ФИЗИКА КОСМОСА

ФИЗИКА КОСМОСА
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В КОСМОСЕ
Е.А. Чебакова
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы
В данной работе рассмотрены механизмы формирования магнитных полей в космосе и их
роль в генерации частиц высоких энергий.
В земных условиях магнитные поля (МП) создаются постоянными магнитами или
электрическими токами. В космических условиях нет постоянных магнитов, проводов и
обмоток по которым направляют токи. Поэтому важнейшее значение приобретает вопрос о
происхождении космических магнитных полей, условиях их создания и поддержания.
Другой вопрос касается роли, которую играют космические МП в генерации частиц высоких
энергий.
МП создаются благодаря движениям жидкой непрерывной среды. Можно заметить,
что жидкое ядро Земли находится в состоянии турбулентной конвекции. Конвекция
возбуждена во внешних слоях многих звезд, в том числе и Солнца. В межзвездном газе,
составляющем галактический газовый диск, образуются яркие звезды, и под действием
тепла, поступающего от них, межзвездное вещество постоянно перемешивается. Во всех
этих случаях конвекция, кипение жидкости, возбуждает МП, а они неизменно порождают
сложные проявления активности. Как только на возбуждение поля затрачена энергия,
появляются почти безграничные возможности для дальнейшего развития активных
процессов [1].
Солнечные пятна, вспышки, протуберанцы - вот лишь некоторые проявления
подобной активности на Солнце. МП могут охлаждать среду, как, например, в солнечном
пятне, температура которого составляет ~ 2/3 соседних областей и соответствует 6000К.
Поля могут вызывать и сильное нагревание вещества, как это происходит в верхней
хромосфере и короне над теми областями, где МП всплывает на поверхность Солнца.
Температура верхней короны иногда достигает 3000000К, что ~ в 500 раз больше, чем на
поверхности. Квазипериодические колебания солнечной активности с характерными
временами 11 и 22 года - явления магнитного происхождения, связанные с конвекцией,
поддерживаемой потоком энергии из солнечного ядра и ее диссипацией [2].
Солнце - звезда среднего возраста, ничем не выделяющаяся среди других звезд.
Многие звезды, хотя они далеки от нас и их труднее исследовать, видимо, также активны,
как и Солнце, а некоторые, как показывают наблюдения, гораздо активнее. Было открыто
более 200 магнитных звезд, обладающих полями от 100 до 34000 Гс, что свидетельствует в
пользу широкой распространенности сильных магнитных полей.
Самовозбуждение магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или
газовой плазмы называют динамо-эффектом. Динамо-эффект привлекают для объяснения
происхождения и поддержания магнитных полей Земли и других планет с жидким ядром,
Солнца и звёзд. Если магнитное поле космического тела содержит в качестве составляющих
полоидальное поле (с силовыми линиями, направленными по меридианам, как у диполя) и
тороидальное поле (с линиями поля, направленными по параллелям), то при
дифференциальном вращении тела (когда его слои на разных глубинах имеют различные
угловые скорости вращения) силовая линия полоидального поля, проходящая через разные
слои, закручивается — одни её части уходят вперёд по сравнению с другими. В результате
тороидальное поле усиливается. Рост его энергии происходит за счёт энергии вращения
слоев тела, поэтому с возрастанием тороидального поля относительное вращение слоев
127
должно тормозиться, если оно не поддерживается чем-либо другим. Усиление тороидального
поля может привести к усилению полоидального или препятствовать его затуханию, если
между ними имеется обратная связь. Такую связь может обусловить, например, тепловая
конвекция, причём конвективные движения не должны быть осесимметричными (в
осесимметричной системе динамо-эффект невозможен) [3]. Для Земли последнее условие
выполняется (ось вращения Земли и её магнитная ось не совпадают). Динамо-эффект для
Земли связывают с конвективным движением проводящего вещества её жидкого ядра и с
всплытием в этой среде более лёгких примесей под действием архимедовой силы. На рис.1-3
показан динамо-механизм генерации магнитного поля Земли
Рисунок 1 - Условное
изображение силовых
линий дипольного поля
Земли, пронизывающего
жидкое ядро
Рисунок 2 - Создание
азимутального поля Вϕ из
силовых линий дипольного
поля вследствие
неоднородного вращения
жидкого ядра. Получающееся азимутальное поле
направлено на восток в
северном полушарии и на
запад в южном
Рисунок 3 - Деформация
азимутальных силовых линий
поднимающихся вращающи-мися
конвективными ячей-ками.
