Некоторые вопросы физики солнечных активных областей и теории распространения ударных волн в солнечном ветре и атмосфере Земли тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РГ6 од

2 9 МАЙ 1995

российская шдемия наук

_ аСИРСКОЕ ОТДЕШШЕ___________

"институт сотчг^но-ао'нсй ФИЗИКИ

На пр-'шах гукоиис

упаттгмэ ап1/д1г1ш и»" *-> >» ..л-.-....

удк:523.яз 523.52-725 .596

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ СОЛНЕЧНЫХ АКТИВНЫХ ОБЛАСТИ! И ТЕОРИИ распространена ударных ЯОШ в сшкечног "ттре и атмосфере зекш

Социальность:

О! О^.Г'Я. - г.-.',.'/»¡■г^пг.л ц ч.'^.-.соли-«'.ней сигами

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Иркутск-1994

Работа выполнена б Ордена Трудового Красного Знамени Сибирском институте солнечно-земной физики СС РАН.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Куклин Г. В.

(Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск);

доктор физико-математических наук, профессор Паперный В.Л. (Иркутский гос. университет)

доктор физико-математических наук, Степанов A.B.

(Крымснгя астрофизическая обсерватория)

Врущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и

распространения радиоволн (ИЗМИРАН, Москва)

Защита состоится *'_" ¿¿/¿»МЯЛ'ШЬ г. в _час. на заседании специализированного Совета Л-СОЗ.24.01 Института солнечно-земной физики СО РАН: Россия, 664033, Иркутск, п/я 4026, ИСЗФ СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН.

Автореферат разослан " г.

Ученый секретарь Совета к.ф.-м.н.

А.И.Галкин.

Общая Характеристика Рзбот»

- Актуальность,--------------------------------------------------------------------------------

Предлагаемое исследование объединяет в себе решение ряда ге-лио- и геофизических вадач прикладного и теоретического характера. Круг обсуждаемых при этом вопросов продиктован тематикой института солнечно-земной физики, где была выполнена данная работа. Условно можно выделить три ее основных раздела: солнечная активная область, солнечный ветер, атмосфера Земли.

1. Нврпнй рняднл иоевяд»н анализу некоторых вопросов происхождения солнечной вспышки i: проблеме ее предвестников в микроволновом диапазоне длин волн (главы I, II и III).

Природа солнечной вспышки относится к числу фундаментальных проблем физики солнечной активной области. Наиболее распространены два подхода к этой проблеме, - в одном используется концепция магнитных жгутов, в другом - концепция "сплошного" магнитного поля, содержащего нейтральный токогый слой. Для обоих концепций актуальной является обсуждаемая в диссертации проблема т.н. "накопления" вспышечной энергии. В рамках первой газнцепции проблема "накопления" сопряжена с анализом ьинтоьой неустойчивости магнитных петель, в рамках второй - с анализом "магнитосферной" модели солнечной еспышки в изначально закры-юй квадр^польней магнитной конфигурации.

Теоретический интерес и прикладное значение имеет также проблема выделения таких особенностей в микроволновом излучении активной области, которые можно было бы использовать как для диагностики ее состояния, так и в задаче прогноза геоэф-фектквны;: (ударные волны, рентген, ультрафиолет, энергичнее частицы) солнечных вспышек. Эта же задача является одной ив центральных для микроволнового комплекса СОРТ (Сибирский Солнечный Радиотелескоп). Анализ, в указанием аспекте, экспериментальных данных этого комплекса составляет радио.ил'рономи-ческую час-') "солнечного" раздела диссертации.

2. Сторой раздел посвящен теоретической разработке метода и решению задачи распространения вспышечной ударно»'; ьелиы взрывного типа в трехмерно-неоднородном солнечном ветре, содержащем

3

гелиосферннй токовый слой (глава IY).

Данная задача актуальна с точки зрения оценки геоэффектив-косги проходящих на Земли медплаиетных мгд.-ударных волн. К настоящему моменту эта задача не была решена, поскольку исследования экспериментального, равно как к теоретического плана о влиянии гелиосферного токового слоя на процесс распространения к интенсивность ударной волны носили противоречивый характер.

3. Третий раздел (глава Y), б сущности, является геофизическим приложением тех же схем расчета, которые использовались во втором разделе. Рассмотрен ряд задач о воздействии импульсных источников (толчок землетрясения, наземный промышленный и подземный ядерный взрывы) на земную ионосферу. Решение этих задач пеодиктовало не только необходимостью количественной оценки воздействия, но и проблемой ионосферного контроля за мощностью взрывного источника.

Как можно видеть, первый и второй солнечные разделы объединены одним общим явлением - солнечная вспышка. При этом первый раздел в большей мере сопряжен с анализом предвспышечной ситуации, 1.торой же - послевспьгхечному феномену ударней волны.

В прикладном аспекте геофизического воздействия со стороны Солнца, первый раздел имеет выход на установление микроволновых предвестников крупных рентгеновских Еспышек, второй - на установление роли гелиосферного токового слоя в вопросе о действенности пришедшей к Земле вспышечной ударной еолны. В свою очередь третий раздел посвяшен наземным факторам геофизического воздействия. Указанная направленность, разобщенного, на первый взгляд, материала диссертации вынужденным образом отражает тематику института солнечно-земной физики СО РАН. При этом практически все'обсуждаемые в диссертации проблемы являются составными частями международной программы STEP (см.: труды 8-го международного симпозиума по солнечно-земной физике, Sendai, Japsri, 1994; труды второго симпозиума SOLTJP, Na-kaninato, Japan, 1994).

Цельность изложения теоретического материала диссертации состоит в том, что постановка и анализ всех предложенных задач осуществляются с позиций магнитной и газовой динамики.

4

Целями работы являются:

- анализ винтовой неустойчивости и ее роли в создании вспышеч-ной___ситуации__Б-рамках концепции солнечных жгутовых магнитных

структур. Анализ "кагнитосфераого" подхода к проблеме солнечной вспышки.

- выяснение роли переходных золновых мгд,- процессов в формировании пульсаций микроволнового излучения активной области.

- морфологический и теоретический анализ особенностей мнкро волнового источника расположенного над фотосфернси нейтральной линией.

