Электромагнитные процессы в атмосфере Солнца

Солнце, подобно другим звездам, обладает небольшим положительным электрическим зарядом. Заряд звезд образуется в результате потери ими части электронов за счет светового давления при томсоновском рассеянии на свободных электронах (эффект Комптона) [2, С. 522].

Максимально возможный заряд Солнца q может быть оценен с учетом равенства гравитационных и электростатических сил, действующих на одноименно заряженные частицы (протоны).

q = 4πεоεGM○mр/e, (1)

где εо - электрическая постоянная; ε - диэлектрическая проницаемость солнечной плазмы; G - гравитационная постоянная; M○ - масса Солнца; mр - масса протона; e - элементарный заряд.

При диэлектрической проницаемости ε = 1 заряд Солнца q = 155 Кл. Существование волн в плазме Солнца [4, С. 582] потребует учета поправки на декремент затухания, из-за чего диэлектрическая проницаемость солнечной плазмы окажется меньше единицы [1, С. 700]. В связи с этим приведенная оценка заряда Солнца является предельной, т.е. q < 155 Кл.

При наличии электромагнитных полей в плазме возникают объемные заряды и токи [3, С. 595]. Так, в ряде областей атмосферы Солнца наблюдаются эффекты, которые указывают на возможность присутствия там объемных зарядов. В частности, в фотосфере протяженностью 300 км происходит падение температуры с 10⁴ К на границе с конвективной зоной до 5∙10³ К на границе с нижней хромосферой, сопровождающееся резким падением степени ионизации плазмы от 0,5 до 5∙10^-4 [4, С. 592]. Подобный эффект, например, способен вызвать положительный заряд хромосферы, тормозящий протоны и ионы (преимущественно водорода), вылетающие из конвективной зоны под действием выделяемой ей тепловой энергии. С учетом большого радиуса Солнца величина данного заряда qх может быть оценена по формуле для напряженности электрического поля, создаваемого заряженной плоскостью, с учетом перемещения элементарного заряда е на расстояние h, равное толщине фотосферы:

qх = 8πεоεR○²кΔТ/еh, (2)

где R○ - радиус Солнца, к - постоянная Больцмана; ΔТ - разница температур на границах фотосферы.

При ΔТ = 5∙10³ К и h = 3∙10⁵ м, заряд хромосферы qх ≈ 1,4∙10² Кл, что сопоставимо с величиной заряда Солнца ≤1,5∙10² Кл, полученной на основе расчета (1). В большей части хромосферы температура плазмы меняется достаточно медленно и уровень ее ионизации остается низким [4, С. 592]. Соответственно, в данной области солнечная плазма в целом слабо чувствительна к заряду хромосферы.

На границе хромосферы температура плазмы вновь достигает Т ~ 10⁴ К, а степень ее ионизации возрастает до уровня фотосферы. Плазма снова становится чувствительной к заряду хромосферы, который отталкивает положительные частицы. Переход от хромосферного газа с Т ~ 10⁴ К к корональному с Т ~ 10⁶ К происходит достаточно резко [5, С. 592]. При этом свой вклад в рост энергии частиц вносит резкое, на один - два порядка повышение эффективности давления света Солнца на протоны в условиях доминирования томсоновского рассеяния на свободных электронах в сильно ионизованной плазме [2, С. 522], т.е. в короне с температурой Т >> 10⁴ К.

Положительный заряд хромосферы вызовет отталкивание протонов. Солнечный ветер (СВ) достигает температуры Т = 2∙10⁶ К на высоте ΔR около 1/10 радиуса Солнца [4, С. 579]. Разность электростатического потенциала ΔU на поверхности Солнца и на удалении ΔR от него, учитывая его сферическую форму, пропорциональна соотношению 1/R○ - 1/(R○+ΔR). При R○ >> ΔR, ΔU ~ ΔR/R○². Градиент температуры ΔТ = 2∙10⁶ К может вызвать положительный заряд хромосферы qх:

qх = 4πεоεR○²кΔТ/еΔR○. (3)

При ΔR = 0,1∙R○ заряд хромосферы qх = 1,2∙10² Кл, что сопоставимо по величине с предыдущей оценкой (2) qх = 1,4∙10² Кл.

В силу электростатического отталкивания, вызываемого подобным зарядом хромосферы, при отсутствии заряда у внутренней короны протоны СВ, с учетом ΔU ~ 1/R○ при ΔR >> R○, способны достигать температуры Т = еqх/4πεоεR○к = 2∙10⁷ К. Согласно наблюдениям, достигнув максимальной температуры 2∙10⁶ К на высоте около 1/10 радиуса Солнца, СВ постепенно охлаждается до температуры 10⁵ К на уровне орбиты Земли [4, С. 579]. Данный эффект, в частности, может указывать на присутствие в солнечной короне на высоте свыше 1/10 радиуса Солнца небольшого объемного положительного заряда, т.е. избыточных протонов и ионов незначительной концентрации. Последующие расчеты (7-9) показывают, что концентрация избыточных протонов в гелиосфере в среднем может составлять ~10-17 см^-3. Их концентрация обратно пропорциональна расстоянию до Солнца и у основания его короны может достигать ~10-13 см^-3.

Образованию положительного заряда Солнца способствует поглощение им космических лучей (КЛ). Так, галактические космические лучи (ГКЛ) на 99% состоят из положительных частиц, в основном из протонов и α-частиц, при доле электронов всего 1% [2, С. 472]. Поток КЛ интенсивностью ρ, падающий на поверхность Солнца, за время t сформирует заряд Q:

Q = 4πR○²еρt/δ, (4)

где δ - коэффициент обрезания КЛ.

За счет отклонения КЛ под действием сил Лоренца в магнитном поле Солнца, протоны КЛ низких энергий не достигнут его поверхности. При сопоставимой напряженности магнитных полей на поверхности Солнца ~1 Э [4, С. 593] и Земли ~0,5 Э [2, С. 81], энергия гелиомагнитного обрезания может быть сопоставима с энергией геомагнитного обрезания, составляющая для средних широт 2,5∙10⁹ эВ [там же, С. 473]. Частицы меньших энергий, составляющих до ~90% потока КЛ, включая протоны с энергией ~10⁶ эВ, чей поток имеет наибольшую интенсивность [там же, С. 472], будут рассеяны магнитным полем Солнца. Соответственно, коэффициент 1/δ ~ 0,1.

При потоке КЛ интенсивностью ρ ~ 1 см^-2∙с^-1 [2, С. 471], за время t = 1 с согласно (4) Солнце накопит заряд Q ≈ 10³ Кл. За исключением небольшого заряда q ~ 10² Кл согласно предыдущим оценкам (1-3), данный заряд не может быть удержан на поверхности Солнца. Избыточный заряд будет стекать в солнечную корону, вызывая вертикальные замкнутые токи ~10³ А.

