Генерация радиоизлучения электронными потоками и ударными волнами в солнечной атмосфере тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИИ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

ЦСТИТУТ со

РГБ ОД

2 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

Леденев Владимир Георгиевич

УДК 523.98

ГЕНЕРАЦИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПОТОКАМИ И УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ В СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЕ

Специальность:

01.03.03 - гелиофизика и физика солнечно:7, системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Иркутск - 1998

Работа выполнена в Ордэна Трудового Красного Знамени Институте солнечно-земной физики СО РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Степанов A.B.

(ГАО РАН, г. Санкт-Петербург) доктор физико-математических наук Ееелевич В.Г.

(Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск) доктор физико-математических наук,

профессор Власов В.Г. (Иркутский технический университет)

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосфера и распространения радиоволн РАН, г. Москва.

Зашита состоится "__"ho^^jlL 1996г. в____часов на заседании специализированного Совета Д.003.24.01 Института солнечно-земной физики СО РАН: 664033, Иркутск, а/я 4026, ИСЗФ СО РАН.

С диссертацией_можно ознакомитьел в библиотеке ИСЗФ СО РАН.

Автореферат рг^зослан

Ученый секретарь Совета к.ф.-м.н.

А.И.Галкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Солнце представляет собой сложный астрофизический объект, требующий комплексного подхода для его исследования. В частности, уже более пятидесяти лет ведутся исследования радиоизлучения Солнца. Эти исследования дают уникальный наблюдательный материал о солнечной короне, особенно в дециметровом и метровом диапазонах волн, где радиометоды являются наиболее информативными. Наибольший интерес при этом представляют кратковременные (от долей секунды до нескольких часов) повышения потока солнечного радиоизлучения (всплески), которые, как правило, связаны со вспышками - взрыаными явлениями в солнечной атмосфере и несут информацию как о процессах, происходящих в области вспышки, так и о параметрах среды в области, откуда выходит радиоизлучение. А поскольку вспышки вызывают различные геофизические эффекты (магнитные и ионосферные бури, полярные сияния и т.д.), то изучение связанных с ними радиовсплесков имеет не только общефизическое| но и. прикладное значение (в частности для прогнозов нарушения радиосвязи, для прогнозирования радиационной обстановки в космосе и для многих других проявлений солнечно-земных связей). Кроме того не следует забывать, что солнечная корона представляет собой гигантскую природную лабораторию, где можно наблюдать процессы, которые трудно, а зачастую и невозможно, смоделировать в плазменных экспериментальных установках на Земле.

Изучению природы всплесков радиоизлучения Согчца посвящено большое количество работ. Выявлено большое разнообразие явлений. Известны все основные механизмы генерации радиоизлучения. Разрабг лан ряд моделей для различных видов солнечного радиоизлучения. Однако далеко не все модели дают удовлетворительное объяснение наблюдательных данных. Например, модели, связывающие всплески II типа метрового диапазона с ударными волнами, не дают, на наш взгляд, достаточно убедительного объяснения' тому факту, что излучение является узкополосным. Трудно объяснить в рамках этих моделей и взаимное расположение гармонических компонент излучения. Эта же трудность встречается и при интерпретации всплесков III типа. Ряд трудностей возникает при интерпретации узкополосных кратковременных всплесков типа "спайк". До сих пор дискутируется вопрос, на каких уровнях в солнечной атмосфе-

ре формируются потоки электронов, генерирующие всплески III типа и всплески типа "спайк", и как они распространяются .

В то же время научные достижения последних лет в магнитной гидродинамике, физике плазмы и в теории распространения электромагнитного излучения в плазме позволяют, на наш взгляд, при наличии достаточно полного наблюдательного материала делать достаточно достоверные выводы о механизмах генерации радиовсплесков и строить более адекватные модели явлений в солнечной атмосфере. Поэтому в наше время особую актуальность приобретают работы, в которых не только предлагается какой-то новый механизм радиоизлучения, но и проводится детальное сопоставление с наблюдательными данными и, более того, предсказываются новые эффекты, которые могут быть обнаружены при соответствующем совершенствовании методики наблюдений.

Цель работы. Диссертация посвящена решению следующих проблем:

процесс распространения электронных потоков малой плотности в солнечной короне,

- генерация всплесков радиоизлучения Солнца III типа и всплесков типа "спайк" электронными пучками на циклотронных гармониках,

- генерация всплесков радиоизлучения II типа в магнитных ловушках (арках) в солнечной короне,

- структура ударных волн, распространяющихся в плазме солнечной короны,

- генерация радиоизлучения во фронтах ударных волн в солнечном ветре.

Научная новизна. В данной работе получены следующие новые результаты.

1. Найдено решение системы уравнений, описывающей взаимодействие потока энергичных электронов малой плотности с холодной основной плазмой в случае быстрого энерговыделения в области конечных размеров. Это решение дает функцию распределения горячих электронов в каждый момент времени в каждой точке пространства и описывает процесс распространения электронов, генерирующих, всплески радиоизлучения Солнца III типа.

2. Впервые показано, что основной тон всплесков III типа может генерироваться мазерным механизмом на высоких циклотронных гармониках.

3. Показано, что электронный пучок в достаточно сильном магнитном поле может непосредственно генерировать электромагнитное излучение на циклотронных гармониках с но-

[ером s > 2. Это позволило объяснить спектральные харак-'еристики групп всплесков радиоизлучения Солнца типа

спайк".

. В квазилинейном приближении решена задача о стацис-tapnoM режиме конусной неустойчивости плазменных волн, в ■агнитной ловушке (арке) на циклотронных гармониках. На icHose этого результата объяснены некоторые характери-:тики всплесков радиоизлучения Солнца XI типа, fie полу-гившие объяснения в рамках прежних моделей.

Исследована стоуктура сильной газодинамической и ква-тполеречной МГД ударных волн в плазме. Показано, что >ажную роль в формировании потоков энергичных частиц и 'енерации радиоизлучения играет бесстолкновительный ска-юк плотности во фронте ударной волны, соответствующий (елинейной ионно-звуковой волне.

•Научное и практическое значение работы. .. Выполненное нами аналитическое исследование процесса заспространения электронных потоков в солнечной короне юзволяет проследить эволюцию функции распределения шектронов во времени и пространстве и показать иозмож-юсть их распространения на большие расстояния (вплоть Ю орбиты Земли и дальше) без существенной релаксации. !. Мазерный механизм, предложенный интерпретации

¡сплесков радиоизлучения Солнца III типа, позволил объ-¡снить взаимное расположение источников гармонических гомпонент всплесков III типа. Использование этого меха-тзма дает возможность более корректно оценивать пара-!етры среды в области излучения.

t. Результаты расчета линейного режима возбуждения >лектромагнитных волн элёктронным пучком в магнитном noie позволили объяснить' спектральные характеристики групп ^плесков типа "спайк" дециметрового диапазона. В свою >чередь эти характеристики позволяют оценить величину и эаспределение магнитного п.ля в областях излучения ¡сплесков.