- рси»и-лСохка метода и р«жеми«? нчлчми распространен;к Ос-цл« всрыьнои мгд,- ударной волны в условиях трехмерно-неоднородного солнечного ветра.

- разработка метода я решение ряда геофизических задач о воздействии па атмосферу Земли импульсных источников, толчок землетрясения , слабый наземный и подземный ядерный взрывы.

Научную новизну целесообразно отравить в той ке последователь ности, что и перечисленные выше цели работы.

Проблема солнечной вспышки.

•та проблема рассматривается в рамках двух подходов. Первый юдход опирается на концепцию солнечник магнитных жгутов, зто-.ой - ка;глюча^тся в сравнительном анализе процессоь, сопровождающих магнитосферную суббурю и солнечную вспихку.

В рамглх первого подхода обсулдаютса достаточно известные юг.ох.еиии : л) о возможности солнечной вспышки в уединенной магнитной петле по сценарию "диеруптивной" нестабильности "То-самака" (т.н. модель ипайсера); б) о возможности представления юлскна (протуберанца) магнитным жгутом, расположенным над фо-■осферной линией инверсии; в} о принципиальной роли волокна I процессе формирования встречной ситуации в активной области АО) .

Решение зт/х ьопросов ведется с точки зрения устойчивости дотекающего ь уединенном магнитном жгут« электрического тока, осуждается модель силового (а не бессилового) магнитного жгу-

та, для которого задача устойчивости относительно винтовых мод может быть решена достаточно точно методом колебаний. РеБуль-татом анализа явился вывод о несостоятельней положения а) и построена не противоречащая положениям б), в) модель последовательно выходящих из-под фотосферы токонесущих магнитных, аркад. В последнем случае необходимым окавзлось введение понятия частично экранированного магнитного жгута, поверхностный ток которого лишь частично компенсирует внутренний ток обратного направления, в отличие ст полностью экранированного и неэкра-нированного жгутов. Рассмотрение вопроса о внешних винтовых модах, соответствующего ягуту, уединенного тока в неограниченной. плазме солнечной атмосферы, привело к выводу об устойчивости магнитных жгутов (петель) к винтовому изгибу в довольна широком диапазоне параметров даже без ограничения на длину петли (.когда заведомо нарушается, зачастую некорректно используемое, условие Шафранова-Крускала устойчивости внешне* кинк-коды. Последнее справедливо для границы плазмы, а не токового канала. В атмосфере Солнца такой границы нет.).

В тем же случае, когда неустойчивость разрешена, развитие внешнего винтового изгиба оказывается возможным только во время "раСоты" фотосферного граничного режима, сопряженного с выходом (но не с погружением) ив-под фотосферы самого магнитноп жгута. Рассмотрение ансамбля таких поднимающихся в корону жгутов, изначально не взаимодействующих между собой, детерминиро-Еанно (без привлечения "удобных" представлений о хаотичесш движении фотосферных оснований петель) приводит к представлению о магнитном узле, в котором происходит пересоединепп' (быстрое или медленное, в зависимости ст внешних условий) пе рекрестно-взаимодействующих магнитных петель. В рамках таю схемы магнитный увел является основным топологическим элемен том 8акрытой петельной конфигурации с расположенным вдоль ли нии инверсии волокном.

Что касается "магкитосферного" подхода к проблеме вспьипеч кого энергевыдолекия, основанного на кажущейся аналогии про цессов солнечной вспышки и магнитосферной суббури, то у многн "солнечников" (в том числе у автора этих строк) отношение такой упрощенней трактовке было весьма скептическим. Одна« поэтапное (начиная с состояний динамического равновесия магм

тосфер Земли и соответствующей АО) рассмотрение этого вопроса позволило построить непротиворечивую схему всех фаз солнечной

вспышки исходя'из "сценария" магнитосферкой-суббури;— При зтоя--------

"магкитосферной" оказывается квадрупольная. изначально замкнутая, магнитная конфигурация АО, Физическим механизмом, обеспечивающим протекание фазы "накопления" является неустойчивость типа "неустойчивости вытяжения" закрытого кьосга немкой магнитосферы. Процесс "накопления" обусловлен подъемом в корону замкнутого магнитного потока б смежных, с местом локализации будущей вспышки, областях. Flash фаза солнечной вспышки олре-

яплне i *<и переходом "нвустойчйьости iiuinttqulu'* ь he'vcicfrailocii.

разрыва нестационарного (.не нейтрального) токового слоя внутри зоны "накопления1'. Заключительная фаза релаксации вспьппечного процесса соответствует известной модели Пноймана-Коппа.

В) Переходные волновые процессы в атмосфере АО.

Анализ пульсаций микроволнового излучения АО (Ралиоинтерферо--метр с малой базой! уверенно выявил присутствие цугов квазипериодических колебаний (КПК) с характерными значениями периодов около 3 мин., 5 мин. и 6-7 мин. Традиционный путь трактовки KTIK состоит в использовании представления с некотором резонансном объеме с достаточно резкими границами, собственные частоты которого и определяют характерные значения наблюдаемых периодов. Однако, гармоник, кратных основным периодам, обнаружено не было.. Их отсутствие можно было бы объяснить низкой добротностью "резонатора" , но наблюдаемая длительность цугов КПК была елчыком высока для этого. Поэтому был избран альтернативный путь, опирающийся на дисперсионные свойства (обусловленные силой тяжести, периодичностью следования магнитных петель и пр.) безграничной солнечной магнитоллазмы. Учет последнего обстоятельства определяет осцилляторный характер переходных процессор, являющихся откликом системы на возникшее или проходящее возмущение (течение). Формирование волнового следа за импульсным возмущением использовалось ранее другими авторами при интерпретации фотосферных пятиминутных колебаний.

