Бальмеровские линии в хроносферах Солнца и поздних звезд тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Р Г Б . ОЛ .

1 в пив 19°5 российская .\кадемия наук

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРИ й РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

На фразах рукописи Еруязип Елена Александрович

УДК 523.345 + 524.3»*

заяьпьрокэде лии*л ч хромосферах со:Ь').' ч поздние зееуд

01.03.Ой - астрофткка. рьдвогсгреас.-яя

Л J i о р е ç е р а т диссертации на соискание ученой степени кзндяд/па фвзико-матеиатичесчих наук

'iot:<bj -

Л

>

Работа выполнена в Институте земного «агаетнама, аоиоеферы к распространения радиоволн Р/Н (ИЗККРАН)

ч

Научный руководитель: доктор физико-матеа&ткчэсккя наук

И.А.Лившиц

Официальные оьеоионтв : доктор физико-нйгегатичееких наук

В.Л.Хохлова

каядидлт физкко-;>;атем<.тических наук

Ь'.А.К; тшева

Ведущая организация: и'(.шскея астрофизическая обсерватория

Защита диссертации состок?сл " " 199^~г.

£ 0 час ^ иин. к а зьсздании Сас-цнализировзняого ' Совета. Д.002.85.02 в ИЗОДРАН.

Адрес: 142092, г. Троицк Московской одпгсти, ИЗМИРАЙ С диссертацией ковко оанакокнться в библиотеке ИЗНИРАН.

I

Автореферат разослан "/¿У * вбУЛ&и? 1994 г.

Ученый се'сргтарь С.хэцкглкзгрох&вногс С а з в т г.. к&нгзда*- наук

Е.А.Ерэ^енко

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность тела

Одним из проявлений вспксечной активности Солнца и зпезд( которому уделяется пристальное внимание при наблюдениях, ягляется эиес-сиошшй спектр и водородных линиях. До 60-х годов наблюдения в водородной линии Н били основным истсчпжон знаний о процессах; протекающих в солнечных зенкаках. Начиная с первой регистрации соднэч!юй лепышки Кзррак"тогс!». з 1259 г., бки собран огоенный материал по еззчетчэ вспышек в оптячпеном ди2пазо.<1е - по низкотемпературному евоч-шно, яр№це всего я лйкли Н Но до яояг.лрчий знеат-косфсрннх, ир»'- ir. «с*го рентгеновских, исследований, a? воя:. яоя?-нанкя fcoro'ko -чл< г <, «зкдоских лреллекий еспшэч«с>; и'опгч. Рентгеновски? позволили .4зучнз"ь eeirocpe.v««яко« за-

явление первичного процесса - значительного экергозаделе««^ « разреженных, висских схон.г лтмос^еры. Исследования показ&лч, v-t Солнцо в >гмпулх>сяой (гчеткой} <}азе вспгахв про«сход!2? ускорют;«? большого числа элр'-.тг.оное до энергий порядка 100 :<эБ. За?е* формируется корональное облако, нагретое до 20 - 30 миллионов градусов, нзлучаюцее в иягкан рентгеновском диапазоне йотоКч электронов и тепла распространяются от области первичного энзэговнделзния «икз, вдоль линий магнитного поля. Этот потек вторгается в .плотные слои хромосферы, пызиьая развитие газодинамических процессов,

В результате газодинамического отклика хроносферза яа импульсный нагрев потоками электронов и тепла, образуется упготяение - низкотемпературная конденсация, которую отождествляют с освоении источником вешнгечного свечения и зодородяих язяаях Ц-4]. Горячий газ заполняет короналыше пзтлн и становится ястсчнкио.»з рен^гсясзского излучения всиынек.

Газодинамические расчеты, проведения; з последнее ьреня с использованием двухторпературпого приближения и более созрс-ганъсГ-постановки задачи [5!, показала, что общий характер оекеякя остается тек ке, что н з первых работах \2].

