающих на Землю.

Сначала предполагалось, что это явление обусловлено изменениями, вызванными солнечной активностью, в земном магнитном поле и атмосфере, а эти изменения, в свою очередь, приводили к отклонению космических частиц от Земли. Но физик Чикагского университета А. Симпсон вскоре нашел, что нарушения в потоке космических частиц были куда большими, чем можно было предполагать. Такого рода флуктуации не могли быть произведены только лишь переменой околоземной обстановки; они, скорее, должны отражать повышение и падение интенсивности космических лучей в Солнечной системе в целом. Очевидно, что-то в солнечной радиации имеет тенденцию препятствовать потоку космических частиц в Солнечную систему, и эта тенденция возрастает, когда Солнце особенно активно. Но что это такое?

Основной механизм следует искать где-то в магнитогидродинамической теории шведского физика Ганнеса Альвена. Он высказал предположение, что ионизированный газ при движении должен перемещать с собой магнитное поле. То, что это именно так, было подтверждено Филиппом Моррисоном из Корнелльского университета и другими исследователями, считавшими, что поток заряженных частиц из Солнца, несущий магнитное поле, имеет тенденцию «выметать» частицы космических лучей из Солнечной системы, и этот эффект тем значительнее, чем интенсивнее солнечная радиация.

Примерно в то же время появилось четвертое и решающее доказательство корпускулярной радиации Солнца. Хорошо известно, что хвосты комет всегда обращены в сторону от Солнца. Независимо от того, в каком месте орбиты, проходящей через Солнечную систему, находится комета, голова ее всегда обращена, к Солнцу, а газовый хвост в противоположную сторону. Почему это так? До этого времени универсальная общепринятая теория объясняла это явление давлением солнечного света, действующего на крайне разреженное вещество кометы; в результате хвост всегда обращен в сторону, противоположную Солнцу. Но в пятидесятых годах Людвиг Ф. Бирманн из Геттингенского университета отметил, что давления солнечного света совершенно недостаточно, чтобы создать силу, способную сдуть газы с головы кометы. Он высказал идею, что только та солнечная радиация в состоянии отклонить хвост кометы, которая является потоком реально существующих частиц. Такая солнечная радиация могла бы объяснить существование возбужденных, выделяющих свет ионов в хвостах комет.

Исследования Бирманна открыли много важного для решения вопроса о том, как возникает корпускулярная радиация Солнца. До этого времени считалось, что частицы испускаются солнечным пламенем во время вспышек или солнечными пятнами посредством некоего неизвестного электромагнитного ускорительного процесса

Но рассуждения Бирманна показали, что корпускулярная радиация не может возникать только во время вспышек или в образовавшихся пятнах. Хвосты комет указывают на то, что радиация распространяется непрерывно во всех направлениях от Солнца, они демонстрируют существование устойчиво излучаемой, наполняющей космическое пространство радиации. Поток элементарных частиц становится интенсивнее, когда Солнце ведет себя особенно активно, но он существует все время.

Продолжение следует.

Ветер за пределами Земли

За пределами нашей планеты выделяют несколько видов ветров:

  • солнечный;
  • планетарный;
  • инопланетный.

Солнечный ветер представляет собой перемещение не воздушных потоков, а плазмы, которую выбрасывает солнечная атмосфера. Это явление происходит на скорости около 400 км/с. Гелиосфера – большой участок межзвездного пространства, который окружает Солнечную систему и образован солнечным ветром.

Северное сияние – влияние солнечного ветра
Интересный факт: магнитное поле Земли не дает ветру проникать в атмосферу. Но иногда вспышки на Солнце бывают настолько сильными, что солнечный ветер все же пробивается сквозь эту защиту и вызывает полярное сияние, магнитные бури.

Планетарный ветер – это перемещение газов в верхних слоях атмосферы планеты. Из-за этого планета теряет возможность взаимодействовать с прочими частицами газа. Если подобные процессы продолжаются множество лет, планета может потерять свою атмосферу, запасы воды и т.д.

На других планетах тоже есть различные ветры. На Венере они дуют со скоростью 83 м/с и могут облететь планету за несколько земных суток. На Юпитере ветер достигает 100 м/с и более. Самые сильные потоки на Сатурне – около 375 м/с.