Наряду с поглощением ГКЛ, Солнце испускает солнечные космические лучи (СКЛ). В состав СКЛ преимущественно входят протоны [4, С. 586], так что их излучение будет способствовать нейтрализации положительного заряда Солнца. Интенсивное излучение СКЛ происходит эпизодически, во время солнечных вспышек [там же, С. 585], т.е. носит нерегулярный характер. В фазе низкой солнечной активности потоки СКЛ обладают минимальной интенсивностью и не вносят существенных вариаций в наблюдаемый энергетический спектр КЛ [2, С. 472]. Наблюдаемая солнечно-суточная вариация КЛ, связанная с вращением Земли, обусловленная сменой ориентации на Солнце и в антисолнечном направлении, имеет амплитуду ≤2%. Данная вариация обусловлена рассеянием КЛ низких энергий <10⁷ эВ магнитными полями, переносимыми встречным СВ [там же, С. 473]. Тем самым в период спокойного Солнца влияние СКЛ на процесс формирования его заряда может быть не существенно.

Положительный заряд Солнца, как уже отмечалось выше, также может генерироваться за счет давления света при томсоновском рассеянии на свободных электронах (ТРСЭ) [2, С. 522]. При этом заряд может образовываться не только непосредственно на поверхности Солнца, а во всей солнечной короне. В данном случае определенная часть энергии излучения Солнца тратится на преодоление электронами с общим зарядом -Q, уносимыми СВ, электростатического притяжения заряда короны Солнца +Q. Накопленный подобным образом за время t положительный заряд может быть оценен по формуле:

Q = 2√πεоεR○γβL○t, (5)

где R○ - радиус Солнца; L○ - светимость Солнца; γ - отношение рассеянной свободными электронами энергии излучения к светимости Солнца; β - соотношение энергии электронов и протонов (ионов) СВ.

Коэффициент γ = L○/Lк, где Lк - критическая светимость объекта, определяемая отношением его массы М к массе Солнца M○ [2, С. 522]:

Lк = 1,3∙10³¹(М/M○), Дж/с. (6)

Напомним, что критическая (Эддингтоновская) светимость отвечает доминированию ТРСЭ в сильно ионизованной плазме, что соответствует случаю солнечной короны с температурой Т ≈ 10⁶ К. В рассматриваемом случае Солнца М = М○. При светимости Солнца L○ = 4∙10²⁶ Дж/с, γ = 3∙10^-5.

Температура электронов СВ на уровне орбиты Земли 1,5∙10⁵ К, что в три раза больше температуры протонов 5∙10⁴ К [5, С. 586], равно как и их энергия Е = кТ. По другим данным, средняя энергия электронов СВ ~30 эВ при энергии ионов ~15 эВ [3, С. 14], т.е. в два раза больше. Концентрации α-частиц в СВ невелика, около 4% [5, С. 587]. Тем самым кинетическая энергия электронов содержит до 70% энергии СВ, что отвечает коэффициенту β = 0,7.

При радиусе R○ = 7∙10⁸ м за время t = 1 с при γβ = 2∙10^-5 согласно (5) Солнце выделит в виде излучения достаточно энергии, чтобы разделить электроны и протоны, обладающие зарядом Q ≈ 3∙10¹⁰ Кл. Данный заряд не может быть удержан у поверхности Солнца. Избыточный положительный заряд будет уноситься СВ, что вызовет потоки заряженных частиц, образующие вертикальные кольцевые токи в короне ~3∙10¹⁰ А. Расчетная величина тока, создаваемого за счет ТРСЭ (5), на семь порядков превышает ток, образующийся за счет поглощения Солнцем КЛ согласно (4). Тем самым основным фактором формирования заряда Солнца является механизм ТРСЭ.

Отметим, что коэффициент γ = 3∙10^-5, рассчитанный с учетом фактора критической светимости (6), сопоставим по величине с долей УФ-излучения в общей светимости Солнца, которая в диапазоне длин волн от 10 до 100 нм составляет около 10^-5 [4, С. 594]. Энергия, фиксируемая во фраунгоферовых линиях поглощения частиц СВ, составляет 30% энергии непрерывного излучения в УФ-диапазоне. Тем самым на электронах может рассеиваться до 70% энергии излучения Солнца в указанном диапазоне, что соответствует коэффициенту β = 0,7, сопоставимому по величине с предыдущей оценкой.

При прямом столкновении свободного электрона с квантом, имеющим длину волны λ = 30 нм и обладающим энергией Е = hс/λ ≈ 40 эВ, он приобретет скорость υе = √2Е/√mе ≈ 3∙10⁶ м/с, составляющую 1% скорости света. С учетом соотношения масс протона и электрона mр/mе = 1,8∙10³, подобная скорость электрона сопоставима со скоростью протонов в СКЛ с энергией ~70 кэВ. Энергия квантов УФ-излучения превышает энергию ионизации атома водорода 13,6 эВ [5, С. 903]. Электроны с такими кинетическими энергиями не могут быть удержаны электростатическим полем окружающих их протонов и покинут поверхность Солнца, формируя вертикальные токи, сопоставимые по величине с токами, образуемыми в солнечной короне согласно соотношению (5).

Для сравнения, доля потока энергии, уносимого СВ, на орбите Земли составляет ~10^-7 светимости Солнца [4, С. 588]. Так, плотность потока кинетической энергии СВ на орбите Земли ρсв = 0,3 эрг∙см^-2∙с^-1 [там же, С. 586] при потоке солнечного излучения ρиз = 1,4∙10³ Вт∙м^-2 [там же, С. 593], т.е. 1,4∙10⁶ эрг∙см^-2∙с^-1. При γ = ρсв/ρиз = 2∙10^-7 СВ на уровне орбиты Земли с радиусом Rоз = 1,5∙10¹¹ м согласно (5) вызовет кольцевые токи ~2∙10⁹ А.

Сопоставимый коэффициент γ ~ 10^-7 соответствует слабо ионизованной плазме хромосферы. Напомним, что критическая светимость отвечает доминированию ТРСЭ в сильно ионизованной плазме, как, например, в короне с температурой Т ~ 10⁶ К. При частичной ионизации плазмы доминирует поглощение излучения атомами и молекулами, что понижает долю рассеиваемой свободными электронами энергии на один - два порядка [2, С. 522]. Данная ситуация отвечает случаю слабоионизованной плазмы хромосферы с Т ≤ 10⁴ К. Соответственно, при коэффициенте γ ~ 10^-7 создаваемые под действием давления света в хромосфере вертикальные кольцевые токи могут достигать ~10⁹ А.

Токи, возникающие в солнечной атмосфере, приводят к разогреву плазмы, а также рассеиваются за счет радиоизлучения. Общая мощность излучения Солнца в радиодиапазоне достигает 10^-6 его светимости [4, С. 594]. Радиоволны регистрируются от всей солнечной короны. Наибольшая интенсивность радиоизлучения приходится на сантиметровый и дециметровый диапазон, излучаемый хромосферой и нижней короной [там же, С. 595]. Напомним, что в данной области наблюдается резкое возрастание температуры, в 10² раз, повышающее уровень ионизации плазмы, что, в свою очередь, увеличивает эффективность ТРСЭ и образуемый им ток до ~10¹⁰ А.

