[ 0-734624
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ
На правах рукописи
УДК 523.98
Копылова Юлия Геннадьевна
КОЛЕБАНИЯ КОРОНАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ АРОК
И ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК
Специальность 01.03.02 астрофизика и радиоастрономия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации па соискание ученой степени кандидата фичико-математических паук Санкт-Петербург 2002 г.
Работа выполнена в Главной астрономической обсерватории РАН.
Научные руководители:
доктор физико-математических наук
, профессор А. А. Соловьев, доктор физико-математических наук А. В. Степанов.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук А. Н. Коржавин, доктор физико-математических наук Л. В. Ясное.
Ведущая организация:
Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород.
Защита диссертации состоится 27 декабря 2002 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета К 002.120.01 Главной астрономической обсерватории РАН по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе. 65/1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН.
Автореферат разослан 22 ноября 2002 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, ^^-J^'^L^ E. В. Милецкий кандидат физико-математических наук 0-
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Магнитные арки (петли) т и п и ч н ы й структурный элемент солнечной короны. С ними связынают такие нестационарные явления в атмосфере Солнца, как коропальныс трапзиснты и солнечные вспышки, которые определяют состояние межпланетного космического пространства, а также многие геофизические процессы. Поэтому исследование физических условий и процессов в коропальпых арках является одной из наиболее актуальных проблем современной астрофизики.
Колебательные и волновые процессы неотъемлемый атрибут динамики солнечной атмосферы. Наблюдения солнечных вспышек и широком диапазоне длин волн показывают, что излучение часто промодулировапо квазипсриодичсским образом |1|. Выяснение природы пульсаций является предметом активных исследований В настоящее время установлена тесная связь между вспышками и короиальпыми магнитными структурами, поэтому вероятно, что за наблюдаемую модуляцию излучения могут быть ответственны магнитогидродипамичсскис (МГД) колебания корональных арок |2, 3|.
С запуском космических аппаратов SOHO. TRACE, RHESSI появилась уникальная возможность исследовать верхние слои солнечной атмосферы с высоким пространственным разрешением. Это позволило обнаружить квазипсриодичсскис смещения солнечных коропальпых петель |2|. Таким образом, впервые были получены прямые указания па то, что колебания коропальпых арок реально существуют. Основная особенность этих колебаний, отождествленных в |2] с быстрой изгибпой модой, заключалась в их низкой добротности, причина которой по прежнему вызывает много споров |4, 5| и требует дополнительных исследований.
Наиболее эффективно модулируют излучение радиальные быстрые магпитозвуковыс (БМЗ) колебания коропальных петель (мода типа перетяжек) |2|.
характерный период которых составляет несколько секунд. Согласно наблюдениям |3, 6|, иногда секундные пульсации в микроволновом излучении продолжаются минуты и даже часы. Однако, как показывают оценки |7. 8|. затухание радиальных колебаний из-за излучения МГД волн к окружающую среду (акустический механизм) и процессов диссипации должно быть значительным. Следовательно, важной задачей является определение условий при которых радиальные колебания обладают высокой добротностью.
Пульсации излучения могут быть связаны также с баллонной модой, соответствующей осцилляциям плазменных «языков», возникших в областях коропалыюй магнитной арки с повышенным газовым давлением |9|. Число пульсаций излучения, вызванных баллонными колебаниями петли, обычно невелико, что указывает па сильное затухание. Необходимо выяснить причину сильного затухания баллонных колебаний корональпых петель. Поэтому особую важность приобретает исследование механизмов возбуждения и затухания осцилляции в корональных петлях.
