Фестиваль исследовательских работ "Взаимодействие солнечного ветра и кометной атмосферы"

Фестиваль исследовательских и творческих работ учащихся

«Портфолио»

Взаимодействие солнечного ветра и кометной атмосферы

Россия, Алтайский край, г. Барнаул

         Автор:

                                                                             Маришин Никита Сергеевич

                                                                             МОУ «Лицей № 124» 10 класс

                                                                             Научный руководитель:

                                                                             Рыбицкая В.А.,  МОУ «Лицей № 124»

 Барнаул  

Взаимодействие солнечного ветра и кометной атмосферы

Маришин Никита Сергеевич

Россия, Алтайский край, г. Барнаул

МОУ «Лицей № 124»

10 класс

Введение

Актуальность данной темы заключается в том, что наши исследования  позволяют определить возможные расстояния от центральной области комы кометы до поверхности ядра, которое дает возможность корректировать полет космических кораблей вблизи кометы.

Объект исследования: активная среда, зарождающаяся в верхних слоях атмосферы Солнца.

Предмет исследования: Изучение взаимодействия нейтральной компоненты кометного газа с солнечным ветром.

Цель работы: Рассмотреть механизм ионизации вещества кометных атмосфер под действием солнечного ветра, оценить возможность использования «солнечного паруса».

Задачи исследования:

1. Определение расстояние от «центральной» области комы до тангенционального разрыва кометной ионосферы и ионов солнечного ветра.
2. Рассмотрение вопроса об использовании «солнечного паруса» в качестве движущей силы космических аппаратов.
3. Исследование роли солнечного ветра в движении космического аппарата, оснащенного «солнечным парусом».

Методы исследования:

      1.Анализ экспериментальных данных по составу кометных атмосфер.

2.Исследование механизмов ударной ионизации и  фотоионизации по формированию кометных атмосфер при взаимодействии с солнечным ветром.  

Результат:

 Была разработана возможная модель взаимодействия солнечного ветра с кометной атмосферой, исследовано расстояние от «центральной» точки комы кометы до тангенционального разрыва и рассмотрена возможность использования солнечного ветра в альтернативном двигателе - «солнечном парусе».

1.  Солнечный ветер

Как показывают наблюдения, выполненные на борту спутников Земли и других космических аппаратов с высоким апогеем орбиты, межпланетное пространство  заполнено чрезвычайно  активной средой - плазмой солнечного ветра. Солнечный ветер представляет собой сверхзвуковой поток полностью ионизованного водорода, летящего от Солнца в среднем со скоростью 400 км/с и температурой в десятки тысяч градусов (1.). Также в состав солнечного ветра может входить гелий. В районе орбиты Земли концентрация протонов солнечного ветра равна примерно 10 см -3.

Солнечный ветер зарождается  в  верхних  слоях  атмосферы  Солнца, и его основные параметры определяются соответствующими параметрами солнечной атмосферы. Однако связь между физическими характеристиками солнечного ветра вблизи орбиты Земли физическими явлениями в атмосфере Солнца сказывается чрезвычайно сложной и, кроме того меняется в зависимости от уровня солнечной активности и конкретной ситуации на Солнце.

Долгое время был непонятен механизм образования сверхзвуковой скорости солнечного ветра. Этот механизм схож с классическим течением в сопле, только роль ресивера играет солнечная корона, а роль стенок – гравитационная сила солнечного притяжения. Согласно теории Паркера, переход через скорость звука должен происходить на расстоянии в несколько сотен солнечных радиусов. Анализ получаемых теоретических решений показывает, что температуры солнечной короны недостаточно для того, чтобы газ мог ускориться до сверхзвуковых скоростей. Дополнительным источником энергии является диссипация волновых движений (иногда их называют плазменной турбулентностью), накладывающихся на среднее течение, а само течение уже не является адиабатическим (2.).

Предполагается, что наблюдаемый вблизи орбиты Земля солнечный ветер состоит из трёх независимых компонент (7.).

1) Спокойный солнечный ветер - постоянно существующий поток солнечной плазмы, заполняющий все межпланетное пространство вплоть до границ гелиосферы (50-200 а.е.).

2) Квазистационарные высокоскоростные потоки,  ответственные за рекуррентные геомагнитные возмущения. Зарождение рекуррентных потоков происходит в областях корональных дыр (области пониженной плотности плазмы и её относительно малой температуры).

