Диагностика плазмы солнечной короны по наблюдаемому радиоизлучению тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

/ г,- Я С ОО -> /п / (

Российская академия наук Институт прикладной физики

На правах рукописи

Злотник Елена Яковлевна £7

......-........ ......... "

"С...

Диагностика плазмы солнечной короны по наблюдаемому радиоизлучению

Специальности 01.04.08 - физика и химия плазмы и 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород 1999

Содержание

Введение 5

1 Происхождение ¿-компоненты солнечного радиоизлучения и модель атмосферы над активной областью 25

1.1 Основные наблюдаемые характеристики типичных источников микроволнового излучения, связанных с солнечными пятнами . ........ 26

1.2 Модель источника, основанная на оптических измерениях: распределение магнитного поля, кинетической температуры и электронной концентрации по высоте и радиусу пятна ................... 30

1.3 Механизмы излучения тепловых электронов в магнитном поле солнечного пятна ................................... 31

1.3.1 Циклотронный механизм....................... 31

1.3.2 Тормозной механизм.......................... 38

1.4 Сопоставление ожидаемых характеристик радиоизлучения с результатами наблюдений ...............................42

1.5 Возможности диагностики физических условий в активной области на основании модельных расчетов........................ 50

1.6 Дополнительные детали модели активной области и механизмов излучения ¿-компоненты.............................. 53

1.6.1 Модель хромосферы активной области по данным о миллиметровом излучении........................... 53

1.6.2 О поляризационных особенностях ¿-компоненты..........62

1.6.3 О роли энергичных электронов и нетепловых механизмов в происхождении л-компоненты ...................... 67

1.7 Выводы..................................... 77

2 Интерпретация кольцевой структуры источника микроволнового из-

лучения NOAA 7789 (15 октября 1994 г.) и обнаружение плотной холодной плазмы в атмосфере активной области 79

2.1 Детальное описание источника, связанного с группой пятен NOAA 7789

15 октября 1994 г.. зарегистрированного VLA............... 81

2.2 Модель атмосферы над пятном ....................... 88

2.2.1 Аппроксимация магнитного поля .................. 88

2.2.2 Распределение кинетической температуры и электронной концентрации ............. ................... 91

2.2.3 Обсуждение результатов моделирования и вывод о присутствии плотной холодной плазмы над пятном ...............103

2.3 Выводы......................................113

3 Циклотронные линии в спектре микроволнового излучения активных областей и диагностика параметров корональной плазмы в активных областях 114

3.1 Теоретический анализ ожидаемой тонкой структуры спектра излучения из центров активности..........................117

3.1.1 Тонкая структура спектра в магнитном поле с максимумом в некоторой точке на луче зрения ...................117

3.1.2 Узкополосные детали типа линии в спектре теплового циклотронного излучения горячей корональной петли..........121

3.1.3 Спектральные особенности теплового циклотронного излучения нейтральных токовых слоев в солнечной короне..........132

3.2 Интерпретация наблюдений циклотронных линий.............142

3.2.1 Линия, обнаруженная антенной системой VLA [63]........143

3.2.2 Линия, зарегистрированная радиотелескопом РАТАН-600 [69,70]. 158

3.3 Выводы.....................................172

4 Генерация продольных волн на гармониках гирочастоты в неравновесной корональной плазме и восстановление физических условий в магнитных ловушках в солнечной короне 174

4.1 Циклотронная неустойчивость мод Бернштейна и плазменных волн в

гибридной полосе ...............................175

4.1.1 Моды Бернштейна в равновесной плазме..............175

4.1.2 Циклотронная неустойчивость мод Бернштейна..........180

4.1.3 Циклотронная неустойчивость в гибридной полосе........191

4.1.4 Нелинейное взаимодействие мод Бернштейна с плазменными волнами ...................................198

4.2 Интерпретация тонкой структуры динамических спектров солнечных радиовсплесков IV типа............................206