Что же касается обсуждаемых КПК, то их формирование обусловлено откликом атмосферы над теныо и полутенью на быстрый

(несколько минут) подъем или перестройку магнитного поля солнечного пятна. Характерные спектральные компоненты возникающего переходного процесса зависят, главным образом, от температурного строения атмосферы. При этом колебания с периодом около трех минут определяются характеристиками атмосферы пятна в области температурного минимума (который можно рассматривать как температурное плато), а не размером "резонатора" фотосфера - переходная нона. Для объяснения К11К с периодами 6-7 минут пришлось предположить присутствие в переходной зоне достаточно иирокого плато с температурой около 20 тыс. град., существующего только во время "выхода" нового магнитного потока в АО.-Теория хромосферы предсказывает возможность существования похожего температурного плато в интервале резкого роста лучистых потерь на излучение в линии L-альфа. Однако, до сих пор экспериментальные свидетельства его существования отсутствуют.

Последующий анализ переходных процессов быстрого магнитоз-вукового и альвеновского типов привел к выводу о неизбежном их влиянии на характеристики секундных пульсаций микроволнового излучения АО. Переходные процессы указанного типа могут модулировать темп всплескового экерговыделения приходя извне, либо "навязывать" свой период, Бозбуждаясь в самом энергоисточнике.

С) Микроволновый источник над нейтральной линией.

Достаточно компактные долгоживущие радиоисточники, расположенные примерно над нейтральной линией фотосферного магнитного поля АО (Neutral Line associated Saurse - NLS) были обнаружены свыше десяти лет назад. Однако, интерес к ним заметно возрос лишь после исследований, выполненных пулковской группой ради оастрономов на телескопе РАТАН - 6G0. Главным признаком, по которому выделялись эти объекты, был необычно крутой наклон спектра в сторону коротких длин волн, благодаря чему они получили название "пекулярных" (PS). Принципиальными при этом сказались предположения о связи PS с нейтральными токовыми слоями и о возможности их использования как фактора поогноза крупных протонных вспышрк. В этой, связи, а также исходя ¡n теоретичес ких предпосылок появления и существования KL0 (пункт Ai, был проведен анализ морфологических к эволюционных особенностей

этих источников на основе данных наблюдений Сибирского Солнеч-

ногоРадиотелескопаЛССРТЬ------------------------------------------

При этом оказалось чю РЗ , по всей вероятности, представ .ЛЯ--Т ли,'ш> частный случаи визкорасположенкого N15. На ряде примеров впервые удэиось игучить процесс роздения N15 к обнаружить факт "ступенчатого" прироста (за 10 - 30 минут) соответствующего этим источникам микроволнового потока. Следует заметить , что "ступеньки" неоднократно отмечались на СОРТ при изучении эволюционных изменений потока всей АО. гиня!«\. пггт^сс ¿^алиьниии глсрити*, так ж« к*«- плял^ пгсын Сил О'.ионан и признан факт реальности "ступенек" вообще. Реальность этого явления свое наилучшее подтверждение чаша ь факте наблюдения, синхронного микроволновому, "ступенчатого" возрастания потока продольного магнитного поля в одной из "иг-лучин" главной нейтральной линии на магнитограмме АО. Можно предположить, что ступенчатому росту микроволнового потока соответствует Формирование ь достаточно плотной, замкнутей маг иитдеф^рр АО "магнитного yn.na", зккивалвнтиого компактному трехмерному токовому слою.

Наилучшую евмз! низкие N¡.3 обнаруживают с достаточно мощными (безотно: итс-льно к их оптическому баллу) вспишкаш б мягком р»нтг< не, пгявля;«.'!, за один два дня до первой из них и при-сутс тпуя п(-ред к.'датй последующей (что, вообще говоря, '<одт-Г( рждяст г.нтчк поч-лнии ььтод огно'П!т»лмю связи ГС - хромое-Ф'-ри.чл г,гтт-:-и полуютам на РЛГДНе;. Длительное свечение компактного, яркого N1.:-.' в АО перед вспышкой ярвд^т^п пндгиедто ;>(>;,! иг "н,№>пл>п11М". 1 рю?одог>.'Ш«ы возможней в<-;н«;%-чной знер пы Т' 'м |> • м. Н' •'-. ф;»г;т присутствия такою объекта указывает па то, что магнитосфера АО "топологически" готова к тому, чтобы такое, предшествующее мощной вспышке, "накопление", могло иметь ме~тп (при , например, достаточно быстром подъеме наг -нитиого П''ска I. корону,). М"~тод Nl.fi благодаря относительной простоте и н.Ч| ладности, возможно, а .¡грает принципиальную роль г. злдач> пропгзч крупных ¡рентгеновских вспышек на комплексе П'1 т.

0) Метод РКР п проблеме взаимодействия всиышечных мгд -ударных волн о велио'-фернш токовым слоем.

У

Для решения задачи численного трехмерного анализа формы и Интенсивности генерированной вспышксй взрывной ударной волны была разработала и роализована полуаналитическая методика расчета, соответствующая приближению ВКВ, но с учетом факторов нелинейности. При этом потребовался вывод е наиболее общем виде лучевых уравнений м.шштозвуковых волн в неоднородном солнечном ветре с последующим учетом фактора интенсивности ударной волны. Были получены в явной форме законы затухания достаточно слабых, произвольно ориентированных взрывных ударных волн при их распространении вдоль расчетной лучевой трубки. Постановка задачи определяется гаданием модели солнечного ветра и магнитного поля, координатами и мощностью точечного взрыва, ксторым аппроксимируется солнечная вспышка.

Ноеый метод расчета дал новые результаты, наиболее интересным из которых является формирование на поверхности ударного фронта выдающегося вперед выступа, соответствующего процессу частичкой кумуляции волновой энергии в окрестность гелиосфер-ного токового слоя. Это означает, что при прочих равных условиях к земнсй магнитосфере вспшпечная ударная волна придет раньше, а ее интенсивность будет выше в том случае, когда Земля находится в окрестности секторной границы меяэтланетногс магнитного поля. Следует заметить, что использование "традици онного" метода нелинейной геометрической акустики для решения подобной задачи приводит к неверным выводам о неограниченной кумуляции и формировании не выступа, а углубления на волновой поверхности.

Г) Геофизические приложения.