3) Спорадические высокоскоростные потоки – кратковременные потоки (время пробега мимо Земли – 1-2 суток), имеющие весьма большую протяженность, часто чрезвычайно интенсивные (скорость до 1200 км/с). Основным источником спорадического солнечного ветра являются солнечные вспышки.

Измерения в плоскости эклиптики показали, что в межпланетном пространстве могут существовать так называемые секторные структуры с различными параметрами солнечного ветра и различными параметрами магнитного поля [I.]. Структуры  с различными параметрами солнечного ветра вращаются вместе с Солнцем и явно указывают на то, что они являются следствием аналогичной структуры в солнечной атмосфере, параметры которой зависят от долготы. Скорость солнечного ветра возрастает, а плотность уменьшается с гелиографической широтой. Измеренная, например, на аппарате "Улисс" скорость солнечного ветра изменилась от 450 км/с в плоскости эклиптики примерно до 700 км/с на  75° солнечной широте. Надо, однако, отметить, что степень различия параметров солнечного ветра в плоскости эклиптики и вне ее зависит от цикла солнечной активности.

Вспышки на Солнце и разные скорости истечения плазмы из разных областей его поверхности приводят к тому, что в межпланетном пространстве образуются межпланетные ударные волны, которые характеризуются резким скачком скорости, плотности и температуры. Когда быстрый поток плазмы догоняет более медленный [II.], то в месте их    соприкосновения возникает произвольный разрыв параметров, на котором не выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии. Такой разрыв не может существовать в природе и распадается, в частности, на две ударные волны и тангенциальный разрыв (на последнем давление и нормальная компонента скорости непрерывны), в том случае, когда быстрый поток от одной области солнечной короны догоняет более медленный, вытекающий из другой. Ударные волны и тангенциальные разрывы, сносятся солнечным ветром на большие гелиоцентрические расстояния и регулярно регистрируются космическими аппаратами (2.).

1.1.Использование солнечного паруса, как движущей силы космических аппаратов.

В последние время во многих странах ведутся разработки так называемого солнечного паруса [III.]. Такой интерес возник из-за того, что данный тип двигателя не требует топлива, и следовательно с его помощью можно достичь скоростей в несколько раз превышающих скорость аппаратов оснащенных ракетными двигателями.

Движущими силами солнечного паруса является солнечный ветер и солнечное давление. Нами была рассчитана усреднённая сила, действующая на «солнечный парус» за счёт его соударении с частицами солнечного ветра:

   (1).

(f1, f2 … fn-силы действующие на парус при его соударении с и частицами солнечного ветра; t1, t2…tn-время действия этих сил; N-число соударений; P0-импульс частицы солнечного ветра; m0-масса частицы солнечного ветра; v-относительная скорость; vсолн-скорость солнечного ветра; vприоб-приобритённая скорость космического аппарата; n-концентрация; t-время; k-коэффициент передачи импульса, зависит от материала паруса, лежит в диапазоне (0; 2 ); S-площадь солнечного паруса).

Также были определены другие силы действующие на парус.

Сила притяжении Солнца:

(2),

(Мс-масса солнца, R-расстояние космического аппарата)

Сила светового давления:

(3),

(W- мощность электромагнитной волны, убывающая как квадрат расстояния от солнца; r-коэффициент отражения, с-скорость света).

И следовательно ускорение будет равно:

 (4).

Расчет последнего уравнения показывает, что ускорение «солнечного паруса» является достаточным для возможного использования расчета движения космического корабля (а~10-4 м/с2, при k=1, S=500 м2, R=1а.е., r=1, m=200 кг). Результаты, полученные в работе позволяют сделать вывод  о том, что солнечный ветер будет оказывать существенное влияние на ускорение космического корабля, оснащенного «солнечным парусом», особенно на дальних расстояниях от Солнца. На расстоянии 1 а.е. от Солнца доля солнечного ветра в ускорении аппарата оснащенного «солнечным парусом» равна 20%.

1.2. Кометы на расстоянии до 3 а.е. до солнца.

