Вопросы нелинейной динамики плазмы в солнечных вспышках и протуберанцах тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

^ ° «в** с. ^

V г На правах рукописи

УДК 523.98; 533.9

БАРДАКОВ Владимир Михайлович

I

ВОПРОСЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШКАХ И ПРОТУБЕРАНЦАХ

01. 03. 03 - гелиофизика и физика солнечной системы

Автореферат

и г1

диссертации на соискание ученой степени дрктора физико-" зтематических наук

Иркутск 1998

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (г. Иркутск)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ЗАЙЦЕВ Валерий Васильевич (ИПФ РАН, г. Нижний Новгород);

доктор физико-математических наук, профессор ВЛАСОВ Валерий Георгиевич (ИрГТУ, г. Иркутск);

доктор физико-математических наук КУКЛИН Георгий Вячеславович (ИСЗФ СО РАН, г. Иркутск)

Ведущая организация: Главная астрономическая обсерватория РАН

г, Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится " "ЫНрел^ 1998 г. в__часов на заседании диссертационного совета Д. 003.24.01 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 Л® Ь / С/ 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^

к. ф. -м. н. Н/' X' А. И. Галкин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Физическая природа таких масштабных явлений в солнечной атмосфере как вспышки и протуберанцы уже на протяжении десятилетий является актуальнейшей темой исследований в солнечно-земной физике (Де Ягер, 1962; Старрок, 1979; Прист и Худ, 1995). Научное и прикладное значение этой темы, также как актуальность, определяется двумя факторами. Во-первых, солнечные вспышки и протуберанцы (эруптивные) представляют собой взрывные явления в космической плазме, наиболее доступные для всестороннего изучения и интенсивно исследуемые сейчас наземными и космическими обсерваториями. Во-вторых, они оказывают сильное воздействие на межпланетное и околоземное космическое пространство. Выяснение физической природы солнечных вспышек и протуберанцев обещает и понимание широкого круга явлений в космической плазме, а также в лабораторных установках, предназначенных для термоядерного синтеза, и создание научно обоснованного, надежного прогноза радиационной обстановки в ближнем космосе.

Несмотря па близость Солнца как космического объекта, многие физические процессы, протекающие во вспышках и протуберанцах и лежащие в основе их наблюдательных проявлений, практически недоступны для экспериментальных исследований. В связи с этим, одним из важнейших инструментов в современной физике Солнца являются теоретические исследования динами' I солнечной плазмы. Правиль. о поставленные и решенные задачи позволяют выходить на объяснение и лучшее понимание наблюдаемого феномена активности солнечной атмосферы. А общее построение теории динамики плазмы п солнечных вспышках и протуберанцах разрешит многое в физической природе этих явлений.

Исследование солнечных вспышек и протуберанцев сталкивается с огромным количеством проблем, задач и вопросов. По значимости в прояснении физической сути этих явлений, по своей роли при исследовании многих других процессов, протекающих в солнечно-земной плазме, важнейшими проблемами являются следующие: для вспышек — механизм Первичного вспышечного энерговыделения и проблема послевспышечной эволюции высокоэнергичиой плазмы (Сомов, 198/), для протуберанцев — механизмы формирования в горячей короне холодных дол-

гоживущих областей плазмы (Тандберг-Хансен, ] 974). В каждой из трех указанных проблем существуют многочисленные вопросы, которые можно объединять в группы, формулируя конкретные задачи в рамках упомянутых проблем. Несколько таких групп вопросов (конкретных задач) составляют предмет исследования в настоящей диссертации. Объединение вопросов в этих задачах основано на следующих мотивах. Во-первых, по признаку общности путей поиска ответов через решение сходных нелинейных задач по динамике плазмы. Во-вторых, по принадлежности вопросов к рассмотрению конкретных плазменных систем. Наконец, третий мотив объединения заключался в подборе таких вопросов, при успешных ответах на которые в рамках конкретной задачи обеспечивался бы значимый и комплексный вклад в решение упомянутых важнейших проблем солнечных вспышек и протуберанцев.

Общая цель настоящей работы состоит в том, чтобы дать ответ на ряд принципиальных вопросов теории нелинейной динамики плазмы в магнитогидродина-мических системах с быстрой трансформацией магнитной энергии, в магнитных петлях с высокоэнергичными компонентами плазмы и в магнитных аркадах, теряющих тепловое равновесие.

Актуальность поставленной общей цели обусловлена прежде всего тем обстоятельством, что развитие теории динамики плазмы в перечисленных магнитных структурах существенно влияет на современное представление о солнечных вспышках и протуберанцах. Актуальность же конкретных задач обусловлена способом их постановки.

Цели работы (конкретные задачи) таковы:

— Определить структуру Магнитного поля и плазменных течений при различных режимах квазистаЦионарной Трансформации магнитной энергии в токовых слоях, уточнить диапазоны существования этих режимов и рассмотреть вопрос о возможности быстрого перехода Из одних режимов трансформации в другие.

— Исследовать нестационарные режимы нагрева Плазмы в токовых слоях с аномальной турбулентной проводимостью, определить мощность стационарного энерговыделения в турбулентных токовых слоях;

— Рассмотреть динамику Плазмы в магнитогидродинамической системе с нетрадиционным для солнечной вспышки механизмом энерговыделения — двухэтапнон

трансформацией магнитной энергии, когда первоначально энергия магнитного поля переходит в энергию гидродинамического движения, а затем в тепловые формы;

— Исследовать особенности динамики плазмы с высодоэиергичными компонентами во всиышечных магнитных нетлях, связать эти особенности с наблюдательными проявлениями вспышек в жестком рентгеновском излучении и радиодилпазоие;

— Создать теорию переходного процесса от статического высокотемпературного состояния корональной простой магнитной аркады к динамической структуре холодного протуберанца и построить физическую модель процесса формирования протуберанца.

Нгушая новизна диссертации определяется достижением поставленных целей, и ее целесообразно отразить в той же последовательности, что и перечисленные выше цели работы.

• Разработан метод детализации внутренней структуры диффузионной области при квазистационарных режимах магнитного пересоединения в токовых структурах конечной толщины. Метод построен по аналогии с приближенными параметрическими методами расчета пограничных слоев в гидродинамике. С помощью этого метода уточнена структура магнитного поля и плазменных течений в медленных режимах (диффузионных токовых слоях — ДТС) и быстрых режимах квазистационарного магнитного пересоединения. Определена особая роль медленного режима с максимально возможной скор< тыо пересоединения (граничного режима) как режима, устойчивого по отношению к малым возмущениям. Для ДТС в граничном режиме указана возможность разви-чя неустойчивости с поротом по амплитуде. Превышение порога может достигаться при таком импульсном включении большого сопротивления в малой облает вблизи центра ДТС, при котором величина возмущения поперечной компоненты магнитного „ поля в этой области превысит невозмущенное значение. Процесс развития неустойчивости завершается расщеплением ДТС на ударные волны и перестройкой

в режим быстрого квазнстационарного пересоединення.

• Установлено, что стационарные протяженные (с шириной 10^-10^ см) турбулентные ДТС на Солнце, обладая большим запасом свободной магнитной энергии, находятся в квазилинейном режиме развития токовых микронеустойчивостей (или на пороге неустойчивости), в котором не может быть достигнута мощность

энерговыделения, достаточная для энергетики главной фазы солнечной вспышки. Полумены условия и продемонстрирована возможность реализации в турбулентных ДТС нестационарных режимов энерговыделения, представляющих из себя колебательную репаксацию к стационарному состоянию. Определена амплитуда магнитозвуковой ударной волны, которая необходима для того, чтобы под воздействием такой волны на малую область ДТС возник локализованный всплеск аномальной проводимости, инициирующий взрывную перестройку ДТС в быстрые режимы пересоединения.