4.2.1 Явления типа "головастики".....................-09

4.2.2 Явления типа "зебра''.........................219

4.2.3 Цепочки 5-всплесков .........................233

4.3 Выводы.....................................239

5 Поляризация радиоизлучения на второй гармонике плазменной частоты во всплесках III типа и определение магнитных полей на трассе распространения электронных потоков в солнечной короне 241

5.1 Решение задачи о слиянии плазменных волн в электромагнитные в присутствии слабого магнитного поля ......................243

5.1.1 Общие соотношения..........................244

5.1.2 Свертка тензора нелинейной проводимости ............249

5.1.3 Плотность потока излучения и степень поляризации радиоизлучения на удвоенной плазменной частоте..............253

5.1.4 Сравнение с теориями других авторов...............256

5.2 Сопоставление с результатами наблюдений и определение магнитных полей в солнечной короне...........................261

5.3 Выводы.....................................264

6 Теория происхождения третьей гармоники во всплесках II и III типов и информация о физических параметрах излучающих частиц и корональной плазмы 265

6.1 Механизмы формирования третьей гармоники в рамках плазменного механизма излучения . .............................266

6.1.1 Слияние двух плазменных волн (¡1 + 1-2 1п)...........266

6.1.2 Слияние трех плазменных волн (¿1 + к + ¿з ¿ш)........269

6.1.3 Слияние электромагнитной волны на удвоенной плазменной частоте с плазменной волной (¿1 + к —У Ьп -Мз —> t[II)......272

6.2 Происхождение третьей гармоники во всплесках III-V типа ....... 276

6.2.1 Результаты наблюдений.......................276

6.2.2 Объяснение наблюдаемой интенсивности на основе процесса

tп + 1з Ъп..............................278

6.2.3 О возможной направленности излучения третьей гармоники и угловом спектре плазменных волн..................280

6.3 Происхождение третьей гармоники во всплесках II типа ........285

6.3.1 Результаты наблюдений.......................285

6.3.2 Анализ нелинейных механизмов, совместимых с условиями генерации всплесков II типа ......................290

6.4 Выводы.....................................301

Заключение 303

Литература 311

Введение

Быстрое развитие физики плазмы в течение последних десятилетий тесно связано с её успехами в лабораторных и космических исследованиях. Мощным стимулом в изучении искусственно созданной высокотемпературной плазмы служит стремление решить проблему управляемого термоядерного синтеза. Исследование плазмы в её естественном состоянии преследует другие цели: оно обусловлено прежде всего стремлением понять роль и значение электромагнитных процессов в космической плазме, определяющих состояние, динамику плазмы, условия движения и ускорения заряженных частиц, генерацию и распространение электромагнитных волн. Особое значение здесь имеет теория генерации и распространения волн в космической плазме, так как она служит основой теоретической радиоастрономии, изучающей физические процессы в источниках космического радиоизлучения. Эти источники, как правило, действуют в космической плазме, так как в состоянии плазмы находится большая часть видимого вещества во Вселенной (звёзды вместе с их атмосферами, магнитосферы планет, межзвёздная среда и т.п.)

Следует сказать, что связь теоретической радиоастрономии и физики космической плазмы имеет взаимный характер: если интерпретация наблюдаемого радиоизлучения внеземных источников невозможна без привлечения физики плазмы, то радиоастрономия, в свою очередь, ставит новые задачи, имеющие общий интерес для физики плазмы.

Яркой иллюстрацией этого положения является солнечная радиоастрономия и физика плазмы солнечной короны. Действительно, многие сведения о физических условиях и процессах в солнечной короне получены благодаря интерпретации солнечного радиоизлучения. Например, представление о радиоизлучении "спокойного" Солнца как тепловом тормозном излучении в корональной плазме вместе с данными оптических наблюдений позволило построить модели невозмущенной короны (т.е. судить о распределении температуры и плотности в солнечной атмосфере); гипотеза о генерации спорадического радиоизлучения Солнца когерентными механизмами мазерного

типа привела к выводу о неравновесном состоянии корональной плазмы в источнике этого излучения и о возбуждении волн вследствие неустойчивости этой плазмы; наконец, поляризованный характер некоторых компонент солнечного радиоизлучения позволил получить информацию о распределении и величине .магнитного поля в солнечной короне. В то же время именно с проблемой происхождения солнечного радиоизлучения (объяснением второй гармоники в радиовсплесках) были связаны постановка и решение задачи о комбинационном рассеянии плазменных волн [1], положившей начало широким исследованиям в физике плазмы по нелинейному взаимодействию волн.

