Кафедра термогидромеханики океана МФТИ

преподаватели: Писанко Юрий Владимирович, доктор физико-математических наук; Лапшин Владимир Борисович, доктор физико-математических наук, профессор

Цель курса

Формирование базовых знаний по физике Солнца, межпланетного и околоземного космического пространства для использования в областях и дисциплинах естественнонаучного профиля, формирование исследовательских навыков и способности применять знания на практике.

Задачи курса

• дать студентам базовые знания в области физики Солнца, межпланетного и околоземного космического пространства;
• научить  студентов на примерах и задачах строить модели физических процессов на Солнце, в межпланетном и околоземном космическом пространстве, самостоятельно анализировать полученные результаты.

Содержание курса, структурированное по темам (разделам)

1. Внутреннее строение Солнца
   Общие представления о Солнце; определение расстояния от Земли до Солнца, радиуса Солнца, массы Солнца, температуры поверхности Солнца; оценка температуры в центре Солнца.
   Ядро Солнца. Термоядерные реакции в ядре Солнца; водородный цикл; сценарии образования 4He с участием и без участия Li; углеродный цикл; оценки и измерения потока солнечных нейтрино.
   Перенос излучения в недрах Солнца; связанно-связанные переходы; связанно-свободные переходы; свободно-свободные переходы; томсоновское рассеяние излучения электроном; эффект Комптона; средняя длина свободного пробега фотона.
   Конвективная зона Солнца. Ячейки Бенара; число Прандля; критическое значение числа Рэлея; приближение Буссинеска; адиабатический градиент температуры идеального газа; критерий Шварцшильда; механизм возникновения конвекции на Солнце - нагрев газа за счёт энергии, высвобождающейся при рекомбинации электронов с ядрами; грануляция солнечной поверхности.
   
   
2. Атмосфера Солнца
   Фотосфера Солнца – область, в которой средняя длина свободного пробега фотона примерно равна шкале высот.
   Фраунгоферовы линии поглощения – источник информации о температуре, давлении, динамике, химическом составе и магнитном поле фотосферы. Уширение фраунгоферовых линий поглощения: естественная ширина спектральной линии; доплеровское уширение спектральной линии; штарковское уширение спектральной линии. Эффект Зеемана; определение величины напряжённости и направления фотосферного магнитного поля по картине зеемановского расщепления спектральной линии.
   Хромосфера. Образование ударной волны в адиабатическом изэнтропическом газе; физические механизмы нагрева хромосферы.
   К-корона; F-корона; E-корона. Температура солнечной короны. Эффективное сечение томсоновского рассеяния на свободном электроне. Солнечное затмение. Модель Чепмена для гидростатической солнечной короны. Солнечная корона как естественный источник ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Эффект Ханле и возможности дистанционной диагностики корональных магнитных полей.
   Солнечное электромагнитное излучение. Распределение энергии в потоке солнечного излучения. Солнечная постоянная. Вариации спектра электромагнитного излучения.
   
   
3. Солнечный ветер
   Наблюдения хвостов комет. Одномерное течение идеального газа в трубе переменного сечения. Уравнение Гюгонио. Дозвуковой и сверхзвуковой режимы течения. Сопло Лаваля и трансзвуковой режим течения. Модель Паркера для солнечного ветра. Модель Чемберлена для солнечного бриза. Прямые измерения солнечного ветра с борта внемагнитосферных космических аппаратов.
   Уравнения одножидкостной магнитной гидродинамики. Сила Ампера: магнитное давление и магнитное натяжение. Обобщённый закон Ома в плазме с магнитным полем. Магнитное число Рейнольдса; диффузия магнитного поля; теорема вмороженности; магнитное пересоединение. Механизмы нагрева солнечной короны: пересоединение; альвеновские волны; ионно-циклотронные волны.
   Межпланетное магнитное поле. Модель Паркера для межпланетного магнитного поля. Всплески солнечного радиоизлучения III типа. Секторная структура межпланетного магнитного поля; межпланетный токовый слой; межпланетное электрическое поле.
   Гелиосфера. Пояс Койпера; гелиосферная ударная волна; гелиопауза; отошедшая ударная волна; локальная межзвёздная среда; облако Оорта. Движение гелиосферы в межзвёздном пространстве. Граничные условия в магнитной гидродинамике; модель Бирмана для взаимодействия солнечного ветра с нейтральным водородом локальной межзвёздной среды; критическое нагружение солнечного ветра нейтральным водородом. Космические лучи в межпланетном пространстве. Происхождение космических лучей. Аномальные космические лучи. Прямые измерения солнечного ветра в дальней гелиосфере с борта космических аппаратов «Pioneer-10,11» и «Voyager-1,2».
   
   
4. Цикл солнечной активности
   Солнечные пятна; магнитное поле солнечного пятна. Фотоэлектрические методы измерения зеемановского расщепления; фотосферный магнитный ковёр; скрытый магнитный поток фотосферы. Группы пятен, факельные площадки, активные области; маунт-вилсоновская классификация групп пятен. 11-летний цикл солнечной активности; число Вольфа; цюрихская нумерация солнечных циклов; закон Шперера; бабочки Маундера; правило Хейла; правило Гневышева-Оля; провал Гневышева; маундеровский минимум.
   