• Выдвинута гипотеза о существовании сильно топологически неравновесных систем (СТНС). Для таких магнитогидродинамичееких систем в приближении бесконечной проводимости либо отсутствуют равновесные состояния с протяженными сингулярными токовыми слоями вблизи особых нулевых точек магнитного поля Х- типа, либо они являются неустойчивыми. За счет диссипации быстрых гидродинамических движений среды (возникающих в неравновесной системе) на ударных волнах идет процесс эволюции СТНС к состоянию с син-гулярнэстыо в магнитном поле вблизи X - точки. В тоже время, за счет конечной проводимости в периодически возникающем тонком токовом слое вблизи X - точки идет процесс пересоединения магнитного поля, который стремится ликвидировать топологическую неравновесность системы. Оба эти процесса составляют содержание релаксационного процесса, обеспечивающего зспышечное энерговыделение и приводящего магнитогидродинамическуто систему в устойчивое равновесное состояние. Доля свободной магнитной энергии, трансформирующаяся в тепловую форму непосредственно в процессах пересоединения СТНС, мала по сравнению с долей энергии, преобразуемой в тепловую форму посредством ударных волн из энергии гидродинамического движения среды, возникающего в неравновесной системе. Поэтому можно говорить о двухэтапной трансформации энергии магнитного поля в СТНС. При таком преобразовании свободная энергия магнитного поля сначала переходит в энергию гидродинамического движения плазмы, а затем на ударных волнах эта энергия трансформируется в тепловые формы энергий. Проанализированы особенности динамики плазмы в сильно топологически неравновесных магнитогидродинамичееких си-

стемах, и представлена модель солнечной вспышки на основе двухэз апиой трансформации магнитной энергии в СТНС.

• В связи с интерпретацией некоторых наблюдательных проявлении вспышек в радиоизлучении и жестком рентгеновском диапазоне исследованы особенности динамики плазмы с высокоэпергичными компонентами во вспышечных магнитных петлях на Солнце. При этом показана возможность возникновения релаксационных колебаний уровня плазменных волн при одномерной квазилинейной диффузии нестабилизированных потоков быстрых электронов. Такими колебаниями удается объяснить в ряде случаев пульсирующие режимы генерации радиоизлучения из солнечных магнитных ловушек. Исследована динамика процесса расширения вдоль магнитной петли сгустка горячих электронов (высокотемпературного керна), возникающего вблизи вершины петли в результате вспышечного энерговыделения. Показано, что в рамках тепловой модели возможно объяснение экспериментальных фактов по длительности всплесков жесткого рентгеновского излучения и по временному ходу меры эмиссия излучения.

• Впервые создана теория переходного процесса от статического высокотемпературного состояния корональной простой магнитной аркады к динамической структуре холодного протуберанца. При этом установлены условия, при которых для простой магнитной аркады в конечном высотном ди. тазоне арок теряется высок температурное тепловое равновесие. Показано, что переходный процесс, возникающий после потери высокотемпературного теплового равг чесия, можно разбить на две стадии. На первой стадии вблизи вершин арок формируется узкая область охлаждения плазмы, в котор-й температура в течение этой стадии падает на два порядка, а плотность сильно возрастает. Под действием сшн. тяжести избыточной массы, накапливающейся и области охлаждения, при определенных условиях могут образовываться магнитные ямки. При таком развитии переходного процесса на второй стадии происходит формирование протуберанца, располагающегося вблизи вершин неравновесных арок Между двумя фронтами тепловых волн охлаждения, которые отделяют холодное вещество протуберанца от горячей корональной плазмы. Определена структура восходящего потока плазмы и получена простая формула для скорости этого потока в основании аркады.

Предложен сценарий эволюции простой магнитной аркады на основе медленных, расходящихся относительно нейтральной линии, движений фотосферной плазмы, которые и приводят к возникновению диапазона неравновесных арок и процессу формирования протуберанца. Сценарий эволюции аркады совместно с теорией переходного процесса составляют единую модель протуберанца — модель перехода статической высокотемпературной простой магнитной аркады к динамической структуре протуберанца, и эта модель хорошо согласуется с наблюдениями.

Научная и практическая ценность

Научная ценность работы определяется решением ряда принципиальных вопросов нелинейной динамики плазмы в магнитогидродинамических системах с быстрой трансформацией энергии магнитного поля, в магнитных петлях с высокоэнергичными компонентами плазмы и в магнитных аркадах, теряющих тепловое равновесие. Развитие теории динамики плазмы в перечисленных магнитных структурах непосредственно отражается на современном представлении о физической природе солнечных вспышек и протуберанцев.

Практическое значение работы прежде всего заключается в том, что полученные в диссертации результаты по динамике плазмы могут использоваться другими исследователями при решении многочисленных задач в солнечно - земной физике. Так возможно непосредственное использование результатов по нелинейной динамике плазмы для интерпретации наблюдательных проявлений солнечных вспышек, а посгроенная в диссертации самосогласованная модель протуберанца в простой магнитной аркаде может использоваться для работы с наблюдательным материалом. Практический характер имеет разработанная в диссертации методика детализации внутренней структуры диффузионных областей токовых структур конечной толщины.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты, докладывались на семинарах ИСЗФ СО РАН, ИКИ РАН; на XV международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Минск, 1981), Первой всесоюзной школе по космической физике (Юрмала, 1981), семинаре КАШ" по физике солнечной плазмы (Рига, 1982), семинаре секции "Солнце" Астросовета АН СССР (Киев, 1984), Конференции по физике горячей плазмы (Звенигород, 1984), Международной рабочей

группе по итогам Года Солнечного Максимума (Иркутск, 1985), Всесоюзной конференции по физике Солнца (Алма - Ата, 1987), на I, Ш, IV, V н VII семинарах рабочей группы "Специальные теоретические и экспериментальные исследования солнечной плазмы" (Москва, 1981; Москва, 1984; Ленинград, 1485; Ашхабад, 1986; Ялта, 1988).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 205 страниц текста, 26 рисунков, одну таблицу. Список литературы включает 165 наименований. Общий объем диссертации 244 страницы.

Содержание работы

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы конкретные цели работы и очерчен круг задач, решаемых в каждой главе.

ГЛАВА 1 посвящена исследованию кцазисгапионарных режимов магнитного пересоединення в токовых слоях конечной толщины (TCICT) двумерных плазменных систем (ПС). Первоочередной интерес к этим простейшим режимам пересоединения вызван двумя причинами. Во-первых, квазисте;, непарные режимы составляют основу концепции вспышечного энерговыделения в токовых слоях; при внешних воздействиях на границе ПС накопление "свободной" магнитной энергии (увеличение ширины токового слоя ) происходит, если ТСКТ находится в медленном режиме квазистацнонарпого пересо чинения, а интенсивная трансформация накопленной энергии (главная фаза вспышки) соответствует быстрое режиму квазистационарного пересоединения ( Сомов, 1987). С чисто "технической" стороны исследование двумерных ПС значительно проще, чем трехмерных, в то же время принципиальные особенности медленных и быстрых режимов пересрединения проявляют себя уже в рамках двумерных Г1С.

Отличительным свойством квазистационарных режимов пересоединения в двумерных ПС является почти постоянное по пространству (в ТСКТ и его окрестности) электрическое поле, направленное по координате, вдоль которой ПС однородна. Это обстоятельство обеспечивает слабую зависимость от времени магнитного поля и других параметров плазмы и позволяет рассматривать течение плазмы внутри ТСКТ как стационарное при заданных внешних параметрах плазмы вне

слоя и постоянном электрическом поле. Скоростью пересоединения является скорость дрейфа плазмы к слою в скрещенных электрическом и магнитном полях.