I. Исследование стационарного режима конусной неустойчи-зости плазменных волн в магнитной арке показало, что в условиях солнечной короны может генерироваться узкопо-юсное излучение с параметрами характерными для вслле-жов радиоизлучения Солнца II типа. Это означает, что 1араметры среды в- области излучения всплесков II типа югут существенно отличаться от оценок, полученных по прежним моделям.

Исследование структуры МГД ударных волн, распространившихся в короне и солнечном ветре показало, что наибо-тее благоприятные условия для генер;зции потоков энергич-

ных частиц и радиоизлучения реализуются в квазипопере1 ных ударных волнах в интервале магнитных чисел Маха 2 < М < 4.5.

Апробация результатов. Результаты, изложенные диссертации, были представлены на Всесоюзных конференш ях по радиофизическим исследованиям солнечной систе! (Звенигород, 1984; Симферополь, 3,988), совещаниях секц] * Радиоизлучение Солнца" (Киев, 1987; Пущино, 1990), Не) дународном совещании по программе Года солнечного макс! мума (Иркутск, 1985), семинарах рабочих rpyi "Специальные теоретические и экспериментальные исследс вания солнечной плазмы" (Ленинград, 1989] "Фрагментарное выделение энергии на Солнце и звезда; (Утрехт, Голландия, 19УЗ), 26 совещании Объединенной o¡ ганизации солнечных обсерваторий (Триест, Италия, 1994) 27 радиоастрономической конференции "Проблемы совреме> ной радиоастрономии" (Санкт-Петербург, 1997),

Структура и объем диссертации. Диссертация состор из введения, четырех х^ав и заключения. Объем составляв 192 стр., из которых 147 стр. основного текста, 32 p^ сунка. Список лите^-'туры содержит 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель диссертационной рг боты, обоснована актуальность темы, кратко изложено сс держание диссертации и приведены основные научные поле жения, выносимые на защиту.

В главе 1 анализируется процесс распространения пс тока энергичных электронов малой плотности в плазме coi нечной короны. Задача сводится к решению системы уравне ний одномерных по пространственной координате, в котору входят газодиналмические уравнения, описывающие холодну фоновую плазму, и кинетическое уравнение без столкнови тельного члена, описывающее поток горячих электроне (Иванов A.A., Козоровицкий Л.Л., Русанов В.Д. , 196S ДАН, 184, 811). Предполагается, что происходит быстра энерговыделение в пространственно ограниченной области При такой постановке задачи вид функции распределена горячих электронов определяется двумя факторами - кине матическим эффектом разбегания электронов с разными скс ростями и электрическим полем, возникающим при убегани горячих электронов из области энерговыделения, за сче чего возникает встречный нейтрализующий поток холодны электронов.

Путем исключения ряда переменных в предположении гчка малой плотности система сводится к одному диффе-шциальному уравнению в частных производных первого по-адка. Асимптотическое решение этого уравнения на боль-IX расстояниях от области нагрева имеет простой вид:

V

v,x,t)=Ajvnexp[- (Vo-x/t)2/ (L2/t2) ] f(V0)dV0, (1)

о

ie A - постоянная, v - скорость электронов, к - рас-гояние от области энерговыделения, t - время, L - раз-5р области энерговыделения, f(V0) - функция распределе-1Я электронов в области энерговыделения.

Из формулы (1) видно, что распределение плотности тектронов в пространстве в любой момент времени имеет аксимум, даже если функция распределения в области 1ерговыделения не имеет направленной скорости 1апример, является максвелловской), т.е. происходит /нчировка частиц в пространстве. Этот эффект обусловлен ;корением наиболее медленных частиц в электрическом по-2, создаваемом встречным нейтрализующим потоком холодах электронов.

Кроме того из формулы (1) путем интегрирования по <оростям можно получить распределение плотности энер-1ЧНЫХ электронов во времени и пространстве n(x,t). На-эимер, если f(V0) является максвелловской функцией, то з временах много больших времени энерговыделения имеем

n(x, t)=B(x/t2)exp[-x7(AvrV], (2)

де В - постоянная, hv - тепл-вой разброс функции рас-ределения электронов в области энерговыделения, Выраже-ie (2) в значительной1степени определяет временной про-4ль всплесков радиоизлучения, генерируемых потоком тектронов.

Из формулы (1) также еле ,ует, что функция распреде-эния электронов непрерывно меняется во времени и ipo-гранстве, что связано с разделением в пространстве час--1ц, имеющих разные начальные скорости. Это означает, го плазменные волны, возбуждаемые пучком, будут быстро входить из резонанса с частицами, что в свою, очередь значает, что поток электронов стабилизируется при суще-гвенно более высоких плотностях, нежели в случае потока инородного во времени и пространстве. Эффективность ге--эрации плазменных волн и обратного воздействия волн на /нкцию распределения электронов определяется соотноше-чем времени нарастания волн t3 ~ по/п^со^ (здесь ns -аотность электронов, взаимодействующих с волнами, п0 -

плотность основной.плазмы, соре - электронная плазменная частота), времени взаимодействия воин с частицами tlnt ~ L / v, (здесь vs - скорость электронов, взаимодействующих с волнами) и времени квазилинейной релаксации trei ~ 40 ta. Если t5 > t^t I волны вообще не возбуждаются и электроны распространяются без потери энергии. Если t3 < tmt < ttei , волны возбуждаются, но пучок не успевает ре-лаксировать. Если же trei < tint , то происходит квазилинейная релаксация пучка, т.е. образуется плато на функции распределения электронов. Оценки показывают, что в условиях короны релаксация может быть несущественной вплоть до плотностей пучка ns/nc ~ 1СГ5. Такие стабилизированные пучки кроме плазменных волн могут эффективно генэрировать электромагнитное излучение на циклотронных гармониках (мазерный механизм).

В главе II исследуется мазерный механизм генерации электромагнитных волн электронным пучком, движущимся в магнитоактизиой плазме при условии cohe > wfe . Это условие может реализоваться в активных областях солнечной короны, где генерируются всплески радиоизлучения Солнца в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Вычислен линейный инкремент нарастания электромагнитных волн для функции распределения пучка вида

f«(1 / (2 п)3' 2а||ах2) е.чр [ - (р„ -рй0)г / а,(г - Рлг / ахг ] , (3) где рц, pj. - продольная и поперечная по отношению к магнитному полю компоненты импульса электрона, рй0 - импульс, определяемый продольной направленной скоростью пучка, «ц, - продольный и поперечный разброс по импульсам.

Обычно предполагается, что мазерный механизм реализуется, если в плазме формируется функция распределения с неравновесностью по поперечным скоростям, например, функция, с конусом потерь. Для формирования такой функции необходимо либо иметь магнитную конфигурацию типа адиабатической-магнитной ловушки, либо накладывать дополнительные условля на функцию, формирующуюся в результате локального нагрева. Функция вида (3) является более естественной, поскольку, как показано в главе I, именно такая функция распределения формируется, на достаточно больших расстояниях от области энерговыделения даже если в самой этой области функция распределения не имеет направленной скорости. Кроме того использование такой функции позволяет получить качественно новые результаты,

позволяющие объяснить наблюдательные данные, не имевшие ранее объяснения.