Направление вращения Земли
показано круговой стрелкой в
верхней части рисунка;
поднимающиеся конвективные
ячейки закручи-ваются в ту же
сторону относительно
окружающей среды
Теория динамо-эффекта приводит также к возможности самообращения магнитной
оси (переполюсовке магнитного поля Земли) и долгопериодическим колебаниям
геомагнитного поля (вековым вариациям), что отражает реальные свойства земного
магнитного поля.
Магнитные поля Солнца и звёзд в целом, а также их локальные поля, например, поля
пятен и активных областей, также могут быть объяснены динамо-эффектом.
Гидромагнитная теория крупномасштабных полей в проводящих жидкостях дает
всеобъемлющую картину появления магнитных полей и активного неравновесия в них.
Магнитные поля самопроизвольно усиливаются в космических телах и, прежде чем
ускользнуть в окружающее пространство, они успевают существенно вырасти. Именно на
пути от поверхности объекта в свободное пространство магнитные поля производят
надтепловые «пиротехнические» эффекты в форме вспышек и взрывов, которые
обнаруживаются в таком множестве астрономических объектов [1].
Магнитные поля и их неизменный спутник - быстрые частицы обнаруживаются во
Вселенной везде, где только есть возможность их обнаружить.
За время регистрации космического излучения, начиная с 1942 г., наблюдалось около
70 увеличений интенсивности, обусловленных вспышками на Солнце. В таблице 1 указаны
номер, дата, координаты и начало вспышки в Нα-линии для ряда событий.
128
В работах [4-5] вспышки проанализированы по данным Больших Нестандартных
Детекторов, а именно, БПСТ, установки "Ковер" и Анадырчи Баксанской нейтринной
обсерватории. Большие Нестандартные Детекторы позволяют регистрировать первичные
частицы с эффективной энергией более нескольких десятков и сотен ГэВ. В работе [6]
зарегистрированы мюоны с энергией более 5 ГэВ для событий 06.11.1997 и 14.07.2000. А в
[7] для события 14.07.2000 энергия зарегистрированных мюонов более 20 ГэВ. Такие
энергии мюонов могут быть вызваны солнечными протонами в энергетической области
выше 100 ГэВ. Данные регистрации интенсивности КИ на указанных установках позволяют
сделать вывод о генерации частиц в ряде вспышек с энергией более 100 ГэВ
Таблица 1
Даты и координаты солнечных вспышек
№
Дата
Координаты вспышки
42
55
59
60
29.09.1989
06.11.1997
14.07.2000
15.04.2001
S24 W105
S18 W63
N22 W07
S20 W85
Начало вспышки в Hα- линии,
(UT)
1141 (радиоизл.)
11:49
10:03
13:19
На рис.4 приведены временные профили для указанных событий.
Вспышка
06.11.1997 на
A,%
16 станции Sanae
350%
14
300%
12
250%
10
A,% Вспышка 14.07.2000
на станции Sanae
60
50
150%
100%
140
100
30
80
6
20
60
4
10
40
0
20
-10
0
8
200%
A,% Вспышка 15.04.01
на станции Sanae
120
40
1900
1730
1600
1430
1300
1640
1520
1400
1240
2050
1840
1630
11 14 17 20
1420
8
-4
1210
-2
0%
1120
0
50%
1000
2
1000
400%
Вспышка 29.09.89
на станции Thule_
Рисунок 4 - Временные профили СКЛ
На рис. 5 приведен рассчитанный нами энергетический спектр СКЛ для вспышки
29.09.89.
Точки - эффект возрастания СКЛ на подземных МТ; звездочка - возрастание на
Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе.
Верхняя граница энергетического спектра СКЛ, полученного на основе данных о
возрастании интенсивности СКЛ, зарегистрированном подземными МТ, установкой ″Ковер″
Баксанской нейтринной станции и Баксанским подземным сцинтилляционным
12
телескопом достигает максимальной энергии ∼10 эВ. На основе экспериментальных данных
12
доказана возможность генерации частиц предельно высоких энергий ∼10 эВ во время
вспышек на Солнце. Представляет интерес рассмотреть каким образом происходит
ускорение частиц до столь высоких энергий и каков механизм ускорения, ответственный за
это.
