Физика космоса

звёзд и имеет форму утолщённого в середине диска с диаметром

3∙1016 км. Солнце расположено на расстоянии около 1016 км от центра Галактики, вращается со скоростью около 250 км/с и совершает один оборот примерно за 20 млн лет. Возраст Солнца примероно равен возрасту Солнечной системы и Земли и составляет 4,7∙109 лет.





Химический состав внешних видимых слоёв Солнца

преобразующие водород в гелий. При образовании одного атома гелия из

4 атомов водорода выделяется энергия (на основании принципа Эйнштейна), соответствующая 0,7% массы.
Перенос энергии из недр Солнца может происходить путём лучеиспускания и конвекции, роль теплопроводности незначительна. Главную роль играет лучеиспускание, причём поле радиации изотропно.

Атмосфера Солнца состоит из трёх легко различаемых областей: фотосферы, хромосферы и короны. https://www.youtube.com/watch?v=hUl00c_TzyE

Охлаждение вызвано уходящим излучением. Водород в ней находится в нейтральном

состоянии, а при соединении с электронами образуются отрицательные ионы, которые имеют высокую поглощающую способность, поэтому фотосфера не прозрачна. Толщина фотосферы 400 км.

Хромосфера – сильно разряжённая область, её толщина составляет 14000 км. Она имеет более высокую температуру, которая на границе с короной достигает 106 К.

Корона – самая внешняя и самая разряжённая часть солнечной атмосферы, расположена выше 1,03 R0. Средняя температура короны 1,5х106 К. Плотность короны на границе с хромосферой равна 109 частиц/см3. Газ короны по химическому составу сходен с фотосферой, но атомы водорода и атомы Mg, Si, Fe, Ca, Al, Na почти полностью лишены своих электронов. Атомы более тяжёлых элементов лишены 10 – 16 своих электронов.
Корона даёт непрерывный спектр излучения, а также яркие эмиссионные линии, принадлежащие высокоионизованным атомам Ni, Fe, Ca, Ar и др.

а) непрерывное излучение плазмы – спокойный Солнечный ветер;
б) корпускулярные потоки

из активных областей – возможный Солнечный ветер;
в) вспышечные потоки, вызывающие возмущение геомагнитного поля.

Рис. Зависимость температуры атмосферы Солнца от расстояния от поверхности

На рис. показано распределение температуры в атмосфере Солнца в зависимости от расстояния от поверхности. Величина Rc – отношение расстояния от поверхности Солнца к его радиусу.

Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Они вращаются

по эллипсам вокруг Солнца. Большая полуось эллипсов орбит этих планет равна 0,3871; 0,7233; 1,0; 1,5237; 5,2037; 9,546; 12,2; 30,09; 39,5 а.е. соответственно.

имеется тонкая атмосфера, частично содержащая He. Полное давление атмосферы равно

2∙10-12 атм, максимальное – 10-11 атм. Плотность атмосферы составляет 0,1% от плотности земной атмосферы. Минимальная температура на ночной стороне около 100 К.
Венера. По данным спутников «Маринер – 5», «Венера – 4, -5, -6,-7, -8, -11, -12» давление газов на поверхности Венеры составляет 90 атм, температура – 740 К. Состав атмосферы: 97% CO2, 2% O2, 0,1÷1% H2O. С высотой температура падает и достигает 160 К на высоте 100 км.
Наиболее вероятной моделью атмосферы Венеры считается «парниковая модель». Солнечное излучение частично проникает в атмосферу и после многократного рассеяния нагревает поверхность, которая создаёт излучение в далёкой инфракрасной области. Оптическая толщина атмосферы в этой области очень велика, и значительная часть излучения идёт обратно к поверхности, нагревая её ещё больше.

земной атмосферы. Химический состав атмосферы: 75% CO2; 25% Ar; 0,06%

CO; 5% N2; 0,1% H2O; 0,12% O2. Давление на поверхности от 10-2 до 10-3 атм, т.е. примерно в 200 раз меньше земного. В обычное время атмосфера прозрачна, заметны облака, движущиеся со средней скоростью 30÷40 м/с. Атмосфера способна поднимать и долго удерживать пыль во взвешенном состоянии. Поэтому бывают сильные пылевые бури, скорость ветра достигает 100 м/с.
Зависимость давления атмосферы от высоты над поверхностью Марса




Продолжение табл.

