Электродинамические процессы в атмосфере Солнца тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Щ

МОСКОВСКИ!! ГОСУДАРСТВЕННЫ!! УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ГОСУДАРСТВЕННЫ!! АСТРОНОМИЧЕСКИ!! ИНСТИТУТ им. П. К. 1НТЕРНВЕРГА

На правах рукописи УДК 523.У8

ЛИТВИНЕНКО Юрпн Эдуардович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА

Специальность 01.03.02 — Астрофизики, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Государственном Астрономическом институте им. П. К. Штернберга МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических паук, профессор Б. 13. СОМОВ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А. В. ГЕТЛИНГ, кандидат физпко-шатематичеаких наук А. М. УРНОВ

Ведущая организация: Физнко-тсхшхчссциш институт имени А. Ф. Иоффе РАН.

Защита диссертации состоится «.../.£....»......................1994 г.

в .Ж... ■tac. ...O.Q.. мин. на заседании Специализированного совета Д 053.03.51.

Адрес: 119899, Москва, В-234, Университетский проспект, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Астрономического института МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «....... .....O.S....... ..1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат физико-математических наук

JI. II. БОНДАРЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Активные явления солнечной атмосферы — вспышки, яркие точки, спикулы, эруптивные протуберанцы, короналъные выбросы массы — давно интересуют наблюдателей и теоретиков. Особое внимание привлекают вспышки, как наиболее яркое проявление солнечной активности. Вспышечное выделение энергии в нижней короне Солнца (до « 10м эрг за 103 секунд) сопровождается нагревом плазмы до высоких температур, мощными гидродинамическими течениями и выбросами плазмы, усилением излучения во всем диапазоне от радиоволн до жесткого рентгена и гамма-излучения, импульсным ускорением солнечных космических лучей. Вспышки влияют на атмосферу и биосферу Земли, а потому интересны не только астрономам и физикам, но и медикам, биологам, специалистам по энергетике и связи.

Явлениям солнечной активности аналогичны многочисленные взрывообразные процессы во Вселенной, такие как бури в магнитосферах Земли и других планет, звездные вспышки и активность галактических ядер. Понимание природы этих своеобразных 'электродинамических взрывов' может быть достигнуто с помощью изучения вспышек и других активных явлений па Солнце, гораздо более доступных всестороннему исследованию.

Между тем, огромный поток наблюдательных данных пока еще не привел к полному пониманию природы и механизма вспышек. Дело в том, что современные наблюдения не достаточно точпы, чтобы исследовать процесс первичного внерговыделения в солнечных вспышках. В то же время, существующие модели вторичных (наблюдаемых) эффектов содержат ряд параметров (например, температура, уровень турбулентности, электрическое поле), численные значения которых выбираются в различных моделях, фактически, произвольно.

Источником энергии вспышек является магнитное поле, избыточная энергия которого, по-видимому, обусловлена токовыми слоями (ТС), формирующимися в атмосфере Солнца в результате движения вещества. В результате происходящего в ТС пересоединения магнитных силовых линий меняется топология магнитного поля, что сопровождается переходом его энергии в тепло, излучение, энергию магнитогидродинамических течений и ускоренных частиц.

Понимание солнечных вспышек и аналогичных им явлений возможно лишь после построения единой теории первичного энерговыделения и вторичных эффектов, а также связанных со вспышками процессов в активных областях, таких как спикулы, протуберанцы и корональные транзиенты. При этом магнитное пересоединение есть основной физический процесс, определяющий специфику всех этих явлений. Необходимое условие правильности теории состоит в её самосогласованности: все вторичные эффекты должны однозначно определяться моделью первичного эверго-выделения, что позволяет провести её наблюдательную проверку.

Целью работы является построение теории указанного типа для некоторых явлений в плазме активных областей солнечной атмосферы. Основное-внимание уделено процессам во вспышках. В диссертации рассмотрены следующие процессы:

1. потоки пдячч" в солнечную корону как следствие магнитного вересоедиыеыия в области температурного минимума хромосферы;

2. генерация вихревых течений в корове вепотешщальной составляющей силы Лоренца;

3. первая фаза ускорения электронов во вспышках, во время которой ю 10* частиц ускоряются до энергии « 100 кэВ;

4. регулярный и хаотический режимы вспышечных радиовсплесков;

5. жесткое рентгеновское излучение вспышек.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Рассмотрение волновых процессов, связанных с генерацией в короне электрических токов.

2. Постановка и решение задачи о характеристиках области магнитного пересоединения в фотосфере и хромосфере. Расчет потока вещества в корону через пересоединяющий ТС.