Существование радиальных токов в солнечной короне подтверждает наблюдение корональных лучей (стримеров) - протяженных радиальных замкнутых структур, увенчанных расходящимися силовыми линиями, достигающих высоты 10 и более радиусов Солнца [4, С. 580]. Стримеры - тонкие проводящие разветвленные каналы, характерные при искровом разряде [5, С. 234], что указывает на электрическую природу корональных лучей. Высокие частоты радиоизлучения солнечной короны могут быть связаны с ветвлением стримеров, а также образованием турбулентностей плазмы соответствующего масштаба.

Более длинные волны гектометрового и километрового диапазона фиксируются во внешних слоях короны - в межпланетной среде. Это, в том числе, создает помехи при измерении низкочастотной части спектра микроволнового фонового излучения. Так, в указанном спектре на длинах волн ~100 м наблюдается максимум радиоизлучения нетепловой природы интенсивностью 10^-19 эрг/см²∙с∙ср∙Гц, большей чернотельного [3, С. 134].

Электромагнитное взаимодействие в гелиосфере

За счет механизма ТРСЭ заряд может образовываться не только на поверхности Солнца, но и в его короне (гелиосфере). Положительный заряд гелиосферы вызовет электродиффузию электронов из межзвездной среды. Неравномерное пространственное распределение заряда в гелиосфере может поддерживаться, с одной стороны, за счет давления света Солнца на электроны. С другой стороны, оно может быть обусловлено встречным для электронов межзвездной среды СВ, переносящим магнитное поле. Так, магнитные поля замедляют процессы электродиффузии в плазме [1, С. 690].

ГКЛ диффундируют из межзвездной среды в область расширяющегося замагниченного СВ. При этом скорость диффузии КЛ во встречном потоке СВ зависит от их жесткости [3, С. 91]. Высокая энергия протонов и ионов КЛ, намного превышающая тепловую энергию электронов межзвездного газа, при встречном потоке СВ будет способствовать пространственному разделению заряда, в том числе, позволит реализоваться механизму протонной эмиссии в области ударной волны, образующейся на границе гелиосферы за счет столкновения СВ с межзвездной средой.

Как уже отмечалось ранее, за счет ТРСЭ и поглощения ГКЛ, преимущественно протонов, Солнце может приобретать положительный заряд, стекающий в его корону и уносимый СВ. В условиях реализующейся в гелиосфере электродиффузии, распределение заряда в ней будет отвечать установившемуся в системе динамическому равновесию. Положительный заряд гелиосферы за счет ТРСЭ возникает при вылете электронов за ее границу, в то время как следующие за ними более медленные протоны СВ запаздывают. При поглощении Солнцем КЛ положительный заряд у него возникает непосредственно в момент поглощения частиц. Затем избыточный заряд стекает в солнечную корону и уносится протонами СВ за пределы гелиосферы. Соответственно, в результате поглощения КЛ Солнцем гелиосфера успеет накопить заряд до того, как электроны, отделенные за счет ТРСЭ от протонов, успеют достичь границ гелиосферы. Электроны будут удержаны сформированным положительным зарядом гелиосферы и не смогут покинуть ее пределов. Тем самым данные механизмы имеют разную динамику при формировании заряда гелиосферы.

Рассмотрим фактор поглощения Солнцем КЛ. Следует уточнить, что за счет поглощения КЛ гелиосфера сможет накопить объемный заряд в период спокойного Солнца, когда поглощение ГКЛ преобладает над испусканием СКЛ. В период высокой солнечной активности поток СКЛ, преимущественно протонов, превышает поток ГКЛ. Суммарное число протонов СКЛ, ускоренных во время вспышки, может достигать 10³⁴. При этом характерная длительность выброса СКЛ составляет несколько десятков часов [4, С. 586], т.е. ~10⁵ с. Тем самым во время солнечных вспышек поток СКЛ на орбите Земли достигает ~30 см^-2∙с^-1, что на порядок превышает средний поток ГКЛ ~1 см^-2∙с^-1 [2, С. 471]. В период повышенной солнечной активности ток, образуемый потоком СКЛ, достигает ~10¹⁰ А. Токи сопоставимой величины ~10¹⁰ А согласно (5) генерируются в солнечной короне за счет ТРСЭ. Напомним, что за счет рассеяния свободными электронами УФ-излучения Солнца они могут приобретать высокие скорости, сравнимые со скоростью протонов СКЛ. В данном случае ток электронов, генерируемый за счет ТРСЭ, компенсируется параллельным током протонов СКЛ. Тем самым в период повышенной солнечной активности заряд гелиосферы может определяться механизмом ТРСЭ, а не поглощением Солнцем ГКЛ.

Повышенная солнечная активность способна оказывать влияние на распределение заряда в гелиосфере. На это может указывать эффект Форбуша - кратковременное понижение интенсивности КЛ в период геомагнитных бурь (на 50% в межпланетном пространстве на орбите Земли). Данный эффект объясняется рассеянием ГКЛ магнитными полями, переносимыми потоками солнечной плазмы, вызванными вспышками на Солнце, когда поля оказываются у Земли и как бы закрывают ее от КЛ [2, С. 473]. При этом солнечная вспышка, выбрасывающая поток солнечной плазмы в определенный сектор солнечной короны, повысит в нем концентрацию избыточных протонов. Положительный заряд протонов, не скомпенсированный зарядом электронов, за счет электростатического отталкивания вызовет рассеяние одноименно заряженных частиц КЛ. Тем самым СВ переносит не только магнитное поле, но и заряд. При этом оба фактора способствуют рассеянию заряженных частиц КЛ.

Границы солнечной короны соотносят с наполненной СВ гелиосферой радиуса Rг ~ 100 а.е. [4, С. 588]. При подобных масштабах следует учесть ограничения, накладываемые теорией относительности на скорость распространения взаимодействий, которая равна скорости света. Время запаздывания электромагнитного взаимодействия τ = Rг/с. При радиусе гелиосферы Rг ~ 1,5∙10¹³ м, соответствующая временная задержка τ ≈ 5∙10⁴ с. Через этот период электроны межзвездной среды «почувствуют» электромагнитный сигнал и начнут притягиваться к гелиосфере, а протоны - отталкиваться от нее, в то время как солнечная корона уже успеет накопить заряд. При токе, создаваемом за счет поглощения Солнцем ГКЛ ~10³ А (4), за время τ ≈ 5∙10⁴ с его корона накопит положительный заряд Qк ≈ 5∙10⁷ Кл.

В условиях электродиффузии, реализующейся в системе солнечная корона - межзвездный газ, величина накопленного гелиосферой объемного заряда за счет поглощения Солнцем ГКЛ может быть обусловлена временем переноса в ней протонов СВ. На уровне орбиты Земли скорость быстрых потоков СВ υр ~ 700 км/с [4, С. 586]. При подобной скорости протонов временная задержка τ = Rг/υр ≈ 2∙10⁷ с, что отвечает накопленному гелиосферой объемному заряду Qv:

Qv = IRг/υр. (7)

При токе ГКЛ I ~ 10³ А (4), объемный заряд гелиосферы Qv ≈ 2∙10¹⁰ Кл.