Электромагнитные волны возбуждаются при выполнении резонансного условия тю = smocohe + к^рц, где т0 - масса покоя электрона, m = m0(l- v2/c2)~!/ - релятивистская масса электрона, s - номер циклотронной гармоники, o)lie -электронная циклотронная частота, v - скорость электрона, с - скорость света, кц - продольная компонента волнового вектора. Из этого условия следует, что при заданных параметрах среды, заданной частоте и направлении распространения волны на данной циклотронной гармонике компоненты скорости частиц, удовлетворяющих условию циклотронного резонанса, определяются однозначно. Инкремент нарастания электромагнитных волн в свою очередь определяется производной df/Эр вдоль резонансной кривой. При определенных значениях параметров среды и для волн с определенными параметрами на данной циклотронной гармонике эта производная будет иметь преимущественно положительные значения и соответственно эти волны будут нарастать.

Расчеты показывают, что если функция распределения электронов имеет вид (3), то возбуждается необыкновенная мода на циклотронных гармониках, начиная со второй и выше. При этом если cone>wpa, то возбуждается главным образом вторая гармоника, а при уменьшении магнитного поля максимум инкремента смещается в сторону более высоких х'армоник, но величина инкремента при этом уменьшается. Наиболее эффективно нарастают волны, распространяющиеся под углом ~ 60 0 по отношению к магнитному' полю, причем этот угол практически не' зависит от номера циклотронной гармоники. Отсюда следует, что излучаться буду только те волны, которые имеют достаточно высокий инкремент к успевают усилиться до достаточно высокого уровня, прежде чем выйдут за пределы пучка. Например, если излучение генерируется на частоте со ~ 109 сек"1, то при относительной плотности пучка ~ 10~5 инкремент нарастания волн на второй или третьей циклотронных гармониках у ~ 103 сек" Это значит, что для эффективной генерации поперечное сечение пучка должно быть больше 10'' см.

Следует отметить, что гот же пучок будет возбуждать и плазменные волны. Однако даже в том случае, когда существенна квазилинейная релаксация, электромагнитные волны могут беспрепятственно нарастать в головной части потока, не успевающей релаксировать.

Результаты расчетов согласуются с наблюдениями так называемых '"спайков" - узкополосных кратковременных {< 0.1 сек) всплесков радиоизлучения Солнца. Наблюдения (Gudel М.: 1990, Astion. Astrophys., 239, LI - L4.) по-кззывают, что полосы излучения групп "спайкоь" идентифицируются с излучением гармоник с отношением частот 2:3, 3:4, 2:3:4, 3:4:5, т.е. в соответствии с расчетами излучаются гармоники, начиная со второй и выше. Однако т>акие празяльные соотношения между частотами излучения групп "спайков" могут наблюдаться только в случае почти постоянного магнитного поля на масштабе изменения плотности, что бывает далеко не всегда. Б белее типичных ситуациях при переходе излучения с одной циклотронной гармоники на другую магнитное поле существенно меняется. Поэтому отношение частот циклотронных гармоник ь общем случае не будет равно отношению целых чисел, причем частоты сосед-чих полос должны быть ближе друг к другу, нежели в случае псстоянногс магнитного поля. Чаще всего должны наблюдаться две гармоники, имеющие наивысший инкремент, т.е. вторая и третья или третья и четвертая гармоники. Отношения их частот 3:2 или 1.5 и 4:3 или 1.33. Поэтому отношение частот, получаемое путем усреднения большого количества всплесков, должно лежать между этими значениями. Действительно, согласно наблюдениям (Krucker S., Benz А.О.; 1994, Astron. Ästrophys., 235, 1С38) это отношение равно 1.39, т.е. не противоречит полученным выше результатам.

Таким образом, если магнитное поле меняется медленнее, нежели плотность, то наблюдается излучение на ряде циклотронных гармоник (обычно не более трех). Если же магнитное поле с высотой над фотосферой меняется достаточно быстро, то излучение будет генерироваться на одной и той же гармонике б более широкой полосе частот, т.е. будут наблюдаться всплески III типа дециметрового диапазона.

Всплески III типа метрового диапазона генерируются в областях слабого магнитного поля, где rohe << ире. Б этих условиях возможность генерации излучения пучком с Функцией распределения вида (3) будет проблематичной. Дело в том, чте в слабом магнитном поле излучение может генерироваться только на высоких гармониках, для которых инкремент нарастания электромагнитных волн пренебрежимо мал. Однако если пучок вдобавок к предельной направленной скорости имеет еще и направленную скорость поперек

магнитного поля, то инкремент может быть. достаточно большим и на высоких циклотронных гармониках (s ~ 10) .

В диссертации выполнен расчет линейного инкремента электромагнитных волн для простейшей функции распределения вида

f(p) \ п3/2лрд) 5(Pü - P|io) 8 (pi - pie j . Разумеется эта функция представляет собой существенную идеализацию, так как реальная функция всегда имеет конечный разброс по импульсам. Тем не менее эти расчеты позволяют оценить возможность генерации .излучения и проследить .зависимости инкремента от параметров среды и пучка.

Другой вспрос, на который следует дать ответ, - каким образом может формироваться функция распределения с неравновесностью по поперечным скоростям, если нет конфигурации магнитного- поля типа адиабатической ловушки. Этот процесс можно представить следующим образом. Допустим, в некоторой локальной области произошел изотропный нагрев электронной компоненты плазмы. При этом очевидно, что низкоэнергичная часть электронов будет быстро терма-лизовзтьеп за счет, например, кулоновских столкновений. Следовательно, функция распределения ь области нагрева будет иметь максимум по энергиям. Если нагрев имеет импульсный характер, то область нагрева в первую очередь будут покидать электроны, имеющие максимальную продольную и минимальную поперечную скорости. Затем уходят электроны с меньшей продольной, но большей поперечной скоростью, т.е. в некоторой области пространства формируется функция распределения с достаточно большими направленными. скоростями как в продольном, так и поперечном направлениях.

Расчеты показали, что при скоростях электронов v/c - 0.3 излучение может достаточно эффективно генерироваться при плотностях пучка ng /п0 > 10"^ на гармониках s 2. 10. При этом генерируются как обыкновенная, так и необыкновенная моды. Если магнитное поле падает с высотой медленнее нег«ли г.-}'2 , то условие выхода излучения ю > си,« начинает выполчяг'ься сначала на более вок~оких гармониках, а затем начинают излучать более низкие гармоники,- имеющие более- высокий инкремент. Такой подход позволяет объяснить р»д свойств всплесков радиоизлучения Со.иниа 171 типа, в частности, взаимное расположение источников излучения гармонических компонент. Дело я том., что согласно паб.чюде.чиям источник гармонической компоненты расположи нч.гг- в корсне, ножоли источник основно-

го тона. В то же время в соответствии с плазменной моделью всплесков III типа источники гармонических компонент должны совпадать. Этот наблюдательный факт можно объяснить тем, что фундаментальная компонента генерируется непосредственно в вида электромагнитных волн в головной части потока, в то время как гармоника излучается в результате слияния.плазменных волн, генерирующихся в основной части потока. Вследствие разницы групповых скоростей электромагнитных и плазменных волн области генерации тех и других волн оказываются разделенными в пространстве .