В медленных режимах пересоединения, в которых скорость пересоединения меньше V, (где У. — некоторая характерная скорость), ТСКТ на всей своей ширине является диффузионным токовым слоем с почти постоянной толщиной. В диффузионном слое движущаяся плазма и магнитное поле не связаны условием вморо-женности. При скорости пересоедннения много больше V, диффузионная область составляет малую часть ширины ТСКТ, а на основной части происходит расщепление слоя на четыре медленные машитозвуковые ударные волны. Эти режимы быстрого пересоедннения являются течениями Петчека (1964). Таким образом, V. является максимальной скоростью пересоединения для режимов диффузионного токового слоя (ДТС) или для медленных режимов пересоединения.

В §1 рассматривается вопрос о максимально возможной скорости пересоединения V, в ДТС ([1]). До этого вопрос об определении V, отдельно не ставился. Обычно за V, принимали (Прист, 1985) скорость пересоединения в приближении нейтрального ДТС, в котором отсутствует компонента магнитного поля поперек слоя. Будет показано, что V, существенно превышает такую скорость, если концентрация нлазмь; внутри слоя много больше концентрации плазмы вне слоя.

Стабильность медленных режимов пересоединения, которая необходима для реализации стадии накопления магнитной энергии, пределы этой стабильности, а также причины и сам процесс взрывной перестройки (импульсная фаза вспышки) ДТС в режимы быстрого перес'оединення, являются ключевыми вопросами в концепции вспышечного энерговыделения в токовых слоях. Решение этих вопросов зависит от умения необходимым образом детализировать внутреннюю структуру ТСКТ. Одним из путей детализации является численное решение уравнений дисси-пативной магнитогидродинамики (Подгорный и СыроЕатский, 1979; Форбс и Прист, 1982). Другая возможность — приближенные аналитические методы, позволяющие устанавливать явные связи между различными параметрами. Такому способу детализации внутренней структуры диффузионной области в квазистационарных режимах посвящен §2 ([2]). Метод строится по аналогии с приближенными методами расчета ламинарных пограничных слоев в гидродинамике. Он позволяет гаходить точку расщепления диффузионной области на медленные магнктозвуко-

вые ударные волны в режимах быстрого пересоединения аналогично тому, как определяется точка отрыва ламинарного пограничного слоя.

Результаты § 1 и §2 позволяют по новому взглянуть на различие медленных а быстрых режимов квазистационарного пересоединения, уточнить диапазоны этих режимов и обсудить, во-первых, особую роль медленного режима с максимально возможной скоростью пересоединения (граничного режима), во-вторых, причину и возможный ход процесса при переходе из этого режима в быстрые режимы пересоединения. Обсуждение проводится в конце главы, в §4.

А в §3 рассматривается конкретное следствие из уточнения диапазона суще-ствоваш. I медленных режимов пересоединения [1]. Исследуется процесс подъема в атмосфере Солнца холодного предвспышечного ДТС, в котором концентрация плазмы внутри слоя много больше концентрации вне слоя. По сравнению с известной работой Сыроватского (1976), в которой ДТС рассматривался, в приближении нейтрального ДТС, мы анализируем ДТС с максимально возможной скоростью ле-ресоединения (граничный режим). При этом выявлено существенное различие о условиях возникновения тепловой неустойчивости в сравнении с работой Сыроватского.

В ГЛАВЕ II проводится исследование процессов, связанных с возбуждением плазменных микронеустойчнвостей и возникновением аномальной проводимости в токовых слоях.

Гроблема первичного энгрговыдс.^ения солнечных вспышек в рамках концепции токовых слоев содержит много вопросов, относящихся к пер ходу токового слоя в состояние с аномальной проводимостью. Эти вопросы можно разделить на два класса в зависимости от двух расс- 'тгриваемых в теоретических исследованиях способов реализации запасенной токовым слоем магнитной энергии.

Суть первого способа заключается в возможности резкого спада проводимости во всем сформированном протяженном ДТС, находящемся в медленном режиме пересоедннения. При этом резкое повышение джоулевого Энерговыделения во всем ДТС призвано обеспечить вспышечное энерговыделение в течение всей главной фазы вспышки, например, в рамках моделй Свита-Паркера для течения плазмы в нейтральном токовом слое (Паркер, 1957). Таким образом, в этом способе реализации запасенной магнитной энергии речь идет о стационарном поддержании

на всей ширине ДТС низкой аномальной проводимости, способной в квазистационарном медленном режиме пересоединения обеспечить достаточно высокую мощность экергосыделенпя (Каплан, ГТикельнер и Цытович, 1977). В связи со сказанным, первый класс вопросов, относящихся к аномальной проводимости в токовых слоях, объединен целью определения возможностей длительной генерации высокого уровня турбулентных шумов в ДТС.

Уменьшение проводимости в токовых слоях обычно связывается с появлением токовых неустойчивостей (Фридман и Хамбергер, 1968; Томозоь, 1971), которые могут возбуждаться при превышении токовой скорости электронов некоторой критической скорости. Пороговое включение аномального сопротивления дает естественное основание трактовать его как начало вспышечного энерговыделення. В то же время пороговый характер возбуждения токовых микронеустойчивостей создает огромные трудности для быстрой диссипации магнитной энергии в медленных режимах пересоединения, так как налагает ограничение на мощность джоулевого энерговыделения в ДТС. Эго ограничение связано с быстрым возвращением токовой скоро сти под порог неустойчивости при быстром утолщении ДТС за сче г возникшей большой аномальной магнитной вязкости. Трудности разными способами уже демонстрировалось в теоретических исследованиях, в основном для ион-но-звуковой турбулентности (Пустильник, 1975; Сомов, Титов и Вернета ,1987).

В § 1 рассмотрен вопрос об определении мощности энерговыделения в турбулентных ДТС достаточно универсальным способом, пригодным дпя любых типов токовых микронеустойчивостей [3].

Другой способ высвобождения свободной магнитной энергии, запасенной в медленном режиме пересоединения ДТС, основан на процессе взрывной перестройки ДТС в режимы быстрого квазистационарного пересоединения. Часто этот процесс называют "разрывом" токового слоя (см., например, Сомов, 1987). Аномальная проводимость имеет определяющее значение именно на стадии взрывной перестройки ДТС. Можно выделить несколько принципиальных ролей аномальной проводимости в этом физическом процессе.

Первую роль можно определить как роль "инициатора" взрывной перестройки ДТС. В локальном месте широкого ДТС токовая скорость электронов можег превысить критическую скорость какой-либо токовой неустойчивости. Несмотря на

то, что практически все токовые неустойчивости имеют "мягкое" возбуждение, и про атом локальная область быстро возвращается на порог неустойчивости за счет обратного влияния турбулентных шумов на величину токовой скорости электронов, тем не менее, во время этого возвращения происходит всплеск аномального сопротивления и диффузия магнитного поля с появлением возмущенной поперечной компоненты магнитного поля в локальной области ДТС. От величины начального превышения над порогом токовой неустойчивости зависит величина возмущенной поперечной компоненты магнитного поля, возникающей в результате импульсною всплеска аномальной проводимости. Если это возмущение превышает критическое значение, начинается процесс быстрой перестройки Д'ГС (критическое значение возмущения поперечной компоненты обсуждаются в §4 первой главы диссертации). Существенно то, что, уже начавшись, процесс перестройки идет до выхода на квазистационарный режим бысгрого пересоединения даже, если и самом процессе перестройки аномальная проводимость отсутствует. Поэтому и имеет смысл отдельно выделить инициирующую роль аномальной проводимости во взрывной перестройке ДТС.

В §3 обсуждаются некоторые возможности появления импульсного возбуждения аномальной проводимости э локальных по ширине областях ДТС, оценивается возмущение поперечного магнитного поля в результате этих всплесков аномальной проводимости и, тем самым, определяются возможные причины взрывной перестройки ДТС.