Рассмотренные ниже геофизические приложения в качестве слагаемых схемы расчета параметров короткой воздушной ударной волнь содержат метод нелинейной геометрической акустики (НГА). В методе НГА пренебрегаете« дисперсией неоднородной атмосферь (внешняя сила тяжести). Поправка, учитывающая последнее обстоятельство, может быть мала, но существенно то, что она нарас тает по мере распространения возмущения приводя к формировании растущего волнового следа. Поэтому законы, затухания уединенно! ударной волны не могут иметь асимптотического представленю

10

даже в идеальной среде с регулярной плавной неоднородностью. Анализ соответствующих рамок применимости приближения НГА и расчет дисперсионной поправки к законам затухания слабой ударной волны проводится впервые.

Решение задачи о распространении в реальной атмосфере возмущения. порожденного поверхностной волной при сильных землетрясениях, продиктовано существованием в ряде работ объяснения весьма заметного (десятки и сотки градусов) нагреьа и смещения (до десятков км) ионосферных слоев эффектом ударной юлны на ЭТИХ высота:'.. Расчет показал ошибочность такой то>:к:т срошп.

Разработана методика расчета в реальной атмосфере взрывной волны от слабого наземного (промышленного) или воздушного взрывов. Одним из элементов схемы является "сшиБка" численных решений теории сильного взрыва с решением НГА на некоторой контрольной поверхности. Используемый иногда метсд спектрального разложения уходящего от места взрыва возмущения с учетом линейного поглощения каждой составляющей дает неверную оценку интенсивности и протяженности ударной волны на ионосферных высотах. В свою очередь использование в методе НГА асимптотических соотношений для расчета параметров уединенной болны на большом удалении от места взрыва также оказывается неверным, посколысу в реальной атмосфере выход законов затухания на асимптотически режим места не имеет.

О рамкгл проблемы ионосферного контроля за мощностью подземного ядерного испытания разработана схема аналитического расчета параметров воздушного возмущения, порожденного движением взволнованной камуфлетным взрывом земной поверхности. Постановка задачи определяется заданием модели атмосферы, механическими свойствами скальной породы, глубиной и мощностью взрыва. Б указанной постановке полуаналитическое решение проблемы акустического воздействия подземного взрыва на верхнюю ионосферу найдено впервые. 5' частности, получено соотношение, связывающее параметры ядерного испытания с величиной вертикального смещения ионосферы в ударной волне над эпицентром взрыва. Показано также, что основная доля акустической энергии уходит практически вертикально вверх (при изначально плоской земной поверхности) я лишь малая ее доля захватывается атмосферным волноводом.

Научная и практическая ценность.

Научная ценность определяется решением ряда принципиальны? вопросов фиаики солнечных активных областей, теории распространения ударных волн в солнечном ветре и атмосфере Земли. Полученные в диссертации результаты могут использоваться другим! исследователями при решении ряда задач. Практический характер имеют предложенные в диссертации методики, к числу которых относятся: методика прогноза геоэффективных (крупных рентгеновских, в частности) солнечных вспышек на радисаотрономическок комплексе СОРТ (метод знепятенного источника - ; методик^ расчета параметров взрывных ударных волн в трехмерно-неоднородном солнечном ветре к атмосфере Земли.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на : конференциях по радиофизическим исследованиям солнечной системы (Киев, 1931; Звенигород, 1304; Одесса, 1935; Симферополь, 1988); совещании по физике Солнца (Одесса, 1938); SMY-SMA Workshop, Иркутск, 19Q5; Plasma Astrophysics ESA Workshop, Грузия, 1S90; CESRA Workshop, Греция, 1931; S0L.TIP Symposium, Чехословакия, 1991; XI всесоюзной акустической конференции, Москва, 1991; семинарах рабочих групп: "Волны в атмосфере Солнца" (Рига, 1985), "Специальные теоретические и экспериментальные исследования солнечной плазмы" (Львов, 1990); семинарах ИСЗФ СО АН СССР и др.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Сн< содержит 233 страницы текста, напечатанного через 1,5 интервала, 43 рисунка, 2 таблицы. Список литературы включает 164 наи ме.нованкя. Общий объем диссертации - 265 страниц.

Содержание Работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирован:-, конкретные цели диссертации и очерчен круг задач, решаемых I

1,2

каждой из глав.

О главо I проводится ''Шажз~ъигтгв6й "неустойчивости электрического тока и ее роли е создания вспьпяечной ситуации в рамках концепции сочкрчных жгутозкх магнитных структур. Докапывается правомерность "магнитосферного" подхода к. проблеме солнечной вспышки и предлагается ее сценарии.

U обсуждается МОДЕЛЬ ВСШИ'.ЯШОГО ЭН-?рГОЗ«ВвЛ«?НВЯ ь одиночкой солкечл.;« петле, ссиэьаииаа на кажущейся аналогии с процессами, имеющими место з лабооатоэком Тсжячаке - п,й.чи~ гик-нал ЬНУТрсННИН ЬИйТОК-аЯ нйуг.тлучин« «■"••г* '-рчин Дг.? •»•ого, "tt-'i обеспечить ее развитие з условиях солнечной петли необходимо одновременное выполнение двух условий: - резонансного совпадения iL-ara пробного возмущения (энергетический подход) с шагом магнитного поля; - обращения возмущения в нуль на фотосферных торцах петли - цилиндра. Однако, выбранное таким образом пробное Еозмуцение собственной функцией (стоячей волной) задачи на самом деле не является и потому не может возникнуть самопроизвольно. ГуД'/чи заданным, такое гогмущение распадется раньше (.»адача Кош о распаде произвольно заданного возмущения) неже ли успеет нарасти. Скааанно* демонстрируется на примере ограниченного цилиндра с однородным током (в отличие от Токамэка -гилиндра о отождествлёнными горцами), собственные функции ко торено оказываются устойчирыми злагюйиитовым}'. такими, что не-"•олодимое резонансное услобиг никогда не дссч-игаетса. Раавитие тирикг-моды, однако, оказывается возможна во время "работы" граничило режима, сбуслсглипкого, например, подгппн петли. Гмгь MO.VT послидиим обстоят»? ль "т:ом свяр.по г.леаи? тон кой винтовой структуры внутри петли, lio тогда возникает проблема "накопления" энергии, достаточной для объяснения вспышки. Более того, если уж говорить о винтовых модах, то при подъеме л^п.! Bor.iiHi-w-r внешний битовой иггиб пот ли как целого. Тем самым гргд-тАклжчея везмзд сомнительной всзыожность но только гепдаы, in »« '"'з-дания вспывь-чвой ситуации в одиночной солнеч ной петле.

