Вопросы динамики солнечной атмосферы и классических сред тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

о,

О

3

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

// ее

' -- у ... ^

л

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Владимир Дмитриевич

ВОПРОСЫ ДИНАМИКИ СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ И КОСМИЧЕСКИХ СРЕД

01.03.02 — астрофизика, радиоастрономия

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1998

Содержание

Введение 5

1 Фрагментация и перенос магнитных полей в подфотосфер-ных слоях Солнца 29

1.1 Фрагментация магнитного поля на силовые трубки в под-фотосферных слоях Солнца......................30

1.2 Равновесное распределение параметров............32

1.3 Решения для малых возмущений ...............33

1.4 Численные оценки размеров магнитных трубок ....... 47

1.5 Физическая интерпретация решений и некоторые замечания 48

1.6 Скорости всплывающих магнитных потоков . . . ......49

2 Неравновесие магнитных трубок и корональные выбросы массы • 58

2.1 Модельные представления о происхождении корональных выбросов .............................59

2.2 Феноменологическая модель коронального выброса.....60

2.3 Основные уравнения для трубки................61

"^ДАХПотеря равновесия поднимающейся скрученной трубки . . 66

2.5 Изгибная неустойчивость........................................69

2.6 Потеря массы трубки......................69

2.7 Полость и выброс................................................75

2.8 Выводы.......................................................78

3 Токовые слои в солнечной атмосфере и их диагностика по характеристикам излучения 79

3.1 Физические условия в области пересоединения и модель пинчевого токового слоя..........................................81

3.2 Характеристики радиоизлучения пинчевых токовых слоев . 86

3.3 Излучение пинчевых токовых слоев в ультрафиолетовом диапазоне............................ . 106

3.4 Связь характеристик радио и ультрафиолетового излучения от токового слоя.....................111

3.5 Локализация нулевых точек в модели двух диполей с учетом фонового поля........................114

3.6 Анализ возможности радиоастрономических наблюдений пинчевых токовых слоев в структуре локального источника 119

3.7 Определение параметров пинчевых токовых слоев по характеристикам радиоизлучения................129

3.8 Сопоставление с наблюдениями................135

4 Динамические процессы в космических средах с анизотропным давлением плазмы 138

4.1 Анизотропная МГД и вводные замечания...........139

4.2 Пересоединение магнитных силовых линий в нейтральном токовом слое при наличии малой добавки горячих анизотропных ионов..........................143

4.3 МГД-неустойчивости в плоскослоистой атмосфере с анизотропным давлением плазмы..................168

4.4 Влияние температурной анизотропии

плазмы на неустойчивость Кельвина - Гельмгольца гелио-паузы...............................181

5 Динамические эффекты в межзвездной среде 191

5.1 Введение .............................191

5.2 Основные уравнения.......................193

5.3 Равновесное состояние системы................196

5.4 Дисперсионное уравнение для малых

возмущений............................197

5.5 Граница устойчивости и критический показатель Г . . . . .201

5.6 Поведение малых возмущений и влияние К Л на неустойчивость ................................204

5.7 Численные оценки.......... ...............221

5.8 Решения для модельных профилей гравитационного потенциала ............................ ••• 221

5.9 Полученные результаты

и заключительные замечания..................224

Заключение 226

Приложение 1. Разработка и обоснование космических методов изучения динамических процессов на Солнце (миссия "ИнтерГелиос") 231

Приложение 2. 278

Литература 286

Введение

Диссертация посвящена теоретическому исследованию динамических процессов, происходящих в солнечной атмосфере и других космических средах (гелиосфера, межзвездная среда). В ней также разработаны и обоснованы экспериментальные методы обнаружения токовых слоев в солнечной атмосфере и исследования динамических процессов на Солнце и во внутренней гелиосфере.

Большая часть вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, которая пронизана магнитным полем и взаимодействует с ним по законам магнитной гидродинамики. В диссертации рассмотрен широкий круг явлений, происходящих в подфотосферных слоях Солнца, во внешней его атмосфере, на гелиопаузе и в межзвездной среде, для описания которых использовано магнитогидродинамическое приближение. Многочисленные наблюдения свидетельствуют о том, что магнитные поля являются одной из основных причин динамических явлений на Солнце и в космосе [1]. Генерированные в недрах Солнца они выносятся на его поверхность благодаря эффекту магнитной плавучести. При этом происходит фрагментация магнитного поля на силовые трубки, которые во многом определяют структуру и динамику внешней атмосферы Солнца. Наиболее мощным проявлением такой динамики являются выбросы коронального вещества (транзиенты), описанию и объяснению которых посвящено значительное число теоретических и наблюдательных работ в области физики Солнца [2]. Механизм возникновения таких выбросов до конца не выяснен, и главным остается вопрос об эруптивной неустойчивости магнитных трубок (петель), которая лежит в основе любой современной модели корональных выбросов вещества. Ключ к пониманию условий возникновения и движущих сил таких активных явлений как выбросы коронального вещества, вспышки и т.д. следует искать в исследовании равновесия и устойчивости магнитных трубок и конфигураций. Кроме чисто научного интереса, выбросы массы из атмосферы Солнца

важны для изучения физики солнечно-земных связей. Распространяясь в межпланетном пространстве они достигают орбиты Земли и взаимодействуя с ее магнитосферой вызывают магнитные бури и другие геоэффективные явления.