Если инициирующий всплеск аномальной проводимости при эдит к взрывной перестройке ДТС, то на самой стадии "разрыва" роли аномальной проводимости становятся более многообразными. Чо-первых, на этой стадии магнитогидроди-намические движения плазмы вдоль слоя вызывают рост токовой скорости электронов в области "разрыва", а значит обеспечивают поддержку на высоком уровне турбулентных шумов и аномального сопротивления. При высоком аномальном сопротивлении идет нагрев плазмы и ускорение частиц. Поэтому можно говорить об роли аномальной проводимости, связанной с "генерированием" высокоэнергичных компонент плазмы, которые ответственны за различные наблюдательные проявления на импульсной стадии вспышки. Во-вторых, аномальная проводимость служит своеобразным "ускорителем" процесса перестройки ДТС, ускоряй рост поперечной

компоненты магнитного поля за счет увеличения скорости диффузии (пересоедпнения) магнитного поля. Стадия "разрыва" ДТС очень сложна для теоретических исследований. Решать нелинейную самосогласованную задачу, учитывая роль аномальной проводимости как "ускорителя" процесса, трудно, и в теоретическом плане задача до сих пор находится в зачаточном состоянии.

Существенно прояснить процесс нелинейных взаимодействий в области "разрыва" на Сталин взрывной перестройки ДТС могут лабораторные эксперименты. Среди экспериментальных исследований следует выделить два сорта работ. Есть эксперименты, в которых непосредственно исследуется формирование ДТС и его взрывная перестройка ( Баум и Братенал, 1976; Кирий, Марков, Сыроватский, Франк, Ходжаев, 1979). В таких лабораторных экспериментах размеры токового слоя и параметры плазмы естественно отличаются от реальных солнечных, но к Достоинствам подобных исследований следует отнести возможность проследить принципиальные моменты в эволюции области "разрыва", включая различные роли аномальной проводимости в процессе перестройки ДТС. Другого сорта эксперименты только моделируют отдельные стороны сложного физического процесса на стадии "разрыва", но могут по Некоторым характеристикам, например, по параметрам высокоэнергичных компонент плазмы, быть весьма приближены к реальным солнечным характеристикам процесса энерговыделения. К таким экспериментальным исследованиям относятся работы на установках типа "тета-пинч" (Алтынцев и Красов, (979), в которых изучаются различные аспекты генерации высокоэнергичных компонент плазмы в турбулентных токовых слоях. Динамика нагрева плазмы в этих экспериментах имеет интересные особенности, осмысление которых может оказаться полезным, ввиду того, что такие же особенности при возбуждении турбулентности и генерации высокоэнергичных плазменных компонент могут проявляться во взрывной фазе вспышечного энерговыделения на стадии "разрыва" солнечных ДТС.

В §2 проводится теоретическое исследование, наблюдаемого в экспериментах по "тета-пинчам", процесса немонотонного (колебательного) энерговыделения в турбулентном токовом слое. В этом параграфе содержатся результаты статей [4.5,6,7], последние три из которых написаны в соавторстве с Алтынцевым, Красо-

вым. Лебедевым, Паперным и Симоновым, проводившими исследования на установке "УН-Феникс" в ИСЗФ СО РАН.

Кроме концепции токовых слоев (СыроЕатский, 1976) существует другой подход к проблеме вспышечного энерговыделения, в котором рассматривается трансформация "свободной" магнитной энергии, запасенной за счет протекания в солнечной атмосфере распределенных токов. К этому подходу относятся исследования процессов высвобождения свободной магнитной энергии при релаксации скрученных магнитных петель в Состояние с меньшей магнитной энергией (Спайсер, 1977). Неоднородно скрученная магнитная петля (отличный от нуля шир магнитного поля) обычно является неустойчивой относительно внутренних винтовых возмущений уже в приближении идеальной магнитной гидродинамики (Кадомцев, 1975). Винтовые неустойчивости приводят к образованию внутренних токовых слоев, в которых происходит пересоедннение магнитного поля за счет конечной проводимости. Кроме того, в неоднородно скрученной петле развиваются резистивные тиринг-моды, которые вместе с винтовыми неустойчивостями приводят к релаксации магнитной петли в состояние с меньшей магнитной энергией. Наличие высвобождающейся энергий магнитного поля дает основание считать упомянутые процессы механизмом энерговыделения в солнечных вспышках (Спайсер, 1977). Отметим, что в процессе релаксации неоднородно скрученной петли важную роль играет преобразование магнитной энергии в энергию гидродинамических движений среды. Однако, возникающие в результате магниггогидродинамических неустойчивостей (например, неустойчивости внутренних винтовых мод), движения среды в петле служат лишь передаточным звеном в трансформации магнитной энергии, приводя к формированию внутренних токовых слоев, в которых "лишнее" магнитное поле диссипирует сразу в тепловые формы энергии. Поэтому, процесс релаксации скрученной петли можно отнести к способу прямой трансформации магнитной энергии в тепловую энергию среды, также как и процесс преобразования магнитной энергии в ТСКТ.

В тоже время в рамках второго подхода существует другой способ преобразования ■— двухэтапная трансформация магнитной энергии, когда первоначально энергия магнитного поля переходит в энергию гидродинамического движения плазмы, а затем на ударных волнах эта энергия трансформируется в тепловые фор-

мы энергии (Свит, 1964). Надо сказать, что такой способ преобразования магнитной энергии не нашел достаточного отражения в моделях солнечных вспышек.

Для двухэтапной трансформации прежде всего необходимо наличие механизма, который быстро переводит заметную долю магнитной энергии в локальной области верхней хромосферы или короны в энергию гидродинамических движений плазмы, скорость которых сравнима или больше альфвеновской скорости Сл в этой области. Если какой-то фрагмент активной области (назовем его магнитогидродн-намической системой) находится в состоянии, которое не является магнитогидро-динамическим равновесием или является неустойчивым равновесием, то механизм этот очевиден. Магиитогидродинамическая система (МГДС) быстро выходит из такого состояния, и, если состояние устойчивого равновесия находится далеко от исходного (по магнитной энергии), то за время Г( /Сл (£. — характерный размер МГДС) существенная часть МГДС вовлекается в гидродинамические движения с характерной скоростью С л, которые за счет дисенпативных механизмов, и наиболее эффективно на ударных волнах, затухают, обеспечивая двухэтапную трансфор-мадию магнитной энергии и приход МГДС к новому равновесному состоянию с меньшей магнитной энергией.

В столь простой схеме реализации магнитной энергии существует принципиальный вопрос — может ли МГДС при медленной эволюции за счет изменения внешних граничных условий прийти в нужное исходное состояние, из которого последует упомянутый быстрый срыв? В случае, когда топология магнитного поля МГДС во время медленной эволюции не меняется, подвести МГДС к состоянию с неустойчивым равновесием так, чтобы ближайшее устойчивое равновесие находилось далеко по магнитной энергии, очень не просто. С другой стороны, если при медленной эволюции МГДС топология магнитного поля изменяется за счет процессов Пересоединения, то может возникнуть такая конфигурация магнитного поля, которая не имеет равновесного состояния — так называемая, топологически неравновесная МГДС (Паркер, 1982; Моффат, 1985). Появление такой топологии магнитного ноля является григгерным механизмом для дальнейшего энерговыдслсния в МГДС.

Отметим сразу одно принципиальное обстоятельство. Говоря о топологически неравновесных МГДС, обычно имеют ввиду отсутствие магнитогидродшшми-

ческого равновесия в классе гладких функций (Моффат, 1985). То есть з приближении идеальной магнитогидродинамики считается, что для возникшей топологии, вообще говоря, могут существовать равновесные состояния со скачками магнитного поля или с сингулярными токовыми слоями. По в этом случае, при учете конечной проводимости, энерговыделеиие будет происходить в этих протяженных токовых слоях с преобразованием магнитной энергии сразу в тепловую форму. При этом, ситуация возвращается опять к первому подходу решения проблемы всны-шечного энерговыделения со всеми вытекающими отсюда последствиями — необходимостью поиска путей перестройки медленного режима пересоединення в возникшем протяженном ДТС в режимы быстрого пересоединения, чтобы обеспечить необходимую для вспышки мощность энерговыделения. Фактически, это означает, что в такой топологически неразновесной МГДС возникающие гидродинамические движения плазмы являются, опять-таки, только передаточным звеном — они просто перераспределяют по другому магнитное поле, приводя к возникновению протяженных токовых слоев.

