Гордон Холман
«В мире науки» №7, 2006
- Что нагревает газ?
- Пересечение линий
- Пока не увижу, не поверю
Пересечение линий
Чтобы понять, что происходит в ходе магнитного пересоединения, нужно сначала разобраться, как в солнечной атмосфере невидимые магнитные петли захватывают горячий газ, который лучше называть плазмой, поскольку он в основном состоит из отдельных электронов и протонов, а значит, является хорошим проводником электричества. Поэтому электрическое поле легко перемещает заряженные частицы, создавая электрический ток. Магнитное поле тоже действует на заряженные частицы.
Несмотря на то, что электроны и протоны вынуждены вращаться вокруг магнитных силовых линий, они могут свободно передвигаться вдоль них, поскольку, если они перемещаются по сходящимся магнитным силовым линиям, заряженные частицы будут тормозиться. Например, спускаясь с вершины петли к ее основанию, частица, достигнув одной из так называемых опорных точек петли, где силовые линии сходятся, а магнитное поле становится более интенсивным, будет замедлять свое движение. Усиливающееся поле постепенно приводит к остановке электрона или протона, а затем выталкивает его обратно вверх. Заряженные частицы на Солнце не передают свою энергию магнитному полю. Энергия их движения вниз переходит в другую форму, увеличивая частоту вращения частиц вокруг магнитных силовых линий. Таким образом, две опорные точки магнитной петли действуют как зеркала, отражая протоны и электроны от одной точки к другой и создавая, таким образом, западню для заряженных частиц.
Питательная среда для вспышки
Движущееся магнитное поле и очень горячая плазма (газ, атомы которого лишены своих электронов) — вот и все, что нужно для вспышки. Но как именно они взаимодействуют, чтобы ее произвести, было выяснено лишь недавно (см. врезку Объединяя противоположности).
Светящиеся газовые петли, повсеместно выступающие из солнечной поверхности, показаны на фото, полученном в далеком ультрафиолетовом диапазоне космическим зондом TRACE (Transition Region and Coronal Explorer — «Исследователь переходной области и короны»). Яркие линии следуют за магнитным полем, которое меняется со временем, поскольку движение горячей плазмы вблизи и под видимой поверхностью Солнца смещает «опорные точки» силовых линий, где они упираются в поверхность.
Заряженные частицы плазмы не только вращаются вокруг магнитных силовых линий, но и довольно свободно перемещаются вдоль них. Когда частицы встречаются с усиливающимся полем (где линии поля сходятся), их движение вдоль силовых линий сначала замедляется, а затем они поворачиваются назад. В результате они начинают метаться между двумя опорными точками магнитной петли. Физики давно заметили, что внезапная перестройка магнитного поля нагревает захваченные частицы, выбрасывая их в виде вспышки, но для исследования деталей данного процесса требовались дополнительные наблюдения.
Плазма также может влиять на удерживающие ее магнитные силовые линии, поскольку существует море заряженных частиц, в котором электрические токи могут появляться всякий раз, когда возникает разность потенциалов. В обычных электрических цепях, например в фонарике, напряжение обеспечивает батарея. На Солнце ее нет, но перемещающиеся магнитные поля создают разность потенциалов (по тем же законам физики, которые использует электрический генератор), и возникает электрический ток, создающий новые магнитные поля. Такой эффект вместе со склонностью магнитных опорных точек беспорядочно перемещаться приводит к постоянно изменяющемуся виду искривленных магнитных полей в солнечной атмосфере, поддерживая значительную энергию магнитного поля — источник солнечных вспышек.
