Плазма и ее загадки

Если проводимость плазмы велика, но ограниченна, то есть если плазма оказывает некоторое сопротивление электрическому току, то происходит лишь Частичная экранировка нового поля. При этом появляются также силовые линии, соединяющие новые пятна со старыми. Токовый слой имеет ограниченную ширину и более сложную структуру. Отсутствия плазмы и случаем идеально проводящей плазмы. А именно, существует токовый слой, однако не полностью разделяет старое и новое магнитные поля, и имеются силовые линии, соединяющие новые пятна со старыми. В токовом слое происходит непрерывное выделение энергии — нагрев плазмы протекающим по этому слою током. Может случиться так, что ток не поддерживается извне и через определенное время прекращается, токовый слой исчезает. Это может произойти, например, из-за того, что движение магнитных пятен приостановилось, прекратилось изменение магнитного поля и как результат исчезло электрическое поле, которое как раз и создает токовый слой. С исчезновением токового слоя магнитные силовые линии пересоединяются так, как это было бы в фотосфере без плазмы. В таком состоянии запас энергии магнитного поля минимален, а вся ранее связанная с током энергия расходуется на нагрев плазмы и на ее движение в процессе пересоединения.

Движение плазмы вблизи токового слоя определяется конфигурацией магнитных полей; это движение упрощенно. Плазма втекает в

[smszamok]

токовый слой по его широким поверхностям, как бы вместе с магнитными силовыми линиями. В самом слое магнитные силовые линии пересоединяются — из-за ограниченной проводимости плазмы здесь уже нет вмороженности. И в итоге из каждой вносимой в слой магнитной силовой линии образуются «половинки», так что вместе с «половинками», вносимыми с противоположной стороны слоя, они дают две различные, самостоятельные силовые линии, которые вместе с плазмой выбрасываются из слоя в противоположные стороны. В этом и состоит существо процесса пересоединения. Плазма вместе с магнитными силовыми линиями втекает в токовый слой по его широким сторонам. Каждая силовая линия «рвется» посередине и соединяется с силовой линией, которая находится по другую сторону слоя. При таком «пересоединении» образуются вертикальные силовые линии, которые вместе с плазмой выбрасываются из токового слоя в противоположные стороны.

Итак, реальный токовый слой — это весьма сложное течение плазмы в неоднородном магнитном поле. Энергия, выделяющаяся в токовом слое, расходуется на нагрев атмосферы Солнца и, весьма вероятно, является одной из основных причин повышенного излучения активных областей в различных спектральных диапазонах.

Однако это пока не вспышка. Для вспышки характерно еще более мощное излучение, когда весь запас энергии токового слоя выделяется очень быстро, за несколько минут. До конца причина этого взрыва еще не ясна, однако можно указать наиболее вероятный механизм этого процесса. Как мы уже говорили, в таковом слое происходит непрерывное выделение энергии из-за того, что плазма оказывает определенное сопротивление электрическому току. В условиях спокойно развивающегося слоя это сопротивление имеет ту же природу, что и хорошо известное сопротивление твердых проводников: переносящие электричество электроны сталкиваются с остальными частицами проводника и передают им часть своей кинетической энергии. В результате энергия направленного движения электронов переходит в энергию хаотического движения частиц проводника. Происходит нагрев проводника.

Но в плазме возможен еще и другой механизм сопротивления; он начинает эффективно действовать, когда скорость электронов, создающих ток, превосходит некоторый определенный предел (обычно такой порог — это приблизительно средняя тепловая скорость электронов, но в неоднородной или неравновесной плазме порог может быть и значительно ниже). Быстрый поток электронов возбуждает колебания плазмы подобно тому, как вызывает звуковые колебания в воздухе летящий снаряд. При этом электроны быстро теряют свою энергию, а это значит, что резко возрастает сопротивление электрическому току.

В отличие от обычного, «нормального» сопротивления такое сопротивление, связанное с возбуждением колебаний в плазме, с появлением в ней неупорядоченных движений, турбулентности, называют аномальным сопротивлением. Аномальное сопротивление может возникнуть и в токовом слое. Если в слой поступает меньше плазмы, чем из него выбрасывается — а в определенных условиях так и происходит,— то число электронов в слое постепенно уменьшается. Для того, чтобы при меньшем числе электронов существовал достаточно сильный ток, нужно, чтобы эти электроны двигались быстрее. В итоге это как раз и приводит к увеличению скорости упорядоченного движения электронов вплоть до порога, за которым появляется аномальное сопротивление.