На фреске известного итальянского художника Джотто ди Бондоне "Поклонение волхвов" (1303) [IV.] можно увидеть изображенную на небе хвостатую комету (рис. 4). Некоторые современные ученые уверены, что Джотто изобразил очередное прохождение вблизи Земли в 1301 году довольно активной кометы, названной кометой Галлея в честь английского астронома Эдмунда Галлея (1656-1742), вычислившего 76-летний период ее вращения вокруг Солнца и предсказавшего ее очередное появление вблизи Земли в 1758 году. Из картин художников можно получить визуальные исторические доказательства появления комет вблизи орбиты Земли. Вывод космических аппаратов за пределы земной атмосферы позволил ученым проводить прямые измерения физических параметров вблизи их поверхности.

Вблизи орбиты Земли  яркие кометы обычно состоят из трех частей: прекрасно видимого гигантского хвоста, очень маленького размера (по сравнению с хвостом)  невидимого ядра и светящейся атмосферы, окружающей ядро и называемой комой кометы [V.]. Кома вместе с ядром обычно называется головой кометы. Несмотря на относительно малые размеры, ядро является главной частью кометы. Кома и хвост образуются как следствие истечения вещества из ядра кометы.

1.3. Взаимодействие кометных атмосфер и солнечного ветра.

О взаимодействии солнечного ветра с кометами можно говорить только тогда, когда комета имеет довольно протяженную и плотную атмосферу. В этом случае атмосфера должна непрерывно расширяться в окружающий межпланетный газ очень низкого давления, поскольку маленькое кометное ядро имеет пренебрежимо малую гравитацию и не может удерживать свою атмосферу в равновесии. Основной причиной возникновения атмосферы является испарение твердого вещества, из которого состоит ядро, вследствие его прогревания солнечным излучением. При этом испарение происходит прямо из твердого состояния без перехода в жидкую фазу (возгонка).

  Поскольку кометное ядро [VI.] почти невидимо при помощи астрономических приборов, то важным представляется построение его теоретических моделей. В настоящее время считается, что ядро - это конгломерат каменистых частиц и замороженной летучей компоненты (это могут быть молекулы CO2 , H2O, CH4 и т.п.). Если, например, кометное ядро представляет собой в основном лед H2O, то в результате химических реакций в потоке образуется одиннадцать главных компонент: H2O, OH, H, O, H2 , O2 , H3O+, H2O+, OH+, O+ и H+.

Качественная модель обтекания кометной атмосферы солнечным ветром представлена в приложении [VII.]. На этом рисунке обозначено: BS - головная ударная волна, через которую солнечный ветер тормозится от сверхзвуковой скорости к дозвуковой вследствие его торможения на кометном газе, а IS - внутренняя ударная волна, на которой сверхзвуковой поток кометных ионов тормозится до дозвуковых скоростей как следствие их замедления потоком солнечного ветра. Солнечный ветер отделяется от потока кометных ионов тангенциальным (иногда его называют контактным) разрывом, обозначенным через CD. Следует заметить, что разрывы BS, IS и CD образуются только при взаимодействии сред, которые можно считать сплошными. Через контактный разрыв не могут просачиваться ни кометные ионы и электроны в солнечный ветер, ни протоны и электроны солнечного ветра в кометную ионосферу. На рис. 6 этот факт отображается тем, что линии тока солнечного ветра и кометных ионов нарисованы отклоненными этим разрывом, становясь параллельными его поверхности.

1.4. Расчет расстояния от центральной области комы кометы до тангенционального разрыва.

Какова же роль нейтральных молекул, вытекающих из кометного ядра, в проблеме взаимодействия солнечного ветра с кометными атмосферами? Нейтральные молекулы имеют длину свободного пробега много больше длины свободного пробега ионов при их взаимодействии с солнечным ветром. При этом кометные нейтралы могут свободно проникать в солнечный ветер через контактную поверхность CD. Поток нейтральных молекул нельзя считать сплошной средой. На всей трассе их продвижения в солнечный ветер они фотоионизуются солнечной радиацией. Их фотоионизация в области вне контактного разрыва CD приводит к тому, что вновь образовавшиеся ионы захватываются солнечным ветром, приводя к изменению массы, импульса и энергии последнего. Такой процесс получил название "нагружение" солнечного ветра (это название закрепилось в связи с тем, что масса кометного иона существенно превосходит массу протона).

Рассмотрим столкновение иона солнечного ветра с частицей комы кометы:

 (5),  так как mv1>>mv2, то молекула кометной атмосферы сменит направление движения после первого соударения.    