Ситуация в корне меняется, если предположить существование таких сильно топологически неравновесных МГДС. в которых при бесконечной проводимости либо отсутствуют равновесные состояния с протяженными сингулярными токовыми слоями, либо они являются неустойчивыми. За счет -диссипации быстрых гидродинамических движений среды на ударных волнах эволюция в такой МГДС идет к состоянию с сингулярностью в магнитном ноле. В то же время, за счет конечной проводимости идет процесс пересоединения магнитного поля, который стремится ликвидировать топологическую неравновесность системы. Оба эта процесса составляют содержание релаксационного процесса, приводящего МГДС в устойчивое равновесное состояние п обеспечивающего вспышечное энерговыделение в МГДС. Если доля магнитной энергии, переходящая в тепловую форму непосредственно в промессах пересоединення топологически неравновесной МГДС, мала по сравнению с долей энергии, преобразуемой в тепловую форму посредством ударных волн :;з энергии гидродинамического движения среды, возникающего в неравновесной системе, то можно говорить о двухэтажной трансформации энергии магнитного поля, как об основном виде преобразования магнитной энергии в релаксационном процессе.

В ГЛАВЕ III исследуется процесс вспышечного энерговыделения в МГДС, для которой в качестве отправного момента принимается гипотеза о том, что эта МГДС является сильно топологически неравновесной системой (СТНС). В § 1 проанализированы особенности динамики плазмы в такой системе и общий ход эволюции системы. Установлено, что основной вид преобразования магнитной энергии в СТНС—двухэтапная трансформация энергии магнитного поля. В §2 рассматриваются различные следствия из механизма энерговыделения, которые могут быть ответственны за наблюдательные проявления солнечных вспышек. Тем самым, в этом параграфе представляются элементы модели солнечных вспышек на основе двухэтапной трансформации магнитной энергии в СТНС. В главе содержатся результаты публикаций [8-11].

Теоретические исследования первичного механизма освобождения магнитной энергии в солнечных вспышках должны тесно взаимодействовать с экспериментальными исследованиями. Способы взаимодействия достаточно разнообразны. Самый простой способ взаимодействия — прямой путь от теории к наблюдательным проявлениям. Этот способ продемонстрирован нами в §2 Главы III, где для исследуемого механизма энерговыделения сразу прослеживаются конкретные тепловые формы реализации энергии и сопоставляются этим тепловым формам возможные наблюдательные проявления вспышечного процесса. Гораздо более сложный способ взаимодействия теории и эксперимента — это обратный путь от результатов наблюдений к восстановлению параметров высокоэнергичной плазмы в области энерговыделения и, тем самым, постановке новых вопросов для теоретических исследований процесса энерговыделения. Сложность заключается в том, что недостаточно хорошо известны многочисленные связи наблюдательных проявлений с особенностями динамики высокоэнергичных компонент плазмы, возникающих в магнитных петлях на Солнце вблизи первичного источника энергии вспышки. Эти связи являются одной из актуальных тем в исследованиях проблемы послевспышечной эволюции высокоэнергичной плазмы (Сомов, 1987)

Как раз ГЛАВА IV посвящена теоретическому исследованию некоторых особенностей динамики плазмы с быстрыми электронами во венышечных магнитных петлях на Солнце н связи этих особенностей с наблюдательными проявлениями вспышек в жестком рентгеновском излучении и радиодиапазоне.

В §1 С Г! 2, 13]) рассматривается динамика одномерной квазилинейной диффузии г. пространстве скоростей для энергичных электронов, инжектируемых в магнитную ловушку. Показана возможность реализации периодических режимов уровня плазменных волн, с которыми, согласно плазменной гипотезе происхождения солнечного радиоизлучения, могут быть связаны пульсации этого радиоизлучения. Результаты §1 получены автором совместно со Степановым [13].

Следующие два параграфа посвящены проблеме расширения вдоль магнитного поля сгустка плазмы с горячими электронами (высокотемпературного керна), возникающего в вершинах вспышечных петель. Теоретические исследования по этой проблеме приобрели большую актуальность, прежде всего в связи с тем, что прямым проявлением ускоренных электронов и высокотемпературной плазмы являются наблюдаемые всплески жесткого рентгеновского излучения. Различные характеристики рентгеновских всплесков зависят от динамики высокотемпературного керна в окрестности области энерговыделения. Исследование этой динамики позволяет устанавливать все более полные связи распределения высокоэнергичных частиц н первичном источнике энерговыделения с временной эволюцией характеристик наблюдаемого жесткого рентгеновского излучения (Сомов, 1987).

В §2 ([14, 15]) проводится исследование динамики и структуры теплового ' фронта, отделяющего высокотемпературный керн от холодной плазмы петли, для случая, когда концентрация горячих электронов в керне меньше или порядка концентрации холодной плазмы в пегле.

Ряд наблюдений (Де Ягер, 1979) показывают, что плотность в высокотемпературном керне может на два порядка превышать плотность холодной плазмы в магнитной петле. В этом случае существенную роль в динамике керна приобретает гидродинамическое движение плазмы в магнитной петле. Динамика расширения высокотемпературного и плотного керна исследуется в §3 [16,17]. Причем затрагиваются два физических аспекта процесса расширения керна. Первый аспект связан с рассмотрением временной эзолюции меры эмиссии и длительности всплеска жесткого рентгеновского излучения [16]. Второй аспект — с анализом возможности проявления в этом процессе эффектов расширения плазмы я вакуум, а именно ускорения ионов [17]. Сильное ускорение ионов является одной из основных причин, по которым задача о расширении бесстолкновнтельной плазмы в вакуум

привлекательна как приложение к геофизическим и космическим объектам (Зайцев, 1982; Синг и Шунк, 1982). Однако надо соблюдать необходимую осторожность, занимаясь этими приложениями. Действительно, в реальных объектах происходит расширение более плотной плазмы в менее плотную, а не в вакуум (это относится и к динамике высокотемпературного плотного керна). И для того чтобы проявились эффекты расширения плазмы в вакуум, необходимы определенные условия, которые обсуждаются в §3.

ГЛАВА V посвящена теоретическому исследованию динамики плазмы в процессах формирования солнечных протуберанцев.

Протуберанцы — это очень интересные физические объекты. Длительное время находясь в короне, они сохраняют температуру в сотню раз меньшую, а концентрацию плазмы в 100 -1000 раз большую соответствующих значении окружающей короны. Одновременно протуберанцы являются динамическими образованья-ми, и прежде всего — это структуры, в которых осуществляется динамический баланс по массе. Действительно, наблюдения указывают на то, что холодное вещество протуберанца медленно и непрерывно течет вниз. Потеря массы в результате этого стока огромна, поэтому для длительного существования холодное вещество протуберанца должно постоянно пополняться.

Столь плотные образования как протуберанцы должны чем-то удерживаться, чтобы противодействовать силе тяжести. Считается, что сила, удерживающая протуберанцы, обеспечивается присутствием корональных магнитных полей. Конкретная природа этой поддерживающей силы в различных моделях является тематикой первого из трех основных вопросов в проблеме протуберанцев. Физические механизмы длительного существования резкого перехода между холодным веществом Протуберанца и горячей корональной плазмой являются предметом исследований при попытке ответить на второй основной вопрос — вопрос об энергетике протуберанца. Наконец, третий основной вопрос в проблеме протуберанцев — это вопрос о балансе массы в динамической структуре протуберанцев. Этот вопрос включает в себя конкретные механизмы медленного течения холодного вещества вниз (причем внутри протуберанца поперек магнитного поля) и механизмы восполнения потерь массы из-за этого стекания вещества.