При изучении вопроса об устойчивости солнечных петельных структур относительно внешних винтовых мод обычно используются достаточные услоъня Шафраиова. Первое из них требует быстрого роста газового д/тления при удалении от жгута, второе - огра-

ничения на его длину (или величину продольного тока). Эти условия являются слишком сильными и их выполнение, по-видимому, даже противоречит наблюдениям. В этой свяви в §1 в рамках приближения магнитной гидродинамики методом колебаний решается модельная Бадача о внешних модах уединенного тока в безграничной плазме с магнитным полем и доказана возможность его устойчивости в условиях, когда "обычные" критерии не работают. Отдельно обсуждаются случаи тока полностью экранированного обратным поверхностным и тока, в общем случае экранированного частично. В последнем случае стабилизация неустойчивых внешних (разматывается внешнее винтовое магнитное поле) винтовых мод Еозможна, в частности, если газовое давление внутри петли спадает от ее оси к периферии (границе токового канала) до уровня ниже фонового. Случай полностью экранированного тока (магнитного жгута) является особым, ибо механизм неустойчивого винтового искривления здесь иной (раскручивается внутреннее винтовое магнитное поле). В отсутствие внешнего магнитного поля такой жгут слабонеустойчив только относительно кинк-моды. Последняя легко стабилизируется продольным внешним поле. Попутнс рассматривается решения в точке внешнего альвеновского резонанса и в сопутствующей точке антиподного свойства. Появление пары этих точек обусловлено неоднородностью (или, что то же самое, кривизной) внешнего азимутального магнитного поля.

В §3 предложена схема создания вспышечной ситуации, основанная на концепции последовательно всплывавдкх аркад, состоящих из токонесущих магнитных петель. В целом картина соответствует подъему из недр Солнца большой горизонтальной, скрученной "материнской" трубки, так что выходу аркад с необходимостью отвечает "тировое" движение их фотосферных оснований. Постулируется винтовой характер искривления каждсй петли ка* целого. Изгиб петли возможен только в моменты ее выхода. Знш слабого бинтового разворота детерминирован и соответствует неустойчивой винтовой моде. Основными моментами при этом являются перекрестное взаимодействие петель (в магнитном увле) в области над нулевой линией и формирование длинного магнитнохч волокна (протуберанца). Произвол заключается лишь в выборе исходной конфигурации петель и направления протекающих в ни: продольных электрических токов. Последний фактор определяв'

•14

существование двук типов внешне похожих активных областей -вспышечно-опасной и более спокойной:

В §4 обсуждается достаточно спорная проблема аналогии физических процессов, определяющих развитие магнитоарерной суббури и некоторых двухленточных солнечных вспышек и доказывается состоятельность такого подхода. На первом этапе "строится" вспомогательная схема АО, соответствующая динамическому равновесию земной магнитосферы з рамках квазистационарной модели Данжи. Затем рассматривается резко нестационарная ситуация в соответствии со сценарием cvCSvdh. Htn сгшм к,Ци4ььымЯ OKasa. лись следующие моменты в схеме рассуждений. 1. Вывод о том, что квадрупольный тип магнитосферы АО является ближайшим аналогом вемной магнитосферы (по-крайней мере, закрытой ее части). 2. Использование явлений выноса замкнутого магнитного потока в корону (EFR, shear motion и, возможно, движений пятен) как "внешних" источников, обеспечивающих "накопление" энергии в месте будущей вспышки. 3. Вывод о том, что сутью процесса "накопления" является неустойчивость типа неустойчивости "вытяжения" закрытого хвоста земной магнитосферы в 1-й ктивнсй фазе суббури. 4. Последующее использование неустойчивости разрыва закрытого хвоста как основного механизма энерговыделзнил во flash фазе солнечной вспышки.

В главе II рассматриваются переходные волновые процессы, которые могут иметь характер почти периодических колебаний в то время, когда безграничная среда не обладает резонаторными свойстгами. Переходные процессы сопровождают любые нестационарные течения, имеющие место в солнечной АО. С точки зрения спектрального анализа переходный процесс определяется дисперсией групповых скоростей спектральных составляющих исходного возмущения. В случае, когда обращение группоьоп скорости в ноль имеет место для частот больших или меньких некоторой (отличной от нули) чам^'ТЬ' "итсечкй", почти периодические колебания возникают и в тлй точке, в которой "родилось" возмущение. L'c-ли же групповая скорость, не обращаясь е ноль, имеет локальный минимум на некоторой частоте, квазипериодическому процессу отвечает лишь малый участок волнового следа дате ко отошедшего возмущения. Обращается внимание на переходные процессы первого

Lo

типа.

В S1 обсуждаются переходные процессы медленного магнитозву-кового типа в связи с присутствием в микроволновом излучении АО цугоз квазипериодических колебаний с довольно стабильными вначениями периодов около 3 минут, около 5 минут и порядка 6-7 минут. Два первых компонента весьма заметны в поляризованном потоке и, по-видимому, соответствуют солнечному пятну. Последний компонент уверенней выделяется в неполяривованком излучении. Возникновение колебаний связывается с резко нестационарными (минуты) движениями (неважно, вверх или вниз) плазмы горизонтально однородного пятна (петли) почти вдоль магнитного поля. Стабильность средних периодов КПК обусловлена температурным режимом атмосферы, определяющим стабильность значений температуры тех ее участков, где температурный градиент мал.

Анализ предлагаемой в §1 схемы проводился совместно с В.Г.Зандановым, которому принадлежит также получение экспериментального материала на Радиоинтерферометре с малой базой и его обработка.

В §2 рассмотрен ряд равновесных конфигураций, возможно, имеющих отношение к реальным структурам атмосферы АО и допускающих квазипериодические переходные процессы быстрого магни-товвукового типа. Осуждается также возможность присутствия осцилляторных переходных процессов (несжимаемого) альвеновско-го типа в арочных (взаимодейсг вующих) структурах, в которых протекает продольный электрический ток. Привлечение указанных переходных процессов было инициировано экспериментальным обнаружением секундных КПК лишь в тех участках АО, которые незадолго до сеанса наблюдений (или вскоре после) являлись источниками слабых микроволновых всплесков. Эксперимент был выполнен В.Г.Зандановым и Т.А.Тресковым в режиме "скольжения" радиоисточника (около пяти минут) вдоль ножа диаграммы СОРТ.