3. Исследование эффекта электромагнитного выталкивания — МГД-аналога силы Архимеда — в условиях космической плазмы. Вывод формулы для выталкивающей силы в пределе больших магнитных чисел Рейнольдса. Рассмотрение нового механизма равновесия протуберанцев, основанного на электромагнитном выталкивании.

4. Построение модели для первой фазы ускорения электронов в солнечных вспышках, происходящего вследствие преобразования энергии магнитного поля в энергию ускоренных частиц в высокотемпературных турбулентных токовых слоях. Решение кинетического уравнения для определения спектра нетепловых электронов в ТС. Определение максимальной энергии ускоряемых частиц на основе интегрирования их уравнений движения. Вывод критерия, определяющего степень хаотичности движения заряженной частицы в ТС через структуру магнитного поля в слое.

5. Решение кинетического уравнения, описывающего ускоренные электроны солнечных вспышек в модели толстой мишени с обратным током. Расчет самосогласованного электрического ноля обратного тока. Вычисление поляризации нетеплового тормозного излучения ускоренных электронов во вспышках.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Магнитное пересоединение происходит в области темпераг турного минимума со скоростью, налагаемой сходящимися течениями слабоионизованной фотосферной плазмы. Поток холодного хромосферного вещества в корону достаточен для формирования крупного протуберанца за несколько часов. Сила электромагнитного выталкивания способна генерировать быстрые вихревые течения в окрестности протуберанца и уравновешивать действующую па него силу тяжести.

2. Первая фаза ускорения электронов во время солнечных вспышек происходит в токовых слоях, формирующихся в нижней короне. Спектр, максимальная энергия и темп ускорения однозначно определяются характеристиками области пересоединения, в частности, величиной и направлением магнитного поля в слое. Движение частиц в слое может быть как регулярным, так и хаотическим, в зависимости от относительной величины компонент магнитного поля вдоль.и поперек слоя.

3. Корректный расчет характеристик жесткого рентгеновского излучения вспышек требует учета влияния кулоновских столкно-' вений и электрического ноля обратного тока на эволюцию распределения нетепловых электронов во вспышечной петле. При этом функция распределения может оказаться практически изотропной, а поляризация тормозного рентгеновского излучения близкой к нулю.

Научно-практическая значимость работы. Полученные результаты могут использоваться при построении единой теоретической картины физических процессов в активных областях солнечной атмосферы. Возможны также приложения к теории аналогичных процессов во Вселенной, таких как магнитосферные суббури, звездные вспышки и активность галактических ядер.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 11 научных статьях.

Апробация работы. Результаты работы неоднократно обсуждались на семинаре 'Космическая электродинамика, и физика Солнца' (ГАИШ МГУ), а также докладывались на VIII всесоюзном семинаре 'Физика солнечной плазмы' (Ленинград, 30 октября-4 ноября 1989 года) и на конференции 'Physics of Solar and Stellar Coronae: G. S. Vaiana Memorial Symposium' (Палермо, Италия, 22-26 июня 1992 года)

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из семи глав, изложена на 124 страницах, содержит 5 рисунков и 1 таблицу. Библиография Содержит 132 названия. "

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и кратко описано современное состояние проблемы. Обозначена цель работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе показано, что корректное применение интегрального условия равновесия допускает наличие крупномас- ■ штабных электрических токов в атмосфере Солнца. Энергия электрических токов в короне, генерируемых фотосферными течениями плазмы, достаточно велика для объяснения вспышечпой активности на Солнце как результата пер есоеднпения'магнитных силовых линий в токовых слоях.

Во второй главе исследован процесс магнитного пересоединения в хромосфере и фотосфере, где, в отличие от корональных условий, эффективность пересоедйнеИия определяется не возбуждением плазменной турбулентности, а малой классической проводимостью плазмы. Установлено, что:течения слабоиопизован-ной плазмы от центра к крага конвективных ячеек формируют пересоёдиняющие ТС- Эффективность пересоединения наиболее высока в области температурного минимума между фотосферой и хромосферой. Одно из следствий существования хромосфсрпо-

го ТС — большой поток холодного хромосферного. вещества через слой вверх « 1011 - 10" г/с), поставляющий материал для формирования крупного протуберанца в нижней короне за время порядка нескольких часов.

В третьей главе рассмотрен магнитогидродинамический аналог силы Архимеда — сила электромагнитного выталкивания. •Сила тяжести в солнечных протуберанцах может уравновешиваться электромагнитным выталкиванием. Магнитогидродина-мическая сила Архимеда генерирует быстрые (со скоростями порядка нескольких десятков км/с) вихревые течения плазмы в окрестности протуберанцев и внутри них. Эффект электромагнитного выталкивания, совместно с традиционными механизмами, позволяет лучше понять динамику спокойных и эруптивных •.протуберанцев.