До сих пор речь шла о пучках, распространяющихся з открытых магнитных конфигурациях. Однако часть энергичных электронов может попадать в закрытые конфигурации -магнитные ловушки или арки. В этом случае электронные пучки могут возбуждать так называемую конусную неустойчивость. В главе III рассмотрен стационарный режим конусной неустойчивости плазменных волн на циклотронном резонансе и затем эти результаты используются для интерпретации всплесков радиоизлучения Солнца II типа. Предполагается, что постоянно действующий источник поставляет в магнитную ловушку, заполненную основной плазмой, энергичные электроны. Предполагается также, что в результате развития конусной неустойчивости в ловушке возбуждаются плазменные волны с волновым вектором, направленным почти поперек поля, т.е. выполняется условие кй « kj. . Рассмотрен случай, когда выполняется условие » |k||V|||«wha . Это значит, что возбуждаются ьолны только на одной циклотронной гармонике, а именно на той, для которой выполняется условие циклотронного резонанса <о - s<Dhi,

- кцУц = 0, где V|| - продольная по отношению к. магнитному полю компонента скорости энергичных электронов. При этих предположениях находится решение кинетического уравнения, описывающего взаимодействие плазменных волн и энергичных электронов в стационарном режиме в квазилинейном приближении, т.е. с учетом обратного влияния воз-буждаемкх волн На функцию распределения энергичных электронов ,

Рассмотрены два режима неустойчивости. В первом режиме затухание плазменных волн обусловлено кулоновскими столкновениями, т.е. выполняется равенство у., = v, где у3

- инкремент нарастания s-й циклотронной гармоники, v -частота кулоновских столкновений. Получены оценки плотности энергии плазменных волн и плотности энергичных электронов в ловушке.

При наличии более мощного источника энергичных частиц реализуется другой режим неустойчивости. В этом случае процесс нелинейного рассеяния волн на ионах преобладает над кулоновскими столкновениями и устанавливается спектр колебаний, определяющийся равенством квазилинейного инкремента и декремента за счет нелинейного рассеяния в область спектра, где колебания затухают. В результате формируется так называемый ''струйный*' спектр лен-гмюр о в с гсо й турбулентности.

В приближении слабого магнитного поля была исследована направленность и поляризация электромагнитного излучения, генерируемого в результате слияния плазменных волн, раскачивающихся в магнитной ловушке (арке). Показано, что ширина диаграммы направленности излучения не превышает ширины углового спектра плазменных волн, а степень поляризации не превышает значения ~ <Яьв/(ор„.

На основе этих расчетов предложена модель узкополосных медленно дрейфующих по частоте всплесков радиоизлучения Солнца, так называемых всплесков II типа, которая позволила объяснить свойства всплесков, не имевшие удовлетворительного объяснения. Дело в том, что общепринятая модель всплесков II типа, связывающая их с ударными вопнэми, не объясняет их основное свсйстео - узкопо-лосность. Поскольку фронт ударной волны даже при его малой толщине имеет большие размеры и охватывает области с различной плотностью, то и излучение из ее фронта должно быть в общем случае широкополосным.

В случае генерации излучения в магнитной арке узко-полосность обеспечивается тем, что условие циклотронного резонанса о - кцл^ц - зин„ = 0 при генерации плазменных волн почти поперек поля, когда со » (шре2 + 03ье2)1/2 , выполняется на выделенной поверхности в пространстве и наиболее эффективная раскачка воль происходит на тех участка;? этой поверхности, которые ориентированы приблизительно поперек поля, т.е. параллельно направлению распространения волн.

''Елочная'' структура всплесков II типа связана с режимом осцилляции углового спектра частиц при развитии конусной неустойчивости (Беспалов П.А.: 1981, Письма в ЖЭ'ГФ, 33, 192) когда электроны попеременно группируются то в направлении вдоль магнитного поля, то поперек. Соответственно будет меняться полоса излучения.

Наличие расшепления в, спектрах всплесков II типа обусловлено тем, что области выполнения условия циклотронного резонанса для частиц, движущихся а прямом и об-

ратном направлении в ловушке, не совпадают. Поэтому частоты волн, генерируемых частицами, движущимися в противоположных направлениях, отличаются друг от друга.

К сожалению расчеты поляризации излучения удалось провести только для случая слабого магнитного поля (м„е«шре) • Тем не менее эти расчеты можно использовать для оценки степени поляризации излучения и в случае более сильного магнитного поля (шпе ~ шре) , т.е. для условий, при которых генерируется излучение на циклотронных гармониках в магнитной арке. Если возбуждается узкий спектр плазменных волн в направлении поперек магнитного поля, как это имеет место в случае конусной неустойчивости, то из расчетов следует, что поляризация не должна превышать величины ~ 0.1 Юье/Ир,.. Кроме того в этом случае могут генерироваться как обыкновенная, так и необыкновенная моды. Следовательно, излучение должно иметь низкую степень поляризации.

Еще одна ситуация, в которой могут формироваться электронные пучки, генерирующие радиоизлучение, - это фронт ударной волны. Структура ударных волн и процесс генерации радиоизлучения в ударных волнах, распространяющихся в солнечном ветре, рассмотрены в главе IV. Как показывают спутниковые наблюдения, характеристики радиоизлучения, которое генерируется во фронте ударной волны в солнечном ветре, отличаются от характеристик всплесков II типа метрового диапазона. Хотя излучение из ударных волн в солнечном ветре является медленно дрей-, фующим по частоте и имеет гармоническую структуру, но более тонкой структуры типа расщепления гармонических полос м «елочной» структуры здесь■не наблюдается. Кроме того следует иметь ввиду, что спутник принимает излучение главным образом из близлежащих участков фронта ударной волны и поэтому оно может быть узкополосным в то время как для удаленного наблюдателя, принимающего излучение с большой поверхности фронта ударной волны, оно будет широкополосным.

Для того, чтобы исследовать процесс генерации радиоизлучения во фронте ударной волны, необходимо знать структуру ее фронта. Структура ударных волн в плазме для условий, соответствующих условиям короны и солнечного ветра, изучена достаточно хорошо. Однако при построении моделей генерации радиоизлучения упускается из виду возможность формирования во фронте ударной волны резкого скачка плотности, соответствующего Оесстолкновительной иоино-звуковой ударной волне (Еселович В.Г., Еськов

А. Г., Куртмуллаев Р.Х., Малютин А. И., '1971/ ЖЭТФ, 60, 207 9) . Учет этого скачка может быть существен при рассмотрении процесса формирования потоков частиц во фронте волны и генерации ими радиоизлучения. В главе IV рассмотрена структура ударных волн в плазме, во фронтах которых формируется такой бесстолкновительный скачок. В простейшем случае -■ это сильная газодинамическая ударная волна, распространяющаяся в плазме без магнитного поля. Такую же структуру могут иметь ударные волны, распространяющиеся вдоль поля в замагниченной плазме.