В силу взаимного отталкивания одноименно заряженных частиц объемный заряд гелиосферы, подпитываемый за счет поглощения Солнцем ГКЛ, преимущественно сконцентрируется в ее внешних слоях. В условиях установившегося в системе динамического равновесия пространственное распределение объемного заряда Qv может быть оценено с учетом выравнивания напряженности электростатического поля Е внутри гелиосферы, что отражает зависимость Е ~ Qv/r² = const. Зная заряд Солнца q, можно оценить объемный заряд гелиосферы:

Qv = qRг²/R○². (8)

При заряде Солнца q < 1,5∙10² Кл согласно (1), с учетом радиуса гелиосферы Rг ~ 100 а.е. [4, С. 588], т.е. 1,5∙10¹³ м, ее объемный заряд Qv < 6∙10¹⁰ Кл. Для сравнения, с учетом зависимости Qv ~ r², объемный заряд солнечной короны на уровне орбиты Земли не превышает 6∙10⁶ Кл.

Согласно оценкам (7) и (8) объемный заряд гелиосферы может достигать ~10¹⁰ Кл. В этой связи наблюдаемый на орбите Земли минимум в энергетическом спектре КЛ на уровне энергии 2,5∙10⁷ эВ [2, С. 472] может быть интерпретирован как отталкивание положительным объемным зарядом гелиосферы Qv протонов КЛ соответствующей энергии Ер:

Qv = 4πεоέRгЕр/е, (9)

где έ - диэлектрическая проницаемость вакуума.

С учетом диэлектрической проницаемости вакуума έ = 1, при радиусе гелиосферы Rг ~ 100 а.е. ее заряд Qv = 4∙10¹⁰ Кл, что сопоставимо по величине с предыдущими оценками. Отличие оценки (9) в полтора раза от оценки (8) Qv = 6∙10¹⁰ Кл может быть связано, с одной стороны, с использованием в расчетах завышенного заряда Солнца; с другой стороны - завышенного радиуса гелиосферы. Точный радиус гелиосферы не установлен. Согласно некоторым оценкам, минимальные границы гелиосферы могут составлять 50 - 100 а.е. [3, С. 90]. При радиусе гелиосферы 50 а.е. согласно обеим оценкам Qv = 2∙10¹⁰ Кл. В свою очередь, диэлектрическая проницаемость солнечной плазмы ε может быть меньше единицы с учетом поправки на декремент затухания [1, С. 700]. Так, при заряде Солнца ~100 Кл объемный заряд гелиосферы согласно зависимости (8) составит 4∙10¹⁰ Кл, как и в расчете (9). В этом случае, с учетом (1) и (2) диэлектрическая проницаемость хромосферы εх ~ 0,7; с учетом (3) диэлектрическая проницаемость нижней короны εк ~ 0,8.

При заряде гелиосферы Qv ~ 10¹⁰ Кл и ее объеме V, ограниченном радиусом гелиосферы ~100 а.е., концентрация протонов межпланетной среды nр, чей заряд не скомпенсирован зарядом электронов, составит: nр = Qv/еV ≈ 10^-17 см^-3. При этом концентрация избыточных протонов с учетом зависимости (8) падает обратно пропорционально расстоянию от Солнца, т.е. nр ~ 1/r. Так, на уровне орбиты Земли (1 а.е.) nр ≈ 10^-15 см^-3; у поверхности Солнца nр ≈ 10^-13 см^-3. Согласно экспериментальным данным концентрация протонов СВ на орбите Земли nр = 6 см^-3, и далее убывает с расстоянием r по закону ~1/r² [5, С. 699], так что их концентрация на расстоянии 100 а.е. составит ~0,6∙10^-3 см^-3. В этом случае доля избыточных протонов не превысит 10^-14 от их наблюдаемой средней концентрации в гелиосфере.

С учетом зависимости (9), предполагающей пропорциональную зависимость заряда солнечной короны от ее масштаба, т.е. Qv ~ r, может быть оценен избыточный заряд, переносимый СВ во время солнечных вспышек, вызывающих эффект Форбуша. Радиус орбиты Земли 1 а.е. на два порядка меньше радиуса гелиосферы ~100 а.е. Отталкивание КЛ низких энергий <10⁷ эВ, сравнимое с их отталкиванием зарядом гелиосферы ~10¹⁰ Кл, вызовет избыточный заряд, заключенный в пределах орбиты Земли ~10⁸ Кл. Если во время вспышки плазма выбрасывается в направлении Земли в сектор, захватывающий около 10% соответствующего объема, аналогичный эффект вызовет заряд ~10⁷ Кл. Концентрация избыточных протонов в данном секторе достигнет nр ~ 10^-14 см^-3, что на порядок превысит аналогичный средний расчетный показатель на уровне орбиты Земли nр ~ 10^-15 см^-3.

Электромагнитное взаимодействие на границе гелиосферы

Энергетический спектр КЛ, наблюдаемый на орбите Земли, обрезан на уровне энергий частиц 10⁹ эВ. Обрезание спектра КЛ связано с торможением и рассеянием частиц на неоднородностях межпланетного магнитного поля [2, С. 473]. Подобное рассеяние КЛ имеет направленный характер, т.е. сопровождается их отражением. Силы Лоренца не меняют энергию движущихся заряженных частиц, а лишь искривляют их траектории. Тем самым импульс частиц КЛ изменяется на противоположный. Это предполагает наличие преграды, испытывающей давление КЛ. Изотропия КЛ, наблюдаемых на орбите Земли, указывает на то, что отражение частиц происходит равномерно во всей гелиосфере.

Так, при энергиях ГКЛ 10¹¹ - 10¹⁵ эВ амплитуда анизотропии протонов составляет лишь ~0,1 % [2, С. 473]. Изотропия ГКЛ объясняется их рассеянием магнитными полями галактики. Например, распределение γ-излучения, не подверженного влиянию магнитных полей, весьма неравномерно и подобно распределению сверхновых звезд, являющихся источником КЛ [там же, С. 474]. Наблюдаемые нерегулярные вариации КЛ с энергией <10⁷ эВ связаны с потоками СКЛ, активизирующимися в период солнечной активности [там же, С. 472].

Причиной рассеяния КЛ является магнитное поле, переносимое СВ. При этом отражать КЛ способна оболочка гелиосферы, расположенная в области столкновения СВ с межзвездной средой. Так, на границе гелиосферы за счет столкновения СВ с межзвездным газом (преимущественно нейтральным водородом) и ГКЛ образуется бесстолкновительная ударная волна, распространяющаяся перпендикулярно потоку СВ. Сходная волна, отделенная контактным разрывом, формируется в области столкновения межзвездного газа с солнечной плазмой [3, С. 90]. Сходные сферические оболочки обнаружены вокруг горячих звезд [2, С. 67]. В этом случае отталкивать протоны и α-частицы КЛ может одноименный заряд, образующийся на границе гелиосферы в зоне турбулентности магнитного поля, переносимого СВ. Тем самым наблюдаемое на орбите Земли обрезание энергетического спектра КЛ на уровне энергии <10⁹ эВ, в том числе, может быть интерпретировано как торможение КЛ низких энергий положительным зарядом оболочки гелиосферы.