Экспериментальные и теоретические исследования процесса формирования протуберанца играют ключевую роль в общем понимании явления солнечных протуберанцев как феномена активности Солнца. Любая, достаточно полная и самосогласованная, теоретическая модель Процесса формирования протуберанца должна в качестве обязательных составляющих модели содержать свои варианты ответов на три основных вопроса в проблеме протуберанцев.

Однако, большое количество моделей солнечных протуберанцев, и особенно ранних, возникли исходя из попыток ответить только на первые два основных вопроса, причем даже не вместе, а по отдельности. Так, заботясь только о механизме поддержки протуберанца в магнитном поле, строятся модели в работах Кнппенха-на и Шлютера, 1957; Анцера, 1972; Куперуса иРааду, 1974; Лерча и Лоу, 1980. Вне связи с механизмом поддержки рассматривался энергетический баланс протуберанцев Орралом и Зиркером (1961).

В рамках магнитостатической модели Киппенхана - Шлютера (1957) были сделаны попытки объединить энергетику и магнитостатику. Попытки заключались в анализе уравнения энергии с теплопроводностью и переносом излучения. Причем, во всех этих попытках проблема резкой тепловой границы протуберанца сталкивалась с трудностями, обойти которые можно было только с помощью специальных ухищрений. Следует также заметить, что теоретических работ, в которых бы непосредственно исследовались процессы формирования протуберанцев, очень мало в сравнении с общим потоком работ по тематике протуберанцев.

Пожалуй, единственной моделью, в рамках которой на все три основных вопроса проблемы протуберанцев существуют ответы, является, так называемая динамическая модель. Это свое название модель получила после работы Приста, Смита (1979), однако впервые идея динамической модели была высказана и получила начальное развитие в работе Пикельнера (1971). Представление о спокойном протуберанце как о динамической структуре, для которой существенен баланс между поднимающейся вверх вдоль силовых линий магнитной аркады хромосфер-ной плазмой и опускающимся вниз поперек силовых линий холодным веществом протуберанца, является отличительной особенностью динамической модели протуберанцев. Такое представление, во-первых, соответствует наблюдательным фактам о непрерывном течении вниз холодного вещества внутри протуберанца, во-вторых,

разрешает проблему большой массы, которая в динамической модели конденсируется не из разреженной корональной плазмы, а перекачивается из хромосферы. Наконец, в таком представлении о протуберанце содержится ответ на третий основной вопрос — предлагается механизм восполнения потерь массы протуберанца, которая постоянно теряется из-за стекання вещества вниз. Существуют ответы и на первые два вопроса.

До последнего времени в рамках динамической модели существовала только общая схема процесса формирования динамической структуры протуберанца. Основные элементы схемы содержатся в исходных работах Пикельнера (1971) и Приста и Смита (1979). Физические принципы этой схемы таковы: нарушение высокотемпературного теплового равновесия в некотором высотном диапазоне арок двумерной магнитной аркады, охлаждение плазмы й вершинах этих арок за счет радиационных потерь, появление избыточного для гидростатического равновесия градиента давления и возникновение под его действием восходящего потока плазмы из основания аркады. Отметим одно важное обстоятельство. Начиная с работы Пикельнера, в русле упомянутой схемы укреплялось мнение о возможности образования протуберанцев только в таких магнитных аркадах, в которых изначально существуют силовые линии с выпуклостью вниз (магнитными ямками) в вершинах (Прист, Худ и Анцер, 1989; Амари, Демулин, Браунинг и др., 1991). Основанное на качественных соображениях мнение оформилось в виде своеобразного правила отбора (Демулин и Прист, 1993). Это правило запрещает, например, возникновение протуберанцев над биполярными активными областями, где в простых аркадах нет арок с магнитными ямками в вершинах, В тоже время из наблюдений известно, что в этих областях вдоль нейтральной линии достаточно часто формируются волокна. Противоречие правила отбора наблюдательным фактам и отсутствие последовательных Исследований процесса формирования протуберанца в рамках динамической модели позволяют сомневаться в необходимости формулирования этого правила.

Не следует исключать возможности того, что нестационарный режим, возникающий в простых магнитных аркадах после потери высокотемпературного теплового равновесия, может сопровождаться деформацией исходной магнитной конфигурации и образованием магнитных ямок на вершинах неравновесных арок прямо

но время самого физического процесса перехода к динамической структуре протуберанца. Последовательное теоретическое исследование этого физического процесса, который будем в дальнейшем называть переходным процессом, содержится в §2 ([18], [19]). В челом же вся глава посвящена исследованию процесса формирования протуберанцев в простых магнитных аркадах.

В §1 ([20]) рассматривается вопрос о нарушении высокотемпературного теплового равновесия крупномасштабных магнитных аркад в солнечной атмосфере, для которых существенно убывание плотности плазмы по высоте.

В §3 ([21]) изучается плазменный поток, движущийся вдоль силовых линий поля вверх из основания магнитной аркады. Величина скорости восходящего потока через баланс масс существенно влияет на различные параметры протуберанца в его стационарном состоянии динамического равновесия, достигаемом после переходного процесса. Поэтому вопросу определения скорости восходящего потока уделено отдельное внимание.

Результаты §2 и §3 получены совместно со Старыгиным [18, 21].

Наконец, в §4 ([22]) представлена общая модель протуберанца — модель перехода от статической высокотемпературной простей магнитной аркады к ква-знстационарнон динамической структуре протуберанца. Модель построена на основе предлагаемого здесь сценария эволюции простой магнитной аркады и алгоритма расчета конечного состояния переходного процесса. Алгоритм расчета основывается на физике переходного процесса, рассмотренной в §2. В рамках модели проведены количественные расчеты параметров двух классов протуберанцев: в активных магнитных областях и вне их.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приводятся основные результаты диссертации.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований структуры магнитного поля и плазменных течений при медленных и быстрых режимах квазистационарного магнитного пересоединеши в двухмерных плазменных системах, стационарных и нестационарных режимов энерговыделения в турбулентных токовых слоях.

2. Гипотеза о сильно топологически неравновесной системе, динамика плазмы в ней и модель солнечной вспышки на основе двухэтапной трансформации магнитной энергии в такой магнитогидродинамической системе.

3. Анализ эволюционных особенностей и пространственных деталей динамики высокоэнергичных компонент плазмы в магнитных петлях с целью интерпретации наблюдательных проявлений солнечных вспышек в радиодиапазоне и жестком рентгеновском излучении.

4. Физическая модель протуберанца в простой магнитной аркаде и теория переходного процесса от статического высокотемпературного состояния такой аркады к динам1гческой структуре холодного протуберанца.

Публикации по теме диссертации

1. Бардаков В.М. Диффузионный токовый слой с большой поперечной компонентой магнитного поля на Солнце. //Письма в АЖ . 1991. Т. 17. С. 841 - 84D.

2. Бардаков В.М. Строение диффузионной области при квазистационарных режимах магнитного пересоединения. // Физика плазмы. 1994. Т.20. С.550 - 557.

3. Бардаков В.М. О мощности энерговыделения в турбулентном токовом слое на Солнце. // Письма в АЖ. 1986. Т. 12. С.789 - 794.

4. Бардаков В.М. Релаксационный режим ионно-звуковой турбулентности в нейтральном слое. // 1980. Препринт СибИЗМИР, 1 - 80. 10 с.

5. Алтынцев А.Т., Бардаков В.М., Красов В .И. Колебательный режим диссипации в токовом слое. //ЖЭТФ. 1981. Т.81. С.901 -909.

6. Allyntsev А.Т., Bardakov V.M., Krasov V.I. Flare energy release in neutral sheet. // Contr. Papers. "Phenomena in Ionised gases". Part 1. Minsk. 1981. P.99 -100.