– водород, 18% – гелий, 2% – более тяжёлые элементы.

Юпитер излучает в два раза больше тепла, чем получает его от Солнца. Данные об излучении свидетельствуют о мощных источниках энергии в недрах Юпитера. Атмосфера охвачена быстрыми движениями. Солнечные лучи проникают на глубину не более 20 км, что составляет 1% от общей толщины газовой оболочки. Температура атмосферы 130÷150 K, с глубиной она возникает до 1000 K, а давление – до нескольких миллионов атмосфер. Толщина атмосферы не менее 1000 и не более 2000 км.

Сатурн. Атмосфера Сатурна подобна атмосфере Юпитера, но отличается более низкой температурой.
Уран и Нептун. Атмосфера состоит из водородных соединений H2O, CH4, NH3, с малыми примесями силикатов.
Плутон. Атмосфера Плутона неизвестна.

межпланетный. Межпланетный вакуум определяется концентрацией газов в межпланетном пространстве, а

также собственной атмосферой планет. Межпланетное пространство заполнено в основном молекулами газов солнечного происхождения, т.е. водородом и гелием. Поскольку полёты космических аппаратов осуществляются на различных высотах и при этом их значительная доля происходит на высотах в сотни километров, например от 200 до 400 км, то значительный интерес представляют физические условия в этих областях и в первую очередь состав атмосферы Земли и динамики её изменения.
Атмосфера Земли представляет собой разрежённый газ, подверженный периодическому воздействию коротковолновой солнечной радиации, в результате поглощения которой в ней происходят многочисленные физико-химические процессы, определяющие распределения температуры, плотности и давления. При этом часть поглощённых фотонов переходит в тепло, газ нагревается, в нём возникают диффузионные и тепловые потоки и массовое движение.

– давлением, плотностью, температурой и составом – может быть получена

с использованием управления состояния газа в форме Клапейрона.

и давления по высоте происходит экспоненциально (как следует из барометрической

формулы), причём скорость их уменьшения зависит от высотного хода температуры.

в широком диапазоне частот. Излучение возникает глубоко внутри Солнца в

виде рентгеновских фотонов высоких энергий, которые, преодолевая путь от глубоких слоёв солнечной атмосферы, в процессе многократного энергообмена, путём излучения и поглощения в большом диапазоне частот порождает непрерывный спектр излучения. Излучение возникает за счёт ядерных реакций синтеза гелия из водорода.
На непрерывный спектр накладываются десятки тысяч фраунгоферовых линий поглощения. Отождествлено к настоящему времени 73% всех линий. Число найденных на Солнце химических элементов равно 63,13 элементов имеют по 100 линий, из них 2 элемента (Ti и Cr) – более 1000, а Fe – более 3000 линий поглощения. Линии поглощения заметно изменяют непрерывный спектр излучения Солнца, особенно в видимой области.

спектре Солнца

Рис. Спектр излучения Солнца в области 3000÷10000 Ǻ без

учёта (1) и с учётом (2) поглощения в линиях

менее 200 нм также следует учитывать при исследовании материалов.

Рис. Спектр

излучения Солнца в области
до 1500 Ǻ

Рис. Спектр излучения Солнца в области 1500÷3000 Ǻ

до (1) и после (2) прохождения через атмосферу

Спектр излучения значительно

ослабляется при прохождении через земную атмосферу. При этом происходит общее ослабление спектра, особенно в ультрафиолетовой и видимой областях, и ослабление за счёт поглощения молекулами.