Глава III посвящена анализу некоторых экспериментальных данных Сибирского солнечного радиотелескопа а связи с пробле мой обнаружения, определения особенностей эволюции и морфологических связей микроволнового источника (NL.S), расположенного примерно над нейтральной линией солнечной активной области, но всей вероятности, долгоживущий NLS отражает физические условия

16

содержащей его ЛО как целого и потому может быть использован в задаче прогноза вспышечной активности.

В 51 обсуждаются только ДЕа таких источника. Первый из них рождался вместе с содержавшей его небольшой АО (AR 4826, '.толь 1987), пргтам рост его интенсивности (и потока) носил "ступенчатый" характер. Каждой "ступеньке" соответствует субвспышка и интервал усиления "игровых" движений магнитных пор на фотосфере. По своим спектральным особенностям этот NLS относиюя к

nainomi "лдил;лаг-.ицу" (РДТЛ'.Г) и пг.оятог'.т'аптаая ттг.гт дтгоП'П wyjn-

ПИГ./Ч ТЧ ( ГЧ р-Т»»Г Y, * » ^ Г, ** Л 7* ТТ ,Л ТЭ I

его локализации. Втооой MLS существенно отличался от первого стабильностью, размером, спектром и высотой. Его присутствие в необычайно развитей и, казалось бы, вспышечноопасной АО rAR 5200, октябрь j.988) явилось индикатором ее неспособности произвести хотя бы одну крупную вспышку.

В §2 показаны результаты детального анализа одномерных и двумерных радиоизображений выдающейся своими вспышками активной области (AR 5629. август 1989) с привлечением оптических и магнитографических данных. Изучался Ееоь интервал, от восхода до захода, прохождения области по солнечному диску. При этом период (половина интервала) отсутствия NLS в структуре ЛО сопровождался периодом ее относительного спокойствия в мягком рентгеновском диапазоне длин волн. Формирование низксрасполо-женного N1.S (по всей вероятности "пекулярного") в АО предшествовало серии очень крупных рентгеновских вспышек. NLS ке исчезал. присутствуя ¡;еред каждой последующей крупной вспышкой. ПояЕлешро нового источника f, структуре NLS соответствовал "ступенчатый" пржсст потока микроволнового излучения всей АО. По времени этот процесс почти точно совпал с существенной "ступенчатой" вариацией потока продольного магнитного поля в одной из излучин главной нейтральной линии. Полученные результаты отражают характер г-гшеюевлги всех уровней атмосферы АО через посредство лкътв'.ого лад главной нейтральной линией микроволнового источнике.

Целенаправленный анализ и осмысление обширного экспериментального материала, на который опираются выгоды этой главк, Еытюлнепы в чоллсктш-е соавторов: Головко А.А., Коробова 5.£., Коржазин А.Н., лубык^п б и. . н€1«?дь'?б в.п., Сыч р.а.

В главе IV предлагаются метод и некоторые результаты численного решения задачи распространения в солнечном ветре взрывной ударней волны небольшой интенсивности, которую генерирует солнечная вспышка вблизи поверхности Солнца. Аналитическая сторона вопроса содержит следующее этапы: вывод в наиболее общем виде законов затухания произвольно ориентированных (по отношении к векторам магнитного поля и скорости плазмы) уединенных, слабых мэгнитозвуковых ударных волн; вывод в самом общем виде лучевых уравнений линейных магнитозвуковых волн и уравнению'!, учитывающих фактор конечной интенсивности ударной волны (слабой нелинейности); постановка задачи.

В §1 законы затухания уединенных магнитозвуковых (медленной и быстрой) ударных волн в плавно-неоднородной плазме получены с использованием условия сохранения полной энергии, которую несет в себе решение типа простой (Римановой) волны в идеальной среде до и после "перехлеста" профиля.

В методом эйконала из линеаризованной системы уравнений магнитной газодинамики выводятся полные лучевые уравнения магнитозвуковых (и алъзеновских) волн в произвольной ортогональной системе координат. Показан способ последующего расширения метода на случай слабых и очень сильных ударных волн.

В §3 обсуждается .остановка задачи и результаты ее численного решения для солнечного ветра с гелиосферным токовым слоем. Солнечная вспышка подменяется изотропным точечным взрывом в основании солнечного ветра (при достаточно мощном компьютере возможно моделирование прямо с поверхности Солнца, если задать модель атмосферы АО). Гелиосферкый токовый слой (ГТС) сопряжен с радиадьно расходящимся низкоскоростным потоком более плотной плазмы солнечного ветра. Рассматриваются случаи центрального (расположенного в основании ГТС) и бокового взрывов. При этом (с некоторыми различиями) в окрестности ГТС формируется наиболее быстрый и интенсивный участок фронта межпланетной ударной волны. Обсуждаются ошибки, связанные с попытками других авторов решить подобную задачу.

Результаты §2 л аЗ получены совместно с Ураловой С.О., которой также принадлежит разработка численного алгоритма и соответствующего пакета программ.

Глава V посвящена геофизическим приложениям и содержит ре-

—шекке ряда задач о распространении в верхнюю атмосферу акусти-------------

ческих возмущений, порожденных наземными импульсными источниками естественного и искусгвенного происхождения.