По аналогии с соотношением (9), с учетом энергии отсечения КЛ (протонов) на уровне Ер ~ 10⁹ эВ может быть оценен поверхностный заряд гелиосферы, препятствующий проникновению в солнечную систему частиц соответствующих энергий. При радиусе гелиосферы Rг = 100 а.е. заряд ее оболочки составит Qг ≈ 1,5∙10¹² Кл. Согласно данной оценке заряд оболочки гелиосферы может на два порядка превышать ее объемный заряд ~10¹⁰ Кл согласно оценкам (7-9).

В области ударной волны, образующейся на границе гелиосферы в области столкновения СВ с межзвездной средой, может формироваться наведенная магнитосфера. Так, планеты, не имеющие собственного магнитного поля, имеют наведенные магнитосферы [3, С. 15]. Также оболочки сверхновых звезд, представляющие собой ударные волны [там же, С. 86], обладают магнитными полями, на что указывает их радиоизлучение [2, С. 474]. При этом магнитосферы представляют собой магнитные ловушки [4, С. 208]. Период захвата протонов геомагнитной ловушкой, например, достигает 3∙10⁹ с, т.е. около 100 лет. Время захвата электронов от 10⁵ до 10⁷ с [5, С. 604], т.е. от суток до нескольких месяцев.

Наблюдаемое на орбите Земли обрезание в энергетическом спектре КЛ частиц с энергией <10⁹ эВ связывают с их рассеянием на неоднородностях межпланетного магнитного поля масштаба 10⁸ - 10⁹ м [2, С. 472]. Под действием сил Лоренца заряженные частицы двигаются по спиральным орбитам с ларморовским радиусом Rл = mрυр/еВ. Для протонов на максимуме спектра ГКЛ Екл = 4∙10⁸ эВ, имеющих скорость υр = √2Екл/√mр ≈ 3∙10⁸ м/с, сопоставимую со скоростью света, при величине магнитного поля в оболочке гелиосферы В = 5∙10^-5 Гс, которое сопоставимо с магнитным полем СВ на орбите Земли (5 - 15)∙10^-5 Гс [3, С. 14], ларморовский радиус Rл = 0,5∙10⁹ м. Диаметр описываемого протонами круга D = 2∙Rл отвечает максимальному масштабу наблюдаемых неоднородностей межпланетного магнитного поля 10⁹ м. Для сравнения, масштаб неоднородностей магнитного поля 10⁸ м соответствует ларморовскому радиусу протонов с энергией 4∙10⁶ эВ, чьи скорости υр ~ √Екл на порядок меньше.

Рассеяние протонов с энергией <10⁹ эВ согласно зависимости (9) также может вызвать заряд оболочки гелиосферы ~10¹² Кл. По аналогии с механизмом поглощения Солнцем КЛ (4) рассмотрим ситуацию, когда положительный заряд гелиосферы Qг = 4πRг2еρt образуется за счет задержки заряженных частиц на период их электродиффузии через оболочку гелиосферы. При наблюдаемом потоке ГКЛ ρ ~ 1 см^-2∙с^-1 [2, С. 471], попадающем на внутреннюю оболочку гелиосферы радиусом Rг = 1,5∙10¹³ м, за время t = 1 с накопится заряд Qг = 3∙10¹² Кл, что в условиях динамического равновесия эквивалентно протеканию замкнутых радиальных токов 3∙10¹² А. Сопоставимость данной оценки поверхностного заряда и заряда Qг ≈ 1,5∙10¹² Кл согласно зависимости (9) указывает на то, что заряд гелиосферы может быть связан с задержкой КЛ в ее оболочке на время ~1 с. Отражение КЛ на границе гелиосферы в зоне турбулентности магнитного поля, переносимого СВ, может быть сопряжено с образованием заряда, отталкивающего протоны.

Определенный вклад в формирование положительного заряда оболочки гелиосферы также может вносить механизм ТРСЭ. Так, при столкновении СВ с межзвездной средой, за счет ТРСЭ в оболочке гелиосферы может произойти разделение части протонов и электронов из-за разницы энергий протонной и электронной составляющей СВ, что отвечает эффекту термоэлектронной эмиссии, связанному с возникновением термоэдс (эффект Томсона). Величина заряда, накопленного оболочкой гелиосферы по механизму ТРСЭ, может быть оценена по аналогии с расчетом (5). В случае сохранения в данной области характеристик СВ, регистрируемых на уровне орбиты Земли, т.е. при γβ = 1,4∙10^-7, при радиусе гелиосферы Rг = 1,5∙10¹³ м за время t = 1 с, за счет ТРСЭ сформируется заряд гелиосферы Qг = 2∙10¹⁰ Кл, что эквивалентно протеканию замкнутых радиальных токов 2∙10¹⁰ А.

Величины тока и поверхностного заряда гелиосферы, возникающие при ТРСЭ, на два порядка меньше, чем в случае рассеяния ею КЛ. Это указывает на то, что заряд оболочки гелиосферы может преимущественно определяться рассеянием КЛ. При этом в обоих случаях на границе гелиосферы возникнут замкнутые радиальные токи, с которыми может быть связано низкочастотное радиоизлучение, регистрируемое в межпланетной среде, вносящее помехи в определение низкочастотной части спектра микроволнового фонового излучения. Напомним, что в межпланетной среде на длинах волн ~100 м наблюдается максимум радиоизлучения с интенсивностью, превышающей чернотельное [3, С. 134].

Заряд оболочки гелиосферы может накопиться при том условии, что он может быть удержан в условиях электродиффузии электронов межзвездного газа, стремящихся этот заряд компенсировать. Это, в том числе, предполагает существование у оболочки гелиосферы определенной электрической емкости. Оболочку гелиосферы образуют две ударные волны, разделенные контактным разрывом, что указывает на возможность существования в наведенной там СВ магнитосфере двух радиационных поясов. Так, например, в магнитосфере Земли выделяются нижний протонный и верхний электронный пояса [5, С. 604]. В данном случае в виде положительного заряда оболочки гелиосферы Qг учитывается разница между их зарядами.

Двухслойная структура оболочки гелиосферы радиуса Rг представима в виде сферического конденсатора с расстоянием между обкладками h. Электрическая емкость сферического конденсатора С:

С = Rг∙(Rг+h)/(Rг+h - Rг). (10)

При Rг >> h емкость сферического конденсатора С ~ Rг²/h, где h - ширина контактного разрыва.