На основе анализа обших соотношений на ударном разрыве показано, что в достаточно сильных ударных волнах за вязким скачком плотности и температуры следует бесстолкновительный скачок, соответствующий ионьо-звуковой ударной волне. При этом вязкий скачок плотности и скачок температуры формируются главным образом за счет диссипации потока ионов, отраженных от скачка электрического потенциала, соответствующего ионно-звуковой ударной волне. Поскольку скачок потенциала имеет малую толщину нескольких дебаевских радиусов), то и функция распределения отраженных ионоз имеет ярко выраженный пучковый характер, т.е. пучок будет иметь малый тепловой разброс и неустойчивость ионно-знуковых волн, возбуждаемых таким пучком, может носить гидродинамический характер. Во фронте такой ударной волны устанавливается высокий уровень ионно-звуковой турбулентности. Кроме того сам ионно-звуковой ударный скачок порождает шлейф ионно-звуковой турбулентности. Таким образом фронт достаточно сильной газодинамической ударной волны в плазме солнечной короны и солнечного ветра должен представлять собой обширную область развитой низкочастотной турбулентности. На границе горячей электронной зоны во фронте ударной волны формируются потоки убегающих электронов, возбуждающих плазменные волны, которые затем трансформируются в радиоизлучение.

Однако ударная волна, распространяющаяся строго вдоль магнитного поля, является в какой-то степени вырожденным случаем. Поэтому гораздо больший интерес представляет структура МГД-ударной волны, распространяющейся под углом к магнитному полю. Анализ общих соотношений на разрызе, соответствующем такой ударной волне, показывает, что здесь так же может формироваться бесстолкновительный скачок плотности, на котором не меняется температура и магнитное поле (так называемый изомагнитный скачок). Для условий солнечного ветра, где отношение газового давления к магнитному [3 ~ 1, этот скачок сушест-

вует в интервале чисел Маха 2.5 < M < 4.5. Таким образом структура такой волны состоит из подножия, на котором имеет место основной рост электронной температуры и небольшое увеличение плотности и магнитного поля. За ним следует изотермический скачок плотности и магнитного поля, а переход в конечное состояние реализуется через изомагнитный скачок плотности. Перед таким скачком формируется мощный пучок отраженных ионов, а в области за скачком образуется пучок отраженных электронов. Такие потоки отраженных частиц будут поддерживать во фронте волны высокий уровень ионно-звуко&ой турбулентности.

Как показывают наблюдения на космических аппаратах, наклонные МГД-ударные волны, распространяющиеся в солнечном ветре, являются источниками интенсивного радиоизлучения. В диссертации предложена модель генерации радиоизлучения такими ударными волнами. Суть ее заключается в том, что во фронтах наклонных МГД-ударных волн могут формироваться пучки электронов со скоростями существенно превышающими тепловые скорости электронов. Эти пучки образуются без включения каких-либо механизмов ускорения. Дело в том, что достаточно быстрые электроны стремятся опередить ударную волну и выйти за пределы ее фронта. Но поскольку они привязаны к силовым линиям магнитного поля, то опередить ударный фронт могут только электроны, чья скорость выше, чем VyB /cos 0, где VyB -скорость ударной волны, 0 - угол между направлением движения волны и магнитным полем. Таким образом при достаточно большой скорости ударной волны и достаточно большом угле 0 скорости электронов, опережающих волну, будут 'больше 3VTe, где VTe - тепловая скорость электронов во фронте волны, и будет развиваться пучковая неустойчивость, Плазменные волны, возбуждаемые пучковой неустойчивостью, будут эффективно трансформироваться в радиоизлучение на первой гармонике плазменной частоты при рассеянии на ионно-звуковой турбулентности и на второй гармонике при рассеянии плазменных волн друг на друге. Оценки показывают/ что наиболее эффективно должны генерировать радиоизлучение ударные волны, распространяющиеся под углом к магнитному полю ~ 7 0° и выше. Межпланетный' космический аппарат Ulysses зафиксировал интенсивное радиоизлучение именно из таких ударных волн. Их числа Маха лежат в интервале значений 2.5 < M < 4.5, т.е. во фронте должен быть изомагнитный скачок, благодаря которому формируются интенсивные пучки электронов. Во фрон-

тах этих волн зафиксированы также обширные области интенсивной ионно-звуковой турбулентности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1 На основе решения системы уравнений, описыъающей взаимодействие горячей и холодной электронных компонент плазмы, показано, что процесс распространения энергичных электронов из области быстрого локального энерго-выдепения сопровождается разбеганием частиц с различными скоростями в пространстве. Это значит, что функция распределения электронов непрерывно меняется в пространстве и во времени. Этот эффект существен для стабилизации пучка. Кроме того выявлен эффект группировки горячих электронов под действием электрического поля, создаваемого встречным нейтрализующим потоком холодных электронов.

2. Показано, что излучение фундаментальней компоненты всплесков III типа может генерироваться «вращающимся» пучком электронов. При этом генерируется непосредственно электромагнитное излучение на высоких циклотронных гармониках (мазерный механизм). Это позволило объяснить ряд свойств всплесков III типа, не имевших удовлетворительного объяснения, и прежде всего взаимное расположение источников излучения фундаментальной и гармонической компонент.

3. Расчеты линейного режима пучковой неустойчивости электромагнитных волн (электронно-циклотронный мазер), проведенные в диссертации, показали, что электронный пучок, распространяющийся вдоль магнитного поля, может достаточно эффективно генерировать электромагнитное излучение необыкновенной моды на циклотронных гармонй-ках, начиная со второй и выше. Этот результат позволил объяснить спектральные свойства групп всплесков радиоизлучения Солнца типа «спайк» дециметрового диапазона.

'I. Предложена модель генерации всплесков радиоизлучения Солнца II типа на основе развития конусной неустойчивости в маг-нитной ловушке (арке). При выполнении условия циклотронного резонанса прежде всего на первой и втерой циклотронных гармониках в ловушке могут раскачиваться плазменные волны на верхней гибридной частоте. Узксполосность излучения обеспечивается тем, что условие циклотронного резонанса выполняется на выделенных поверхностях внутри арки и частота излучения определяется плотностью и магнитным полем на этих поверхностях .

5. Ка основе наблюдений космического аппарата Ulysses построена модель генерации радиоизлучения во фронте МГД-ударной волнь!, распространяющейся в солнечном ветре. Показано, что наиболее благоприятные условия для генерации излучения реализуются в ударных волнах, распространяющихся под углом > 70° к межпланетному магнитному полю в интервале чисел Маха 2.5 < M < 4.5. Именно в таких волнах формируются пучки электронов со скоростями существенно выше тепловой электронной и развивается пучковая неустойчивость. Радиоизлучение генерируется при рассеянии плазменных волн на ионно-звуковой турбулентности, возбуждаемой частицами, отраженными от скачка электрического потенциала во фронте ударной волны.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Леденев В.Г, Локализация пучковой и конусной неустой-чивостей в адиабатической магнитной ловушке. - В кн.

. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1974, вып. 31, с. 78 - 84.

2.Леденев В.Г. О структуре ударных волн включения. 1975, Известия ВУЗов, Радиофизика, т. 1В, с. 1594 - 1597.

3.Зайцев В.В., Леденев B.t1. Генерация быстрых электронов в ударных волнах, распространяющихся вдоль магнитного Поля. 1976, Письма в Астрон. ж., т. 2, с. 443 - 447.

