О загадках Солнца (стр. 1 из 3)
Г. Е. Кочаров, Санкт-Петербургский государственный технический университет
Обсуждаются две загадки Солнца: дефицит солнечных нейтрино и солнечные вспышки, богатые 3He. Показано, что обе загадки могут быть разрешены нестандартным поведением изотопа 3He в условиях горячей и плотной плазмы.
Интерес к исследованию Солнца непрерывно растет, и это особенно примечательно на фоне важнейших достижений в астрофизике в целом. Возрастающий интерес к физике Солнца и гелиосферы обусловлен следующими обстоятельствами. Во-первых, стало ясно, что процессы, протекающие в различных областях солнечного вещества и околосолнечном пространстве, характерны для других космических объектов. Явления типа солнечных открыты и на других звездах: звездные осцилляции, пятна, вспышки, короны, ветры и глубокие и длительные минимумы. Солнце является ближайшей звездой. Всего около восьми минут требуется, чтобы солнечные лучи достигли Земли, тогда как от самой близкой к нам звезды Проксима Центавра свет идет 4,3 года. Такая близость Солнца к Земле приводит к тому, что она является единственной звездой, которую мы видим не как точку, а как диск. Поэтому именно эту (нашу) звезду можно изучить наиболее детально. Солнце и гелиосфера представляют собой уникальную гигантскую лабораторию, где можно осуществить целенаправленные эксперименты по проверке сценариев и моделей эволюции звезд, изучению основополагающих проблем магнитогидродинамики, физики плазмы, атомной физики и даже космологии и физики элементарных частиц.
Во-вторых, результаты десятилетних экспериментов по регистрации солнечных нейтрино показали, что уверенность в том, будто мы достаточно хорошо знаем, каким образом происходят термоядерные реакции в глубоких слоях Солнца, как минимум поколебалась.
В-третьих, с открытием космических лучей в 1912 году связано начало астрофизики высоких энергий. Неизбежно возник вопрос о местоположении и механизме действия ускорителя космических лучей. Эти вопросы все еще не решены. 50 лет назад было установлено местоположение ближайшего к нам ускорителя путем регистрации космических лучей во время солнечной вспышки. Комплексное изучение солнечных вспышек с использованием спутниковой техники, баллонных, наземных и подземных экспериментов позволило значительно продвинуться в понимании вспышечного процесса. Однако мы еще не в состоянии ответить на некоторые вопросы, связанные с проблемой накопления вспышечной энергии и генерации различных ускоренных частиц. При этом солнечный ускоритель является наиболее доступным для детального изучения механизма генерации ускоренных частиц по сравнению с другими астрофизическими источниками.
В-четвертых, Солнце является единственным астрофизическим объектом, который небезразличен для обитателя Земли. Оно согревает нас своим теплом, дарует свет, именно Солнце способствовало появлению всего живого на Земле и является источником всех видов энергии, используемой человечеством. Непрерывное увеличение энергетических потребностей выдвигает проблему прямого использования солнечной энергии, которая излучается с поразительным постоянством миллиарды лет. Каждый квадратный метр поверхности Солнца в энергетическом отношении можно сравнить с электростанцией мощностью 60 тыс. кВт. Научиться преобразовывать солнечную энергию - значит навсегда отвести неумолимо нависшую над человечеством тень энергетического кризиса.
Земля погружена во внешнюю исключительно подвижную атмосферу Солнца и, следовательно, подвергается сильному влиянию "погоды" на Солнце. Оно воздействует на климат и биосферу, приводит в движение атмосферу планеты и т.д. Сейчас, когда изучение окружающей среды является одной из самых актуальных проблем, исследование солнечно-земных связей приобретает особое научное и научно-прикладное значение.
В статье будут обсуждаться две проблемы-загадки: дефицит солнечных нейтрино и изотоп 3He; солнечные вспышки, богатые 3He.