Солнечное радиоизлучение отличается богатством явлений, отражающих сложность физических процессов в короне и хромосфере. Следует отметить, что на радиодиапазон приходится ничтожная доля полного потока энергии электромагнитного излучения. Возникающий в фотосфере постоянный поток энергии в видимой области спектра составляет по порядку величины 1038 эрг в сутки (и почти не зависит от солнечной активности). ')нергия, которая выделяется в радиодиапазоне спокойным Солнцем и активными областями (без учёта всплесков), составляет около 1025 эрг в сутки; примерно такая же энергия сосредоточена в радиоизлучении крупных всплесков. Таким образом, значение радиоизлучения Солнца состоит не в переносимой им энергии, а скорее в информации о физических процессах и условиях в источниках излучения.

Более того, эта информация относится к горячей ионизированной атмосфере Солнца, т.е. к той его части, которая прозрачна для светового излучения и до последнего времени была трудно доступна исследованиям в других частях спектра электромагнитных волн, кроме радиоволн. Поэтому с рождением и развитием солнечной радиоастрономии связан новый этап изучения короны. До выхода астрономических приборов в космическое пространство оптические наблюдения короны в наземных условиях были возможны только в редкие моменты солнечных затмений. Устранение рассеивающего влияния земной атмосферы для коронографов, установленных на космических аппаратах, а также получение изображений в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах (что невозможно с земной поверхности) привело к многим значительным открытиям в строении короны (упомянем, например, корональные петли и дыры). Однако радионаблюдения Солнца и получение на их основе информации о солнечной короне не потеряли своей значимости. Это связано, во-первых, с дешевизной наземных наблюдений, которые могут проводиться в течение длительных интервалов времени на антеннах с высоким пространственным разрешением, объединён-

ных с чувствительными приемниками с хорошими частотно-поляризационными характеристиками, а также с возможностью регистрировать радиоизлучение в широком диапазоне частот, что равносильно проникновению на разные уровни в короне. Некоторые измерения параметров короны (например, магнитных полей) и сейчас доступны только на радиоволнах. Естественно, что одновременные наблюдения в разных диапазонах электромагнитного излучения дополняют друг друга и приносят более ценную информацию о физических условиях и процессах излучения в короне.

Теория радиоизлучения Солнца в настоящее время достигла уровня, при котором многие компоненты излучения получили не только качественное, но и количественное объяснение (см. монографии [2-11], обзоры [12-16] и публикации трудов конференций [17-24]). 1 Для таких компонент (например, для медленно меняющегося микроволнового излучения, связанного с солнечными пятнами) дальнейшее развитие состоит в использовании полученных результатов наблюдений и теории для получения информации о процессах, происходящих в атмосфере Солнца, и физических параметрах областей излучения. Однако теория происхождения многих других составляющих спорадического излучения Солнца до сих пор не развита до такого уровня, при котором результаты теории можно было бы применить для восстановления физических условий в источниках. Совершенствование методов наблюдений и получение надежных данных о характеристиках таких компонент, а также решение задач физики плазмы, которые способствуют выяснению происхождения этих составляющих солнечного радиоизлучения, составляют задачу современной солнечной радиоастрономии.