существует излучение более низких энергий, представляющее собой нейтральную плазму. От

Солнца во всех направлениях, в том числе и к Земле, излучаются потоки нейтральной плазмы непрерывно во времени, которые называются Солнечным ветром.
Состав Солнечного ветра
Состав Солнечного ветра определялся по дифференциальным спектрам, т.е. по зависимости плотности потока частиц от их энергии. Главный максимум в спектре интерпретируется как поток протонов. Второй максимум при вдвое большем значении E/q интерпретируется как поток α – частиц, движущийся вместе с протонами с той же скоростью.
Подобные измерения спектров на спутнике «Вега – 3» показали, что доля α – частиц в Солнечном ветре составляет 4,2% и может изменяться от 1 до 15%. По данным спутника «Вега – 3» содержание α – частиц в среднем равно 3÷6%.

спутника «Пионер – 6», было обнаружено наличие третьего пика, который

интерпретировали присутствием третьей ионной компоненты Солнечного ветра в количестве 0,1%. Эта функция даёт следующее содержание компонент: H+ – 91,3%, He2+ –8,6%, He+ – 0,1%. Помимо указанных были зарегистрированы и другие ионы, например ионы кислорода.
Отрицательную компоненту плазмы представляют электроны. Они обладают энергиями направленного движения порядка нескольких электрон – вольт.
Таким образом, плазма Солнечного ветра представляет собой поток протонов, α – частиц и электронов. Поток α – частиц примерно на порядок меньше потока протонов.

Рис. Зависимость скорости протонов Солнечного ветра от расстояния от Солнца и температуры короны

протонов, вычислительная из измеряемого распределения скоростей. Измеренные значения скорости Солнечного

ветра лежат в интервале 250÷830 км/с, в среднем скорость спокойного ветра можно считать равной 400÷420 км/с, что соответствует энергии 1 кэВ, максимальная энергия 3 кэВ.









Рис. Распределение ионов Солнечного ветра по скоростям

отличается и составляет 0,5÷30 см-3. Максимальная плотность потока достигает 4∙109

см-2∙с-1. Электропроводность плазмы велика. Она составляет 102 Ом-1∙см-1.

сотен тысяч километров (105÷1,5∙108 км) движущаяся плазма попадает в магнитное

поле Земли. В результате взаимодействия возникают силы торможения. Магнитное поле Земли стремится вытолкнуть магнитное поле плазмы, а магнитное поле плазмы, наоборот, отжать противодействующее поле Земли. Это приводит к искажению потока плазмы и деформации магнитного поля Земли. Попадая в магнитное поле Земли, частицы плазмы ускоряются, при этом существенно изменяются их траектории, и плазма как таковая уже не существует.

от высоты над поверхностью Земли

ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. При фотоионизации атомов и молекул

образуются фотоэлектроны с энергией, равной разнице между первоначальной энергией фотона и энергией ионизации. Фотоэлектроны теряют часть своей энергии на возбуждение нейтральных атомов и молекул, а также на их ионизацию. Когда энергия фотоэлектронов снижается до значений, равных примерно 1,5 эВ, осуществляются главным образом упругие соударения с окружающей средой.
Внешняя ионосфера нагревается в основном за счёт притока фотоэлектронов, которые, начиная с высот около 300 км (где соударения не так уж часты, как в нижней ионосфере), «убегают» во внешнюю ионосферу вдоль магнитных силовых линий.

магнитное поле Земли можно представить диполем с центром в центре

Земли. Величина магнитного момента составляет 8,07∙1025 Гс/см3.
Во втором приближении центр диполя смещён на 430 км от центра Земли в точку с координатами 15,6° с. ш. и 150° в. д.








На больших расстояниях магнитное поле Земли нельзя представлять диполем, т. к. оно взаимодействует с Солнечным ветром.

Рис. Расположение диполей магнитного поля Земли

внутрь атмосферы, т.к. взаимодействует с магнитным полем Земли. При этом

магнитное поле Земли ограничивает в области, называемой магнитосферой. Магнитосфера имеет резкую границу со стороны давления Солнечного ветра, называемую магнитопаузой. На магнитопаузе давление Солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли, которое и останавливает частицы Солнечного ветра. Перед магнитопаузой расположен переходный слой, занимаемый возмущенным Солнечным ветром и имеющий достаточно резкую границу. Параметры Солнечного ветра в переходном слое отличаются от параметров невозмущённого Солнечного ветра.