Анализ осцилляции корональных петель даст важную информацию о физических условиях в области вспышечпого энсрговыдслспия |3, 10|. В связи с проблемами происхождения вспышек и нагрева короны в гелиофизике возникло и интенсивно разрабатывается повое направление, названное «короналыгой гслиоссйсмологисй». Особый интерес представляет задача определения величин магнитных полей коропальпых арок, поскольку до сих пор оценки их значений варьируются в широких пределах от нескольких десятков до тысячи Гаусс |10|. Это связано с тем. что прямые измерения магнитных полей по эффекту Зссмана затруднены из-за высокой температуры плазмы, а результаты косвенных методов сильно зависят от принятых модельных представлений. Механизмы генерации радиоизлучения чрезвычайно чувствительны к изменениям магнитного поля, поэтому наблюдения солнечных вспышек в данном диапазоне длин волн приобретают особую ценность. Следовательно, для оценки магнитных полей по параметрам пульсаций необходимо определить влияние возбуждения колебаний петли па модуляцию вспышсчпого радиоизлучения.
Основной проблемой адекватного построения теоретических моделей солнечных вспышек является недостаток информации о значениях параметров вспышсчпой плазмы (плотности, температуры, магнитного поля). Поэтому необходима разработка новых методов диагностики плазмы, основанных па анализе параметров пульсаций излучения и сопоставлении наблюдательных данных, полученных в различных волновых диапазонах.
Цели работы Ставятся и решаются следующие задачи:
1. Создать энергетический метод расчета декремента акустического затухания собственных колебаний коропальпых петель.
2. Определить причину сильного затухания изгибпых и баллонных колебаний петель, а также условия существования высокодобротпых радиальных колебаний.
3. Исследовать влияние колебаний коропальпых петель на модуляцию нстсплового гиросинхротрошюго излучения солнечных вспышек.
4. На основе наблюдательных данных о параметрах пульсаций микроволнового излучения, вызванных МГД колебаниями коропальпых петель, разработать новые методы диагностики вспышсчной плазмы, в частности магнитных полей и спектров энергичных электронов.
5. Провести анализ и сопоставление данных наблюдений вспышсчпых событий 31 октября 1991 г. и 14 июля 2000 г. в радио- и рентгеновском диапазоне с целью выяснения особенностей динамики ускоренных электронов в коропальных магнитных арках.
Научная и практическая значимость работы 1. Анализ механизмов затухания колебаний солнечных корональпых петель позволяет объяснить наблюдаемую низкую добротность изгибпых и баллонных колебаний, а также даст возможность определить условия возбуждения высокодобротных радиальных колебаний, ответственных за продолжительные пульсации микроволнового излучения солнечных вспышек.
2. Исследование влияния возбуждения МГД колебаний коропальных магнитных арок па модуляцию пстсплового гиросинхротрошюго излучения открывает новые возможности для диагностики параметров плазмы.
3. Представление короналыюй арки в виде магнитной ловушки (коропального пробкотрона) позволяет объяснить наблюдаемые временные задержки между наступлением пиков микроволнового и жесткого рентгеновского излучения. По длительности и характеру временных задержек удастся определить режим питч угловой диффузии частиц в конус потерь.
4. Сопоставление радио- и рентгеновских наблюдений солнечных вспышек позволяет провести диагностику вспышсчпой плазмы.
Научная новизна 1. Создан и детально разработан новый энергетический метод расчета декремента акустического затухания МГД колебаний корональных петель, обобщающий результаты, полученные из дисперсионного уравнения, и адекватно учитывающий комплексность аргументов цилиндрических функций, входящих в его решения. Анализ акустического затухания, проведенный на основе разработанного энергетического метода показал, что наблюдаемое сильное затухание изгибных колебаний обусловлено распространением бегущих воли вдоль магнитных силовых линий. В то же время, радиальные колебания являются высокодобротными в случае плотных корональпых петель, когда узлы колебаний возмущения полного давления или радиальной скорости совпадают с границей магнитной трубки.
2. Проведен сравнительный анализ различных диссипативных процессов показавший, что затухание МГД колебаний коропальных арок из-за ионной вязкости и электронной теплопроводности превосходит затухание, вызванное радиационными и джоулсвыми потерями. Сделан вывод о том, что добротность баллонных колебаний в основном определяется электронной теплопроводностью короналыгой плазмы.