Другим важным динамическим процессом, с которым также связаны мощные активные явления (вспышки, выбросы, перестройка структуры магнитного поля и т.д.) в атмосфере Солнца, является пересоединение магнитных силовых линий [3]. Попадая в высокопроводящую солнечную корону всплывшие магнитные потоки взаимодействуя между собой или в результате собственных эволюционных изменений приводят к образованию в атмосфере Солнца токовых слоев. Происходящее в них пересоединение силовых линий рассматривается как основная причина возникновения солнечных вспышек и ускорения заряженных частиц. Выход последних в межпланетное пространство определяется топологией магнитного поля в короне (открытые и закрытые силовые линии), которая в значительном мере определяется распределением поля на уровне фотосферы, положением нулевых (нейтральных) силовых линий, разделяющих независимые магнитные потоки. Именно в окрестности таких линий преимущественно возникают токовые слои, обнаружение которых радиоастрономическими методами на больших радиотелескопах является одной из актуальных задач солнечной радиоастрономии. Целью теоретических и экспериментальных исследований токовых слоев и процесса пересоединения в них является локализация областей накопления и выделения магнитной энергии в активных областях, а также поиск режимов быстрого пересоединения, когда обеспечивается наблюдаемая достаточно быстрая диссипация (преобразование в энергию плазмы и ускоренных частиц) запасенной (связанной с токами) магнитной энергии.

Происходящее в результате пересоединения выделение магнитной энергии, а также магнитогидродинамические волны вносят вклад в нагрев солнечной короны, благодаря чему формируется истекающий поток плазмы — солнечный ветер. Достигая орбиты Земли и планет солнечный

ветер взаимодействует с их магнитосферами (или поверхностью) приводя к заполнению их частицами и формированию радиационных поясов. Давление солнечного ветра уменьшается с расстоянием от Солнца и в конечном счете на расстояниях около 100 а.е. оно сравнивается с давлением межзвездного газа, где образуется гелиопауза - граница Солнечной системы. Летящие уже в течение более 20 лет в этот район американские космические аппараты "Voyager-l,2" и "Рюпеег-10" призваны экспериментально установить диапазон тех расстояний, на которых реально располагается гелиопауза и определить состояние этой границы - турбулентное или относительное ламинарное. Последний вопрос - об устойчивости гелиопаузы - является предметом обширных теоретических исследований и связан с тем, что состояние гелиопаузы определяет проникновение в Солнечную систему межзвездного газа, и это состояние зависит от солнечной активности - параметров солнечного ветра [4, 5]. Важным источником динамики сильно разреженной космической плазмы является температурная анизотропия, порождаемая различными активными процессами (ускорение частиц, ударные волны и т.д.). Возникающие при этом неустойчивости во многом определяют динамику среды и для ряда задач учет температурной анизотропии, частично и полностью присущей среде, более адекватно соответствует реальным условиям. В числе таких сред - нейтральный токовый слой, в котором имеют место процессы ускорения частиц электрическим полем, гелиопауза, по обе стороны от которой находятся ударные волны. Довольно характерной является ситуация, когда плазма с анизотропным давлением находится в поле тяжести. Атмосфере с анизотропным давлением соответствуют, например, условия в экваториальных областях ионосферы Земли и планет.

Межзвездная среда является многокомпонентной, причем плотности энергии ее различных компонент - межзвездного газа, магнитного поля и космических лучей сравнимы между собой [6]. В масштабах Галактики, если говорить о гало (или диске) Галактики, межзвездная среда

находится в поле тяготения звезд, располагающихся преимущественно в плоскости эклиптики, а в магнитном поле выделяется регулярная составляющая параллельная плоскости эклиптики. Космические лучи распространяются в хаотических магнитных полях, которые можно считать вмороженными в межзвездный газ, и таким образом передают ему свое давление. Крупномасштабная динамика такой многокомпонентной среды представляет интерес, по крайней мере, в связи с двумя аспектами. Это -образование конденсаций межзвездного газа (в диске Галактики), в которых может происходить звездообразование, и выход космических лучей в гало Галактики [7, 8], чему должно препятствовать наличие регулярной компоненты галактического магнитного поля. Важны также общая картина динамического поведения среды и роль различных ее компонент.

Исследование динамических процессов на Солнце и в гелиосфере в значительной мере связано с измерениями и наблюдениями на космических аппаратах, которые дают необходимые данные для построения и проверки теоретических моделей. Возможности получения новых результатов с помощью космических аппаратов предъявляют все более повышенные требования к разработке и обоснованию космических миссий, их научным программам, рабочим орбитам аппаратов и методикам наблюдений и измерений [9]. Разработка экспериментальных космических методов исследования динамических процессов на Солнце и гелиосфере базируется на результатах последних космических миссий и результатах теоретических исследований нерешенных проблем физики Солнца и гелиосферы [10]. К числу таких проблем, решению которых в значительной мере должны способствовать исследования на космических аппаратах, можно отнести проблемы нагрева солнечной короны, происхождения и ускорения солнечного ветра, проблемы происхождения корональ-ных выбросов и солнечных вспышек. Важной является возможность осуществления стереоскопических наблюдений Солнца и околосолнечного пространства для исследования глобальной трехмерной структуры и динамики Солнца и околосолнечного пространства. Задача в разработке

космической миссии состоит в том, чтобы оптимальным образом удовлетворить требованиям наблюдений для получения новых данных, на основе которых возможно будет получить новые научные результаты и построить достоверные модели изучаемых явлений и процессов.