4.Леденев В.Г. Электромагнитное излучение из фронта маг-нитагидродинамической ударной волны. 1977, Письма в АСТроН. ж., т. 3, с. 273 - 277.

5¿Леденев В.Г. О радиоизлучении Солнца II типа. 1979, Астрон, ж., т. 56, с.-84 - 88.

6.Леденев В.Г. Выход сильного магнитного поля в корону и сопутствующие явления в радиодиапазоне. 1980, Астрон. Ж., т. 57, с. 113 - 118.

7.Леденев В.Г. К теории всплесков радиоизлучения Солнца IV типа. 1982, Астрон. ж., т. 59, с. 742 - 749.

8.Леденев В.Г. Стационарный режим конусной неустойчивости плазменных волн. 1984, Известия ВУЗов, Радиофизика, Т. 27, с. 873 - 879.

9.Леденев В.Г. Радиоизлучение из ударной волны в солнечном ветре. 1985, Астрон. ж., т. 62, с. 1154 - 1159.

Ю.Бакунин Л.М., Леденев В.Г., Косуги Т., Мак-Лин Д. О Гармонической структуре всплеска II типа 12 мая 1983г. - В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1988, вып. 82, с. 147-155.

11. Бакунин Л.М., Леденев В. Г.", Нефедьев В.П., Потапов H.H. и др. Пространственные, спектральные и поляризационные особенности радиоизлучения протонной вспышки 3 февраля 1983г. - В кн. Физика солнечной плазмы, М.: Науке, 1989, с. 57 - 96.

12.Леденев В.Г. О структуре сильной ударной волны в плазме. 1990, ПМТФ, N2, с. 17 -' 20.

13.Леденев В. Г. Конусная неустойчивость плазменных волн на циклотронном резонансе. 1990, Известия ВУЗов, Радиофизика, т. 33, с. 573 - 579.

14.Бакунин Л.М., Леденев В.Г., Косуги Т., Мак-Лин Д. Гармоническая структура всплеска II типа 12 мая 1983г. 1990, Solar Physics, т: 129, с. 379 - 386

15.Леденев В.Г. О потоках электронов, генерирующих всплески радиоизлучения Солнца III типа. - В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Паука, 1990, вып. 91, с. 96 - 104.

16.Бакунин Л.М., Леденев Е.Г., Нефедьев В.П., Потапов H.H. и др. Пространственные, спектральные и поляризационные характеристики радиоизлучения протонной вспышки 3 февраля 1983г. 1991, Solar Physics, т. 135, с. 107 - 129.

17. Агалаков Б.В., Леденев В.Г., Нефедьев В.П., Уралов A.M., УрОарц X. Формирование условий, необходимых для генерации всплесков III типа на стадии роста площади групп пятен. - В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М: Наука, 1992, вып. 99, с. 165-173 .

18.Леденев В.Г. Направленность и поляризация радиоизлучения на второй гармонике плазменной частоты из корональных магнитных арок. - В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Í4. : Наука, 1992, вып. 99, с. 174 - 180.

19.Леденев В.Г., Урбарц Х.В. Генерация солнечных радиовсплесков II типа в корональных магнитных арках. 1993, Solar Physics, т. 146, с. 365 - 376.

20.Леденев В.Г. Направленность и поляризация излучения на второй гармонике плазменной частоты из корональных магнитных апок. 1994, Astronomy and Astrophysics, т. 235, с. 1019 - 10 2,:.

21.Леденев В. Г. Распространение' электронных потоков в солнечной короне. 1994, Solar Physics, т. 14 9, с. 27 9 - 288.

22.Леденев В.Г. Распространение электронного пучка в солнечной короне. 1994, -расе Science Reviews, т. 68, с. 119 - .12 0.

23.Леденев В. Г. Генерация плазменной турбулентности и радиоизлучения во фронте межпланетной МГД-ударной волны. 1996, Astronomy and Astrophysics, т. 316, с. 435 -440.

24.Леденев В.Г. Генерация всплесков радиоизлучения Солнца III типа на высоких циклотронных гармониках. - В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, 1996, вып. 104, с. 67 -75.

25.Агалаков Б.В., Леденев В.i'., Лубышев В.И., Иефедьев В.П. и др. Предвспышечные изменения в источниках радиоизлучения, связанных с пятном и флоккулом, и развитие вспышки балла 2N в хромосфере и короне актигчой области NOOA 5115 23 августа 1988г. - В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, 1996, вып. 104, с. 113 - 125.

26.Агалаков Б.В., Леденев В.Г., Лубышев Б.И., Иефедьев В.П. и др. Изменения в лятенных и флоккульных источниках радиоизлучения, предшествующие вспышке балла 2N 23 августа 1988г. 1997, Solar Physics, т, 173, с. 305318.

27.Леденев В.Г. Генерация электромагнитного излучения электронным пучком в магнитном поле. - В кн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, 1998,. вып. 108, с. 11-25.

28.Леденев В.Г. Генерация электромагнитного излучения электронным пучком с функцией распределения типа "горб на хвосте". 1998, Solar Physics, т. 179, с. 405-420.

Множительный участок ИСЗФ Заказ N 625 от 6.08.98г. Объем 20 м/п стр., тираж 100 экз.

9) Л .04.9Ц вб

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

зезидмуи В А

у. -II- ;•- !" •;! "1

На правах рукописи

присуди/:,;

<•■.-.-. --л-о степень/

'¿с С

Леденев Владимир Георгиевич

УДК 523.98

ГЕНЕРАЦИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПОТОКАМИ И УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ В СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЕ

Специальность:

01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Иркутск - 1998

ВВЕДЕНИЕ.......................................4

ГЛАВА I. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПУЧКОВ ЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В СОЛНЕЧНОЙ КОРОНЕ..........................................................36

1.1. Разлет электронов из области локального нагрева...........36

1.2. Генерация плазменной турбулентности и радиоизлучения 43

1.3. Эффекты распространения электронных потоков в солнечной короне . Оценка магнитного поля по поляризации излучения.................47

1.4. Основные результаты.........................................................59

ГЛАВА II. МАЗЕРНЫЙ МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ СОЛНЕЧНОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ..................................................................................63

2.1. Генерация всплесков радиоизлучения типа "спайк"..........63

2.1.1. Расчет характеристик групп всплесков типа "спайк"........................................................................................63

2.1.2. Сопоставление результатов расчетов с наблюдениями ..............................................................................78

2.2. Генерация всплесков радиоизлучения Солнца III типа

вращающимся электронным пучком.............................................................86

2.2.1. Расчет характеристик всплесков III типа86

2.2.2. Сопоставление результатов расчетов с наблюдениями.................................. .......................................................93

2.2.3. Расчет интенсивности излучения.................................97

2.3. Основные результаты.........................................................99

ГЛАВА III. ГЕНЕРАЦИЯ СОЛНЕЧНОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В КОРОНАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ АРКАХ....................................................102

3.1. Конусная неустойчивость плазменных волн на циклотронном резонансе...............................................................................................102

3.2. Направленность и поляризация радиоизлучения на второй

гармонике плазменной частоты из корональных магнитных арок...........116

3.2.1. Направленность излучения..............................116

3.2.2. Поляризация излучения.....................................123

3.3. Генерация всплесков радиоизлучения Солнца II типа в корональных магнитных арках................................................................127