3. Впервые проведено исследование влияния возбуждения МГД колебаний коропальиых петель па модуляцию пстсплового гиросипхротронпого излучения солнечных вспышек. Найдено, что для оптически тонкого и оптически толстого источника пульсации излучения, вызванные радиальными колебаниями, происходят в противофазс. Получены соотношения, позволяющие по глубине модуляции микроволнового излучения оценивать магнитное поле и энергетический показатель спектра ускоренных электронов в области вспышсчного энсрговыдсления.
На защиту выносятся:
1. Энергетический метод расчета декремента акустического затухания МГД колебаний коропалышх петель, обобщающий результаты, полученные из дисперсионного уравнения, и адекватно учитывающий комплексность аргументов цилиндрических функций, входящих в его решения.
2. Результаты анализа затухания изгибных, радиальных и баллонных колебаний коропальных арок, которые показывают, что наблюдаемое сильное затухание изгибных колебаний обусловлено распространением бегущих волн вдоль магнитных силовых линий: радиальные колебания являются высокодобротными в случае плотных корональпых петель, когда узлы колебаний возмущения полного давления или радиальной скорости совпадают с границей магнитной трубки; добротность баллонных колебаний в основном определяется электронной теплопроводностью короналыюй 3. Метод диагностики энергетического показателя спектра ускоренных электронов и магнитного ноля в области впышсчиого энсрговыдслсния по глубине модуляции пстсплового гиросинхротропиого излучения, одновременно принимаемого па двух частотах. Причем источник излучения на одной из данных частот (более низкой) является оптически толстым, а на другой оптически тонким.
4. Метод диагностики температуры, концентрации и магнитного ноля вспытпсчной плазмы по глубине модуляции, добротности и периоду пульсаций микроволнового излучения, вызванных баллонными колебаниями коропалыгай магнитной арки.
5. Интерпретация наблюдавшихся в событиях 31 октября 1991 г. и 14 июля 2000 г. особенностей микроволнового и рентгеновского излучения взаимодействием волна частица в рамках модели коропалыюго пробкотроиа с развитой электромагнитной турбулентностью.
Апробация работы Результаты диссертационной работы были представлены на конференциях:
«Солнце в максимуме активности и солнечно звездные аналогии» (Пулково. Санкт-Петербург, 2000 г.), «Солнечная активность и внутреннее строение Солнца» (п. Научный. Крым, Украина, 2001 г.), «Всероссийская астрономическая конференция» (Санкт-Петербург, 2001 г.). «Солнечная активность и параметры се прогноза» (п. Научный, Крым, Украина, 2002 г.), «Активные процессы па Солнце и звездах» (Санкт-Петербург, 2002 г.), «International Symposium on Physical Processes Associated with the Sun» (Weihai. China, 2002). 10 th European Meeting on Solar Physics «Solar Variability: from Core to Outer Frontiers» (Prague. Czech Republic, 2002), «Вторая Украинская конференция по перспективным космическим исследованиям» (п. Кацивсли, Крым.
Украина. 2002 г.), школе семинаре молодых радиоастрономов (Пугцино, 2001 г.), докладывались па научных семинарах ГАО РАН, КрАО, Purple Mountain Observatory CAS (Nanjing, China).
Личный вклад автора Во всех работах по теме диссертации автору принадлежит равная с соавторами доля участия в формулировке задач, проведении расчетов и анализе полученных результатов. В работе 4 автором также проводилась обработка данных наблюдений радиотелескопа РТ-22 КрАО.
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы из 124 наименований. Общий объем диссертации составляет 122 страницы. Она содержит 21 иллюстрацию.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность и научная новизна темы диссертации. Приводятся краткое содержание диссертационной работы и результаты, выносимые па защиту.