При построении общей теории вспышек С.И. Сыроватским были развиты представления
об электромагнитной природе этого явления: источником энергии вспышки служит
129
избыточная магнитная энергия, связанная с токами в верхней хромосфере и короне Солнца, а
именно, энергия, запасаемая при формировании токовых слоев [8]. Токовый слой
представляет собой сравнительно тонкое и относительно холодное плазменное образование с
размерами 1010×2⋅109×20 см3, концентрацией газа n∼2⋅1014см-3 и температурой Т<8⋅104°K.
Рисунок 5- Энергетический спектр СКЛ для вспышки
29.09.1989
В сложном магнитном поле Солнца токовые слои возникают практически при любых
движениях плазмы. Они присутствуют на Солнце в интенсивных магнитных полях
солнечных пятен и в активных областях межпланетного пространства, куда солнечные
магнитные поля выносятся солнечным ветром. Толщина токового слоя устанавливается
такой, чтобы при любой высокой проводимости обеспечить эффективную диссипацию
магнитного поля.
Ускорение фактически осуществляется импульсным электрическим полем,
возникающим при разрыве слоя и аннигиляции встречных магнитных полей. Быстрое
разрушение токового слоя, возникающее вследствие магнитного пересоединения, должно
приводить к возбуждению импульсных индукционных электрических полей и ускорению
частиц. Как показали теоретические исследования, в токовых слоях с пересоединяющимися
магнитными силовыми линиями может осуществляться ускорение частиц до высочайших
энергий ∼1012÷1015эВ [9].
В результате проведенных исследований установлено, что во время вспышек на
Солнце генерируются частицы с предельно высокой энергией ∼1012эВ. Результаты
теоретических исследований показывают, что эффективным механизмом ускорения частиц в
области вспышки до энергий 1012 эВ является ускорение в пересоединяющем токовом слое
за счет аннигиляции встречных магнитных полей.
Литература
1. Паркер Е. Космические магнитные поля. - М.:Мир, 1982. - Т.2. - 479с.
2. Пикельнер С. Б. Основы космической электродинамики. - М., 1961.
3. Физический энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия, 1983. - 928 с.
4. Miroshnichenko L.I. High-energy cutoff for solar cosmic ray by the data of large nonstandard detectors // Proc. 28th ICRC, Japan. - 2003. - P.3321-3325.
5. Karpov S.N., Alekseenko V.V., Djappuev D.D., Karpova Z.M., Khaerdinov N.S.,
Petkov V.B., Radchenkov A.V., Zaichenko A.N. GLE observations in 23rd solar cycle at the Baksan
air shower arrays Andyrchy and Carpet // Proc. 28th ICRC, Japan. - 2003. - P.3427-3430.
6. Ryan J.M. and the MILLAGRO Collaboration. MILLAGRO detections of solar
energetic particles in the current solar maximum // Proc. 27th ICRC, Hamburg. - 2001. - P.3390.
130
7. Ding L. on behalf of the L3 Collaboration. Search for possible enhancement in the flux
of high energy muons due to the solar flare of 14 July 2000 with the L3+Cosmics Muon
Spectrometer // Proc. 27th ICRC, Hamburg. - 2001. - P.3372-3374.
8. Богданов С.Ю., Марков В.С., Сыроватский С.И., Франк А.Г., Ходжаев А.З.
Эксперименты по изучению динамики магнитного пересоединения в токовом слое // Изв. АН
СССР. Cер.физ. - 1980. - Т.44, №12. - С.2469 - 2479.
9. Литвиненко Ю.Э., Сомов Б.В. Ускорение частиц в пересоединяющих токовых
слоях // Изв. РАН. Cер.физ. - 1995. - T.59, №4. - C.15 - 18.
ҒАРЫШТАҒЫ МАГНИТТІК ӨРІС
Е.А. Чебакова
Жұмыста ғарыштағы магнит өрістерінің қалыптасу механизмдері мен олардың жоғары
энергиялы бөлшектердің пайда болуына əсері қарастырылған.
MAGNETIC FIELDS IN SPACE
E.A. Chebakova
In this paper mechanism of developed of magnetic fields in space and their role in generation of high
energy particles was considered.
131