3.2.1. Гармоническая структура и узкополосность излучения всплесков II типа................................................127

3.2.2. «Елочная» структура всплесков II типа.. 133

3.2.3. Расщепление излучения всплесков II типа136

3.2.4. Поляризация всплесков II типа....................137

3.4. Основные результаты.......................................................138

ГЛАВА IV. РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ИЗ УДАРНЫХ ВОЛН В СОЛ-

НЕЧНОЙ АТМОСФЕРЕ............................................................................143

4.1. Структура ударных волн в плазме.....................................143

4.1.1. Структура сильных газодинамических ударных волн..........................................................................................143

4.1.2. Структура магнитогидродинамических ударных волн в солнечном ветре...................................................150

4.2. Генерация радиоизлучения во фронте межпланетной ударной волны................................................................162

4.3. Основные результаты.......................................................174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................176

ЛИТЕРАТУРА....................................180

Введение

Характерной особенностью Солнца, как всякой эволюционирующей звезды, являются спорадические процессы энерговыделения в ее атмосфере. Причем энергетическая шкала этих процессов очень широка - от 1032 эрг в мощных вспышках до 1026 эрг и менее в субвспышках. Как показывают наблюдения радиоизлучения Солнца, временная шкала этих процессов так же очень велика - от тысячных долей секунды (так называемые «спайки») до десятков часов (шумовые бури). При этом если в длительных процессах энерговыделения (мощных вспышках) помимо процессов ускорения отдельных компонент происходит нагрев плазмы как целого, сопровождающийся движением всей массы вещества из области нагрева и формированием ударных волн, то в импульсных низкоэнергичных процессах имеет место нагрев и ускорение преимущественно электронной компоненты. Отсюда следует, что присутствие потоков энергичных электронов является типичным явлением особенно в периоды повышенной активности Солнца. Такие электронные потоки могут распространяться в открытых конфигурациях магнитного поля на очень большие расстояния вплоть до орбиты Земли и далее [1] . С другой стороны ускоренные электроны могут захватываться в магнитные ловушки (арки) и там генерировать радиоизлучение [2,3]. Еще одна возможность генерации потоков энергичных электронов связана с ударными волнами, распространяющимися в короне из области вспышки. Во фронте ударной волны происходит ускорение преимущественно электронной компоненты,

формируется электронный пучок, который генерирует радиоизлучение [4,5]. Таким образом, хотя радиоизлучение Солнца отличается большим разнообразием, можно утверждать, что большая часть спорадических явлений связана с электронными потоками, распространяющимися в солнечной короне. На рис.1 приведена классификация солнечных радиовсплесков по их спектральным характеристикам, т.е. по полосе излучения, длительности и скорости дрейфа по частоте. Всплески могут существенно отличаться по интенсивности и по тонкой временной и частотной структуре. Наиболее интенсивными, как правило, являются всплески II и IV типов.

Диссертация посвящена исследованию процесса распространения электронных потоков в солнечной короне и генерации ими всплесков радиоизлучения Солнца II и III типов [6-8] (рис.2), а также всплесков типа «спайк» [9,10] (рис.3). В свою очередь исследование процессов генерации радиоизлучения основано на результатах, полученных при рассмотрении в квазилинейном приближении развития конусной неустойчивости плазменных волн на циклотронных гармониках, а также при анализе структуры ударных волн, распространяющихся в плазме солнечной короны.

Всплески II типа - сравнительно редкие, но интенсивные события, наблюдающиеся на Земле в диапазоне от 400 Мгц до 10 Мгц и с космических аппаратов вплоть до частот ~ 10-30 кГц. Поток излучения всплесков мо-

Classification of solar radio bursts

Dec i met г i с Cant i nuum

3000 1 000300 100 30 10

~0 Го 20 30 40 50 60 70 80 90

TIME SINCE FLARE (minutes)

Рис.1. Классификация всплесков радиоизлучения Солнца по их спектральным характеристикам.

ткАЯ

2000

1000

а боо

и о й

м &

СУ

ы м

Рч

200

100

00:30 00:45 У0:&5 01:05

Т1МЕ(иТ)

Рис.2. Динамический спектр группы всплесков Ш типа и последующего всплеска П типа с гармонической структурой и расщеплением полосы излучения первой гармоники.

min = -4.72334 шах = 83.2487 z scale: linear

-1- | 1 1-Г- —i— —||-1-1-1-Г- 1 1 1 —i-

1000 -

1200 — •и!щ$ Шж шщ^Шщш iM^Mi -

- вМшЯР!!

1400 — МЯМШМШК Мкяцнкм -

1600 - ■¡¡ЙмШ

ШёжИНн ффтШШт \\ Щщ ^шЩШШшЩШ иил ИЙМ

1800 - —

2000

i 1 1 I I _|_ ____1 1.....-i............1 - 1 1 i I „и 1

09:03:25 09:03:30 09:03:35

time in UT

Рис.3. Динамический спектр группы всплесков типа

|| W II ___

"спаик" в виде двух полос излучения с отношением частот ~ 3:4.

— 15 _ о _ л

жет достигать величины ~ 10 Вт м Гц , что превышает величину потока спокойного Солнца на 7 порядков. Всплески возникают, как правило, спустя несколько минут после взрывной фазы хромосферной вспышки балла I и выше и имеют длительность до нескольких десятков минут. Размеры источников на уровне половинной мощности обычно порядка десятка угловых минут. Всплески II типа обычно имеют систематический частотный дрейф, скорость которого меняется от 0.1 до 1 Мгц/с, что соответствует реальным скоростям движения источника ~ 100-1000 км/с. Спектр характеризуется наличием двух гармонических составляющих с отношением частот 1:2. Иногда каждая из гармоник расщеплена на две полосы. Каждая из этих полос может состоять из структурных элементов, быстро дрейфующих по частоте, как в направлении ■ уменьшения частоты (более низкочастотная полоса), так и в обратном направлении

(высокочастотная полоса). Это так называемая «елочная структура». Как правило всплески II типа слабо поляризованы.

Всплески III типа - наиболее часто наблюдающиеся солнечные явления в радиодиапазоне [8,11]. Можно считать установленным, что всплески этого типа генерируются потоками энергичных электронов, распространяющимися в солнечной короне и солнечном ветре. При этом считается, что электромагнитное излучение является результатом трансформации плазменных волн, возбуждаемых в результате развития пучковой неустойчивости [12] . Основная особенность всплесков III типа - бы-

стрый дрейф излучения от высоких частот к низким. Скорость частотного дрейфа ~ 100 Мгц/сек в метровом диапазоне, что на два порядка выше скорости дрейфа всплесков II типа. Всплески III типа генерируются потоками электронов, движущимися в короне в сторону

убывания плотности со скоростями ~ с/3, где с - скорость света. Эти потоки возбуждают в плазме солнечной короны ленгмюровскую турбулентность, которая затем трансформируется в радиоизлучение на частотах близких к электронной плазменной или удвоенной плазменной.