В Главе I «МГД колебания солнечных корональных петель» проведен анализ наблюдательного материала, свидетельствующего об осцилляциях солнечных короиальпых арок: данных о пульсациях излучения и результатов прямых наблюдений. Кратко рассмотрены основные модели возникновения пульсаций излучения. Выведено дисперсионное уравнение для собственных мод плазменного цилиндра и описаны свойства изгибпых и радиальных колебаний. С помощью решения дисперсионного уравнения для собственных мод магнитной трубки получено выражение для декремента акустического затухания изгибпой моды. На основе закона сохранения энергии разработан новый энергетический метод расчета декремента акустического затухания, учитывающий комплексный характер аргументов цилиндрических функций, входящих в решение дисперсионного уравнения. Произведено сопоставление результатов, полученных двумя указанными методами, показавшее, что при соответствующих предположениях они хороню согласуются.
Сравнение различных диссипативных процессов для быстрых магпитозвуковых волн показало, что затухание колебаний из-за ионной вязкости и электронной теплопроводности превосходит затухание, вызванное радиационными и джоулсвыми потерями. В то же время, акустический механизм определяет затухание изгибпых и радиальных колебаний корональпых петель, а роль процессов диссипации при этом незначительна. Затухание изгибных колебаний оказывается пренебрежимо малым, если распространение воли происходит в направлении перпендикулярном магнитному полю Обнаруженная на космическом телескопе TRACE |2| низкая добротность колебаний петель активной области связана с генерацией бегущих МГД волн распространяющихся вдоль магнитных силовых линий В свою очередь, радиальные осцилляции коропальных арок оказываются высокодобротпыми, если плотность плазмы внутри магнитной трубки более чем па два порядка превосходит плотность плазмы снаружи, а узлы колебаний полного давления или радиальной скорости совпадают с границей трубки Рассмотрены баллонные колебания солнечных коропальных петель возникающие на импульсной фазе вспышки С помощью дисперсионного уравнения, описывающего баллонные возмущения малой амплитуды, определен период колебаний плазменного «языка» На основе аналогии баллонных и БМЗ колебаний проведено исследование роли диссипативпых процессов в затухании баллонной моды Сделан вывод о преобладающем влиянии электронной теплопроводности вспышсчпой плазмы па затухание баллонных ко лсбапий В Главе II «Модуляция микроволнового излучения солнечных вспышек»
проведено исследование влияния возбуждения радиальных и баллонных колебаний корональпых петель на пстспловос гиросинхротропнос излучение солнечных вспышек Радиальные и баллонные колебания меняют поперечные размеры петли термодинамические параметры плазмы и магнитное поле, следовательно следует ожидать модуляцию излучения во всех диапазонах длин волн В случае, KOI да микроволновое излучение вспышек обусловлено пстспловым гиросиихротронным механизмом проанализировано влияние возбуждения колебаний петель па интенсивность излучения Рассмотрена модель коропалыюго пробкотропа, в рамках которой вспыптсчная арка представляет собой магнитную ловушку При этом за микроволновое излучение вспышки ответственны захваченные частицы, за жесткое рентгеновское пролетные, проникающие в основания петли В случае кулоновского рассеяния захваченных электронов в конус потерь на основе модели толстой мишени Сыроватского Шмелевой |11| получено соотношение между потоками жесткого рентгеновского излучения в вершине петли и се основаниях Показано, что в ходе вспышсчпого энсрговыдслспия реализуются различные режимы питч угловой диффузии частиц в конус потерь, что позволяет объяснить временные задержки между наступлением пиков рентгеновского и микроволнового излучения В рамках модели коропалыюго пробкотрона проведено исследование влияния возбуждения колебаний петель па модуляцию концентрации захваченных частиц, ответственных за микроволновое излучение. Из проведенного анализа следует, что в режиме умеренной диффузии, который имеет место в случае достаточно мощных вспышек, изменения концентрации частиц не происходит. Установлено, что осцилляции излучения для оптически толстого и оптически тонкого источника происходят в противофазс. Предложен метод диагностики энергетического показателя спектра ускоренных электронов и магнитного поля по глубине модуляции излучения, одновременно принимаемого па двух частотах, когда источник излучения на более низкой частоте является оптически толстым, а на высокой оптически топким.
