Ученые объяснили рост температуры солнечного ветра при удалении от Солнца
Объяснение «странному» факту, согласно которому температура солнечного ветра увеличивается по мере удаления от Солнца, нашли сотрудники Института космических исследований (ИКИ) РАН, 30 ноября сообщает пресс-служба Российского научного фонда.
Результаты моделирования процесса нагрева, согласующего реальные значения температур, зафиксированных «Вояджером-2», с гипотезой, выдвинутой учеными ИКИ РАН, исследователи представили в статье «Ударно-волновой механизм нагрева дальнего солнечного ветра: объяснение данных „Вояджера-2“», опубликованной в журналe Astronomy& Astrophysics.
Солнечным ветром называют состоящий из протонов и электронов поток плазмы, который непрерывно истекает от Солнца. Его температура пропорциональна энергии хаотического движения этих частиц.
Поскольку ожидается, что сверхзвуковое расширение потока газа, каким является солнечный ветер, приведет с увеличением расстояния к быстрому снижению температуры, то данные наблюдений, выполненных космическим аппаратом «Вояджер-2» в 1980–90 годах оказались совершенно неожиданными.
Было установлено, что сначала по мере удаления от Солнца температура солнечного ветра плавно снижалась. Но когда его частицы удалились до расстояния в 20–25 а.е. (а.е — астрономическая единица, равная расстоянию Земли до Солнца), то есть оказались за орбитой Урана, температура начала медленно расти.
Высказывались разные гипотезы, объясняющие этот феномен. Одна из наиболее популярных объясняла нагрев протонов солнечного ветра взаимодействием частиц с колебаниями электромагнитного поля и передачей частицам энергии флуктуаций поля.
При этом источником флуктуаций считались захваченные потоком протоны, возникающие при резонансной перезарядке межзвездных атомов водорода на протонах солнечного ветра.
Исследователи ИКИ РАН нашли более простое объяснение, согласно которому плазма нагревается при взаимодействии с ударными волнами — резкими скачками параметров ветра (скорости, плотности и температуры), возникающими и вблизи Солнца, и в более отдаленных областях.
Вблизи от Солнца ударные волны возникают из-за корональных выбросов массы из Солнца. Вдали от него — из-за неоднородности скорости истечения плазмы из Солнца. Более быстрый поток протонов догоняет медленный, происходит их столкновение, которое порождает ударную волну.
При этом в солнечном ветре, кроме одиночных ударных волн, большое их количество распространяется в виде ударных слоев — областей потока, ограниченных с двух сторон двумя ударными волнами.
Такие слои дважды за оборот Солнца формируются в ближнем ветре, уносясь потом на большие расстояния. Причем передняя ударная волна движется быстрее задней, вызывая расширение слоя при движении. При прохождении ударного слоя через плазму солнечного ветра происходит нагрев внутри слоя.
Младший научный сотрудник Сергей Корольков и руководитель лаборатории межпланетной среды отдела физики планет ИКИ РАН Владислав Измоденов разработали численную модель такого процесса, которая учитывает только механизм нагрева за счет взаимодействия с ударными волнами.
Исходными данными для моделирования стали параметры солнечного ветра, замеренные на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца, полученные из базы данных OMNIWeb (NASA).
Результат показал, что модель воспроизводит реальное «поведение» температуры солнечного ветра, согласующейся с измеренной «Вояджером-2», а именно: постепенное уменьшение его температуры, сменяющееся стабилизацией и последующим ростом.
Модель достаточно точно объясняет профиль температуры солнечного ветра до расстояния 50 а.е. Предполагаемый ранее главным в нагреве источник турбулентности при резонансной перезарядке существенно заметен лишь на расстояниях от 50 до 80 а. е., но его вклад в повышение температуры примерно в пять раз меньше, чем считалось до настоящего исследования.