Целью настоящей диссертации являлось теоретическое исследование динамических процессов, происходящих в солнечной атмосфере и в других космических средах, основанное на использовании магнитогидродинамического приближения. При этом рассматриваются два основных источника динамики космических сред - магнитное поле и температурная анизотропия плазмы, и решаются следующие проблемы и задачи:

1) проблема фрагментации магнитного поля на силовые трубки в под-фотосферных слоях Солнца, получение характерных размеров силовых трубок и оценка скоростей всплывания магнитных сгустков во внешнюю атмосферу;

2) проблема равновесия всплывающих в корону магнитных силовых трубок, происхождения эруптивной неустойчивости корональных выбросов массы и ее зависимости от скорости всплывания магнитных трубок;

3) задача о влиянии температурной анизотропии плазмы на динамические процессы в различных космических средах и образованиях: возможность реализации режима быстрого пересоединения в условиях солнечной атмосферы при наличии малой добавки горячих анизотропных ионов; устойчивость гелиопаузы в условиях анизотропного характера формирующей ее среды; устойчивость плоскослоистой атмосферы с горизонтальным магнитным полем и анизотропным давлением плазмы;

4) задача о проявлении пинчевых токовых слоев в активных областях Солнца в характеристиках радиоизлучения и возможностях их обнаружения радиоастрономическими методами;

5) проблема крупномасштабной динамики многокомпонентной межзвездной среды, состоящей из межзвездного газа, магнитного поля и космических лучей и находящейся в однородном гравитационном поле, с

учетом диффузионно-конвективного описания космических лучей.

Для проверки разработанных в диссертации теоретических моделей и концепций, относящихся к солнечной атмосфере, в приложении 1 приведены результаты разработки и обоснования экспериментальных (космических) методов исследования динамических процессов на Солнце (миссия "ИнтерГелиос").

Научная новизна работы.

В результате выполненных исследований получены новые результаты и решения, описывающие особенности магнитогидродинамических процессов, происходящих в подфотосферных слоях Солнца, во внешней его атмосфере, на гелиопаузе и в межзвездной среде, разработаны и обоснованы экспериментальные (радиоастрономические и космические) методы исследования динамических процессов на Солнце и во внутренней гелио-сфере.

1. Впервые решена проблема "поперечного волнового числа" в задаче разбиения (фрагментации) магнитного поля на силовые трубки в подфотосферных слоях Солнца при учете кинематической и магнитной вязкости; в рамках полученных решений определены особенности процесса разбиения и, в частности, установлено, что при учете магнитной вязкости в пределе малых поперечных масштабов, когда газ и магнитное поле расцепляются, неустойчивость магнитной плавучести, приводящая к образованию трубок, модифицируется в конвективную неустойчивость газа и омическое затухание возмущений магнитного поля (магнитные трубки не образуются).

2. Предложен и аналитически описан механизм эруптивного поведения (потери равновесия) магнитных трубок, всплывающих из фотосферы в корону, обусловленный нагревом в условиях переходной области от хромосферы к короне.

3. Применительно к условиям солнечной атмосферы теоретически

рассмотрена и показана возможность реализации режима быстрого пересоединения за счет наличия малой добавки горячих анизотропных ионов.

4. Теоретически исследованы проявления пинчевых токовых слоев в активных областях Солнца в радиодиапазоне и сформулированы критерии их возможного обнаружения радиоастрономическими методами.

5. Исследована устойчивость гелиопаузы в условиях анизотропного характера формирующей ее среды и получена зависимость условий устойчивости от параметров анизотропии.

6. Исследована устойчивость плоскослоистой атмосферы с горизонтальным магнитным полем в условиях анизотропного давления плазмы; при этом получены критерии устойчивости, характерные инкременты и масштабы неустойчивых мод, описаны типы неустойчивостей.

7. С учетом диффузионно-конвективного описания космических лучей исследована крупномасштабная динамика многокомпонентной межзвездной среды, состоящей из межзвездного газа и космических лучей и находящейся в гравитационном и магнитном полях Галактики; при этом показано, что роль космических лучей в динамике среды находится в зависимости от величины коэффициента их диффузии и для разных масштабов проявляется по-разному.

В приложении 1 с учетом последних результатов в исследовании Солнца сформулированы и обоснованы условия реализуемости на космическом аппарате миссии "ИнтерГелиос" требований к наблюдениям и измерениям, которые позволят получить новые данные о динамических процессах на Солнце и во внутренней гелиосфере и проверить разработанные в диссертации теоретические моде