"Спайки" представляют собой узкополосные (~1% от несущей частоты) всплески малой длительности (от нескольких миллисекунд до десятых долей секунды) в дециметровом и сантиметровом диапазонах [9,10,13]. Особенно часто они наблюдаются в дециметровом диапазоне в интервале частот 1-3 Ггц в виде групп, образующих параллельные полосы на спектрограммах. Иногда эти полосы образуют гармоническую структуру, т.е. отношение их частот может быть равно отношению целых чисел.

Проблема распространения потоков энергичных электронов в плазме солнечной короны, несмотря на то, что ей посвящен целый ряд работ (см., например,[14]), остается весьма актуальной, поскольку для того, чтобы объяснить факт распространения энергичных электронов на большие расстояния необходимо ответить на ряд вопросов, возникающих при рассмотрении этой проблемы. Например, так как электронные потоки индуцируют встречный ток, который обеспечивает квазинейтральность плазмы, то естественно возникает вопрос, как

влияет встречный ток и связанное с ним электрическое поле на распространение электронного потока.

Если электроны имеют функцию распределения в виде пучка, то возникает другой вопрос, почему они не тормозятся из-за квазилинейной релаксации под действием волн, возбуждаемых пучком, и почему пучок не релакси-рует из-за кулоновских столкновений, вступающих в действие после квазилинейной релаксации. Железняков и Зайцев [15] исследовали квазилинейную релаксацию пучка при распространении в солнечной короне и показали, что даже в релаксированном состоянии, т.е. при функции распределения в виде «плато», пучок может распространяться на большие расстояния и генерировать радиоизлучение. Однако еще ранее Каплан и Цытович [16] предложили механизм стабилизации пучка, основанный на эффекте нелинейного рассеяния плазменных волн, возбуждаемых пучком, на тепловых ионах и выхода их из резонанса с электронами. Другой механизм стабилизации был предложен Мелроузом [17], который показал, что при достаточно малой плотности и достаточно малом продольном размере пучка время квазилинейной релаксации может быть больше времени, необходимого для прохождения пучком области в короне, где возбуждаются волны данной частоты. Однако во всех этих работах пренебрегалось простым кинематическим эффектом разбе-гания электронов с различными скоростями и соответствующей деформацией функции распределения электронов, который существен для стабилизации пучка в случае быстрого энерговыделения.

В главе 1 анализируется процесс распространения потока энергичных электронов малой плотности в плазме солнечной короны [18-21]. Задача сводится к решению системы уравнений одномерных по пространственной координате, в которую входят газодинамические уравнения, описывающие холодную фоновую плазму, и кинетическое уравнение без столкновительного члена, описывающее поток горячих электронов [22]. Предполагается, что происходит быстрое энерговыделение в пространственно ограниченной области. При такой постановке задачи вид функции распределения горячих электронов определяется двумя факторами - кинематическим эффектом разбегания электронов с разными скоростями и электрическим полем, возникающим при убегании горячих электронов из области энерговыделения, за счет чего возникает встречный нейтрализующий поток холодных электронов.

Путем исключения ряда переменных в предположении пучка малой плотности система сводится к одному дифференциальному уравнению в частных производных первого порядка. Асимптотическое решение этого уравнения на больших расстояниях от области нагрева имеет простой вид:

V

{(V) = А/ Уо ехр [ - (У0 - х/Ь)2/(Ъ2/Ь2) ] ((У0)с1У0 , (1) о

где А - постоянная, V - скорость электронов, х - расстояние от области энерговыделения, t - время, Ъ -размер области энерговыделения, - функция рас-

пределения электронов в области энерговыделения.

Из формулы (1) видно, что распределение плотности электронов в пространстве в любой момент времени имеет максимум, даже если функция распределения в области энерговыделения не имеет направленной скорости (например, является максвелловской) , т.е. происходит бунчировка частиц в пространстве. Этот эффект обусловлен ускорением более медленных частиц потока горячих электронов в электрическом поле, создаваемом встречным нейтрализующим потоком холодных электронов.

Кроме того из формулы (1) путем интегрирования по скоростям можно получить распределение плотности энергичных электронов во времени и пространстве п(х,1:). Например, если ((У0) является максвелловской функцией, то на временах много больших времени энерговыделения имеем

п(х^) = В(х/1:2)ехр[-х2/^)Ч2], (2)

где В - постоянная, Дv - тепловой разброс функции распределения электронов в области энерговыделения. Выражение (2) в значительной степени определяет временной профиль всплесков радиоизлучения, генерируемых потоком электронов.

Из формулы (1) также следует, что функция распределения электронов непрерывно меняется во времени и пространстве, что связано с разделением в пространстве частиц, имеющих разные начальные скорости. Это означает, что плазменные волны, возбуждаемые пучком, будут быстро выходить из резонанса с частицами, что в свою очередь означает, что поток электронов стабилизируется при существенно более высоких плотностях, нежели в случае потока однородного во времени и

пространстве. Эффективность генерации плазменных волн и обратного воздействия волн на функцию распределения электронов определяется соотношением времени нарастания волн ts ~ По/ПзСОре (здесь ns - плотность электронов, взаимодействующих с волнами, п0 - плотность основной плазмы, соре - электронная плазменная частота) , времени взаимодействия волн с частицами tint ~ L / vs (здесь vs - скорость электронов, взаимодействую-

и времени квазилинеинои релаксации trei ~ 40 ts . Если ts > tint г то волны вообще не возбуждаются и электроны распространяются без потери энергии. Если ts < t^t < trei , волны возбуждаются, но пучок не успевает релаксировать. Если же trei < tint , то происходит квазилинейная релаксация пучка, т.е. образуется плато на функции распределения электронов. Оценки показывают, что в условиях короны релаксация может быть

несущественной вплоть до плотностей пучка ns/n0 ~ 10~5.

Поскольку вблизи области вспышки должно быть достаточно сильное магнитное поле, т.е. может выполняться условие cohe ~ Юре , то при выходе из области энерговыделения электронный пучок может генерировать излучение так называемым мазерным механизмом, т.е. генерировать непосредственно электромагнитное излучение на частотах близких к гармоникам электронной циклотронной частоты [23-2 6]. Этот механизм в последнее время получил широкое распространение для интерпретации узкополосного солнечного радиоизлучения (прежде всего "спайков"). Раскачка электромагнитных волн обеспечивается группой энергичных электронов с

анизотропной функцией распределения, например, функцией распределения с конусом потерь [27] . Узкополос-ность излучения (а в случае "спайков" и его кратковременность) обеспечивается быстрой релаксацией функции распределения за счет потери энергии на возбуждение электромагнитного излучения (заполнение конуса потерь). Мелроузом и Далком [23] было показано, что излучение генерируется главным образом на первой и второй циклотронных гармониках как в виде обыкновенной , так и необыкновенной волны. Более высокие гармоники не раскачиваются из-за резкого падения инкремента с ростом номера гармоники. Ву и др. [28] показали, что умеренно релятивистские электроны с энергиями ~ 100 кэв могут генерировать излучение на высоких гармониках на частотах вблизи 2шре. Однако для формирования анизотропного распределения электронов нужно выполнение определенных условий. Например, для формирования функции распределения с конусом потерь необходима конфигурация магнитного поля типа адиа