7. Altyntsev A.T., Bardakov V.M., Krasov V.I., LebedevN.V., PapernyV.L., Simo-nov V.G. Laboratory simulation of energy release in Solar flares, // Solar Phys. 1986. V.106.P.131- 145.

8. Bardakov V.M. On a solar energy release mechanism based on physical processes in topologically non-equlibriura MHD-system. И Solar Maximum Analysis (Eds. Ste-panov V.E. and Obridko V.N.) VNU Science Press. 1986. P.217 - 221.

9. Bardakov V.M. The flare process in a topologically non-equilibrium magrietohydro-dynamical system. // Solar Phys. 1986. V.106. P.147 - 164.

10. Бардаков В.М. Вспышечный процесс в топологически неравновесной магнито-гидродинамической системе. Н 1985. Препринт СибИЗМИР, 6 - 85.44 с.

11. Бардаков В.М. Ö ступенчатой трансформации магнитной энергии в процессах солнечной активности. // Тезисы доклада Всес. Конференции по физике Солнца. Алма-Ата. 1987.

12. Бардаков В.М. Периодические режимы пучковых неустойчивостей в плазме. // Физика плазмы. 1980. Т.6. С.104 - 108.

13. Бардаков В.М., Степанов A.B. О периодических режимах плазменных неустой-чиоостей ь магнитных ловушках на Солнце, // Письма в АЖ. 1979. Т.5. С.460 - 464.

14. Бардаков В.М. Структура тепловой волны в бесстолкновнтельной плазме. // Физика плазмы. 1985. Т.Н. С.1223 - 1230.

15. Бардаков В.М. Структура теплового фронта во вспыхивающих магнитных петлях на Солнце. // В кн. Проблемы физики солнечных вспышек. М.: ИЗМИР АН. 1983. С.181 - 186.

16. Бардаков В.М. Динамика плазмы во вспышечных петлях и ее роль в интерпретации псплесков жесткого рентгеновского излучения. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 65. М.: Наука. 1983. С.231 - 236.

17. Бардаков В.М. К вопросу о расширении бесстолкновителыюй плазмы в вакуум. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 69. М.: Наука. 1984. С.164- 173.

18. Бардаков Ö.M., Старыгин А.П. К теории процесса формирования протуберанцев.//Письма в АЖ. 1997. Т.23.С.307 - 315.

19. Бардаков В.М. О динамической модели протуберанцев. // Письма в АЖ. 1997. Т.23. С.843 - 850.

20. Бардаков В.М. О тепловом равновесии Магнитной аркады в солнечной атмосфере.//Письма в АЖ. 1996. Т.22. С.305 - 311.

21. Бардаков В.М., Старыгин А.П. О восходящем Потоке плазмы в динамической модели протуберанцев. /У Астрон. Жури. 1998. Т.75. № 2. С.295 - 301.

22. Bardakov V.M. A prominence model in a simple magnetic arcade. // Solar Phys. 1998. V.179. №2. (Модель протуберанца в простой магнитной аркаде. Препринт ИСЗФ № 1 - 97. Иркутск. 1997. 24 с.)

Множительный участок ИСЗФ Заказ N 193,3 марта 1998 г. Объём 1.0 а. л, тираж 100 экз.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЙ ЙАУК"- .

'^ИУО? " /) лр

сибирское -т

' ^ степень А

г

институт соль1ея|ю=земыои

I/ At.tr г»— /'

Йа правах -рукописи удк 523.98; 533.9

бардаков владимир михаилович

вопросы нелииейнои динамики плазмы в солнечных вспышках и протуберанцах

01. 03. 03 - гелиофизика и физика солнечной системы

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Иркутск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.,.............................................................................. 5

ГЛАВА I. ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ И СТРУКТУРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ МАГНИТНОГО ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯ В ДВУМЕРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ СИСТЕМАХ.........................................................................27

§1. Диффузионный токовый слой с большой поперечной компонентой магнитного поля....................................................................................................................27

1.1 Постановка задачи.............................................................................................27

1.2 Основные уравнения динамики плазмы в диффузионной области при квазистационарных, режимах пересоединения................................................................32

1.3 Максимально возможная скорость пересоединения для ДТС.....................35

§2. Строение диффузионной области при быстрых режимах квазистационарного пересоединения................................................................................39

2.1 Аналогия с пограничным слоем, уравнения для параметрического метода анализа внутренней структуры ТСКТ..............................................................................39

2.2 Точка расщепления и ширина диффузионной области.................................44

§ 3. Условия возникновения тепловой неустойчивости в ДТС на Солнце ...50

§ 4. Обсуждение..........................................................................................................52

Выводы .......................................................................................................................58

ГЛАВА И. СТАЦИОНАРНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В ТОКОВЫХ СЛОЯХ С АНОМАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ..............................................................................60

§1. Мощность энерговыделения в турбулентном диффузионном токовом слое на Солнце........................................................................................................................60

1.1 Постановка задачи.............................................................................................60

1.2 Универсальная формула для мощности энерговыделения в ДТС с произвольным типом турбулентности.........!.....................................................................62

1.3 Случай ионно-звуковой турбулентности.........................................................64

§2. Колебательный режим энерговыделения в турбулентном токовом слое 66

2.1 О принципиальной возможности релаксационных колебаний.....................66

2.2 Наблюдение релаксационных колебаний в лабораторном эксперименте. ..69

2.3 Теоретическая модель процесса релаксационных колебаний в лабораторном эксперименте...............................................................................................74

§3. Обсуждение...........................................................................................................80

Выводы........................................................................................................................82

ГЛАВА III. ВСПЫШЕЧНЫЙ ПРОЦЕСС В СИЛЬНО ТОПОЛОГИЧЕСКИ НЕРАВНОВЕСНОЙ

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ..............................83

§1. Двухэтапная трансформация магнитной энергии и другие особенности в эволюции сильно топологически неравновесной системы...........................................83

1.1 Общие замечания по постановке задачи.........................................................83

1.2 Асимптотическое равновесие и максимальная свободная магнитная энергия..................................................................................................................................89

1.3 Эффект ускорения процесса пересоединения при наличии диссипации энергии гидродинамических движений............................................................................94

1.4 Некоторые замечания о диссипативных процессах.....................................104

1.5 Эволюция мощности энерговыделения в СТНС..........................................106

§2. Элементы модели солнечных вспышек........................................................111

2.1 Основные параметры процесса энерговыделения в СТНС.........................111

2.2 Пространственная структура и спектры высокоэнергичных компонент плазмы во время взрывной фазы......................................................................................114

2.3 Следствия механизма энерговыделения для наблюдательных проявлений............................................................................................................120

Выводы......................................................................................................................123

ГЛАВА IV. ДИНАМИКА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ КОМПОНЕНТ ПЛАЗМЫ ВО ВСПЫШЕЧНЫХ МАГНИТНЫХ ПЕТЛЯХ................................................................................................125

§1. Релаксационные колебания плотности энергии плазменных волн как возможная причина пульсаций солнечного радиоизлучения....................................125

1.1 Постановка задачи...........................................................................................125

1.2 Периодические режимы пучковых неустойчивостей в плазме...................127

1.3 Периодические режимы уровня плазменных волн, возбуждаемых быстрыми электронами в магнитных ловушках на Солнце..........................................130

§2. Электронная тепловая ударная волна во вспышечных магнитных петлях на Солнце.................................................................................................................134

2.1 История вопроса и постановка задачи...........................................................134

2.2 Структура тепловой волны при малой концентрации горячих электронов..............................................................................................................138

2.3 Случай равенства концентрации горячих электронов и концентрации основной плазмы в петле..................................................................................................148

2.4 Обсуждение......................................................................................................151

§3. Процесс расширения плотного высокотемпературного керна................152

3.1 Интерпретация особенностей всплесков жесткого рентгеновского излучения................................................................................................................152