§1 на примере плоской, распространяющейся вертикально (вверх или вниз) в изотермической идеальной атмосфере уединен-)юп ударной волны обсуждается вопрос о рамках применимости приближения нелинейной геометрической акустики (НГА). Законы КГА затухания ударней волны могут потерять свою силу раньше,

(малость амплитуды и длительности волны, треугольность разрыв -ного профиля передней фазы сжатия на больших удалениях от источника) . Последнее обстоятельство связано с появлением растущего волнового следа (дисперсия из-за силы тяжести) за возмущением малой длительности ь линейной задаче. Ударная волна затухает быстрее и профиль передней фазы сжатия уже не является треугольным (конечность ширины самого ударного перехода игнорируется в НГА). Найдены законы затухания ударной волны (интенсивность, длительность первой фазы) путем самосогла^оваинс-I о учета одновременного действия нелинейности к упомянутой дисперсии,

В 5й рассматривается реакция атмосферы на периодическую и уединенную поверхностную волну Релея вдали от эпицентра землетрясения. Акустическое возмущение в реальной земной атмосфере рассчитывается ь приближении ИГЛ с учетом конечной ширины ударного фронта. Нагрев и смешение атмосферных слоев, вызванные акустическим цугом (отрезок периодического сигнача) достаточно малы и не могут быть причиной (оиибочгый выисд) наблюдаемых в период землетрясений ионосферных возмущений. 3 отличие от периодической, уединенная волна (так же как передняя полуволна цуга) более экономно расходует энергию на нагрев нижних (НС - 200 км) слоев атмосферы и потому достигает существенно больших ЕЬ'сот. Сер:ля следующих друг за другом импульсов (серия толчков при землетрясении) может привести к возмущению высоко-лежащей ионосферы гораздо белее ощутимому., нежели волновой цуг, составленный и? этих же импульсов. Последнее обстоятельство, возможно, представляет интерес в плаке коррекции теории нагрева солнечной атмосферы периодическим пилообразным сигна-

лом.

Результаты Ш получены совместно с В.Е.Орловым, которому принадлежит проведение численных расчетов.

В §3 рассчитывается акустическое возмущение в атмосфере, вызванное подземным (камуфлеткым) ядерным ьзрывом. Оосуждается режим, когда от подземного удара эпицентралькые участки изначально плоской земной поверхности последовательно "откалываются", взлетают вверх и падают на прежнее место. Интенсивность и форма излучаемого при зтом в атмосферу в заданном направлении акустического сигнала рассчитываются аналитически и численно с помощью интеграла Релея. Задача последующего распространения воздушной волны решается лучевым методом с учетом фактора не линейности (и, если требуется, факторов линейного поглощения и каустического сдвига фаз частотных составляющих слабого сигна ла в атмосферном волноводе). Как оказалось, острая "направленность" излучаемого сигнала БЕерх (е случае скального грунта) и очень сильная зависимость его формы и длительности от зенитного угла исключают проведение расчетной аналогии, основанной на ошибочном представлении об эквивалентном наземном эпицентраль-ком взрыве малой мощности, имеющем сопоставимый атмосферный аффект. (Подобная задача о слабом наземном взрыве в реальной атмосфере, решавшаяся методом НГА совместно с В.В.Орловым, не содержится в диссертации., поскольку представляет собой /прощенный вариант задач, решаемых б г^аве 4 и настоящем параграфе).

Результаты 53 получены совместно с Г.В.Руденко, которому также принадлежит разработка численного алгоритма и соответствующего пакета программ.

В заключении сформулированы основные результаты дисс-ртл ции.

Положения, Ьыносимые па Защиту

1. Доказательство вормомк^-ги стабиллз-чции н''у>:т..ип!;:ь;:>: гнет них винтовых мод бег ограничения на длину мапштнгй и'л ли с некомпенсированным током (критерий. кч!фечентч г. п;.я'-л:т та)

¿0

длинных волн); вывод о нереальности вспышечного энерговыделе-_ния в одиночной петле по сценарию внутренней дизруптивной нестабильности в Токамаке; модель г^ледоватёльно~Еыходяпи1Х_маг-- .....

нм''нм>: арктд с использованием правила винтового разворота каждой токонесущей петли, содержащая в качестве основных элементов перекрестное взаимодействие петель и формирование (распад) магнитного волокна нал фотосфеоной линией инверсии; "магнитос-Форчая" модель соянечьсй гспышки в квадрупольной магнитной конфигурации.

С. .Интерпретация чуглрих р^ч-ок-я мик|л>ьсиноього иолу

ченил активных областей в рамках концепции переходных волновых процессов; вывод о связи квазипериодических колебаний поток;I с характерными периодами около 3 минут и 6-7 минут с процессами медленного магнитозвукового типа, отражающих температурное строение атмосферы пятна (петли); вывод об определяющей роли переходных процессов быстрого магнитоззуковсго и атьвеновского типов в модуляции темпа энерговыделения в источниках секундных пульсаций.

у. Результаты исследований микроволновых нейтральны)', источников (МЬЗ), расположенных примерно над фотосферной линией инверсии: методика обнаружения N1.3 на основе данных СОРТ; существование различающихся физическими параметрам:;, предположительно высоко- и низкс-лежащих ("пекулярных", вперьые обнаруженных на РАТАНе), нейтральных источников; "ступенчатый" ха-рак'^р рождения нигколежятлх Н12 и сопутствующие этому процессы; вмюд о принципиальной роли КЬЗ в задаче прогноза мощных рентгеновских ьспышлк. на комплексе СОРТ.

4. Метод решения задачи распространения в трехмерно-нгоднород-ьом солнечном пе-^р.'- Борькой удярчей воины от солг:вчиой вспышки, сэдеряэдш. вчгод .;:у-"ы.!х уравнений для магнитол?./косых голн б ся,<ом г и их чоррекц.к' ?а неликвйность; опре-

деление з-конок -;згу.\ «ни? прои.-польво ориентированных уединен нчч мгд.-'.'дапны: волн в плавне-неоднородной дзияушейся плазме; пост лис-,-.ку л р*нк-ш:«* модельной задачи о взаимодействии межпла-}ч-гкоЯ уда;:ней :.-да«р .? г'-лиосф'^рным токовым слое,и.

Б. Решение ряда геофизических задач: расчет дисперсионной поправки к законам затухания уединенной ударной водны в изотермической атмосфере; расчет нагрева и смещения ионосферных слоев, вызванных распространением в реальной атмосфере акустического сигнала, порожденного поверхностной волной при землетрясении; метод решения задачи об акустическом воздействии на верхнюю атмосферу слабого наземного взрыва; метод и результаты решения задачи излучения и акустического воздействия подземного ядерного взрыва на эпицентральную ионосферу.

