Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu
 

Vliyanie mezhzvezdnoi sredy na stroenie geliosfery

V.B.BARANOV

Moskovskii gosudarstvennyi universitet im. M.V. Lomonosova

Rassmatrivaetsya problema vzaimodeistviya solnechnogo vetra s lokal'noi mezhzvezdnoi sredoi, okruzhayushei Solnechnuyu sistemu. S gazodinamicheskoi tochki zreniya problema svoditsya k postroeniyu modeli vzaimodeistviya dvuh sverhzvukovyh potokov: mezhzvezdnogo gaza i potoka plazmy ot istochnika (Solnce).

Vvedenie

Skoro ispolnitsya sorok let s teh por, kak kosmicheskie apparaty nachali issledovat' okruzhayushee nas kosmicheskoe prostranstvo. Uzhe pervye pryamye izmereniya parametrov mezhplanetnoi plazmy pri pomoshi kosmicheskih apparatov "Luna-2", "Luna-3" i "Venera-1" priveli k zamechatel'nomu eksperimental'nomu otkrytiyu, sdelannomu gruppoi K.I. Grinauza, - obnaruzheniyu yavleniya solnechnogo vetra, kotoroe v 1958 godu bylo teoreticheski predskazano amerikanskim fizikom E. Parkerom.

Solnechnyi veter predstavlyaet soboi potok polnost'yu ionizovannoi vodorodnoi plazmy, kotoraya s bol'shoi sverhzvukovoi skorost'yu (bol'she 400 km/s) vytekaet iz Solnca v mezhplanetnuyu sredu, zapolnyaya ee. Temperatura solnechnogo vetra okolo neskol'kih sot gradusov po Kel'vinu. V nastoyashee vremya kosmicheskie apparaty "Voyadzher-1 i -2", "Pioner-10 i -11" izuchayut mezhplanetnuyu sredu na rasstoyaniyah v neskol'ko desyatkov astronomicheskih edinic (a.e.) ot Solnca (astronomicheskaya edinica - rasstoyanie ot Zemli do Solnca). I dlya pravil'nogo ponimaniya proishodyashih v mezhplanetnoi srede processov neobhodimo ponyat' harakter ee vzaimodeistviya s okruzhayushei Solnechnuyu sistemu mezhzvezdnoi sredoi. Eto vzaimodeistvie mozhet byt' sushestvennym na takih bol'shih geliocentricheskih rasstoyaniyah. V chastnosti, solnechnyi veter mozhet byt' ogranichen davleniem mezhzvezdnogo gaza. Oblast', zapolnennuyu plazmoi solnechnogo proishozhdeniya, prinyato nazyvat' geliosferoi.

Kak vzaimodeistvuet solnechnyi veter s mezhzvezdnoi sredoi? Eshe v 1961 godu E. Parker [1] predpolozhil, chto na Solnechnuyu sistemu nabegaet potok gaza mezhzvezdnoi sredy, kotoryi gazodinamicheskim obrazom vzaimodeistvuet s plazmoi solnechnogo vetra. On predpolozhil takzhe, chto dlya opisaniya kartiny voznikayushego pri etom techeniya spravedlivy gidrodinamicheskie uravneniya Eilera. Postroennaya Parkerom model' delit vsyu oblast' techeniya na tri podoblasti: sverhzvukovoi solnechnyi veter, dozvukovoi solnechnyi veter, proshedshii cherez geliosfernuyu udarnuyu volnu, i potok neszhimaemogo (ego skorost' mnogo men'she skorosti zvuka) mezhzvezdnogo gaza, kotoryi otdelyaetsya ot solnechnogo vetra kontaktnoi poverhnost'yu, nazvannoi vposledstvii geliopauzoi.