При взрывной испарении хромосферу {explosive avaporatlon) чежду фронтом движущейся вниз ударной волну к скачкок температуры всегда образуется уплотнение газа толщинок всего г 1 - 10" км Это у'плотпе-ние - светящуюся в водородных линиях ооолочку над обжигаемым участком фотосфери, считает источником низкотемпературного вепкпечкого

- А -

излучения. Подобные газодинамические рассмотрения проводились и для звездных вспышек - аналогов солнечных вспышек. В этом случае также, как и импульсной фазе солнечных вспышек, происходило образование конденсации, которая отличалась от солнечной зспышечной конденсации значениями плотности, температуры и других физических параметров.

В одних вариантах газодинамических расчетов оптическое свечение было значительным, в других - исчезающе малым. Одним из исследуемых ниже случаев будет вариант расчета, когда вспыкечная солнечная конденсация является источником излучения в оптическом континууме. Этот случай - случай белой вспышки интересен как один из предельных вариантов газодинамических расчетов и характерён для наиболее значительных вспыуючннх событий.

Расчеты кинетики водородного атома в условиях, отличных от ДТР, требуются для вычислений интенсивности водородных линий, бальмеров-ских декрементов и для всех тех приложений, для которых необходимо знать заселенность уровней атома водорода.

Метод расчета, примененный а данной работе, состоит в решении уравнений стационарности одновременно с приближенным решением уравнений переноса в линиях.

С формальной точки зрения расчеты, выполненные в диссертации, отличаются от рассмотрения Геыберга и Шноля 161 тем, что система параметров к ~ вероятностей выхода фотона из среды - взята для неподвижной, а не для двикущейся среды.

Поскольку само решение не очень сильно зависит от значений величин р к, то при близких значениях , используемых здесь и в (6,71, получены близкие общие результаты. Это относится к основным зависимостям возбуждения к ионизации водорода от физических условий в среде. Так, степень ионизации водорода, зависимости величины мензеловского мновителя Ь от параметров Лв и Тв, постепенность перехода к условиям ИР с ростом в практически совпадает с результатами [6}. Аналогичное утверждение относится и к сравнению с данными (71. Таким образ.ом, одним из результатов расчетов по.методике, используемой в диссертации, является то, что вероятностное рассмотрение возмохшо не только для движущейся, но и для неподвижной сред , с учетом того, что диффузия по частотам вызывается в нашем случае эффектом Доплера при многократных рассеяниях .

1 - 5 -

Но для репакия ряда задач, например, количественной интерпретации балькеровского декремента ¡8-103 необходимо отказаться от движущихся сред в случае малых градиентов скоростей двияения плазмы и нря?.*о рассматривать случай неподликкой средн. Дополнительно к рассмотрению [6] здесь учтено влияние знгянего фотосфераого излучения, что в рпдэ случаев сказалось на полученных результатах.

Возновность решения скстемк уравнений стацисчарносгн вместе с вероятностный рассмотрением проблем переноса излучения в лшшях яоззоляст осуществить а данной работе решение ряда астрофизических задач, связанных с вычислением абсолютных профилей линии Н для типичных параметров источника низкотемпературного излучения тяутс-ных солнечная и звезднык вспышек, звезднпх балздееровсяих декрементов вне и во время вслздок ¡фовестн ^следования связи яараизтров Н - профили с мощностью перввчяого энерговидеяения по зснкшхах 112,13].

Цель и задачк исследования

Настоящая работа лрадлряччта с целью построения метода репеяяя системы уравнений стационарности с приблквеянку. рассмотревшее переноса излучения з линиях с посяедушш применением этого метода для решения ряда астрофизических зэдг.Ч) связаншх с балыверо&ским излучением з хромосферах Солнца и звезд вне и ?о зрг»я венкнек в отсутствие ЛТР.