Величина контактного разрыва может быть оценена с учетом соотношения размера пограничного (переходного) слоя, образуемого бесконтактной ударной волной, возникающей при столкновении СВ с магнитосферой Земли, а также масштаба самой геомагнитосферы. Размер пограничного слоя геомагнитосферы, в котором магнитное поле и движение плазмы слабо упорядочены, составляет около одного радиуса Земли [3, С. 13], т.е. ~10⁷ м. Масштаб магнитосферы, ограниченной ударной волной в области ее столкновения с СВ, достигает 13 радиусов Земли [там же, С. 12], т.е. ~10⁸ м. Сходным образом может соотноситься размер контактного разрыва в области оболочки гелиосферы h и диаметр радиационного пояса D, формируемый в зоне ударной волны, распространяющейся перпендикулярно движению СВ, т.е. h ≈ 0,1∙D ~ 10⁸ м.

Размер контактного разрыва в оболочке гелиосферы также может быть оценен с учетом законов гидродинамики. Так, объем ударной волны ΔV в общем случае обратно пропорционален давлению газа р, т.е. V ~ 1/р [5, С. 778]. Давление газа пропорционально его плотности (концентрации молекул n) и температуре Т, т.е. V ~ 1/nТ. Температура газа в ударной волне, создаваемой СВ при столкновении с магнитосферой Земли, Тз ~ 10⁶ К [2, С. 12]. В оболочке гелиосферы температура газа, разогретого КЛ, тормозимыми в зоне турбулентности магнитного поля магнитосферы, наведенной СВ, может достигать Тг ~ 10⁷ К. Так, температура газа в короне галактики с концентрацией до 10^-2 см^-3, разогретая КЛ, достигает 10⁷ К [3, С. 81]. Концентрация газа (протонов) СВ на орбите Земли nз = 6 см^-3 [4, С. 586] при средней плотности водорода в межпланетной среде nг = 6∙10^-2 см^-3 [3, С. 90]. Соответственно, ширина ударной волны в области контактного разрыва, т.е. переходного слоя в оболочке гелиосферы может быть на порядок больше, чем в магнитосфере Земли: Vг/Vз = nзТз/nгТг ≈ 10, т.е. h ~ 10⁸ м.

В этой связи наблюдаемый масштаб неоднородностей межпланетного магнитного поля масштаба 10⁸ и 10⁹ м [2, С. 473] может быть соотнесен с шириной контактного разрыва h и радиационного пояса D соответственно. Напомним, что в результате задержки КЛ магнитной ловушкой за 1 с может накопиться заряд оболочки гелиосферы ~10¹² Кл, способный согласно зависимости (9) вызвать эффект обрезания в спектре КЛ протонов на уровне энергии Ер < 10⁹ эВ. При характерных скоростях КЛ соответствующих энергий ~10⁸ м/с, заряд внутренней обкладки конденсатора может отделять от внешней обкладки расстояние 10⁸ м, сопоставимое с шириной контактного разрыва. В данном случае заряд внутренней оболочки гелиосферы определяется временем задержки носителей заряда при электродиффузии. При радиусе гелиосферы Rг ~ 100 а.е. [4, С. 588], т.е. 1,5∙10¹³ м, и h ~ 10⁸ м, емкость оболочки гелиосферы С = Rг2/h ≈ 2∙10¹⁸ м, т.е. около 2∙10⁸ Ф.

В рассматриваемом случае, когда СВ движется перпендикулярно радиационным поясам, реализуется механизм магнитосферной конвекции, т.е. дрейф плазмы поперек магнитного поля магнитосферы. При магнитосферной конвекции возникают эффекты вязкого трения и магнитного пересоединения (импульсного). Постоянный перепад потенциала, вызванный вязким трением, в магнитосфере Земли составляет 10 - 30 кВ, возрастая с увеличением скорости СВ [3, С. 13]. Напомним, что вязкость газа η не зависит от его плотности (давления), а определяется его температурой Т по закону η ~ √Т, равно как и скорость частиц υ ~ √Т. При больших расстояниях скорость звездного ветра стремится к постоянной величине [2, С. 66], в том числе солнечного. С учетом наблюдаемой стабилизации скорости СВ на орбите Земли [4, С. 579], перепад потенциала, вызванный вязким трением между СВ и наведенной им магнитосферой в оболочке гелиосферы может быть сопоставим с соответствующим перепадом потенциала в магнитосфере Земли ΔU не менее 10 кВ. При емкости оболочки гелиосферы С = 2∙10⁸ Ф она сможет накопить электрический заряд Qг = ΔU∙С ≈ 2∙10¹² Кл, сопоставимый с зарядом оболочки гелиосферы 1,5∙10¹² Кл согласно зависимости (9).

Давление, создаваемое в гелиосфере заряженной плазмой, должно быть уравновешено давлением межзвездной среды. В данном случае гелиосфера представима в виде шара, наполненного холодной заряженной плазмой СВ, окруженного горячей плазмой межзвездной среды, включая межзвездный газ и ГКЛ. Рассмотрим влияние ГКЛ без учета воздействия СВ и межзвездного газа, когда силу электростатического отталкивания одноименно заряженных частиц гелиосферы Fкл = Qг²/4πεоέRг² уравновесит сила динамического давления Fкл = 4πRг²ρmрυр потока ГКЛ плотностью ρ, тормозимого в зоне турбулентности магнитного поля магнитосферы, наведенной СВ:

Qг = 4πRг²√εоέρmрυр. (11)

При скорости КЛ υр = √2Екл/√mр ≈ 3∙10⁸ м/с для энергии в области максимума спектра Екл = 4∙10⁸ эВ и наблюдаемом потоке КЛ ρ ~ 1 см^-2∙с^-1 [2, С. 471], т.е. 10⁴ м^-2∙с^-1, поток ГКЛ удержит заряд оболочки гелиосферы Qг = 6∙10¹⁴ Кл. Согласно зависимости (9) заряд оболочки гелиосферы 1,5∙10¹² Кл, что составляет менее 1% оценки (11). Наличие подобного заряда у оболочки гелиосферы не повлияет заметным образом на существующий в ней баланс между давлением СВ и межзвездной среды.

В силу электрической нейтральности галактики в целом, положительный заряд гелиосферы будет компенсирован аналогичным по величине отрицательным зарядом окружающей межзвездной среды. Напомним, что неравномерное пространственное распределение заряда реализуемо в условиях давления света Солнца на свободные электроны по механизму ТРСЭ, формирующего встречный для электронов межзвездного газа СВ, переносящий магнитное поле, замедляющее их электродиффузию.

С магнитным полем, формируемым замагниченной плазмой СВ, движущейся радиально от Солнца, вступают во взаимодействие все движущиеся заряженные частицы, включая ГКЛ. Давление света Солнца и формируемый им СВ фактически играют роль струйного вакуумного насоса, выметающего частицы за пределы Солнечной системы. В условиях наличия в межзвездной среде ветра Солнца (звезд), концентрация выносимых СВ заряженных частиц, преимущественно протонов, на значительном удалении от гелиосферы может достигать больших величин, чем в Солнечной системе.