Для случая, когда модуляция излучения вызвана баллонными колебаниями петли, получены выражения, позволяющие проводить диагностику вспышсчной плазмы (температуры, концентрации частиц, магнитного поля) по параметрам пульсаций в микроволновом диапазоне: глубине модуляции, добротности и периоду.
Глава III «Диагностика вспышсчпой плазмы» посвящена определению параметров вспыптечпой плазмы па основе описанных в Главе II методов диагностики. Особенности микроволнового и рентгеновского излучения анализируемых вспышек позволили продемонстрировать диагностические возможности модели коропалыюго пробкотропа и модели МГД колебаний вспышсчных коропальпых петель. Рассмотрены четыре вспышечных события.
• Для события 23 мая 1990 г., одновременно наблюдавшегося на 9.375 ГГц (Nanjing University Observatory) и па 15 ГГц (Beijing Normal University Observatory), особенностью тонкой временной структуры являлось наличие пульсаций с периодом 1.5 с, причем пульсации излучения происходили на двух волнах в противофазс |3|. Поскольку источник излучения па 15 ГГц являлся оптически топким, а на 9.375 ГГц оптически толстым, то с помощью разработанного в Главе II метода диагностики определено значение энергетического степенного показателя спектра ускоренных электронов ё Ki 4.4 и величины магнитного поля в области вспышсчпого эисрговыдслспия В яз 190 Гс.
• Сопоставление наблюдений вспышки 31 октября 1991 г., полученных на РТ-22 КрАО (длины волн 8 мм и 13 мм), с данными, полученными в рентгене на космических аппаратах («Yohkoh», BATSE, GOES), позволило объяснить наблюдаемое несоответствие временных профилей радиои рентгеновского излучения в рамках модели короналыгаго пробкотропа с развитой электромагнитной турбулентностью и определить механизм радиоизлучения пстспловой гиросинхротроппый. С помощью методики Томаса и др. |12| по временным профилям мягкого рентгена (GOES) построены зависимости температуры Т и меры эмиссии ЕМ от времени, характерные значения которых оказались Т = 107 К и ЕМ = 1048 см На основе поляризационных измерений, выполненных на РТ-22 КрАО.
оценены величина магнитного поля В = 140 — 200 Гс. количество ускоренных электронов Na « 1034, их энергия Е„ « 1026 эрг и среднее значение показателя спектра = 3.5, что согласуется с независимыми оценками параметров вспытсчных петель и энергичных электронов по радиои рентгеновским данным |3. 8|.
• Для вспышки 8 мая 1998 г. с помощью Фурье анализа временного профиля излучения, полученного на радиогслиографс «Nobcyama» па частоте 17 ГГц. были обнаружены пульсации с характерным периодом 1C с и относительной глубиной модуляции ~ 30%. Форма источника излучения короналыюй арки в жестком рентгене, в соответствии с данными спутника «Yohkoh», представляла собой совокупность плазменных «языков», что свидетельствует о развитии баллонной моды жслобковых возмущений. Пульсации радио- и рентгеновского излучения связаны с малыми колебаниями плазменных «языков». С помощью метода диагностики, описанного в Главе II. по параметрам пульсаций определены:
концентрация плазмы п ~ 1.5 х 1011 см 3. температура Т ~ 3 х 107 К и величина магнитного поля В « 280 Гс. что не противоречит существующим представлениям о вспытсчных петлях |13|.