В главах с четвертой по шестую рассмотрена первая фаза ускорения электронов в солнечных вспышках. Предполагается, что она происходит в пересоединяющих ТС. Показано (глава 4), что нетепловой спектр частиц с показателем спектра у « 2 — 5 формируется вследствие ускорения электрическим полем и рассеяния иошю-звуковой турбулентностью. Импульсное ускорение до релятивистских энергий имеет место при разрыве ТС. Общей причиной различных процессов генерации быстрых частиц во вспышках служит диссипация магнитной энергии в области пересоединения.

В главе 5 ускорение частиц исследовано путем непосредствен-' ного интегрирования уравнений движения. Эффективность первой фазы ускорения определяется структурой магнитного поля в ТС, в частности, величиной продольного (параллельного электрическому полю внутри ТС) магнитного поля. Оценки показывают, что при благоприятных условиях электроны приобретают энергию порядка 100 кэВ за 10~3 с»

Наконец, в главе б изучены свойства динамического хаоса при движении частиц в ТС, Показано, что регулярный и хаотический режимы движения электронов в ТС, наблюдаемые в различных вспышках, являются следствием различий в относительной величине поперечной (перпендикулярной к плоскости ТС) и продольной компонент магнитного поля в слое.

»

В седьмой главе вычислена поляризация нетеплового жесткого рентгеновского излучения вспышек в модели с обратным током. Характеристики жесткого рентгеновского излучения вспышек определяются не только начальным распределением ускоренных электронов в источнике (т.е. в токовом слое), ио и последу- ' юшей эволюцией функции распределения во вспышечной петле. ' Совместное действие электрического поля обратного тока и куло-новских столкновений быстрых электронов с частицами окружающей холодной плазмы приводит к изотропизащш функции распре* делеши электронов. Как следствие этого, поляризация тормозного излучения, генерируемого ускоренными электронами, уменьшается до нескольких процентов. . •

В заключении перечислены основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

Материалы диссертации опубликованы в следующих статьях.

1. Литвиненко Ю. Э., Сомов Б. В. Ускоренные электроны и жесткое рентгеновское излучение солнечной вспышки в модели с обратным током // Астрон. Журн. 1990. 67, N 4. С. 837-844.

2. Литвиненко Ю. Э., Сомов Б.- В. Энергия и равновесие электрических токов в атмосфере Солнца // Кинематика и физика небесных тел. 1991. 7, N 1. С. 21-29. .

3. Литвиненко Ю. Э., Сомов В. В. Солнечные вспышки и теорема вириала // Астрон. Журн. 1991. 68, N 2. С. 373-383.

. 4. Литвиненко Ю. Э., Сомов Б. В. Об ускорении электронов в токовых слоях солнечных вспышек // Письма в. Астрон. Журн.

1991. 17, N 9. С. 835-840.

5. Литвиненко Ю. Э., Сомов Б. В. Электромагнитное выталкивание — возможный механизм равновесия протуберанцев // Письма в Астрон. Журн. 1993. 19, N 1. С. 65-72.

6. Литвиненко Ю. Э., Сомов Б. В. Ускорение электронов в не-нейтральных турбулентных токовых слоях на Солнце // Кинематика и физика небесных тел. 1993. 9, N 3. С. 33-40.

7. Литвиненко Ю. Э., Сомов Б. В. О магнитном пересоединении на Солнце в области температурного минимума // Письма в Астрон. Журн. 1994. 20; N 3.

8. Litvinenko Yu. Е. Regular versus chaotic motion of charged particles in non-neutral current sheets // Solar Phys. 1993. 147, N 2. P. 337-342.

9. Litvinenko Yu. E., Somov В. V. Nonthermal electrons in the thick-target reverse-current model for hard X-ray bremsstrahlung // Solar Phys. 1991. 131, N 2. P. 319-336.

10. Litvinenko Yii. E., Somov В. V. Particle acceleration in reconnecting current sheets // Solar Phys. 1993. 146, N 1. P. 127-133.

11. Somov В. V., Litvinenko Yu. E. Magnetic reconnection and particle acceleration in the solar corona // Physics of Solar and Stellar Coronae: G. S. Vaiana Memorial Symposium (eds. J. F. Linsky and S. Serio). Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 1993. P. 603-606.

Личное участие автора. В совместных статьях автор принимал равноправное участие в постановке задач. Конкретные расчеты проводились автором лично.