Появление аномального сопротивления в некоторой части токового слоя приводит к тому, что ток начинает быстро затухать и, соответственно, резко растет скорость выделения энергии в токовом слое. При этом как бы происходит разрыв токового слоя: в области аномального сопротивления скорость пересоединения магнитных силовых линий резко увеличивается, а остальные части токового слоя под действием появляющихся магнитных сил с большой скоростью отбрасываются в стороны. Этот механизм выброса плазмы был удачно назван «рогаткой». В самом деле, подобно мальчишеской рогатке, пересоединившиеся магнитные силовые линии, которые в плазме ведут себя, как упругие нити, стремятся сократиться и выбрасывают плазму с большой скоростью из области слоя. Подобные выбросы плазмы часто наблюдаются на Солнце во время солнечных вспышек.

Не менее важен еще один эффект, возникающий в области разрыва токового слоя. В этой области магнитное поле быстро изменяется, и это, как обычно, ведет к появлению сильного электрического поля. В то же время плазма выбрасывается из области разрыва токового слоя, ее концентрация здесь сильно падает. В такой разреженной плазме электрическое поле сравнительно легко ускоряет заряженные частицы и именно с этим может быть связано появление при солнечной вспышке значительного количества частиц большой энергии. Такое ускорение частиц сопровождается также сильным разогревом плазмы в области аномального сопротивления и появлением над тепловых частиц. Таким образом, в отличие от спокойного токового слоя при его разрыве значительная часть энергии превращается, во-первых, в кинетическую энергию выбрасываемых с большой скоростью потоков плазмы и, во-вторых, в энергию ускоренных над тепловых частиц и появляющихся при сильных вспышках солнечных космических лучей.

Эффект «рогатки». В области разрыва токового слоя возникает сильное вертикальное магнитное поле. Силовые линии имеют форму петель, охватывающих части разорвавшегося токового слоя. Подобно упругим нитям, магнитные силовые линии стремятся сократиться и выбрасывают плазму из слоя в обе стороны с большой скоростью.

Подводя итоги нашему короткому очерку, можно сказать, что солнечные вспышки представляют собой пример процесса в плазме, при котором движение этой плазмы в изменяющемся магнитном поле приводит к возникновению тонких токовых слоев, к концентрации энергии в области этих слоев и в последующем к их разрыву. Разрыв же токового слоя сопровождается выделением значительной части энергии в так называемых нетепловых формах: выбросах сгустков плазмы и ускорении заряженных частиц.

В дальнейшем быстро движущиеся сгустки плазмы порождают ударные волны, которые часто наблюдаются при солнечных вспышках, а быстрые частицы генерируют в окружающей плазме практически весь спектр электромагнитного излучения — от радиоволн до жестких рентгеновских и гамма-лучей. В частности, потоки тепла и быстрых частиц, проникая из области разрыва токового слоя в верхние слои хромосферы, вызывают их разогрев и появление того самого излучения в линиях оптического спектра, которое длительное время было практически единственным наблюдаемым проявлением вспышек. Теперь, благодаря внеатмосферным наблюдениям на ракетах, спутниках и пилотируемых орбитальных станциях, мы знаем, что это далеко не все и даже не главное в энергетическом отношении излучение вспышек. Большая часть энергии излучается в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах (на цветной вкладке в начале статьи приведено изображение солнечной вспышки в ультрафиолетовом диапазоне, полученное на орбитальной станции «Скайлэб»).

[/smszamok]

В заключение отметим еще один момент. Достигнутые успехи в исследовании природы и механизма солнечных вспышек дают хорошую основу для научного прогнозирования этого явления, что, как уже говорилось, имеет важное значение для космической метеорологии — науки о космической «погоде». Уже сейчас можно представить себе, как наземные и внеатмосферные станции слежения за магнитными полями на Солнце будут непрерывно собирать и обрабатывать данные о магнитных полях и электрических токах в атмосфере Солнца, выявлять токовые слои, следить за их развитием и на этой основе выдавать прогнозы вспышечной активности Солнца. Имеются основания ожидать, что благодаря относительной простоте расчета солнечных магнитных полей эти прогнозы могут оказаться более простыми и надежными, чем прогнозы метеорологической обстановки в земной атмосфере,

Основной язык сайта