1. Что такое солнечный ветер? И откуда он берется?
Человечество наблюдает за Солнцем на протяжении всей своей истории. Казалось бы, мы изучили его вдоль и поперек. Однако до сих пор существуют явления, которым нет объяснения. Например, мы не знаем точно, почему «дует» высокоскоростной солнечный ветер.
Солнечный ветер — это поток заряженных частиц, выпускаемый Солнцем. Эти частицы находятся в состоянии плазмы и несут с собой солнечные магнитные поля. Высокоскоростной ветер может проникать в окружающее космическое пространство. Если Земля попадает под его прицел, магнитное поле плазмы с Солнца взаимодействует с магнитным полем нашей планеты. Когда солнечный ветер налетает на магнитосферу Земли со скоростью около 500 км/с (больше скорости звука в тех же условиях!), частицы плазмы должны внезапно остановиться из-за давления магнитного поля Земли. На границе магнитосферы образуется область очень плотной плазмы. Начинается магнитная буря.
2. Почему дует солнечный ветер?
Плазма — особая форма существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. Вещество настолько горячее, что атомы «разваливаются»: отрицательно заряженные электроны и положительные ионы не могут держаться вместе и образуют ионизированный газ, в котором суммарный отрицательный заряд частиц равен суммарному положительному заряду. На Солнце, где температура ядра около 16 млн градусов Кельвина, плазмы очень много.
Откуда частицы плазмы берут энергию, чтобы преодолеть гравитационное поле Солнца и двигаться со сверхзвуковыми скоростями? Как именно ветра взаимодействуют с магнитосферой Земли? На эти вопросы нет строгих ответов. Но во всем подозревают магнитное пересоединение — явление, при котором в высокопроводящей плазме происходит разрыв и повторное соединение противоположно направленных силовых линий магнитного поля. Оно может резко преобразовывать энергию магнитных полей в энергию заряженных частиц.
3. Почему магнитные линии рвутся?
Магнитное поле можно сравнить с обычной канцелярской резинкой. Ненатянутая резинка не сможет удержать вместе несколько карандашей. А вот растянутая резинка использует энергию своего натяжения и держит карандаши отлично. Чем сильнее растянута резинка, тем больше энергии. Если перестараться, резинка порвется и резко выпустит эту энергию.
Подобно резинке, магнитные поля накапливают энергию, когда растягиваются. Исторически считалось, что линии магнитного поля не могут разорваться, независимо от того, насколько они растянуты. В отличие от резинки, одиночная линия магнитного поля не может разорваться, потому что у магнитного поля не может быть свободных концов. Однако, если рядом находится другая натянутая линия магнитного поля, направленная в противоположную сторону, они могут одновременно разорваться и соединиться так, что свободного конца не останется. И выпустить огромное количество энергии.
4. Где можно наблюдать магнитное пересоединение?
Изначально концепцию магнитного пересоединения ввели, чтобы объяснить взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли. Потом ученые наблюдали его и на самом Солнце, и на других объектах в космосе: пересоединение отвечает за корональные выбросы массы на звездах, всплески магнитной энергии в джетах нейтронных звезд и черных дыр, в магнитосферах.
Теперь известно, что магнитное пересоединение может произойти и на поверхности Земли — в удерживающих плазму термоядерных реакторах. Там это явление опасно, поскольку разрушает удержание плазмы и высвобождает столько магнитной энергии, что может повредить реактор. Зато такой приток энергии может пригодиться для плазменных двигателей космических аппаратов.
5. Почему нам не хватает ответов на вопросы о солнечном ветре?
В истории магнитного пересоединения много белых пятен. Долгое время для описания этого процесса использовалась модель Паркера. Она предполагает, что приток плазмы и магнитного поля при разрыве и пересечении магнитных линий уравновешивается. Происходит это за счет столкновений между электронами и положительно заряженными ионами в пограничном слое между противоположно направленными магнитными полями. Но современные исследования в солнечных условиях показали, что в плазме частицы почти никогда не сталкиваются друг с другом. Выходит, что модель Паркера неприменима к крупным системам, то есть большей части космической физики. Для них нужно придумать новую модель.
6. Для чего могут пригодиться знания о солнечной плазме и магнитном пересоединении?
До сих пор неясно, какие механизмы отвечают за энергетический баланс магнитного пересоединения. В ходе каких процессов электроны и ионы получают энергию в больших масштабах, какими законами определяется скорость магнитного пересоединения? Все эти ответы необходимы, чтобы предсказывать космическую погоду, проектировать термоядерные устройства и строить плазменные двигатели. Загадку магнитного пересоединения предстоит решить ученым следующих лет.