Avtoru etih strok sovmestno s sotrudnikami i kollegami udalos' postroit' al'ternativnuyu model', osnovannuyu na sverhzvukovom obtekanii Solnechnoi sistemy mezhzvezdnym gazom. Pri etom v svoih pervyh rabotah my ishodili iz predpolozheniya, chto napravlenie dvizheniya mezhzvezdnogo gaza otnositel'no Solnechnoi sistemy i ego skorost' sovpadayut s napravleniem i skorost'yu dvizheniya Solnca (otnositel'no blizhaishih zvezd) k apeksu. Eta skorost' ravna 20 km/s, a ee napravlenie na apeks sostavlyaet ugol 53° k ploskosti ekliptiki. Pri temperature mezhzvezdnogo gaza poryadka 10 000 K velichina skorosti 20 km/s yavlyaetsya sverhzvukovoi s chislom Maha M = 2. V takoi modeli po sravneniyu s model'yu Parkera dobavlen eshe odin fizicheskii element, a imenno golovnaya udarnaya volna, kotoraya sozdaet dopolnitel'nuyu oblast' szhatogo v etoi udarnoi volne mezhzvezdnogo gaza. Uzhe pervye eksperimenty po rasseyannomu solnechnomu laiman-al'fa-izlucheniyu na kosmicheskih apparatah pokazali[2], chto iz mezhzvezdnoi sredy v Solnechnuyu sistemu dvizhetsya potok atomov vodoroda N so skorost'yu primerno 20 km/s i temperaturoi poryadka 10 000 K, to est' skorost' potoka okazyvaetsya sverhzvukovoi.

S teh por nasha nauchnaya gruppa zanimaetsya razvitiem predlozhennoi nami v 1970 godu modeli [3] dlya korrektnoi interpretacii eksperimental'nyh dannyh, poluchaemyh na kosmicheskih apparatah "Voyadzher", "Pioner", "Uliss" i dr., issleduyushih otdalennye oblasti Solnechnoi sistemy. V konce nastoyashego stoletiya v SShA namechaetsya zapusk special'nogo zonda ("Interstellar probe"), odnoi iz osnovnyh celei kotorogo budet pryamoe issledovanie oblasti neposredstvennogo kontakta mezhplanetnoi i mezhzvezdnoi sred. Na ris. 1 izobrazheny geliocentricheskie rasstoyaniya kosmicheskih apparatov v razlichnye momenty vremeni.

Ris. 1. Geliocentricheskoe rasstoyanie r amerikanskih kosmicheskih apparatov "Voyadzher-1" (V1 ), "Voyadzher-2" (V2 ), "Pioner-10" (P10 ) i "Pioner-11" (P11) kak funkcii vremeni. Pokazana takzhe traektoriya kosmicheskogo apparata "Mezhzvezdnyi zond" (MZ ) (predpolagaemyi zapusk v SShA v 1999 godu).

V 2012 godu, kak vidno iz ris. 1, apparaty "Voyadzher-1" i "Mezhzvezdnyi zond" budut primerno na odinakovom rasstoyanii 120 a.e. ot Solnca. Imenno na takih rasstoyaniyah, kak predskazyvaet gazodinamicheskaya teoriya, nahoditsya oblast' naibolee sil'nogo vzaimodeistviya solnechnogo vetra s lokal'noi mezhzvezdnoi sredoi, opredelyayushaya granicy geliosfery. Fizicheskaya zhe granica geliosfery yavlyaetsya dovol'no tonkoi po sravneniyu s ee razmerami, esli verno gazodinamicheskoe priblizhenie, i nazyvaetsya geliopauzoi. Perspektiva dostizheniya etoi granicy kosmicheskimi apparatami v blizhaishem budushem pridaet osoboe znachenie predskazatel'nym vozmozhnostyam gazodinamicheskih modelei, kotorym i posvyashena nastoyashaya stat'ya.

Istoriya razvitiya gazodinamicheskih modelei

Sozdanie teoreticheskoi modeli vzaimodeistviya solnechnogo vetra s lokal'noi mezhzvezdnoi sredoi, kotoraya mogla by udovletvoritel'no ob'yasnit' nablyudaemye fizicheskie yavleniya, aktual'no po dvum prichinam. Vo-pervyh, pravil'naya interpretaciya nablyudaemyh fizicheskih yavlenii, takih, naprimer, kak rasseyannoe solnechnoe izluchenie na dlinah voln 1216 i 584 A (dlya atomov N i Ne sootvetstvenno) ili modulyaciya galakticheskih kosmicheskih luchei, vozmozhna tol'ko na osnove adekvatnoi teoreticheskoi modeli. Vo-vtoryh, vnutrenne neprotivorechivaya teoreticheskaya model' daet vozmozhnost', pol'zuyas' znacheniyami horosho izmeryaemyh velichin v fizicheskom eksperimente, opredelyat' ploho izmeryaemye (ili voobshe neizmeryaemye). K chislu poslednih otnosyatsya, naprimer, stepen' ionizacii i magnitnye polya lokal'noi mezhzvezdnoi sredy.

Kak ukazano vo vvedenii, vpervye kolichestvennaya gazodinamicheskaya model' vzaimodeistviya zvezdnogo vetra (analogichnogo solnechnomu) s mezhzvezdnym gazom byla predlozhena v [1]. V to vremya eshe ne bylo nablyudenii dvizheniya mezhzvezdnogo gaza otnositel'no zvezd, i v chastnosti Solnca. Poetomu Parker rassmotrel tri vozmozhnye modeli: istechenie a) sverhzvukovogo zvezdnogo vetra v mezhzvezdnyi gaz, nahodyashiisya v pokoe; b) v mezhzvezdnyi gaz, dvizhushiisya s ochen' malen'koi dozvukovoi skorost'yu, pri kotoroi etot gaz mozhno schitat' neszhimaemoi zhidkost'yu, i v) v odnorodnoe magnitnoe pole, davlenie kotorogo mnogo bol'she davleniya gaza (kak staticheskogo, tak i dinamicheskogo). Na ris. 2 pokazana kartina techeniya v modeli b) teorii Parkera. Na nei izobrazheny linii toka mezhzvezdnogo gaza, tekushego sleva napravo, i solnechnogo vetra, istochnikom kotorogo yavlyaetsya Solnce, pomeshennoe v nachalo koordinat. Liniya NR, sootvetstvuyushaya granice, otdelyayushei mezhzvezdnyi gaz ot plazmy solnechnogo vetra, i est' geliopauza, geliocentricheskoe rasstoyanie kotoroi vdol' osi simmetrii (osi Oz) ravno L0 . Tormozhenie solnechnogo vetra do dozvukovoi skorosti dolzhno proishodit' v rassmotrennom Parkerom sluchae obyazatel'no cherez udarnuyu volnu, kotoraya v priblizhenii neszhimaemogo mezhzvezdnogo gaza dolzhna byt' sfericheskoi. Na ris. 2 ona ne oboznachena, poskol'ku v dannoi modeli ee geliocentricheskoe rasstoyanie mnogo men'she rasstoyaniya L0 do geliopauzy.

Ris. 2. Obshaya kartina obtekaniya solnechnogo vetra mezhzvezdnym gazom v dozvukovoi modeli E. Parkera. Solnce kak istochnik solnechnogo vetra nahoditsya v nachale koordinat. Poverhnost', otdelyayushaya gaz mezhzvezdnoi sredy s plotnost'yu i skorost'yu ot solnechnogo vetra, izobrazhena liniei NR (geliopauzoi). S gazodinamicheskoi tochki zreniya geliopauza predstavlyaet soboi tangencial'nyi razryv. Zdes' r - rasstoyanie ot Solnca, L0 - rasstoyanie do geliopauzy, z = 1 - bezrazmernoe rasstoyanie do geliopauzy vdol' osi simmetrii.

V 1970 godu v [3] byla predlozhena model' sverhzvukovogo obtekaniya solnechnogo vetra mezhzvezdnym gazom. Chtoby obosnovat' gidrodinamicheskii podhod k rassmatrivaemomu fizicheskomu yavleniyu, avtory predpolozhili, chto mezhzvezdnyi gaz predstavlyaet soboi polnost'yu ionizirovannyi vodorod. Odnako obnaruzhennoe v 1971 godu po rasseyannomu solnechnomu laiman-al'fa-izlucheniyu vtorzhenie v Solnechnuyu sistemu atomov H privelo k neobhodimosti peresmotra predlozhennoi v [3] modeli. Ocenki, provedennye v [4], pokazali, chto process perezaryadki atomov H i protonov mozhet privesti k sushestvennoi korrektirovke kolichestvennyh vyvodov, poluchennyh v [3]. Krome togo, v [4] bylo pokazano, chto process perezaryadki yavlyaetsya svoeobraznym fil'trom dlya proniknoveniya atomov H iz mezhzvezdnoi sredy v solnechnyi veter, chto, v svoyu ochered', mozhet privesti k korrektirovke interpretacii eksperimental'nyh dannyh po rasseyannomu solnechnomu laiman-al'fa-izlucheniyu.

Kachestvennaya kartina voznikayushego v rezul'tate techeniya predstavlena na ris. 3. Zdes' cherez BS (bow shock) oboznachena golovnaya udarnaya volna, obrazuyushayasya v plazmennoi komponente mezhzvezdnogo gaza, skorost' kotorogo napravlena sleva napravo. Cherez TS (termination shock) oboznachena geliosfernaya udarnaya volna, obrazuyushayasya v plazme solnechnogo vetra pri ego tormozhenii na mezhzvezdnoi srede. Atomy vodoroda pronikayut cherez tangencial'nyi razryv (geliopauzu), vzaimodeistvuya s plazmennoi komponentoi vo vsei oblasti techeniya vsledstvie processov perezaryadki. Fizicheskii smysl perezaryadki, posredstvom kotoroi proishodit obmen impul'som i energiei mezhdu plazmennoi komponentoi i atomami N, izobrazhen na ris. 4.

Ris. 3. Obshaya kartina obtekaniya solnechnogo vetra sverhzvukovym potokom mezhzvezdnogo gaza, sostoyashim iz plazmennoi komponenty (elektrony e i protony H+) i neitral'nyh atomov vodoroda N. Kak i na ris. 2, HP - geliopauza, a Solnce nahoditsya v nachale koordinat. Shtrihovoi liniei pokazana vozmozhnaya traektoriya atoma vodoroda.

Ris. 4. Kachestvennaya kartina, poyasnyayushaya fizicheskii process perezaryadki.

Model' vzaimodeistviya solnechnogo vetra s lokal'noi mezhzvezdnoi sredoi, uchityvayushaya konechnuyu stepen' ionizacii poslednei, postroena v [5] tol'ko v 1993 godu. Osnovnye fizicheskie rezul'taty modeli predstavleny v sleduyushem razdele.

Sovremennaya model' obtekaniya solnechnogo vetra mezhzvezdnym gazom

Eksperimenty po rasseyannomu solnechnomu izlucheniyu dokazali nalichie dvizheniya atomov N i Ne otnositel'no Solnca. Eto dvizhenie yavlyaetsya sverhzvukovym (ego skorost' okolo 25 km/s, temperatura okolo 10 000 K), a vektor skorosti lezhit pochti v ploskosti ekliptiki. Poslednee obstoyatel'stvo privodit k vyvodu, chto imeet mesto sobstvennoe dvizhenie mezhzvezdnogo gaza, to est' ego dvizhenie otnositel'no Solnechnoi sistemy ne yavlyaetsya tol'ko sledstviem dvizheniya zvezd otnositel'no drug druga, kak eto bylo predpolozheno v pervyh modelyah.