Необходимо было дать теоретически обоснованное рассмотрение вопроса о выходе фотонов вэ яепощатиоЯ, оптически толстой среде, найти методику пспользовспия результатов этого рассмотрения для определения хзшетнкя водородного атоха, учесть я необходимы»; случаях знепнга фотосферное нзлучегшэ. Зотд разработанвкй у.зто? реяе-ния уравнений стационарности с прлбккноизям ревеиием уравнений .переноса нокет использоваться для зкрского круга задач, з данной работе он прп«ех!яе,.'ся и хрокосферной конденсации, двикуцейся най едино«» целое в шпуль гной (жесткой) фазе вешзек, а гачпе к саокойк^1« «рс-хссферач зспнхизаящвх звезд,

Научная новизна

Научная новизна полученмьк в данной диссертации результатов определяется следующими полеганиями:

- Ь -

I. Впервые вычислена чистая радиационная, скобка URB в рамках вероятностного метода для неподвкнной среды. 2 Впервые для решения уравнения стационарности использован модифицированный метод Ньютона, воплощенный в методе WOHLINEAR, что позволило решать систему линейных уравнений с различающимися на несколько порядков величины коэффициентами, достаточно эффективно и без выхода ка ложные решений.

3. Впервые исследованы общие свойства плазмы для иеподвинной среды s большом интервале непрозрачности в резонансной линии от малых

с

до V = 10е, (Более ранние расчеты ограничивались величиной х ="*04 - 2D6).

L

et

4. С использованием результатов газодинамических расчетов впервые дана исчерпывающая интерпретация поведения профиля линии Н в ярких точках импульсной (несткой) фазы вспыиек. Выявлена тенденция к статистической связн между потоками энергии, нзлучаекой б И , и нагревающими хромосферу потоками частиц и тепла мз обяас-

CS %

тк первичного•энерговыделеиик во вспиаках.

Научная к практическая ценность

Метод решения системы уравнений стационарности с совместным зе-роятностнш рассмотрением системы уравнений переноса излучения в дк киях воплощен в программе, написанной на языке FORTRAN, легко коаег быть использован другими исследователями для решения больсого круга задач о кинетике атома водорода в условиях, отличных от ЛТР, в кепо движкой среде.

Статистическая связь меаду потоками энергии, излучаемой в Н , к нагревающими хромосферу потоками частиц и тепла, выявленная в рабе те, позволяет делать прогностические оценки полной энергии, выдели щейся из области первичного энерговыделения во вспышках по энергетике вторичных эффектов во вспышках.

Полокения, выносимые йа зациту

1. Метод решения системы уравнений стационарности для зосьмиуровнв-вого атома с континуумом. Этот метод включает в себя приближении рассмотрение проблемы переноса излучения в линиях с использованием вероятностного подхода для неподвижной среды.

. - 7 -

2. Результаты расчетов задачи кинетики водородного атома в атмосферах Солнца и поздних звезд с учетом и без учета влияния фотосфер-ного излучения для интервала непрозрачностей в центре резонансных линий от малых значений оптической толщи до значений порядка 10е.

3. Интерпретация профилей Н^ в импульсной фазе солнечных и звездных вспышек различной мощности, основанную на газодинамических расчетах вторичных процессов во вспышках. При этом выявлена тесная связь между интенсивностью и полушириной линии для импульсных событий. Показано, что характеристики профиля Н^ фактически определяются обцей энергетикой процесса.

4. Найдено, что при звездных вспышках бальмеровский декремент должен становиться более пологим По сравнению с вневспышечньш, Определены общие характеристики бальмеровского свечения звездных вспьшек при награьс: хромосферы электроники пучком.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались в ИЗМИРАНе на семинарах лаборатории голпогеофизи.кн, на конфереицич мало дых учетя ИПГ (2-я премия, 1987 г.), на 1А1Г Зшр, 137 (Бвргкан, 1989), на сехцж-"Физика солнечных геоэффективных процессов" научного совета РАН по проблеме "Физика солнечно-земных связей" (Астросовет, 1994),

Публикации

Основные результата диссертации опубликованы в 6 статьях, из них 5 работ выполнены с соавторами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 116 страниц, в том числе 15 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает в себя 59 наименований .

. : СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В<> введении сформулированы актуальность темы диссертации и основные задачи исследования, а также указаны основные положения, выносимые на защиту. Сделан обзор современных представлений и клас-

— ~ , .

сификаций солнечных вспкиек по наблюдениям в линии Б ив рентгеново

ском диапазоне 1 - 8 А .

В первой главе рассматривается актуальность задачи о возможности приближенного рассмотрения системы уравнений переноса в линиях совместно с реаеквек системы уравнений стационарности для 6-уровневого с континуумов атока водорода. Предлагается метод решения поставленной задачи, подробно рассматривается уравнение стационарности и обсуждаются процессы, учитывающиеся в данной постановке задачи. Описываются процесса, которые включаются в систему уравнений стационар-аостк длк дальнейшего учета внешнего фотосферного излучения. В конце главы обсукдаются границы возмопностей применения метода и делается вывод, что представленный метод позволяет быстро (по сравнению с непосредственными трудоемкими совместными решениями системы уравнении стационарности к переноса в линиях) проводить вычисления, причем сравнения с результатами вычислений других авторов и с наблюдениями «оказывают хороаее их согласие с результатами вычислений в диссертации.

Во второй главе реиается задача кинетики водородного атома б атмосферах Солнца и поздних звезд вне к во время вспышек. Эта задача рассматривается как одна из возможностей успешного проведения исследования в условиях солнечной и звездной хромосфер, отличных от ЛТР, с поколь» описанного вияе метода решения, воплощенного в программе на языке Р05ШШ(. Эта программа использует для реиения системы уравнений с различающимися на несколько порядков коэффициентами модифицированный метод Ньютона.

Обсуждение полученных результатов показывает широкие возможности применимости метода к задачам кинетики водородного атома в не-ЛТР условиях. Полученные результаты сравниваются с данными наблюдений & ранее выполненными расчетами других авторов. Приводится вычисление бальмеровсхих декрементов в атмосферах поздних звазд вне я во время вспышек и сравнение полученных результатов, с наблюдениями.

Б третьей главе рассматривается задача расчета интенсивности

водородных линий в астрофизической плазма. Подробно рассмотрен метод вычисления абсолютных иктенсивиостей в балькеровских линиях в низкотемпературной источнике излучения б солнечных и звездных вспышках. В вычислениях вспользувтся результаты газодинамических расчетов,^ полученные б {5,11] на основе современных представлений о сценарии развития процессов зо вспыиках. Далее ио методу, нзлоненноку в

Главе 1, проводятся вычисления заселениостэй уровней водородного атсма для рассчитанных в [5,111 низкотемпературных источников баль-меропского излучения и рассчитываются Н - профили. Полученные профили линии II сравииваится с наблюдениями к проводится обсуждение вопроса о том, что довольно часто крылья наблюдаемых дрофядей значительно вире, чем теоретически рассчитанные. Это, по-зидкигому связано с теми процессами ао зспышках, которые невозможно учесть з рамках представленной а данной работе задачи. Однако, следует отметить хорошее согласие с наблюдениями вычислений центральной части профиля линии Н .

Здесь такне проводятся рассмотрение связи параметров Н^ - профиля с мощностью первичного знергошделения во вспыяках и обсуждается возможность проведения оценки потока электронов в источнике первичного энерговыделентапо значениям параметров Н^ - профиля.

Отдельно рассматривается вопрос о центральной части Н -профиля, проводится модельный расчет параметров верхней части низкотемпературной конденсации. Оказывается, что градиент полной концентрации и градиент температуры верхней (граничащей с короной) части источника низкотемпературного излучения so аспыыяах полностью определяет форму центральной части профиля дизигс 8 , например, появление депрессии а центре или, наоборот, (гауссовой) формы профиля, что подтверждается наблюдениями.

В заключена?! излояены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Получен метод, позволяющий быстро к эффективно проводить решение системы уравнений стационарности совместно с приблипэнным рассмотрением уравнений переноса в линиях для неподвииной среды, учитывающий такае воздействие на среду внешнего поле излучения. Необходимость в таком учете возрастает при преобладании радаа-тивных процессов над ударными з источнике излучения.

