Міжпланетне середовище

Міжпланетне середовище

Простір у сонячній системі між планетами заповнений розрідженою газовою матерією дрібними твердими частинками - мікрометеорами різного роду полями і випромінюванням.

Міжпланетне середовище - найдосконаліший вакуум, який в мільйони разів кращий за надвисокий вакуум земних лабораторій. Адже лише кілька атомів речовини міститься в 1 см кубічному простору. Це розсіяні безладно у цьому просторі мікропилинки. Пилова компонента міжпланетного середовища утворює метеорні потоки - рої мікрометеорних тіл, які рухаються навколо Сонця по еліптичних орбітах. Оточена поясом з мікрометеоритів і наша планета. Дослідження цієї складової важливе не тільки з точки зору уточнення ступеня мікрометеорної небезпеки для космічних апаратів, а й для з'ясування процесів первинного злипання атомів елементів у макромолекули з наступним утворенням пилинок, які за космогонічними гіпотезами правили за будівельний матеріал для утворення планет.

Міжпланетне середовище має складну структуру, пов'язану з дією силових полів. Так, магнітне і гравітаційне поля Землі надали навколоземному простору в радіусі кількох десятків тисяч складних властивостей. Тут міститься радіаційний пояс Землі, розріджена воднева оболонка - земна геокорона, згадуваний вже пояс з мікрометеоритів.

Складні структури властиві й іншим областям космосу: в них також відбуваються різноманітні явища. Так, у навколосонячний простір під час хромосферних спалахів викидаються потоки іонізованого газу. Сонце - генератор не тільки цього газу - плазми, а й ренгенівського, ультрафіолетового і гамма-випромінювання, сонячної компоненти космічних променів, радіохвиль різних довжин. Міжпланетний простір пронизується також космічними променями.

Міжпланетне середовище істотно впливає на розвиток планет і процеси, що в них відбуваються. За допомогою штучних супутників і АС людина приступила до його безпосереднього дослідження.

Основними компонентами міжплпнетного середовища являється сонячний вітер, міжпланетне магнітне поле, заряджені частинки високої енергії, міжпланетна пил і нейтральний газ.

Сонячний вітер являє собою потік заряджених частинок, головним чином протонів і електронів, стікаючи з верхніх частин сонячної корони. Сонячний вітер вивчається за допомогою безпосередніх в

имірювань на КА і за спостереженнями мерехтінь радіоджерел, викликаних розсіюванням радіохвиль на неоднорідностях міжпланетної плазми. Фізичний стан плазми Сонця досліджується також за спостереженнями K-компонента корони, що виникає при розсіюванні сонячного випромінювання на вільних електронах.

На орбіті Землі потік протонів сонячного вітру змінюється від 108 до 1010 см-2з-1, а швидкість - від 200 до 900 км/с. При збільшенні відстані від Сонця R потік протонів убуває як 1/R2, а швидкість залишається майже постійною.

Міжпланетнt магнітне поле являє собою занесене сонячним вітром магнітне поле Сонця. На малих гелиографічних широтах вектор магнітного поля практично паралельний площині сонячного екватора. Обертання Сонця призводить до того, що силові лінії поля закручуються і набувають форму спіралей. Напруженість магнітного поля на орбіті Землі змінюється від 2·10^-5 до 8·10^-4 Е. Найбільших значень вона досягає біля переднього краю високошвидкісних потоків сонячного вітру. При віддаленні від Сонця напруженість магнітного поля падає трохи швидше, ніж 1/R. Важливою особливістю магнітного поля являється його секторна структура. Протягом більшої частини сонячного циклу (за винятком короткого періоду відразу після максимуму) у просторі виділяються 2, 4 або (рідше) 6 секторів. Всередині кожного сектора радіальна складова поля спрямована або до Сонця, або від Сонця, причому в сусідніх секторах напрямки поля протилежні. Далеко від площини сонячного екватора секторна структура пропадає і напрям вектора міжпланетного магнітного поля визначається полярністю магнітного поля на високих географічних широтах у фотосфері Сонця.

Заряджені частинки високої енергії, присутні в міжпланетному просторі, досліджуються як за допомогою безпосередніх вимірювань у міжпланетному просторі, так і наземними засобами. За своїм походженням вони поділяються на декілька класів: галактичні і сонячні космичні промені; рекурентні (повторювані) потоки; заряджені частинки, прискорені в магнитосферах планет; аномальний компонент космичних променів.

Галактичні космічні промені проникають у Сонячну систему іззовні. У їх склад входять в основному протони, електрони і ядра легких елементів. При русі всередині геліосфери космичні промені розсіюються на неоднорідностях міжпланетного магнітного поля. Тому що рівень флуктуації магнітного поля залежить від сонячної активності, потік галактичних космичних променів в Сонячній системі змінюється з періодом ≈11 років. Для протонів на відстані 1 а.о. від Сонця цей ефект помітний при енергіях 0,1-10 Гев. Протони з енергією менше 0,1 Гев до орбіти Землі практично не долітають. У мінімумі сонячної активності потік галактичних космичних променів біля орбіти Землі дорівнює ≈0,06 частинок cм^-2·с^-1·ср^-1. На великих відстанях від Сонця вплив міжпланетного магнітного поля на поширення космичних променів зменшується і потік частинок зростає на 2-5% при збільшенні відстані 1 а.о.