широтой 78° с дневной стороны и 73° с ночной стороны.

В этой области силовые линии уходят далеко в межпланетное пространство. По ним плазма ионосферного происхождения уходит на большие высоты.
Область плазменного слоя заключена с дневной стороны на широтах 76÷80°, с ночной – на широтах 68÷73°. Источником частиц является Солнечный ветер, проникающий в магнитосферу Земли. Энергия частиц составляет десятки – сотни килоэлектрон-вольт.
Область плазмосферы простирается от ионосферы до (4÷5)R3. Со стороны высоких широт она ограничивается углами 60÷65°. Плазмосфера состоит из ионов и электронов ионосферного происхождения. Энергия частиц составляет несколько электрон-вольт, концентрация изменяется от 105 до 103 см-3 с увеличением расстояния до 4R3.
Область радиационных поясов Земли заполнена частицами с энергией от нескольких десятков кило- до сотен мегаэлектрон-вольт.

захваченных частиц, так и по расстоянию от поверхности Земли. Поскольку

основными частицами являются протоны и электроны, то и подразделяются радиационные пояса по названию этих частиц.
а) Протоны радиационных поясов Земли.
Подразделяют внутренний и внешний пояса. Внутренний протонный радиационный пояс расположен на расстоянии (1,1÷2,8)L. В нём заключены протоны высоких энергий. Их источником являются нейтроны альбедо космических лучей, т.е. при взаимодействии протонов и ионов космического происхождения с атмосферой образуются нейтроны, они вторично взаимодействуют с газами и образуют протоны высоких энергий (E>30МэВ).
Спектр таких протонов имеет вид
N≈E-x
где x=1 для L≈1,5; x=2 для L≈2.

ветре имеются α-частицы, то естественно и в радиационных поясах Земли

они присутствуют. Их энергия достигает сотен килоэлектрон-вольт, концентрация – не более 1,9% от концентрации протонов.

Рис. Радиационные профили средней по времени интенсивность протонов в плоскости геомагнитного экватора

Рис. Распределение электронов различных энергий во внутреннем и внешнем радиационных поясах Земли в плоскости экватора.

электронов этого пояса являются электроны Солнечного ветра. Спектр электронов зависит

от предыдущей геомагнитной обстановки, он может быть степенным и экспоненциальным. В зависимости от напряжённости магнитного поля концентрация электронов изменяется по степенному закону:
N≈E-n для n=0,3÷1
n=1 для L=6, n=0,3 для L=4.
е) Зона неустойчивой радиации.
Область за пределами внешнего пояса электронов (L>8) заполнена электронами с Emax=100 кэВ. Она характеризуется колебаниями концентрации частиц в зависимости от состояния Солнца. Плотность потока частиц в радиационных поясах Земли достигает 108 част./см2∙с, в зоне неустойчивой радиации – 109 част./см2∙с.

можно создать искусственные радиационные пояса путём инжекции заряженных частиц. Существует

несколько способов искуственной инжукции заряженных частиц в геомагнитную ловушку.
Распыление на высотах свыше 200 км радиоактивных веществ, имеющих малые полупериоды распада (порядка суток). Такое распыление можно произвести путём обычного взрыва, при этом продукты распада создадут искусственный пояс.
Можно установить ускоритель заряженных частиц на ракете или спутнике. Было проведено несколько экспериментов по инжекции электронов с энергий 10÷40 кэВ с помощью ускорителей, установленных на ракетах. Это американские эксперименты «Электронное эхо» и советско-французский эксперимент «Аракс». Однако значительных по величине и интенсивности искусственных радиационных поясов указанными способами создать трудно.

ядерным взрывам, произведённых на больших высотах от поверхности Земли.
Характеристики ядерных

взрывов

океана. Распределение электронов от этих взрывов измерялось с помощью спутника

«Эксплорер-4». Толщина оболочки от первых двух взрывов составила 90 км, от третьего – 150 км.
Операция «Старфиш» проводилась над островами Джонстон. В результате взрыва образовался искусственный пояс в области L=(1,15÷1,6). Радиус разлёта осколков от этого взрыва был примерно 2000 км. Это установлено как расчётами, так и положением искусственного радиационного пояса.
 