• На основе наблюдательных данных, полученных с помощью РТ-22 КрАО на частотах 8.6. 13.3 и 15.4 ГГц, проведен анализ микроволнового излучения солнечной вспыптки «Бастилия» 14 июля 2000 г. наиболее мощного с 1989 г. протонного события. Произошедшая в ходе вспышки смена знака поляризации микроволнового излучения связана со смещением источника ускоренных электронов из западной части активной области в восточную с иной магнитной конфигурацией, выявленным по наблюдениям спутника TRACE |14| Сопоставление временных профилей жесткого рентгеновского излучения, полученных на «Yohkoh», с данными наблюдений на сантиметровых волнах позволило обнаружить длительные временные задержки (более минуты) между наступлением пиков жесткого рентгеновского и микроволнового излучения. Причем величина задсржки возрастала по мере развития вспышки. Эти особенности связаны с реализацией режима сильной питч угловой диффузии в рамках модели коропалыюго пробкотропа.
В Заключении сформулированы основные результаты работы:
Создан и детально разработан энергетический метод расчета декремента акустического затухания МГД колебаний короиальпых петель, обобщающий результаты, полученные из дисперсионного уравнения, и адекватно учитывающий комплексность аргументов цилиндрических функций, входящих в его решения.
Проведен анализ затухания изгибпых. радиальных и баллонных колебаний коропальиых арок. Показано, что наблюдаемое сильное затухание изгибных колебаний обусловлено распространением бегущих волн вдоль магнитных силовых линий. Радиальные колебания являются высокодобротными в случае плотных корональных петель, когда узлы колебаний возмущения полного давления или радиальной скорости совпадают с границей магнитной трубки. Сделан вывод о том. что добротность баллонных колебаний в основном определяется электронной теплопроводностью короиалыюй плазмы.
Исследовано влияние возбуждения МГД колебаний коропальных петель па модуляцию пстсплового гиросипхротрошгого излучения солнечных вспышек. Найдено, что для оптически топкого и оптически толстого источника пульсации излучения, вызванные радиальными осцилляциями, происходят в противофазс. Получены соотношения, позволяющие по глубине модуляции микроволнового излучения оценивать магнитное поле и энергетический показатель спектра ускоренных электронов в области вспышсчного энсрговыдслспия.
Для случая, когда модуляция излучения вызвана баллонными колебаниями петли, получены выражения, позволяющие проводить диагностику вспытсчпой плазмы и магнитного поля по следующим параметрам пульсаций в микроволновом диапазоне: глубине модуляции, добротности и периоду.
В рамках модели короналыгаго пробкотропа с развитой электромагнитной турбулентностью объяснены наблюдаемые особенности поведения временных профилей микроволнового и жесткого рентгеновского излучения в событиях 31 октября 1991 г. и 14 июля 2000 г.
Основные публикации по теме диссертации 1 Копылова Ю. Г., Цап Ю. Т. «Об акустическом затухании изгибпых колебаний солнечных корональпых петель» // Известия ГАО. 2000. № 215.
С. 301- 310.
2 Цап Ю. Т., Копылова Ю. Г. «Механизм акустического затухания быстрых изгибных колебаний коропальных петель» // Письма в Астрономический журнал. 2001. Т. 27. Я» 11 С. 859 -86С 3 Цап Ю. Т., Копылова Ю. Г. Нестеров Н. С. «Миллиметровое и рентгеновское излучение солнечной вспышки 31 октября 1991» // Кинематика и физика небесных тел. 2002. Т. 18. JV° 1 С.3- 4 Копылова Ю. Г., Цап Ю. Т., Цветков Л. И. «Событие 14 июля 2000 г.:
микроволновое излучение» // Известия КрАО.2002. Т. 98. С. 84- 5 Копылова Ю. Г., Степанов А. В., Цап Ю. Т. «Радиальные колебания коропальных петель и микроволновое излучение солнечных вспышек» // Письма в Астрономический журнал. 2002. Т. 28. № 11. С. 870 - 6 Копылова Ю. Г., Степанов А. В. «О затухании колебаний баллонной моды в корональных арках» // Известия ГАО. 2002. № 216.
«