Сонячні космічні промені виникають під час спалахів на Сонці. У потужних протонних спалахів випускаються протони з енергією 10-100 Мев (у виключних, випадках до 15 Гев) і нерелятивістські електрони з енергією від 40 кев і вище. Крім того, в деяких випадках реєструються релятивістські електрони з енергією до 12 Мев.

Рекурентні потоки частинок високої енергії отримали свою назву в зв'язку з тим, що вони мають тенденцію повторюватися з періодом, рівним періоду обертання Сонця. При вимірах на орбіті Землі рекурентні потоки спостерігаються як помірне, триває від 3 до 6 днів, зростання потоку протонів і ядер з питомою енергією (відношенням кинетичної енергії до числа нуклонів, що містяться в ядрі) від 1 до 20 Мев/нуклон. Рекурентні потоки пов'язані з секторною структурою міжпланетного магнітного поля і високошвидкісними потоками сонячного вітру, однак природа цього зв'язку неясна. Поки невідомо, де частинки рекурентних потоків прискорюються. Можливо, що це відбувається безпосередньо в міжпланетному середовищі в результаті взаємодії частинок з ударними хвилями, що поширюються в плазмі сонячного вітру.

З магнитосфер планет найбільш потужним джерелом заряджених частинок являється магнітосфера Юпітера. Як поблизу Юпітера, так і далеко від нього, на відстані від 0,5 до 10 а.е. від Сонця, спостерігаються "спалахи", що тривають декілька днів, під час яких реєструються електрони з енергіями до 30 Мев. Зв'язок цих процесів з Юпітером проявляється в модуляції потоку електронів з періодом 10 год, що збігається з періодом обертання Юпітера. При спостереженнях поблизу Землі помітна також модуляція інтенсивності і частоти цих "спалахів" з періодом 13 міс (синодичний період обертання Юпітера). Крім потоків електронів на невеликій відстані від границі магнітосфери Юпітера спостерігаються і потоки протонів.

Набагато менш інтенсивні потоки електронів і протонів спостерігаються в навколоземному міжпланетному просторі, поблизу від ударної хвилі, що виникає при взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі.

У космичних променях виділяють компонент, що містить частково іонизовані атоми гелію, кисню, азоту і неону. Його називають аномальним, тому що утворюють його атоми, які сильно відрізняються від повністю позбавлених електронних оболонок ядер, що входять до складу сонячних і галактичних космичних променів. У цьому компоненті спостерігаються частинки з питомою енергією 1-100 Мев/нуклон, їх потік зростає при віддаленні від Сонця і від площини сонячного екватора. Передбачається, що частки аномального компонента набувають високу енергію на кордоні геліосфери, в області взаємодії сонячного вітру з міжзоряного плазмою.

Міжпланетний пил являється найдовше досліджуваним компонентом міжпланетного середовища. Першим джерелом відомостей про нього були спостереження метеорів, що виникають у результаті проникнення пилу в атмосферу Землі, візуальними, фотографічними (для порошинок з масою m>0,01 г) і радіолокаційними (m>10^-4 г) методами, а також спостереження сонячного світла, розсіяного на порох розміром 10-100 мкм (зодіакальне світло). Важливим джерелом інформації про міжпланетний пил служить пряма реєстрація пилових частинок на КА і дослідження мікрократерів на поверхні Місяця. Крім того, проби міжпланетного пилу беруть в стратосфері Землі, в глибоководних відкладеннях і в полярних льодах. Реєструється також теплове випромінювання пилу, що знаходиться поблизу Сонця (T-компонент корони).

Основним джерелом міжпланетного пилу являються комети. Загальна маса пилу в Сонячній системі оцінюється в 1019-1020. Велика частина її (2/3) зосереджена в частинках з масою 10-3-10-5 р. При видаленні від Сонця щільність пилової хмари падає приблизно як R-1,3 і на відстанях >3 а.о. пил практично відсутній. Хмара міжпланетної пилу сильно концентрується до площини екліптики, тому що у більшості частинок нахил орбіт не перевищує 30-40.

Нейтральний газ в Сонячній системі було відкрито шляхом спостережень резонансно розсіяного сонячного випромінювання. На відстанях >5 а.о. від Сонця нейтральний газ розподілений практично однорідно, причому концентрація атомів водню до середньому дорівнює 0,06 см-3, гелію 0,012 см-3, а температура газу близька до 9000 К. Поблизу Сонця розподіл газу стає дуже неоднорідним із-за впливу сонячного тяжіння, ультрафіолетового випромінювання і сонячного вітру.