Недостаточный перенос энергии между электронами в плазме препятствует быстрому охлаждению потока, исходящего от Солнца.
При использовании огнетушителя диоксид углерода, выбрасываемый им, формирует вокруг сопла кристаллические образования, напоминающие лед. Это наглядно иллюстрирует физический принцип, в соответствии с которым газ и плазма при расширении охлаждаются. Аналогичным образом ведет себя солнечный ветер — поток гелиево-водородной плазмы, исходящий из короны. Однако его охлаждение протекает не столь интенсивно, как это предсказывают физические законы.
В статье, опубликованной в издании Proceedings of the National Academy of Sciences, физики из Висконсинского университета в Мэдисоне предложили объяснение аномальным характеристикам этого явления. «Солнечный ветер изучается с момента его открытия в 1959 году, однако многие ключевые аспекты этой плазмы остаются не до конца ясными, — отмечает Стас Болдырев, ведущий автор научной работы. — Первоначально предполагалось, что солнечный ветер должен быстро терять энергию по мере удаления от Солнца, однако данные, полученные со спутников, свидетельствуют о том, что при достижении Земли его температура в десять раз выше ожидаемой. Таким образом, возникает основополагающий вопрос: почему он не охлаждается?»
Солнечный ветер преимущественно состоит из электронов, протонов и ядер гелия. На этот поток частиц воздействуют магнитные поля, формирующиеся в недрах Солнца. Благодаря своей меньшей массе электроны движутся с большей скоростью по сравнению с другими частицами. Некоторые из них, обладающие повышенной энергией, способны преодолевать огромные расстояния. Другие электроны не могут отдалиться от звезды и в конечном итоге начинают возвращаться к ней, при этом их траектории могут значительно изменяться в процессе взаимодействия с другими составляющими солнечного ветра.
«По словам Болдырева, частицы, траектория скорости которых отклоняется от линий магнитного поля, не способны попасть в область с более интенсивным магнитным полем. Это указывает на то, что отдельные электроны не возвращаются к центру звезды, а становятся частью группы частиц, находящихся в состоянии захвата. «Их дальнейшая участь – непрерывное перемещение», – констатирует исследователь.
Именно этот эффект объясняет, почему солнечный ветер остывает значительно медленнее, чем ожидалось. Эксперименты, связанные с удержанием плазмы, позволили исследователям разобраться в этом явлении. Для проведения опытов были созданы специальные установки, в которых частицы проходили через область, имитирующую «бутылочное горлышко» магнитного поля, где силовые линии сближались. Некоторая часть электронов преодолевает эту область, однако большая их часть отражается обратно внутрь установки.
Анализ процессов, происходящих в установках для удержания плазмы, выявил, что высокоэнергетические электроны, представляющие собой, по сути, самые горячие частицы, крайне медленно передают свою энергию захваченным электронам, приводя к их нагреву. Исследователи отмечают, что полученные результаты соответствуют данным о температуре солнечного ветра, полученным в ходе измерений.