Интересный факт: известно, что на Марсе есть несколько типов ветров. Например, пылевые смерчи и ветры, дующие с полюсов на скорости около 110 м/с.

Использование ветра человеком

Ветер – элементарный источник энергии, который, к тому же, является экологически безопасным. А сохранение экологии – одна из основных текущих задач человечества. Интересно, что сила ветра служит людям с давних пор.

Раньше это были простейшие устройства вроде мельниц. Сейчас строятся комплексные ветроэнергетические установки, при помощи которых сила ветра преобразовывается в электричество.

Энергия ветра может быть преобразована в следующие виды энергии:

  • кинетическую – для передвижения парусных судов (в прошлом), полетов воздушных шаров;
  • механическую – для установок, перекачивающих воду и измельчающих зерновые (устаревшие способы);
  • электрическую – для производства электроэнергии.

Ветроэнергетика

По потенциалу энергия ветра находится на шестом месте в списке возможных источников после солнечного излучения, угля, урана, нефти и природного газа. Так, возможный объем электроэнергии, который можно получить за счет ветроэнергетических установок, составляет около 25-700 ТВт в год.

Интересный факт: согласно расчетам организации Global Wind Energy Council, активное развитие ветроэнергетики позволит снизить объем выбрасываемого в атмосферу углекислого газа на 1,5 миллиарда тонн в год.

Страны-лидеры в ветроэнергетике (2015 г.):

  1. Китай – 115 000 МВт.
  2. США – 65 000 МВт.
  3. Германия – 39 000 МВт.
  4. Испания – 22 000 МВт.
  5. Индия – 22 000 МВт.
  6. Великобритания – 12 000 МВт.
  7. Канада – 10 000 МВт.
  8. Франция – 9 000 МВт.
  9. Италия – 8 000 МВт.
  10. Бразилия – 6 000 МВт.

В России ветроэнергетика развита слабо и на это есть несколько причин. Во-первых, средняя скорость ветра по всей территории – около 5 м/с (годовые расчеты). Это недостаточный показатель для стандартных установок, поэтому добавляются расходы на дополнительное оборудование.

Чукотская ВЭС №1

Во-вторых, предпочтительнее выбирать стабильные источники энергии, независящие от различных факторов (в частности природных). Ветроэнергетика в нашей стране связана и с множеством других недостатков, особенно если речь идет о малых объемах. Например, высокая стоимость оборудования, проблемная эксплуатация, обслуживание систем и т.п.

Можно ли использовать солнечный ветер

Учёные всего мира работают над проблемами и перспективами использования солнечного ветра для блага цивилизации. Так, финский учёный П. Янхунен создал так называемые «электрические паруса» и «солнечные паруса». Это космические аппараты, которые двигаются за счёт заряженных частиц, исходящих от Солнца. Попытка запуска космического паруса была неудачной, он не раскрылся.

Существуют проекты использования заряженных частиц для передачи и сохранения информации, создания на планетных орбитах космических электростанций. К примеру, американский учёный Ф. Дайсон предположил, что в будущем высокоразвитой земной цивилизации будет доступно создание некоего сферообразного объекта вокруг Солнца, который бы собирал всю энергию. Этот же Дайсон допустил, что таким способом можно будет искать внеземные цивилизации.

Исследователи Вашингтонского университета разработали практичную концепцию применения ионизированного активного излучения – космические спутники. С их помощью можно собирать и перераспределять электроны, источником которых является солнечный ветер. Наличие спутника с километровым стержнем и парусом в 8 тыс. км. позволит человечеству полностью отказаться от всех видов энергии, перейдя только на ту, что извлекается из ионизированного потока частиц. Этот источник энергии (триллион миллиардов мегаватт) практически неиссякаем.

Существуют проекты передачи энергии, получаемой из спутника Дайсона-Харропа с помощью лазерных лучей. На данном этапе развития человеческой цивилизации создать такой луч (по сути, «кабель») невозможно. Сам спутник должен быть вне плоскости эклиптики, а лазерный луч даст такое пятно, что покроет собой всю планету. А вот применение небольших спутников, заменяющих мощные солнечные батареи вполне возможно. Предположительно, что в недалёком будущем ими можно будет заменить ядерные реакторы.

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий