А Б В Г Д Е Є Ж З І Ї Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ю Я
Взаємодія - сонячний вітру
Взаємодія сонячного вітру з планетою визначається властивостями її магнітосфери, яка значно відрізняється від земної.
Взаємодія сонячного вітру з міжзоряним і середовищем. Оскільки розширеннясонячної плазми відбувається не у вакуумі, а в міжзоряному просторі, заповненому нейтральним і ионизованного газом, КЛ і магнітним полем галактичного рукава, в якому знаходиться Сонце, то сонячний вітер повинен зупинятися через протитиску міжзоряногосередовища на кінцевому відстані від Сонця.
При розгляді взаємодії сонячного вітру з локальної міжзоряним середовищем приділяється увага регулярним випадків, в яких є єдина головний ударна хвиля, і нерегулярним, - характерізующімся наявністюнееволюційним ударних хвиль. Вони можуть бути присутніми як в двовимірних, так і тривимірних течіях. Рассмотрено поведінку цих хвиль під дією поперечних збурень набігаючого потоку. Для прояснення деяких питань структурної стійкості нееволюційним хвильобговорюється задача про надзвуковому і сверхальфвеновском МГД-перебігу близько нескінченно провідного циліндра.
Вид функцій /(у, і у (в при різних значеннях параметра g. | Зіставлення експериментальних і теоретичних даних про різниці потенціалів впоперекполярної шапки. Наведені вище дані дозволяють уявити процес взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі таким чином.
Распределеніе величин вздовж прямої х обурена міжзоряне середу. |Распределеніе величин вздовж прямої х 153.обурена міжзоряне середу. Таким чином, вирішена задача про взаємодію сонячного вітру з міжзоряним середовищем в суперечливому випадку, коли числа Альфвен-на близькі до одиниці.
Порівняння результатів принесення. Як зазначено раніше, Baranov, Zaitsev (1995) представили розрахункивзаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем при VQO 11 В, отримані за допомогою методу з виділенням розривів в області зустрічі двох потоків. Очевидно, що точність виділення розривів у таких розрахунках завжди вище, ніж при використанні методів наскрізного рахунку.
Незважаючи на те, що ця проблема розглядається в додатку до приватної задачі про взаємодію сонячного вітру з міжзоряним середовищем, вона дуже важлива при МГД-моделюванні різноманітних астрофізичних явищ.
Відносно низька провідність розрідженоїплазми позначається не тільки на розвитку внутрімагнітосферних процесів, але й на характері взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі. У книзі подано аналіз цієї взаємодії і пов'язаного з ним процесу перез'єднання магнітних полів Землі і сонячноговітру.
Навколоземна плазма на великих висотах, а також міжпланетна плазма створюються сонячним вітром, і структура магнітосфери визначається взаємодією сонячного вітру з магн. Землі, утворюють радіаційні пояси Землі.
Таким чином, відкрита модельмагнітосфери, заснована на припущенні про перез'єднання силових ліній магнітосферичного і міжпланетного магнітних полів, якісно описує процес взаємодії сонячного вітру з магнітосферою досить правдоподібно. Однак, для того щоб судити про те,наскільки добре ця модель описує розвиток суббурі з кількісної точки зору, необхідно з'ясувати, які саме параметри електромагнітного поля і течії плазми і з яким ступенем впевненості передвіщаються цією моделлю. Зокрема, для кількісногоопису процесів розвитку суббурі необхідно знати хоча б розміри області існування електричного поля в магнітосфері та іоносфері Землі і інтенсивність останнього. У зв'язку з цим розглянемо докладніше процес перез'єднання силових ліній магнітного поля із'ясуємо параметри плазми і її руху, що визначають швидкість цього перез'єднання.
Настільки суперечливі уявлення про природу процесів, що розвиваються на магнітопауза, визначаються, по-видимому, тим, що вакуумна модель Данжі з кількісної сторониописує взаємодію сонячного вітру з геомагнітним полем дуже наближено і для більш суворого опису цієї взаємодії необхідно врахувати гідродинамічні аспекти проблеми обтікання магнітосфери потоком високопроводящей сонячної плазми.
Таким чином, представлена ??вище модель обтікання магнітосфери сонячним вітром в наближенні холодної плазми, незважаючи на всю свою спрощеність, в цілому правильно описує процес взаємодії сонячного вітру і вмороженностью в нього магнітного поля згеомагнітним полем. Разом з тим очевидно, що безпосередньо плазмові параметри сонячного вітру (Т, nt PT) описуються цією моделлю досить погано.
Мабуть, вираз (16.87) адекватно описує дію на частинки великомасштабної гідродинамічноїтурбулентності, яка розвивається через нестаціонарних процесів у сонячному вітрі і найбільш характерна для відстаней, що перевищують 1 а.о., в тому числі для периферії геліосфери - області взаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем. До речі, як показано в § 18формула (16.87) зберігає силу і при наявності ударних фронтів. За оцінкою Гозлінга і Хундхаузена, на відстанях порядку 20 а.е. області взаємодії і відходять від них ударні хвилі повинні перекриватися і сильно взаємодіяти, приводячи до збільшення загальної воз-мущенності.
Результати розрахунків ДФ, виконаних за формулою (4.68), зіставляються з даними супутникових спостережень[418]на рис. 4.40. З нього видно, що а) велика частина експериментальних значень ДФ досить добре узгоджується з передбаченнями моделі, що ще раз підтверджуєїї розумність; б) всі експериментальні значення ДФУ виявляються в середньому на 30 кВ більше теоретичних, що пояснюється, згідно[418J, эффектами квазивязкого взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. Последний результат, в свою очередь, свидетельствует о существенной роли коллективных столкновений в процессе взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем, поскольку парные кулоновские столкновения частиц солнечного ветра не могут обеспечить притока энергии в полярную ионосферу, необходимого для поддержания указанной разности потенциалов.
Фон создан частицами, ускоренными внутри гелиосферы или на ее периферии. Ускорение, в частности, может происхедить в области взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой и на стационарных ударных волнах, по-видимому, существующих в этой области.
Результаты расчетов ДФ, выполненных по формуле (4.68), сопоставляются с данными спутниковых наблюдений[418]на рис. 4.40. З нього видно, що а) велика частина експериментальних значень ДФ досить добре узгоджується з передбаченнями моделі,що ще раз підтверджує її розумність; б) всі експериментальні значення ДФУ виявляються в середньому на 30 кВ більше теоретичних, що пояснюється, згідно[418J, эффектами квазивязкого взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. Последний результат, в свою очередь, свидетельствует о существенной роли коллективных столкновений в процессе взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем, поскольку парные кулоновские столкновения частиц солнечного ветра не могут обеспечить притока энергии в полярную ионосферу, необходимого для поддержания указанной разности потенциалов.
Анализ этих результатов приводит к выводу о том, что необходимость решения полной задачи о взаимодействии солнечного ветра с локальной межзвездной средой могло привести к понижению разрешения в окрестности сложной ударно-волновой картины, имеющей место при нерегулярном режиме течения. С другой стороны, при решении двумерной задачи есть возможность введения возмущений, которые невозможны при ограничениях, накладываемых осевой симметрией задачи.
Изложенная выше теория модуляции КЛ неполна, так как она не учитывает ускорительных процессов в области взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой, а также обратного влияния КЛ на солнечный ветер. Между тем, в переходной области могут действовать различные механизмы ускорения частиц.
Относительная величина первого и второго членов в правой части этого уравнения определяется магнитным числом Рейнольдса, и при значениях Кеш % типичных для взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли ( выше мы видели, что применительно к магнитофере Rem 10s - 1011), последний ( диффузионный) член оказывается достаточно малым.
Сравнение экспериментальных и теоретических спектров протонов. 1 - теоретический спектр при V - 3 /2. 2 - то же при v 2. 3 - экспериментальная кривая ( г 0 5 а. е. Они исходили из того, что Юпитер, который имеет магнитный момент, составляющий угол 16 с осью вращения планеты, представляет собой эффективный источник МГД волн в окружающей плазме. Крупномасштабные МГД колебания могут преобразовываться в результате нелинейных взаимодействий в пульсации меньших масштабов, что приведет к установлению некоторого спектра колебаний. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Юпитера может приводить к изменениям ее размеров в зависимости от уровня солнечной активности, что вызовет, в свою очередь, изменение полного потока ускоренных электронов.
Теперь рассмотрим частицы, импульс которых составляет четверть этого значения. В этом случае также существуют ограниченные области прицельного параметра, при котором частица достигает поверхности Земли. Казалось бы, это дает прекрасное объяснение того, почему полярные сияния наблюдаются только на определенных широтах - в авроральной зоне. В действительности, как станет ясно, когда мы обсудим взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли, причина возникновения полярного сияния в этих областях иная.
Полярные сияния различаются по форме свечения на небе, спектру свечения, продолжительности и характеру изменения его во времени[101 -103], Але у всіх випадках вони мають одну і ту ж природу. Початок полярних сяйв дають сонячні спалахи, врезультаті яких сонячна плазма вихлюпується за межі Сонця. Ці спалахи створюються за рахунок нестійкостей сонячної плазми в конвективної області руху і спостерігаються як еволюція сонячних плям. При сонячної спалаху різко зростає інтенсивність сонячного вітру - потоку плазми, що випускається Сонцем. Це призводить до зміни характеру взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі і в кінцевому рахунку викликає світіння атмосфери.
Дані про структуру міжзоряного хмари, його морфології і ступеня іонізації (Frisch, 19941996) приводять до висновку про можливість суттєвих нестаціонарних явищ, які можуть бути викликані неоднорідністю міжзоряного середовища. Zank, Frisch (1999) провели двовимірне моделювання взаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем для випадку, коли щільність атомів водню пі змінюється від 0.2 до 10 см-3. Було знайдено, що геліосферной порожнину може суттєво зменшитися в розмірах, причому відхід геліосферной (внутрішньої) ударної хвилі може скласти приблизно 10 - 14 AU. При цьому ця ударна хвиля може зникати і з'являтися знову в процесі руху сонячної системи через міжзоряний хмара.
Описані нижче методи типу Годунова дозволяють проводити чисельні розрахунки з використанням рівняння стану (УРС) суцільного середовища досить загального вигляду. У ряді випадків рівняння стану задаються у формі таблиць. Все це може призводити до певних труднощів при використанні складних БіляРЗ у відомих чисельних алгоритмах. Тому нижче буде описано ряд практичних рецептів щодо подолання такого роду проблем. В якості прикладів використання чисельних методів високого дозволу розглядаються задачі про поширення хвиль у середовищах зі складними УРС, струменях в лазерній плазмі і взаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем.
У іоносфері виникають інтенсивні струми. Оскільки рух заряджених частинок залежить від величини і напрямку силових ліній електричного і магнітного полів, від їх тимчасових залежностей, від знака заряду і вектора швидкості, то у відповідності з рівнянням (1.6) визначення траєкторії кожної окремої частки представляє надзвичайно важке завдання. Вона уподібнюється завданню по визначенню взаємодії багатьох тіл. Кожна заряджена частка крім дії полів відчуває при своєму русі зіткнення з іншими частками з непередбачуваним характером обміну імпульсами. Для полів Е і В, довільно мінливих у часі та просторі, рівняння (1.6) не інтегрується в загальному вигляді. В даний час розроблений механізм, що пояснює основні процеси взаємодії сонячного вітру, магнітосфери і іоносфери Землі[9, 12], В тому числі й освіту полярних сяйв.
Взаємодія сонячного вітру з міжзоряним і середовищем. Оскільки розширеннясонячної плазми відбувається не у вакуумі, а в міжзоряному просторі, заповненому нейтральним і ионизованного газом, КЛ і магнітним полем галактичного рукава, в якому знаходиться Сонце, то сонячний вітер повинен зупинятися через протитиску міжзоряногосередовища на кінцевому відстані від Сонця.
При розгляді взаємодії сонячного вітру з локальної міжзоряним середовищем приділяється увага регулярним випадків, в яких є єдина головний ударна хвиля, і нерегулярним, - характерізующімся наявністюнееволюційним ударних хвиль. Вони можуть бути присутніми як в двовимірних, так і тривимірних течіях. Рассмотрено поведінку цих хвиль під дією поперечних збурень набігаючого потоку. Для прояснення деяких питань структурної стійкості нееволюційним хвильобговорюється задача про надзвуковому і сверхальфвеновском МГД-перебігу близько нескінченно провідного циліндра.
Вид функцій /(у, і у (в при різних значеннях параметра g. | Зіставлення експериментальних і теоретичних даних про різниці потенціалів впоперекполярної шапки. Наведені вище дані дозволяють уявити процес взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі таким чином.
Распределеніе величин вздовж прямої х обурена міжзоряне середу. |Распределеніе величин вздовж прямої х 153.обурена міжзоряне середу. Таким чином, вирішена задача про взаємодію сонячного вітру з міжзоряним середовищем в суперечливому випадку, коли числа Альфвен-на близькі до одиниці.
Порівняння результатів принесення. Як зазначено раніше, Baranov, Zaitsev (1995) представили розрахункивзаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем при VQO 11 В, отримані за допомогою методу з виділенням розривів в області зустрічі двох потоків. Очевидно, що точність виділення розривів у таких розрахунках завжди вище, ніж при використанні методів наскрізного рахунку.
Незважаючи на те, що ця проблема розглядається в додатку до приватної задачі про взаємодію сонячного вітру з міжзоряним середовищем, вона дуже важлива при МГД-моделюванні різноманітних астрофізичних явищ.
Відносно низька провідність розрідженоїплазми позначається не тільки на розвитку внутрімагнітосферних процесів, але й на характері взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі. У книзі подано аналіз цієї взаємодії і пов'язаного з ним процесу перез'єднання магнітних полів Землі і сонячноговітру.
Навколоземна плазма на великих висотах, а також міжпланетна плазма створюються сонячним вітром, і структура магнітосфери визначається взаємодією сонячного вітру з магн. Землі, утворюють радіаційні пояси Землі.
Таким чином, відкрита модельмагнітосфери, заснована на припущенні про перез'єднання силових ліній магнітосферичного і міжпланетного магнітних полів, якісно описує процес взаємодії сонячного вітру з магнітосферою досить правдоподібно. Однак, для того щоб судити про те,наскільки добре ця модель описує розвиток суббурі з кількісної точки зору, необхідно з'ясувати, які саме параметри електромагнітного поля і течії плазми і з яким ступенем впевненості передвіщаються цією моделлю. Зокрема, для кількісногоопису процесів розвитку суббурі необхідно знати хоча б розміри області існування електричного поля в магнітосфері та іоносфері Землі і інтенсивність останнього. У зв'язку з цим розглянемо докладніше процес перез'єднання силових ліній магнітного поля із'ясуємо параметри плазми і її руху, що визначають швидкість цього перез'єднання.
Настільки суперечливі уявлення про природу процесів, що розвиваються на магнітопауза, визначаються, по-видимому, тим, що вакуумна модель Данжі з кількісної сторониописує взаємодію сонячного вітру з геомагнітним полем дуже наближено і для більш суворого опису цієї взаємодії необхідно врахувати гідродинамічні аспекти проблеми обтікання магнітосфери потоком високопроводящей сонячної плазми.
Таким чином, представлена ??вище модель обтікання магнітосфери сонячним вітром в наближенні холодної плазми, незважаючи на всю свою спрощеність, в цілому правильно описує процес взаємодії сонячного вітру і вмороженностью в нього магнітного поля згеомагнітним полем. Разом з тим очевидно, що безпосередньо плазмові параметри сонячного вітру (Т, nt PT) описуються цією моделлю досить погано.
Мабуть, вираз (16.87) адекватно описує дію на частинки великомасштабної гідродинамічноїтурбулентності, яка розвивається через нестаціонарних процесів у сонячному вітрі і найбільш характерна для відстаней, що перевищують 1 а.о., в тому числі для периферії геліосфери - області взаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем. До речі, як показано в § 18формула (16.87) зберігає силу і при наявності ударних фронтів. За оцінкою Гозлінга і Хундхаузена, на відстанях порядку 20 а.е. області взаємодії і відходять від них ударні хвилі повинні перекриватися і сильно взаємодіяти, приводячи до збільшення загальної воз-мущенності.
Результати розрахунків ДФ, виконаних за формулою (4.68), зіставляються з даними супутникових спостережень[418]на рис. 4.40. З нього видно, що а) велика частина експериментальних значень ДФ досить добре узгоджується з передбаченнями моделі, що ще раз підтверджуєїї розумність; б) всі експериментальні значення ДФУ виявляються в середньому на 30 кВ більше теоретичних, що пояснюється, згідно[418J, эффектами квазивязкого взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. Последний результат, в свою очередь, свидетельствует о существенной роли коллективных столкновений в процессе взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем, поскольку парные кулоновские столкновения частиц солнечного ветра не могут обеспечить притока энергии в полярную ионосферу, необходимого для поддержания указанной разности потенциалов.
Фон создан частицами, ускоренными внутри гелиосферы или на ее периферии. Ускорение, в частности, может происхедить в области взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой и на стационарных ударных волнах, по-видимому, существующих в этой области.
Результаты расчетов ДФ, выполненных по формуле (4.68), сопоставляются с данными спутниковых наблюдений[418]на рис. 4.40. З нього видно, що а) велика частина експериментальних значень ДФ досить добре узгоджується з передбаченнями моделі,що ще раз підтверджує її розумність; б) всі експериментальні значення ДФУ виявляються в середньому на 30 кВ більше теоретичних, що пояснюється, згідно[418J, эффектами квазивязкого взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. Последний результат, в свою очередь, свидетельствует о существенной роли коллективных столкновений в процессе взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем, поскольку парные кулоновские столкновения частиц солнечного ветра не могут обеспечить притока энергии в полярную ионосферу, необходимого для поддержания указанной разности потенциалов.
Анализ этих результатов приводит к выводу о том, что необходимость решения полной задачи о взаимодействии солнечного ветра с локальной межзвездной средой могло привести к понижению разрешения в окрестности сложной ударно-волновой картины, имеющей место при нерегулярном режиме течения. С другой стороны, при решении двумерной задачи есть возможность введения возмущений, которые невозможны при ограничениях, накладываемых осевой симметрией задачи.
Изложенная выше теория модуляции КЛ неполна, так как она не учитывает ускорительных процессов в области взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой, а также обратного влияния КЛ на солнечный ветер. Между тем, в переходной области могут действовать различные механизмы ускорения частиц.
Относительная величина первого и второго членов в правой части этого уравнения определяется магнитным числом Рейнольдса, и при значениях Кеш % типичных для взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли ( выше мы видели, что применительно к магнитофере Rem 10s - 1011), последний ( диффузионный) член оказывается достаточно малым.