Солнечные космические лучи, богатые изотопом 3He
< p высокие. более в слоев низких из энергию переносить позволяющее не поле, магнитное именно является пятен солнечных температуры низкой виновником что считается, и Поэтому энергии. лучистой выходящей дефицит создавая самым тем слоях, подфотосферных энергии перенос конвективный подавить даже или уменьшить состоянии поле Такое Гс). 5000 иногда Гс, (2000-3000 полем магнитным сильным обладают пятна Солнечные км. 700-1000 глубине на дном с форму тарелкообразную имеют Пятна среды. окружающей ниже 1500-2000° их Температура Солнца. фотосферы места холодные относительно собой представляют километров тысяч десятков до тысячи от размеры пятно. солнечное чем образование, непонятное сложное найти трудно активности солнечной явлений среди как так сегодня, справедливо Это пятна. солнечные виду всего прежде активности, о говоря что, так, получилось Исторически атмосферы. областей соответствующих характеристик физических временем со изменениями значительными характеризуемых Солнца атмосфере происходящих явлений, различных комплекс называют активностью Солнечной>
Группы солнечных пятен появляются не по всему диску Солнца, а только в так называемых королевских зонах, расположенных примерно до 40° по обе стороны от солнечного экватора. Группы солнечных пятен вблизи края видимого диска Солнца всегда наблюдаются на уровне фотосферы в окружении светлых волокнистых образований, называемых фотосферными факелами. Это крайне неоднородные образования, которые характеризуются широким диапазоном изменения яркости, температуры, скорости движения вещества, напряженности поля в разных местах. Размеры их весьма внушительны - от десятков до сотен тысяч километров. Они существуют от нескольких дней до нескольких месяцев. Развитие факельных площадок начинается с увеличения их яркости и компактности. Площадь факельных площадок постепенно увеличивается. После исчезновения пятен они становятся более рыхлыми и менее контрастными, но размер их растет. Затем площадь их начинает уменьшаться, и факельная площадь теряется в окружающей среде. Иногда в факельных площадках, наблюдаемых в линии водорода Н
, внезапно происходит значительное увеличение яркости в отдельных местах, чаще вблизи солнечных пятен. Это одна из особенностей самого впечатляющего явления активности Солнца - солнечной вспышки, которую легче всего наблюдать. Энергия крупной вспышки достигает 1033 эрг, что в несколько сот раз больше, чем можно получить при сжигании всех разведанных запасов нефти и угля. Подавляющее большинство солнечных вспышек происходит в районах групп солнечных пятен со сложным строением магнитного поля.Одним из ярких проявлений солнечных вспышек является ускорение частиц до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца. Солнечные космические лучи (СКЛ) регистрируются у Земли в виде внезапных резких повышений интенсивности космических лучей на фоне галактических космических лучей. Полученный из наблюдений верхний предел энергии СКЛ составляет около 200 ГэВ. Основную долю СКЛ составляют протоны, имеются также ядра гелия и тяжелых элементов. Обнаружен уникальный класс вспышек - вспышки, богатые изотопом 3He. Установленное на опыте аномальное обогащение солнечных космических лучей редким изотопом 3He - очень интересное явление. Состояние и перспективы исследований этого класса солнечных вспышек подробно обсуждаются в работах автора [1], [2]. Здесь мы вкратце обсудим основные характеристики 3He-богатых вспышек, природа которых все еще загадочна.
В настоящее время имеется каталог [1], [2], содержащий более 150 солнечных вспышек, богатых 3He. Для 15 из них коэффициент обогащения 3He относительно 4He больше 5000 и для 70 - более 1000. Под коэффициентом обогащения понимается следующее соотношение:
где I3 и I4 - измеренные значения интенсивности потоков 3He и 4He в солнечных космических лучах, n3 и n4 - концентрации рассматриваемых изотопов в солнечной атмосфере.
Аномально высокое отношение потоков 3He и 4He, достигающее
10 (в солнечной атмосфере n3/n4 = 4 
10-4), является главной характеристикой соответствующих вспышек. Вопросы о том, где и каким образом происходит столь сильное разделение изотопов, являются предметом интенсивных обсуждений и дискуссий.Важным свойством исследуемых событий является отсутствие измеримых потоков дейтерия 2Н и трития 3Н. Этот факт и экспериментальные данные по ядерным вспышечным
-линиям исключают возможность обогащения солнечных космических лучей 3He за счет ядерных реакций в атмосфере Солнца под действием ускоренных во вспышке протонов и -частиц, так как одновременно с 3He должны неизбежно генерироваться дейтерий, тритий и ядерные -линии.К настоящему времени предложены следующие возможности интерпретации экспериментальных данных:
за счет плазменных эффектов происходит обогащение изотопом 3He на стадии преднагрева вспышечной плазмы;
непосредственно перед вспышкой или на начальной стадии вспышки вспышечная область обогащается 3He за счет поступлений ионов 3Не из глубинных слоев солнечной плазмы.
Рассмотрим обе возможности.
Поскольку ускорение частиц происходит не в вакууме, а в достаточно плотной плазме, любой процесс ускорения сопровождается потерями энергии за счет взаимодействия частиц с окружающими ионами. Поэтому эффективность ускорения определяется соотношением темпа ускорения и темпа потерь энергии. Для ускорения очень важной является начальная энергия ускоряемого иона 3Не или 4Не. Поскольку у 3Не и 4Не при равенстве зарядов имеется разница в массе, эффективность взаимодействия с плазменными турбулентностями плазмы у изотопа 3Не оказывается выше. В результате этого начальная энергия ионов 3He в предвспышечной плазме оказывается больше, чем у изотопа 4He, и соответственно ускорение 3He оказывается более эффективным.