V nastoyashee vremya net somneniya, chto mezhzvezdnyi gaz yavlyaetsya chastichno ionizovannym. Pri etom dlya matematicheskogo opisaniya vzaimodeistviya plazmennoi komponenty mezhzvezdnoi sredy (elektronov i protonov) s solnechnym vetrom est' dostatochnye osnovaniya, chtoby ispol'zovat' gidrodinamicheskoe priblizhenie, to est' priblizhenie, osnovannoe na uravneniyah Eilera. Dlina zhe svobodnogo probega atomov N sravnima s razmerami geliosfery. Poetomu opisanie dvizheniya mezhzvezdnogo vodoroda na osnove gidrodinamicheskih predstavlenii ne budet korrektnym. V.B. Baranov i Yu.G. Malama [5] dlya kolichestvennogo opisaniya vzaimodeistviya solnechnogo vetra s lokal'noi mezhzvezdnoi sredoi primenili gidrodinamicheskii podhod dlya plazmennoi komponenty i metod Monte-Karlo dlya polucheniya srednih harakteristik potoka atomov vodoroda. Pri etom ispol'zovali uravneniya Eilera s "istochnikovymi" chlenami, otrazhayushimi dobavlenie k plazmennoi komponente impul'sa i energii vsledstvie processov perezaryadki protonov s atomami vodoroda. Eti istochnikovye chleny vychislyali putem razygryvaniya traektorii atomov N v pole gidrodinamicheskih parametrov plazmy, v pole sil solnechnoi gravitacii i solnechnogo radiacionnogo davleniya - metodom Monte-Karlo. Poslednii metod identichen primeneniyu kineticheskogo uravneniya Bol'cmana dlya opisaniya dvizheniya neitral'nyh atomov vodoroda. Zdes' sleduet otmetit', chto atomy geliya, dvizhushiesya iz mezhzvezdnoi sredy v Solnechnuyu sistemu, prakticheski ne vzaimodeistvuyut s plazmennoi komponentoi iz-za malogo effektivnogo secheniya perezaryadki s protonami. Kachestvennaya kartina voznikayushego techeniya pokazana na ris. 3.

Dlya polnogo resheniya zadachi bylo neobhodimo postavit' granichnye usloviya. V kachestve granichnyh uslovii ispol'zovali sootnosheniya Gyugonio na udarnyh volnah BS i TS, usloviya ravenstva nulyu normal'noi k NR komponenty skorosti plazmy i ravenstvo davlenii na etoi poverhnosti, a takzhe zadannye znacheniya parametrov solnechnogo vetra na orbite Zemli. V kachestve granichnogo usloviya dlya atomov vodoroda zadavalos' maksvellovskoe raspredelenie po skorostyam v mezhzvezdnoi srede. Gidrodinamicheskaya chast' zadachi reshalas' chislennym metodom, razrabotannym S.K. Godunovym. Pri etom rassmatrivalos' osesimmetrichnoe, stacionarnoe techenie, v kotorom os' simmetrii sovpadaet s napravleniem vektora skorosti mezhzvezdnogo gaza.

Na ris. 5 predstavlena geometricheskaya kartina techeniya, poluchennaya v rezul'tate chislennyh raschetov. Shtrihovymi liniyami izobrazhena kartina techeniya pri otsutstvii neitral'nyh atomov N v mezhzvezdnoi srede, v to vremya kak sploshnymi liniyami - golovnaya udarnaya volna BS, geliosfernaya udarnaya volna TS i geliopauza NR pri koncentracii atomov vodoroda v mezhzvezdnoi srede, ravnoi 0,14 chasticy v 1 sm3.

Ris. 5. Kolichestvennye rezul'taty raschetov osesimmetrichnoi modeli V.B. Baranova i Yu.G. Malamy [5] obtekaniya solnechnogo vetra sverhzvukovym potokom mezhzvezdnogo gaza. Shtrihovye linii otnosyatsya k raschetam bez ucheta processov perezaryadki (sm. ris. 4), sploshnye linii otnosyatsya k raschetam, uchityvayushim etot process. Vse oboznacheniya takie zhe, kak i na ris. 3, no v hvostovoi oblasti kartina techeniya uslozhnyaetsya nalichiem diska Maha (MD ), tangencial'nym razryvom (TD ) i otrazhennoi udarnoi volnoi (RS ) v troinoi tochke A.

Dlya plazmy prinimali sleduyushie znacheniya parametrov v mezhzvezdnoi srede (indeks $\infty$) i na orbite Zemli (indeks E):

$n_{E}(H^{+})$ = 7 sm- 3, $V_{E}$ = 450 km/s, ME = 10,

$n_{\infty}(H^{+}) = 7 \cdot 10^{-2}$ sm- 3, $V_{\infty}$ = 25 km/s, M$\infty$ = 2.

Zdes' $n$, $V$ i M - koncentraciya, skorost' i chislo Maha sootvetstvenno.