Теперь рассмотрим некоторые физические механизмы, к пониманию которых ученые шли многие десятилетия. Трудности возникают тогда, когда мы пытаемся объяснить, как вся энергия магнитного поля преобразуется в тепло, в энергию ускоренных частиц и выброшенного вещества. Возможно, целесообразно рассмотреть обычную электрическую цепь, в которой есть не только ток заряженных частиц и вызывающее его напряжение, но и электрическое сопротивление. Например, нить в лампочке оказывает сопротивление текущему через нее электрическому току, рассеивает его энергию и превращает ее в свет и тепло. Солнечная атмосфера обладает электрическим сопротивлением, поскольку образующие электрический ток заряженные частицы иногда сталкиваются друг с другом, тормозятся и нагревают все вокруг. Поддерживающая ток разность потенциалов создает достаточно сильное электрическое поле, в котором электроны и ионы ускорятся и покидают горячую плазму. Таким образом, мы получили основные компоненты вспышки — нагрев и частицы высокой энергии.
При более тщательном анализе предложенное выше изящное объяснение не подтвердилось. Выяснилось, что электрическое сопротивление в короне обычно слишком мало, чтобы объяснить взрывной характер солнечных вспышек. И даже если сопротивление было бы большим, все же трудно объяснить, как необходимое количество магнитной энергии может сконцентрироваться в одном месте и высвободиться в виде взрыва. Десятки лет назад исследователи пришли к выводу, что возникновение разности потенциалов, создающей простой ток, не может быстро нагревать солнечную атмосферу или ускорять поток частиц, достаточный для вспышки.
Ранее астрофизики рассматривали вспышку как результат слияния различных токов или множества турбулентных плазменных волн и связанных с ними хаотических электрических полей. Специальным подбором условий удается объяснить вспышку, но не все сопутствующие ей явления, в особенности, выбросы корональной массы, сопровождающие крупные вспышки. Более многообещающей выглядит теория, учитывающая динамику не только электрического, но и магнитного полей. Поэтому нам следует детальнее познакомиться с их физикой.
Магнитные поля имеют определенное направление. Например, у стержневого магнита силовые линии расположены от северного полюса к южному. Если два параллельных, но противоположно направленных магнитных поля поместить в плазму, то между ними возникнет электрический ток в форме плоского слоя. Энергия, заключенная в этих противоположно направленных магнитных полях, будет уменьшаться по мере того как сопротивление будет рассеивать электрический ток в слое.
В конце 1956 года Питер Свит (Peter Alan Sweet), работавший в обсерватории Лондонского университета, пришел к заключению, что энергия магнитного поля уменьшалась бы намного быстрее, если бы противоположно направленные линии поля разрывались, а затем повторно замыкались (пересоединялись) в токовом слое, возникшем между ними. В результате, два противоположных поля уничтожили бы друг друга в виде мощной вспышки, как аннигилируют вещество с антивеществом. Соседние магнитные поля и связанная с ними плазма могут втекать в слой с обеих сторон. Новые магнитные силовые линии, возникающие при соединении ранее разделенных силовых линий, вместе с плазмой выбрасываются с других сторон слоя. В конце 50-х и начале 60-х годов прошлого века Юджин Паркер (Eugene N. Parker) из Чикагского университета дал математическое описание процесса, называемого магнитным пересоединением Свита-Паркера.
Но такое пересоединение не может полностью описать картину вспышки, поскольку перестройка магнитных силовых линий происходит намного медленнее, чем наблюдаемое выделение энергии. Гарри Печек (Harry E. Petschek) из Научно-исследовательской лаборатории Avco в Эверетте (шт. Массачусетс) в 1963 году установил, что при определенных условиях пересоединение происходит намного быстрее, чем в модели Свита-Паркера. Обнаруженное им явление называется пересоединением Печека, или быстрым пересоединением, а то, что описали Свит и Паркер, стало именоваться медленным пересоединением.
-
Солнце - источник жизни на Земле в том виде, в котором мы свидетели. Поэтому "жизнь" Солнца очень интересна и во многом пока еще загадочна. Только одно замечание по тексту статьи - электрическая напряжённость и электрический ток (движение зарядов - электронов и протонов) является первичным явлением, а поток магнитной индукции производным от электрического тока. Это известное положение вносит некоторую коррективу в интерпретацию явлений на Солнце, без изменения данных наблюдений.
Анатолий Рыков -