Так, при концентрации протонов СВ на орбите Земли 6 см^-3 [4, С. 586], с учетом ее наблюдаемого падения с расстоянием r по закону ~1/r², концентрация протонов на границе гелиосферы ~6∙10^-4 см^-3. Для сравнения, концентрация нейтрального водорода в межпланетной среде 6∙10^-2 см^-3 [3, С. 90], т.е. выше на два порядка. Согласно наблюдениям за пульсарами концентрация электронов в межзвездной среде составляет 3∙10^-2 см^-3 [4, С. 181], т.е. концентрация компенсирующих их заряд протонов в межзвездной среде достигает сопоставимой величины 3∙10^-2 см^-3, что почти на два порядка превышает концентрацию протонов на границе гелиосферы ~6∙10^-4 см^-3.

Соответственно, поток протонов в первичном спектре ГКЛ может быть существенно выше наблюдаемого на орбите Земли. Энергетический спектр КЛ включает широкий диапазон частиц от 10⁶ до 10²⁰ эВ [2, С. 471]. При этом число частиц малых энергий в КЛ существенно больше, чем высоких. Интегральный спектр частиц ГКЛ в диапазоне от 10¹⁰ до 10¹⁵ эВ хорошо описывается степенной функцией I-γ, с показателем степени γ ≈ 1,7 [5, С. 313]. В частности, при регистрируемом на орбите Земли потоке КЛ ρкл ~ 1 см^-2∙с^-1 [2, С. 471], концентрация протонов с энергией Екл = 10⁶ эВ в них n = ρ/υр, где υр = √2Екл/√mр = 1,5∙10⁹ см/с, составит n ≈ 0,7∙10^-9 см^-3. При показателе степени γ ≈ 1,7 функции, описывающей интегральный спектр КЛ, аппроксимация данного спектра в область низких энергий показывает, что первичный поток протонов в КЛ низких энергий ~10⁶ эВ может быть на пять порядков больше, чем поток, регистрируемый на орбите Земли, т.е. может достигать ~10⁵ см^-2∙с^-1. При этом концентрация протонов КЛ с энергией 10⁶ эВ составит ~ 10^-4 см^-3.

Аппроксимация энергетического спектра КЛ в область низких энергий имеет ряд ограничений. Например, концентрация первичных ГКЛ на границе гелиосферы не может превышать наблюдаемую там концентрацию протонов. Как уже отмечалось, концентрация протонов на границе гелиосферы 6∙10^-4 см^-3, что является допустимой величиной для расчетной концентрации протонов первичных КЛ с энергией 10⁶ эВ, составляющую ~ 10^-4 см^-3.

Поток первичных ГКЛ также можно оценить с учетом динамического равновесия между СВ и ГКЛ на границе гелиосферы. Так, в гелиосфере устанавливается равновесие между конвективным потоком КЛ, вносимым СВ наружу и потоком, направленным внутрь системы [5, С. 314]. Напомним, что согласно оценке (11), создаваемое зарядом гелиосферы давление достаточно мало, так что давление СВ уравновешивает давление межзвездной среды. В условиях рассеяния КЛ на границе гелиосферы в зоне турбулентности магнитного поля, переносимого СВ, достигаемое между соответствующими средами равновесие определяется законом сохранения импульса. С учетом соотношения nрυ = ρ, это эквивалентно равенству встречных потоков СВ и КЛ, т.е. ρсв = ρкл. При потоке СВ на орбите Земле (радиуса 1 а.е.) ρсв = 2,4∙10⁸ см^-2∙с^-1 [4, С. 586], при наблюдаемом падении концентрации частиц СВ с расстоянием r по закону ~1/r² [5, С. 699] и сохранении их скорости, поток СВ на границе гелиосферы (радиуса ~100 а.е.) ρсв ~ 2,4∙10⁴ см^-2∙с^-1. Соответственно, первичный поток ГКЛ на границе гелиосферы ρкл ~ 2,4∙10⁴ см^-2∙с^-1, т.е. он может на четыре порядка превышать поток КЛ ~1 см^-2∙с^-1, наблюдаемый на орбите Земли.

Электромагнитное взаимодействие в межзвездной среде

В целях уточнения возможного потока ГКЛ, отсекаемого гелиосферой, рассмотрим более общую систему - галактику, включающую Солнечную систему в качестве неотъемлемой составной части. Ограничением предельной плотности ГКЛ служит наблюдаемая в галактике средняя концентрация электронов, компенсирующих заряд протонов и ионов. Напомним, что концентрация электронов в межзвездной среде составляет 3∙10^-2 см^-3 [4, С. 181]. Тем самым предельная концентрация компенсирующих их заряд протонов ГКЛ в межзвездной среде может достигать сопоставимой величины ≤3∙10^-2 см^-3, что почти на два порядка превышает концентрацию протонов на границе гелиосферы ~ 6∙10^-4 см^-3. Напомним, что подобный градиент концентрации протонов может быть обусловлен выметанием заряженных частиц ветром Солнца (звезд) в межзвездную среду.

Указанное позволяет аппроксимировать наблюдаемый спектр КЛ в область еще более низких энергий, чем при рассмотрении гелиосферы. Нижняя граница энергии КЛ не определенна [2, С. 472]. За счет торможения в неоднородностях магнитного поля галактики ГКЛ могут терять энергию, вплоть до величин, сопоставимых с тепловой энергией межзвездной среды. Так, в короне галактики газ нагрет до 10⁷ К [3, С. 81], что с учетом соотношения Е = кТ отвечает энергии заторможенных КЛ ~8∙10² эВ. При максимально возможной концентрации подобных КЛ в галактике 3∙10^-2 см^-3, имеющих скорость 2∙10⁷ см/с, их поток достигнет 6∙10⁵ см^-2∙с^-1, что, по-видимому, является предельной оценкой потока КЛ низких энергий, заторможенных магнитными полями короны галактики.

Сопоставимую концентрацию 10^-2 - 10^-3 см^-3 имеет ионизованный газ в коронах галактик [3, С. 81], равно как и средняя концентрация видимого вещества в масштабах, ограниченных короной галактики nб = 4π10¹¹∙M○/3mрRкг³ ≈ 1,8∙10^-2 см^-3 при радиусе короны галактики Rкг ~ 0,1 Мпк [там же, С. 90]. При этом учет массы первичных ГКЛ низких энергий с концентрацией 3∙10^-2 см^-3, заторможенных магнитными полями в галактической короне, повысит массу системы почти втрое.

Вероятным источником ГКЛ являются сверхновые [2, С. 474]. Взрывы сверхновых носят периодический характер, как и процесс звездообразования, индикатором которого они служат. Например, Солнце - звезда третьего поколения [2, С. 68], относящаяся к желтым карликам, из которых образуются сверхновые Iа [4, С. 433]. С учетом нескольких этапов активизации сверхновых, общая масса испущенных ими КЛ, впоследствии поглощенных короной галактики, может в несколько раз превышать массу оставшегося видимого вещества галактики. Так, скрытая (динамическая) масса, сосредоточенная в короне нашей галактики, увеличивает ее массу в несколько раз [1, С. 387]. Соответственно, барионы низких энергий, отсекаемые в энергетическом спектре КЛ, наблюдаемом на орбите Земли, могут вносить вклад в скрытую массу короны галактики.