(m-масса кометного иона; M-масса частицы кометного вещества; v1, v2-скорости частиц до соударения; v3,v4-скорости частиц после соударения).

  Следовательно для нахождения расстояния от центральной области комы кометы до тангенционального разрыва, нам необходимо рассчитать длину свободного пробега частицы кометной атмосферы до столкновения с ионом солнечного ветра.

Время до соударения можно рассчитать как:

(6),

(t-время до соударения, S-площадь соударения, n-концентрация ионов солнечного ветра, vс.в.-скорость солнечного ветра).

  Таким образом расстояние от «крайней» точки комы до тангеционального разрыва равно:

(7),

(v-скорость частицы кометной атмосферы, L- расстояние от «крайней» точки комы до тангеционального разрыва, r-радиус частицы кометного вещества).

При расчете по полученной формулы, используя данные характерные для межпланетной среды на расстоянии в 1 а.е. был получен результат в 24000 км (при расчете использовался водород, как вещество, имеющее наименьшую площадь соударения). Для частиц имеющих большую площадь соударения это расстояние будет меньше. Расстояние от тангенционального разрыва до кометного ядра было рассчитано в работе (1.). Таким образом представлено возможное решение проблемы определения расстояния от комы до кометного ядра.

2. Заключение.

      Из всего  рассмотренного выше можно сделать заключение, что солнечный ветер-это физическое явление, которое представляет не только чисто академический интерес, связанный с изучением процессов  в плазме, находящейся в естественных условиях космического пространства, но и фактор, который необходимо учитывать при изучении процессов, происходящих в окрестности нашей планеты Земли, что в конце концов влияет на нашу жизнь. Это обусловлено тем, что высокоскоростные потоки солнечного ветра, обтекая Землю, влияют на её магнитосферу, которая непосредственно связана с более низкими слоями атмосферы. Такое влияние в сильной  степени зависит от процессов, происходящих на Солнце, поскольку они связаны с зарождением самого солнечного ветра. Таким образом, солнечный ветер является хорошим индикатором для изучения важных для практической деятельности человека солнечно-земных связей. Точные одномерные гидродинамические модели не могут  количественно описать распределение параметров плазмы солнечного  ветра без привлечения эмпирических зависимостей, хотя качественно эти модели делают, по-видимому, верную картину. Например, задание  известных из эксперимента значений параметров плазмы на орбите Земли приводит  к  слишком низким концентрациям частиц в солнечной короне по сравнению с наблюдаемыми значениями.  Современные модели взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой не учитывают многих физических явлений, которые могли бы оказать  влияние на количественные результаты.  Так, например,  наиболее продвинутая модель не принимает во  внимание возможные влияния межзвёздного магнитного поля.

Нестационарные процессы, происходящие на Солнце приводят к необходимости развивать модели, зависящие от времени. Очевидно,  что усовершенствования  теоретической модели следует делать в тесном контакте с  результатами экспериментов, которые  проводятся сейчас и  которые  будут проводиться в ближайшем будущем.  

В результате работы мне удалось прийти к следующим основным выводам:

1. Ускорение «солнечного паруса» является достаточным для возможного использования расчета движения космического корабля.

2. Солнечный ветер будет оказывать существенное влияние на ускорение космического корабля, оснащенного «солнечным парусом», особенно на дальних расстояниях от Солнца.

3.  Была разработана возможная модель взаимодействия солнечного ветра с кометной атмосферой, исследовано расстояние от «центральной» точки комы кометы до тангенционального разрыва

Список использованной литературы:

1. Баранов В.Б. Газодинамическое взаимодействие кометных атмосфер с солнечным ветром. Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №1.
2. Баранов В.Б. Что такое солнечный ветер.  Соросовский Образовательный Журнал. 1996. №12.
3. Баранов В.Б. Влияние межзвездной среды на строение гелиосферы.  Соросовский Образовательный Журнал. 1996. №11.
4. Баранов В.Б., Краснобаев К.В. Гидродинамическая теория космической плазмы. М.: Наука, 1977.
5. Коваленко В.А. Солнечный ветер. М.: Наука, 1983. 272 с
6. Паркер Е.Н. Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1965. 362 с.
7. Пудовкин М.И. Солнечный ветер. Соросовский Образовательный Журнал. 1996. №12.
8. Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. М.: Мир, 1976. 302 с.