Публикации по Теме Диссертации

1. Уралоз A.M.: 1977, Жгутовая структура всплывающего магнитного поля на Солнце, Письма в Астрон.ж., 3, 12, 554.

Z. Соловьев А.А., Уралов A.M.: 1979: Равновесие и устойчивость жгутовых магнитных структур на Солнце, Письма в Астрон.ж., 5, 9, -165.

3. Uralov A.M.: 1988, The unity of the nature of magnetic field rope structure and energy release iri flares, Proceedings cf SMA Workshop, Irkutsk, 1985. Additional issue, p.186.

4. Uralov A.M.: 1990, The flare as a result of cross-interaction of loops: causal relationship with a prominence,(part 2), Solar Physics, 127, 253. (Препринт СибИЗМИР 28, 19S7)

b. Uralov A.M.: 1990, The flare as a result of cross• interaction of loops, (part 1), AGiJ Geophysical Monograph 56, Physics cf Magnetic Flux Ropes, p.28b.

6. Уралов A.M.: 1990, 0 внешних винтовых модах уединенного тока в неограниченной плазме, Изв. вузов. Радиофизика, 33, 10, 1168.

7. Уралов A.M.: 1994, "Магнитосфернмй" сценарий солнечной вспышки в квадрупольной магнитной конфигурации, (.направлена в Astronomy and Astrophysics).

8. Занданов В.Г., Уралов A.M.: 1983, Стабильные квазинериоди-ческие компоненты флуктуаций солнечного микроволнового излучения, Иссл. но геомагнетизму, аэрономии и Фи;чч>- Солнца, М., Наука, 65, 97.

9. Занданог В.Г., Уралов A.M.: 1933, Реакция микроволнового излучения локальны): источников на выход магнитного поля в ----------корону, Иссл.- по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца,-----

М., Наука, (;5, 107. (Препринт СибИЗМИР 9, 1981)

Ю.Занданоз В.Г.. Тресков Т.А., Уралов A.M.: 1934, Секундные пульсации микроволнового излучения активных областей, Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, М,, Наука, 68,

21.

11.Zandanov V.G., Uralov A.M., 19s5, A possible role of oscillatory MHD - transients in the formation of a pulsation character cf energy release in n loop, Proceedings of SMA Workshop, Irkutsk, 1985. Additional issue, p.ISO.

12.Zandanov V.G., Uralov A.M.: 1934, Pulsations of microwave emission as a consequence of oscillatory transients in the solar atmosphere, Sclar Physics, 93, 301.

13.Zandanov V.G., Smolkov 3.Ya.. Uralov A.V.: 3PQ8, The response of the active region microwave emission to maanetic field emergence using S3RT observations, Proceedings of SMA Workshop, Irkutsk, 1985. Additional issue, p.57.

14.Smolkov Q.Ya., Nefedyev V.P., Uralov A.M., Kardapoiova N. N.: 1994, Stepwise emergence and development of microwave emission of active regions - a fundamental property of active solar ccrona, in proceedings cf IAU Colloq. 144, "Solar Coronal Structures", pp.505-512.

15.Агалаков Б.В., Леденев В.Г., Нефедьев В.П., Уралоз A.M., УрбарцХ.: 1992, Формирование условий, необходимых для генерации всплесков 111 типа па стадии роста площади групп пятен, Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, М., Наука, 99, 16С.

16.Sych R.A., Uralov A.M., Korzhavin A.N.: 1993, Radio cbser-■ vattons of compact solar sources located between sunspots, . Solar Physics, 144.. ¡53 .

17.Uralov A.M., Svch R.A., Lubyahev B.I., N'efedye» V.P. , Go-lovko A. A., Korcbova 7. В., A3 issandrakls C.E., Smartt R.N., Zhang riongqi.: 1^-94. An investigation of the neutral line associated mici owave emission source of active region AR 5329, submitted to Solar Physics. ("Микроволновый источник над нейтральной линией ¡сак фактор прогноза крупных рентге-

>13

новских вспышек", принята к публикации в сб. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике солнца, Наука, Новосибирск, выпуск 104)

IB.Korobova Z.B., Alissandrakis С.Е., Nefedyev V.P.,3ych R.A., Uralov A.M.: 1994, submitted to Solar Pnysics.

19.Уралов A.M.: 1982, Затухание слабой ударной волны в изотермической атмосфере с учетом дисперсионной поправки, Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 18, 8, 79?.

20.Орлов В.В., Уралов A.M.: 1984, Реакция атмосферы на слабый наземный взрыв, Изб. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 20, б, 476.

21.Орлов В.В., Уралов A.M.: 1987, Реакция атмосферы на волну Релея, порожденную землетрясением , Иссл. но геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, М., Наука, 78, 28.

22.Руденко Г.В., Смирнова Н.А., Уралов A.M.: 1991, Акустическое излучение подземного источника, Акустический институт им. Н.Н.Андреева, Труды XI Всесоюзной акустической конференции, Доклады, секция Ш, Москва, стр.21.

23.Rudenko 6.V., Uralov A.M.: 1995, Calculation of ionospheric effects due со acoustic radiation from an underground nuclear explosion, Journal of Atmospheric arid Terrestrial Physics, Vol.57, No. pp.225-236.

24.Уралов A.M.: 1976, К ударным волнам в магнитной гидродинамике Едали от места их возникновения, Магнитная гидродинамика, 2, 131.

25.Уралов A.M.: 1982, Затухание уединенных МГД-ударных волн малой интенсивности в плавно-неоднородной среде, Магнитная гидродинамика, 1, 45.

26.Uralova S.V., Uralov A.M.: 1990, A numerical calculation of parameters of explosion MHB-shock waves from model ate solar flares, Proceedings of Workshop on Plasma Astrophysics, FSA 3P-311, August 1990, p. 99.

27.Eselevich V.6., UralovaS.V., Uralov A.M.: v. On !.h-damping of shocks in the solar- wind. Proceedings of the First SOLTIP Symposium, Chechoslovakia, Vol. 1, p. 110.

28.Uralova S. V., Uralov A.M.: 1934, M'.B-approach to the prrb lem of MHU-shock propagation through the h*iio.-iph-i ic cm -rent sheet, Solar Physics, 152. 457-479.

■¿1