Магнитное поле галактики удерживает в них КЛ [2, С. 681]. Крупномасштабная структура магнитного поля также регистрируется в окрестностях галактик, на что указывает поляризация исходящего от соответствующих областей радиоизлучения, а также синхротронное излучение. Источником магнитных полей в короне галактики, в том числе, служат выбросы вещества при взрывах сверхновых [там же, С. 682]. Соответственно, в короне галактики могут существовать магнитные ловушки, удерживающие КЛ. Удержанию короной КЛ в течение всего периода существования галактики также будет способствовать неоднородное пространственное распределение в ней электрического заряда: отрицательного заряда во внутренней области короны и положительного в ее внешней части. Наличие у короны галактики скрытой массы служит аргументом в пользу подобного распределения в ней заряда, как бы «запирающего» основную часть протонов внутри системы.

С учетом наблюдаемой массы короны галактики Мкг можно оценить поток частиц ρ, исходящих из нашей галактики и захватываемых ее короной.

ρ = Мкг/4πRб²mрtг, (12)

где tг - возраст галактики, Rб - радиус балджа.

Радиус сферического балджа равен радиусу галактики Rб = 15 кпк. Масса галактики около 10¹¹∙M○. Ее возраст от 10 до 15 млрд лет [1, С. 387], т.е. tг ≥ 3∙10¹⁷ с. В случае захвата короной галактики всех попадающих в нее протонов, за это время она накопит массу, превышающую массу галактики в три раза, т.е. Мкг ~ 3∙10¹¹∙M○, а их поток ρ ≈ 5∙10⁴ см^-2∙с^-1.

Общий поток частиц в оценке (12) включает КЛ и ветер звезд. Протоны звездного ветра разгоняются до скоростей в несколько сотен или тысяч км/с [2, С. 66], что отвечает энергии частиц 10³ - 10⁴ эВ. Звезды теряют со звездным ветром от 10^-14 M○ (как в случае Солнца) до 10^-8 M○ за год [там же, С. 67]. При минимальной скорости истечения вещества 10^-14 M○ в год поток ветра звезд через поверхность сферического балджа галактики составит ~1 см^-2∙с^-1, что сопоставимо с потоком КЛ, наблюдаемым на орбите Земли.

Первичный поток ГКЛ также можно оценить с учетом его влияния на параметры газа в галактике и ее короне. Так, температура газа в галактике возрастает по мере удаления от центра к периферии. Например, на расстоянии 4 - 8 кпк от центра галактики температура межзвездного газа составляет ~10 К [3, С. 85]. В экваториальной плоскости на периферии галактики газ нагрет до 10⁶ К. При этом в тепловом балансе межзвездного газа важную роль играют КЛ [2, С. 390]. Межзвездный газ нагревается под действием излучения звезд и космических лучей [3, С. 86]. С учетом значительного удаления короны галактики от звезд, на расстояние до 100 кпк [там же, С. 90], основным фактором ее нагрева являются КЛ. Так, сильно ионизованный газ в короне галактики разогрет КЛ до 10⁷ К [там же, С. 81]. Тем самым плотность КЛ низких энергий может возрастать по мере удаления от центра галактики. Данный эффект может быть связан с воздействием ветра звезд, выносящего конвективные потоки КЛ на периферию галактики.

Между давлением газа в галактике и ее короне наблюдается сильный перепад давления, до 10³ раз. Характерное давление газа в галактике составляет 10^-13 дин/см2, в том числе при концентрации водорода 10^-2 см^-3 и его температуре 10⁴ К [3, С. 86]. Давление газа в короне галактики с плотностью до 10^-2 см^-3, разогретого КЛ до температуры ~10⁷ К [там же, С. 81], с учетом пропорциональной зависимости давления газа р от его температуры, р ~ Т, достигает 10^-10 дин/см2. При наличии в короне галактики магнитных полей, тормозящих КЛ, компенсировать давление газа в короне галактике ркг сможет поток КЛ следующей интенсивности ρ:

ρ = ркг/mрυр. (13)

Создать давление газа в короне галактики ркг = 10^-10 дин/см², например, способны протоны с энергией 10⁶ эВ, обладающие скоростью υр = 1,5∙10⁹ см/с при их потоке ρ ≈ 5∙10⁴ см^-2∙с^-1. При этом концентрация КЛ, заторможенных магнитным полем короны n = ρ/υр ≈ 3∙10^-5 см^-3, не превысит среднюю наблюдаемую концентрацию протонов в галактике 3∙10^-2 см^-3.

Целый ряд оценок показывает, что первичный поток ГКЛ с энергией ~10⁶ эВ может составлять от 2,4∙10⁴ см^-2∙с^-1 в окрестностях гелиосферы до 5∙10⁴ см^-2∙с^-1 в короне галактики. При соответствующей концентрации ГКЛ ~10^-5 см^-3, плотность их энергии ~10 эВ/см^-3, что на порядок превышает плотность энергии КЛ ~1 эВ/см^-3, наблюдаемую на орбите Земли [2, С. 471].

Как уже отмечалось ранее, вероятным источником ГКЛ являются сверхновые, средняя мощность энерговыделения которых в галактике достигает 10⁴⁰ - 4∙10⁴² эрг∙с^-1 [2, С. 474]. При этом около 90% энергии взрыва сверхновой приходится на кинетическую энергию оболочки [5, С. 656]. Скорость выброшенного во время вспышки вещества достигает 20 тыс. км/с [4, С. 433], что эквивалентно энергии протонов ~10⁶ эВ. Источником КЛ также являются ядра галактик [2, С. 474]. Ядра активных галактик выбрасывают в межгалактическое пространство вещество в виде плазменных струй и сгустков со скоростями близкими к скорости света [5, С. 922], характерными для КЛ. Таким образом, первичный поток ГКЛ может быть достаточно высок. При этом существенная его часть отсекается в энергетическом спектре КЛ, наблюдаемом на орбите Земли.

Вид первичного спектра КЛ за пределами Солнечной системы не известен [2, С. 472]. Экспериментальное выяснение его параметров ответит на вопрос о возможности существования заряда гелиосферы. При этом вне зависимости от механизма рассеяния КЛ: зарядом гелиосферы или межпланетным магнитным полем, это поможет пролить свет на проблему скрытой массы, что имеет важное значение для космологии в целом. Соответственно, определение первичного спектра КЛ является актуальной задачей. Ее практическое решение связано с выведением соответствующего космического зонда за пределы Солнечной системы.

1. Прохоров А.М. и др. Физическая энциклопедия, т. 1. М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1988.

2. Прохоров А.М. и др. Физическая энциклопедия, т. 2. М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998.

3. Прохоров А.М. и др. Физическая энциклопедия, т. 3. М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1992.

4. Прохоров А.М. и др. Физическая энциклопедия, т. 4. М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1994.

5. Прохоров А.М. и др. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983