   
5. Элементы солнечной активности
   Хромосферные вспышки; шкала оптических баллов вспышек; белые вспышки; импульсные вспышки, компактные вспышки, вспышки большой длительности. Рентгеновские вспышки; классификация рентгеновских вспышек. Гамма вспышки. Корональная петля с электрическим током – основной элемент солнечной короны. Модели солнечных вспышек. Эффект Нойперта.
   Волокна (солнечные протуберанцы) – физические параметры, структура, распределение по диску в цикле солнечной активности. Тепловая неустойчивость. Сифонный эффект. Модели солнечных волокон; эрупция волокна. Электродинамическое усилие на виток с током. Гидродинамические неустойчивости плазмы с током.
   Корональные выбросы массы – физические параметры, структура, изменение частоты появления в цикле солнечной активности. Физика формирования коронального выброса массы. Корональные димминги – предвестники возникновения коронального выброса массы. Связь между солнечными вспышками и корональными выбросами массы. Связь солнечного радиоизлучения II и IV типов с корональными выбросами массы. Оценки проекции на картинную плоскость скорости движения коронального выброса массы по данным внеатмосферных внезатменных наблюдений К-короны; стереоскопические внеатмосферные внезатменные наблюдения К-короны; проект «Stereo».
   
   
6. Механизмы поддержания цикла солнечной активности
   Дисковые динамо Фарадея и Булларда; дифференциальное вращение Солнца и сценарий поддержания 11-летнего цикла солнечной активности; полоидальное и тороидальное поле. Теорема Каулинга и невозможности аксиально-симметричного динамо. Феноменологическая модель Паркера для связи полоидального и тороидального полей. Усиление и поддержание магнитного поля изотропной турбулентностью. Магнитная плавучесть; тахоклин – область формирования крупномасштабных тороидальных магнитных полей.
   
   
7. Магнитосфера Земли
   Магнитосфера – область полностью ионизованной околоземной плазмы; формирование и структура магнитосферы; перенос энергии и вещества из солнечного ветра в магнитосферу; токовые системы магнитосферы; плазмосфера; магнитосферная конвекция. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях; адиабатические инварианты, радиационные пояса. Собственные колебания магнитосферы; генерация и распространение геомагнитных пульсаций; генерация и распространение ОНЧ-излучений в магнитосфере. Магнитосферные возмущения.
   
   
8. Ионосфера Земли
   Ионосфера – область частично ионизованной околоземной плазмы; фотоионизация; рекомбинация; образование ионосферных областей D, E, F. Уравнения движения электронов, ионов и нейтралов в ионосфере; диффузия в ионосфере, амбиполярное приближение. Глобальная электрическая цепь. Эффекты солнечных вспышек и магнитосферных возмущений в ионосфере; радиофизические и геофизические проявления ионосферных неоднородностей. Корпускулярная ионизация и образование регулярной высокоширотной ионосферы; ионосферная конвекция; геофизическое районирование высокоширотной ионосферы (субавроральный провал, главный ионосферный провал, ионосфера авроральной зоны, ионосфера полярной шапки). Полярный ветер.

Основная литература

1. Пикельнер С.Б. Основы космической электродинамики. М., Наука, 1966.
2. Гибсон Э. Спокойное Солнце, М., Мир, 1977.
3. Прист Э.Р. Солнечная магнитогидродинамика. М., Мир, 1985.
4. Лайонс Л., Уильямс Д. Физика магнитосферы. М., Мир, 1987
5. Брюнелли В.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М. Наука, 1988
6. Плазменная гелиогеофизика (ред. Л.М. Зелёный, И.С. Веселовский). М.: Физматлит, 2008, т.1 гл. 1-4,.т.2 гл. 6.

Учебно-методические материалы для самостоятельной работы

1. Кондранин Т.В., Ткаченко Б.К., Березникова М.В., Евдокимов А.В., Зуев А.П., Учебно-методическое  пособие «Использование средств компьютерного моделирования в курсах механики жидкости и газа» // М.: МФТИ 2005 г. - 112 с.
2. Кондранин Т.В., Ткаченко Б.К., Березникова М.В., Евдокимов А.В., Зуев А.П.. «Применение пакетов прикладных программ при изучении курсов механики жидкости и газа»., учебное пособие, // М. : МФТИ , 2005 г. 104 с.

Дополнительная литература

1. Альвен Г., Фельтхаммар К.-Г. Космическая электродинамика. М.: Мир, 1967.
2. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. М., Атомиздат, 1978.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М. Наука, 1973.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М. Наука, 1992.
5. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М., Наука, 1979.

Перечень ресурсов, необходимых для освоения дисциплины

1. http://lib.mipt.ru/ – электронная библиотека Физтеха
2. http://benran.ru –библиотека по естественным наукам Российской академии наук
3. http://www.edu.ru – федеральный портал «Российское образование».

Необходимое программное обеспечение

1. Flow Vision (учебная версия)
2. Solid Works (учебная версия)