Процедура диагностики физических условий в источниках определённых компонент радиоизлучения Солнца по наблюдаемым характеристикам этого радиоизлучения состоит из двух этапов:

1. проведение высококачественных наблюдений с возможно более высоким разрешением по времени, частоте и в пространстве;

2. построение теории явления, т.е. выбор механизма излучения и конструирование моделей источников, наилучшим образом объясняющих наблюдаемые характеристики, и восстановление на этой основе физических параметров и процессов в областях генерации радиоизлучения.

'Здесь и везде ниже приведены ссылки на источники, которые непосредственно использовались при выполнении работ, вошедших в диссертацию. Список литературы, приведённый в конце диссертации, не претендует на полноту отражения библиографии по солнечному радиоизлучению.

Второму этапу этой схемы, т.е. развитию теории солнечного радиоизлучения, посвящена диссертационная работа, цели которой можно сформулировать следующим образом:

1. Построение усреднённой модели атмосферы активной области, основанной на данных оптических наблюдений, расчёт в рамках такой модели ожидаемых характеристик микроволнового излучения и сравнение их с наблюдаемыми характеристиками ¿-компоненты.

2. Восстановление физических условий в атмосфере над солнечным пятном на основании модели, разработанной для источника микроволнового излучения с кольцевой структурой, зарегистрированного антенной системой VLA.

3. Анализ возможных разновидностей тонкой структуры в спектрах теплового циклотронного излучения активных областей на Солнце и диагностика физических параметров области генерации.

4. Исследование неустойчивости продольных волн на гармониках электронной ги-рочастоты и частоте верхнего гибридного резонанса в плазме солнечной короны и интерпретация тонкой структуры всплесков радиоизлучения метрового диапазона.

5. Решение задачи о слиянии плазменных волн в электромагнитные в магнитоак-тивной плазме солнечной короны и объяснение поляризационных свойств солнечных радиовсплесков III типа.

6. Определение и анализ нелинейных механизмов, ответственных за появление солнечного радиоизлучения на утроенной плазменной частоте.

Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные достижения:

1. Разработана первая количественная модель источника .s-компоненты солнечного радиоизлучения, связанного с магнитным полем пятна.

2. Доказано существование плотной холодной материи в атмосфере над пятном на основании VLA наблюдений микроволнового источника с кольцевой структурой и модельных расчетов.

3. Предсказано существование циклотронных линий в спектре микроволнового излучения активных областей на Солнце; дана интерпретация двух обнаруженных линий и определены физические условия в горячей корональной петле.

4. Построена линейная теория неустойчивости мод Бернштейна и плазменных волн в гибридной полосе в неравновесной корональной плазме, на основании которой предложена интерпретация тонкой структуры типа "зебра", "головастики" и цепочек

¿"-всплесков во всплесках метрового диапазона.

5. Рассчитаны вероятности слияния двух плазменных волн (а также мод Берн-штейна с плазменными волнами) в электромагнитное излучение в слабо анизотропной корональной плазме; предложена интерпретация данных наблюдений поляризованного излучения второй гармоники во всплесках III типа и "зебра"-структуры.

6. Показано, что причиной появления третьей гармоники в спектрах солнечных радиовсплесков являются нелинейные процессы слияния плазменных волн с электромагнитными на удвоенной плазменной частоте или слияния трёх плазменных волн.

Научное и практическое значение диссертации определяется следующими обстоятельствами.

Интерес к исследованию Солнца вообще связан прежде всего с сознанием физической зависимости от солнечной энергии и стремлением узнать источники этой энергии, а также определить влияние солнечной радиации на Землю. С практической точки зрения, от физики Солнца требуется умение описать многообразие воздействия солнечного излучения на условия в атмосфере и магнитосфере Земли при изменении фазы цикла солнечной активности, в частности, последствия солнечной вспышки - сложного комплекса явлений в атмосфере активной области на Солнце, приводящего к быстрому энерговыделению в небольшой области, ускорению частиц, выбросу плазменных образований, возмущению магнитного поля в околосолнечном пространстве. Более того, тот крупный сдвиг, который произошел в исследовании и использовании космического пространства, требует от науки о Солнце умения пре