Сравнение экспериментальных и теоретических спектров протонов. 1 - теоретический спектр при V - 3 /2. 2 - то же при v 2. 3 - экспериментальная кривая ( г 0 5 а. е. Они исходили из того, что Юпитер, который имеет магнитный момент, составляющий угол 16 с осью вращения планеты, представляет собой эффективный источник МГД волн в окружающей плазме. Крупномасштабные МГД колебания могут преобразовываться в результате нелинейных взаимодействий в пульсации меньших масштабов, что приведет к установлению некоторого спектра колебаний. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Юпитера может приводить к изменениям ее размеров в зависимости от уровня солнечной активности, что вызовет, в свою очередь, изменение полного потока ускоренных электронов.
Теперь рассмотрим частицы, импульс которых составляет четверть этого значения. В этом случае также существуют ограниченные области прицельного параметра, при котором частица достигает поверхности Земли. Казалось бы, это дает прекрасное объяснение того, почему полярные сияния наблюдаются только на определенных широтах - в авроральной зоне. В действительности, как станет ясно, когда мы обсудим взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли, причина возникновения полярного сияния в этих областях иная.
Полярные сияния различаются по форме свечения на небе, спектру свечения, продолжительности и характеру изменения его во времени[101 -103], Але у всіх випадках вони мають одну і ту ж природу. Початок полярних сяйв дають сонячні спалахи, врезультаті яких сонячна плазма вихлюпується за межі Сонця. Ці спалахи створюються за рахунок нестійкостей сонячної плазми в конвективної області руху і спостерігаються як еволюція сонячних плям. При сонячної спалаху різко зростає інтенсивність сонячного вітру - потоку плазми, що випускається Сонцем. Це призводить до зміни характеру взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі і в кінцевому рахунку викликає світіння атмосфери.
Дані про структуру міжзоряного хмари, його морфології і ступеня іонізації (Frisch, 19941996) приводять до висновку про можливість суттєвих нестаціонарних явищ, які можуть бути викликані неоднорідністю міжзоряного середовища. Zank, Frisch (1999) провели двовимірне моделювання взаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем для випадку, коли щільність атомів водню пі змінюється від 0.2 до 10 см-3. Було знайдено, що геліосферной порожнину може суттєво зменшитися в розмірах, причому відхід геліосферной (внутрішньої) ударної хвилі може скласти приблизно 10 - 14 AU. При цьому ця ударна хвиля може зникати і з'являтися знову в процесі руху сонячної системи через міжзоряний хмара.
Описані нижче методи типу Годунова дозволяють проводити чисельні розрахунки з використанням рівняння стану (УРС) суцільного середовища досить загального вигляду. У ряді випадків рівняння стану задаються у формі таблиць. Все це може призводити до певних труднощів при використанні складних БіляРЗ у відомих чисельних алгоритмах. Тому нижче буде описано ряд практичних рецептів щодо подолання такого роду проблем. В якості прикладів використання чисельних методів високого дозволу розглядаються задачі про поширення хвиль у середовищах зі складними УРС, струменях в лазерній плазмі і взаємодії сонячного вітру з міжзоряним середовищем.
У іоносфері виникають інтенсивні струми. Оскільки рух заряджених частинок залежить від величини і напрямку силових ліній електричного і магнітного полів, від їх тимчасових залежностей, від знака заряду і вектора швидкості, то у відповідності з рівнянням (1.6) визначення траєкторії кожної окремої частки представляє надзвичайно важке завдання. Вона уподібнюється завданню по визначенню взаємодії багатьох тіл. Кожна заряджена частка крім дії полів відчуває при своєму русі зіткнення з іншими частками з непередбачуваним характером обміну імпульсами. Для полів Е і В, довільно мінливих у часі та просторі, рівняння (1.6) не інтегрується в загальному вигляді. В даний час розроблений механізм, що пояснює основні процеси взаємодії сонячного вітру, магнітосфери і іоносфери Землі[9, 12], В тому числі й освіту полярних сяйв.