Na ris. 5 vidno, chto nalichie atomov vodoroda privodit k sushestvennomu izmeneniyu vsei kartiny techeniya. Vo-pervyh, processy perezaryadki privodyat k dovol'no sil'nomu umen'sheniyu razmerov geliosfery, pri kotorom vse skachki plazmennyh parametrov stanovyatsya dostupnymi pryamym izmereniyam pri pomoshi kosmicheskih apparatov. V chastnosti, geliosfernaya udarnaya volna okazyvaetsya na rasstoyanii primerno 100 a.e. Kak vidno iz ris. 1, kosmicheskie apparaty "Voyadzher-1", "Voyadzher-2" i "Mezhzvezdnyi zond" budut nahodit'sya na takih rasstoyaniyah v pervom desyatiletii sleduyushego stoletiya, i mozhno nadeyat'sya na ih pryamoe peresechenie geliosfernoi udarnoi volny. Koncentraciya protonov v lokal'noi mezhzvezdnoi srede yavlyaetsya ploho opredelyaemym parametrom v otlichie ot koncentracii atomov N, kotoraya dovol'no nadezhno izmeryaetsya pri pomoshi izmerenii rasseyannogo solnechnogo laiman-al'fa-izlucheniya. Poetomu protonnaya koncentraciya mozhet izmenyat'sya v dovol'no shirokih predelah. V chastnosti, uvelichenie znacheniya etogo parametra v mezhzvezdnoi srede privodit k eshe bol'shemu (po sravneniyu s predstavlennymi na ris. 5 rezul'tatami) umen'sheniyu razmerov geliosfery. Vo-vtoryh, nalichie processov perezaryadki kachestvenno menyaet techenie v hvoste geliosfery (imenno v etom napravlenii dvizhetsya kosmicheskii apparat "Pioner-10") i v oblasti mezhdu geliopauzoi i geliosfernoi udarnoi volnoi. V poslednei oblasti techenie stanovitsya polnost'yu dozvukovym iz-za razogreva plazmy vsledstvie processov perezaryadki (v sluchae otsutstviya atomov N na ris. 5 izobrazheny zvukovye linii, otdelyayushie dozvukovoe techenie v lobovoi chasti ot sverhzvukovogo v kryl'yah geliosfery). V hvostovoi zhe oblasti slozhnaya kartina techeniya, sostoyashaya iz diska Maha MD, tangencial'nogo razryva TD i otrazhennoi udarnoi volny RS v troinoi tochke A, zamenyaetsya gladkoi geliosfernoi udarnoi volnoi TS.

Dal'neishie raschety pokazali, chto pri umen'shenii koncentracii protonov v mezhzvezdnoi srede uvelichivaetsya kolichestvo atomov vodoroda, pronikayushih v solnechnyi veter iz mezhzvezdnoi sredy, to est' umen'shaetsya svoeobraznaya rol' "fil'tra", kotoruyu igraet oblast' mezhdu udarnoi volnoi BS i geliopauzoi HP (esli by zaryazhennye chasticy otsutstvovali v mezhzvezdnoi srede, to etot fil'tr ne mog by obrazovat'sya iz-za otsutstviya v etom sluchae geliopauzy i golovnoi udarnoi volny). Uvelichenie koncentracii atomov N mezhzvezdnoi sredy v solnechnom vetre privodit k uvelicheniyu tormozheniya poslednego eshe do geliosfernoi udarnoi volny. V sluchae esli koncentraciya protonov v lokal'noi srede okazhetsya dostatochno maloi, etot effekt mozhet byt' nablyudaem kosmicheskimi apparatami do peresecheniya imi geliosfernoi udarnoi volny.

Chtoby luchshe orientirovat'sya v real'noi vozmozhnosti peresecheniya kosmicheskimi apparatami poverhnostei sil'nyh razryvov parametrov plazmy (udarnyh voln BS, TS i geliopauzy NR ), my rasschitali ih polozhenie v "podvetrennoi" storone i vdol' osi simmetrii kak funkcii koncentracii protonov i atomov N v lokal'noi mezhzvezdnoi srede. Rezul'taty etih raschetov predstavleny na ris. 6.