Солнечный ветер: почему протоны и альфа-частицы греются по-разному экспресс
Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, летящих от Солнца. В нём есть два главных компонента: протоны (ядра водорода) и альфа-частицы (ядра гелия, вчетверо тяжелее). Если бы частицы просто сталкивались друг с другом, тяжёлые альфа-частицы должны были бы остывать, отдавая энергию лёгким протонам, и в итоге все имели бы одинаковую температуру. Но измерения показывают иную картину.
Спутник Wind, запущенный в 1994 году, три десятилетия регистрировал состав и температуру солнечного ветра. Учёные разделили все измерения по скорости потока: медленный ветер (до 400 км/с), быстрый (свыше 500 км/с) и промежуточный. В медленном ветре, где столкновения частиц часты, температуры протонов и альфа-частиц действительно почти равны — как вода в хорошо перемешанном чайнике. А в быстром ветре, где частицы летят разреженно и почти не сталкиваются, альфа-частицы оказываются вчетверо горячее протонов. Словно в толпе бегунов тяжёлые атлеты сохраняют больше энергии, потому что их реже толкают.
Ключевой сюрприз — зависимость от солнечного цикла. В годы минимума активности Солнце испускает больше быстрого ветра из полярных корональных дыр (областей с открытыми магнитными линиями). В максимуме преобладает плотный медленный ветер. Поэтому и соотношение температур меняется от цикла к циклу. Значит, нагрев частиц у орбиты Земли определяется не только местными столкновениями, но и тем, откуда именно на Солнце прилетел этот поток.
Солнечный ветер — как река, которая то разливается медленным плотным потоком, то срывается быстрой струёй с горных вершин. И температура воды в этой реке зависит не только от того, как молекулы трутся друг о друга, но и от того, с какой высоты и по какому руслу пришла вода. Три десятилетия наблюдений Wind позволили увидеть, как этот космический поток меняет свой характер вместе с дыханием Солнца.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2608.10819v1
The influence of collisional age $$(A_c)$$ on the alpha-to-proton temperature ratio $$(T_\alpha/T_p)$$ has been explored in the past. However, the modulation of this ratio with respect to the solar cycle has remained unexplored so far. We show solar-cycle modulation of $$T_\alpha/T_p$$ and $$A_c$$ using nearly three decades of in-situ observations from Wind spacecraft across distinct solar wind speed regimes and solar activity phases. Our results reveal that in the slow solar wind with velocity $$<400$$ km s$$^{-1}$$, where $$A_c$$ happens to be typically $$>1$$, the ratio $$T_\alpha/T_p$$ stays close to unity. This suggests frequent Coulomb collisions efficiently iron out temperature differences. In contrast, the fast wind with velocity $$>500$$ km s$$^{-1}$$, where $$A_c$$ happens to be typically $$<1$$, mass-proportional heating is most pronounced, with $$T_\alpha/T_p$$ often exceeding 4. The intermediate speed regime ($$400$$-$$500$$ km s$$^{-1}$$) represents a gradual transition between the slow and fast wind populations in terms of their solar-cycle dependence. This behavior reflects the changing dominance of high-speed streams from polar coronal holes during minima to denser slow wind during maxima. These results suggest that mass-proportional ion heating at 1 AU is not solely governed by local collisional physics but is significantly modulated by the solar cycle dependent variations in the solar wind sources.
Спутник Wind был запущен в 1994 году и первоначально планировался на 3 года работы, но продолжает передавать данные до сих пор — уже более 30 лет.
В сериале «Звёздный путь» солнечный ветер неоднократно использовался для маневрирования кораблей с помощью солнечных парусов.