 


Рис. Пространственное распределение плотности потока электронов.

после взрыва для различных L.

представляют собой потоки протонов, различных ионов, электронов, γ-квантов и рентгеновских

лучей, движущихся в нашу Солнечную систему из нашей и других галактик. Возможными областями возникновения ГКЛ в настоящее время считается:
их генерации в нашей Галактике при активных процессах в звёздах и, возможно, в ядре Галактики;
галактические космические лучи заполняют всю Галактику, свободно входят и выходят из неё, т.е. приходят извне Галактики.
Источниками ГКЛ в нашей Галактике являются звёзды. Существуют звёзды с наиболее ярко выраженной активностью, которые могут быть источниками ГКЛ, т.к. рядовые звезды не могут обеспечить необходимость плотности ГКЛ. Такую активность (1 эВ/см3) генерации могут обеспечивать сверхновые звезды в результате происходящих на них вспышек (t≈1000 лет). Другой версией о природе ГКЛ является взрыв в ядре Галактики, который произошёл 108 лет назад. Исследования показали, что в космических лучах присутствуют не только протоны, но и ядра. Эти частицы имеют галактические происхождение. Помимо ядерной компоненты в состав ГКЛ входят электроны, γ- и рентгеновское излучение.

зависимости от заряда и массового числа ядерная компонента ГКЛ разделена

на несколько групп, различающихся по заряду входящих в них элементов: H+, He2+, L, M, LH, MH, H.

Плотность потока ядерной компоненты ГКЛ

электронов составляет около 1% от плотности потока протонов. Электроны образуются

из того же источника, что и ядра. Спектр электронов занимает очень широкий диапазон (1 эВ÷1 ТэВ), но плотность потока существенно меньше, чем, например, для электронов радиационных поясов Земли.
 





Рис. Спектр электронов ГКЛ

в виде фотонов непрерывного спектра, так и в виде дискретных

источников (рис. 1.24). Помимо фотонов непрерывного излучения существует линейный спектр излучения в области энергий E<<10÷20 МэВ, который возникает в результате взаимодействия ядерной компоненты с окружающей средой в межзвездном пространстве. Наиболее вероятными энергиями этих линий 0,511; 2,2; 4,4; 6,14 МэВ, что связано с образованием электронно-позитронных пар, образованием дейтерия и возбуждением ядер углерода и кислорода, которые являются наиболее обильными в Галактике среди всех других ядер.

Первого сентября 1859 г. было открыто явление солнечных вспышек. Область

этих вспышек, как правило, соответствует до тысячи миллионных долей площади поверхности Солнца. При вспышке выделяется огромная энергия в виде электромагнитного излучения ультрафиолетового, видимого, рентгеновского и γ-диапазонов, солнечных космических лучей (СКЛ) – ионов различных элементов и электронов.
а) Ядерная компонента
Полная энергия излучения в виде частиц СКЛ достигает 1027÷1031 эрг. Хотя эта энергия составляет 10% энергии, излучаемой в 1 с спокойным Солнцем, значимость СКЛ большая.
Поток СКЛ зависит от мощности вспышки. Так, вспышки балла 3В и 4В дают величину потока частиц 103÷109 част./см2, а вспышки балла 1П и 1В дают поток, не превышающий 106 част./см2. Что касается связи мощности вспышки и энергии СКЛ, то до конца она ещё не выяснена, хотя известно, что более мощные вспышки дают частицы больших энергий.

потоки электронов кэВ-ных и МэВ-ных энергий. Во время вспышек плотность

потока электронов изменяется в широком диапазоне от нескольких частиц до тысячи частиц на 1 см2·с.
 







Рис. Спектр солнечных электронов в межпланетной среде во время спокойного Солнца
 
Существует корреляция между частотой хромосферных и электронных вспышек.