2. Проведены расчеты кинетики водородного атома в хромосферах Солнца и звезд вне н во время вспышек, основанные на современных газодинамических расчетах параметров источника.иизкогекпературкого нзду- . чення, в иироком интервала кспрозрачкостей в центре резонансной лишш.

3. Проведены расчеты абсолютных профилей линии Н^.в импульсной фазе вспышек, и выявлена связь между интенсивностью и полушириной линии, а также показано, что характеристики профиля Ни определяются общей энергетикой процесса.

4. Рассчитаны бальмеровсиие декременты поздних звезд вне и во время вспышек. Отмечается, что бальмеровский декремент во время вспышек становится более пологим, чем вневспышечный.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях :

I, Бруевич E.Ä., Лившиц К.А. О центральной части профиля Н . // Сол-нгчяае Asaaiife. - 19В?. - Т. 2. - С, 87 - 90.

2 Вруевнн E.h., Кацоиа í¡."\, Лтинц И.й Кинетика во/ сродного атома. Случай учета Электронных столкновений. // Препринт ИЗМРАН - 1989. - К 80(271). • •

3. Бруевич S.A., Качена М.М., Ливииц U.A. Кинетика водородного атома в атмосферах Солнца и поздних звезд вне к во время вспышек, // Ас трон. «урн. - 1591. - Т. 6У. - С, 115-121.

4. Bruevích Е.А., Li%'shits H.A. // Flare stars in star clusters, associations and the solar vicinity. /Eds. L.V. Mirsoyan et al. Proc. I AU Sitap. К 137, Вигакап, Armenia: Kluer Acad. Publ.- 1990. - P, 317-319.

5. Бруевич E.A., Лившиц M.A. Кинетика водородного атома в атмосфераз Солнца и поздних звезд. // Астрой, журн. - 1993. - Т.70..- С. 10! 106 Ь

• 6,' Бруевич Е.А. Профиль линии Н по газодинамической модели солнеч-

се

ных вспышек. // Астрон. журн. - 1994. - Т. 71. - N 6 (в печати).

Цитируемая литература

1. Svestka Z. //Solar Flares. Dordrecht: D. Reidel Publ. Co., 1976. - 470 p.

2. Костюк Н.Д., Пикельнер С.Б. // Астрон. курн. - 1974. - Т.51. - С.1002.

3. Ishimoto К., Kurokavía Н. // Solar Phys. - 1984. - V. 93. - N.l

- i i -

-V. 105.'

4. Sakao Т. // Ргос.зуир. "Current, loop interaction in solar flares* /Ed.Sakai J.I. - Тоуака University Preas. - 1993, - РЛ07,

5. Бойко А.Я., Лившиц íLA. // Асгрон. ягурн. - 1995. (в печати).

6. Гериберг P.S., Шноль Э.Э. // Has. КрАО - 1974. ~ Т. 50. - С,122,

7. Гринин В.П., Натыяева H.A. // Изв. КрАО - 1980 .57. ~ С. 66, Б. Бруевич S.A., Кацова М.М., Лившиц H.A. // Астрой, яурн, - 1991.

- Т. 67. - С. 115.

9. Кацова H.H. // Асгрон. зурн. - 1910. - 7. 67. - С.1219,

10. Бруевич E.Ä., Коцова H.H., Лившиц Я.А. // Препринт ИЗМИРАН, ~

1939. -И 80(271).

11. LivsMfcs М.А., Badalyan O.G., Ko3ovichev A.G., Kafcsova И.М. //Solar Phys. - 1981. - ¥.73 - H.2. - P, 269.

12. Бруевич E.Ä., Лившиц H.A. // Астрон. нури, - 1993. -Т. 70. -С. 105'.

13. Бруевич S.A. // Астрон. яурн. ~ 1994. - Т. 6 (в печати).