3.2 Пределы применимости задачи о расширении плазмы в вакуум...............156

Выводы......................................................................................................................159

ГЛАВА V. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОТУБЕРАНЦА В ПРОСТОЙ МАГНИТНОЙ АРКАДЕ .......................................................................160

§1. Тепловое равновесие в крупномасштабных магнитных аркадах ...........162

1.1 Постановка задачи и качественные оценки..................................................162

1.2 Эффект убывания плотности для теплового равновесия.............................166

1.3 Влияние волнового нагрева............................................................................170

1.4 Высотный диапазон неравновесных арок.....................................................175

§2. Теория переходного процесса..........................................................................178

2.1 Основные уравнения........................................................................................178

2.2 Арки с однородным давлением.......................................................................180

2.3 Арки с неоднородным давлением..................................................................187

2.4 Условия образования магнитной ямки..........................................................192

2.5 Процесс формирования и параметры динамической структуры................193

2.6 Обсуждение......................................................................................................202

§3. Восходящий поток плазмы ..............................................................................205

3.1 Постановка задачи............................................................................................205

3.2 Арки с однородным давлением......................................................................206

3.3 Арки с неоднородным давлением..................................................................209

§4. Модель протуберанца в простой магнитной аркаде..................................212

4.1 Достаточное условие для начала формирования протуберанца.................212

4.2 Эволюция аркады перед процессом формирования.....................................215

4.3 Процесс формирования и уравнение баланса массы....................................217

4.4 Геометрические и физические параметры протуберанца в конечном состоянии............................................................................................................................219

Выводы......................................................................................................................224

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................226

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................233

ВВЕДЕНИЕ

Физическая природа таких масштабных явлений в солнечной атмосфере как вспышки и протуберанцы уже на протяжении десятилетий является актуальнейшей темой исследований в солнечно-земной физике [1-3]. Научное и прикладное значение этой темы, также как актуальность, определяется двумя факторами. Во-первых, солнечные вспышки и протуберанцы (эруптивные) представляют собой взрывные явления в космической плазме, наиболее доступные для всестороннего изучения и интенсивно исследуемые сейчас наземными и космическими обсерваториями. Во-вторых, они оказывают сильное воздействие на межпланетное и околоземное космическое пространство. Выяснение физической природы солнечных вспышек и протуберанцев обещает и понимание широкого круга явлений в космической плазме, а также в лабораторных установках, предназначенных для термоядерного синтеза, и создание научно обоснованного, надежного прогноза радиационной обстановки в ближнем космосе.

Несмотря на близость Солнца как космического объекта, многие физические процессы, протекающие во вспышках и протуберанцах и лежащие в основе их наблюдательных проявлений, практически недоступны для экспериментальных исследований. В связи с этим, одним из важнейших инструментов в современной физике Солнца являются теоретические исследования динамики солнечной плазмы. Правильно поставленные и решенные задачи позволяют выходить на объяснение и лучшее понимание наблюдаемого феномена активности солнечной атмосферы. А общее построение теории динамики плазмы в солнечных вспышках и протуберанцах разрешит многое в физической природе этих явлений.

- Исследование солнечных вспышек и протуберанцев сталкивается с огромным количеством проблем, задач и вопросов. По значимости в прояснении физической сути этих явлений, по своей роли при исследовании многих других процессов, протекающих в солнечно-земной плазме, важнейшими проблемами в настоящее время являются следующие: для вспышек — механизм первичного вспышечного энерговыделения и проблема послевспышечной эволюции высокоэнергичной плазмы [4], для протуберанцев — механизмы формирования в горячей короне холодных долгоживущих областей плазмы [5]. В каждой из трех указанных проблем

существуют многочисленные вопросы, которые можно объединять в группы, формулируя конкретные задачи в рамках упомянутых проблем. Несколько таких групп вопросов (конкретных задач) составляют предмет исследования в настоящей диссертации. Объединение вопросов в этих задачах основано на следующих мотивах. Во-первых, по признаку общности путей поиска ответов через решение сходных нелинейных задач по динамике плазмы. Во-вторых, по принадлежности вопросов к рассмотрению конкретных плазменных систем. С этими первыми двумя мотивами связаны и название диссертации, и общая цель работы, формулируемая ниже. Наконец, третий мотив объединения заключался в подборе таких вопросов, при успешных ответах на которые в рамках конкретной задачи обеспечивался бы значимый и комплексный вклад в решение упомянутых важнейших проблем солнечных вспышек и протуберанцев.

Общая цель работы состоит в теоретическом исследовании динамики плазмы в магнитогидродинамических системах с быстрой трансформацией магнитной энергии, в магнитных петлях с высокоэнергичными компонентами плазмы и в магнитных аркадах, теряющих тепловое равновесие.

Актуальность поставленной общей цели обусловлена прежде всего тем обстоятельством, что развитие теории динамики плазмы в перечисленных магнитных структурах существенно влияет на современное представление о солнечных вспышках и протуберанцах. Актуальность же конкретных задач обусловлена способом их постановки.

Эти конкретные задачи работы таковы:

— Определить структуру магнитного поля и плазменных течений при различных режимах квазистационарной трансформации магнитной энергии в токовых слоях, уточнить диапазоны существования этих режимов и рассмотреть вопрос о возможности быстрого перехода из одних режимов трансформации в другие.

— Исследовать нестационарные режимы нагрева плазмы в токовых слоях с аномальной турбулентной проводимостью, определить мощность стационарного энерговыделения в турбулентных токовых слоях;

— Рассмотреть динамику плазмы в магнитогидродинамической системе с нетрадиционным для солнечной вспышки механизмом энерговыделения — двухэтапной

трансформацией магнитной энергии, когда первоначально энергия магнитного ноля переходит в энергию гидродинамического движения, а затем в тепловые формы;

— Исследовать особенности динамики плазмы с высокоэнергичными компонентами во вспышечных магнитных петлях, связать эти особенности с наблюдательными проявлениями вспышек в жестком рентгеновском излучении и радиодиапазоне;

— Создать теорию переходного процесса от статического высокотемпературного состояния корональной простой магнитной аркады к динамической структуре холодного протуберанца и построить физическую модель процесса формирования протуберанца.

Представим далее более подробно решаемые в диссертации задачи и определим содержание глав.

Первые три главы объединены их отношением к исследованию механизмов энерговыделения в солнечных вспышках. К настоящему времени результаты различных наблюдений позволили сделать вывод о том, что первичный источник энергии вспышки расположен на вершинах аркад магнитных петель [6,7], а внеатмосферные наблюдения [2] убедительно показали, что первичное выделение энергии является корональным, а не хромосферным явлением. Установлено, что в нижней короне, где происходит энерговыделение вспышки, наблюдения не обнаруживают другого источника энергии в необходимом для вспышки количестве помимо энергии магнитного поля [8]. Поэтому, можно считать, что в настоящее время наиболее обоснованным является представление о том, что магнитное поле в атмосфере Солнца и есть источник энергии вспышки. Причем, этот источник возникает в результате накопления "свободной" магнитной энергии в верхней хромосфере и нижней короне за счет возникновения здесь токовой структуры, порождаемой крупномасштабными течениями в фотосфере [9]. Под "свободной" понимается магнитная энергия, избыточная по сравнению с энергией потенциального магнитного поля, имеющего такое же распределение продольной компоненты на уровне фотосферы. Это значит, что свободная магнитная энергия определяется электрическими токами, текущими над уровнем фотосферы в солнечной атмосфере. Непосредственные наблюдения установили присутствие таких токов [8,10,11]. Быстрое же изменение этих токов, которое и представляет процесс вспышечной реализации свободной магнитной энергии в другие формы [9,12], является малодоступным для

непосредственных наблюдений [4]. Поэтому, проблема первичного энерговыделения является в основном темой для лабораторного и численного моделирования, а также одним из направлений теоретических исследований динамики солнечной плазмы.

В этих исследованиях можно выделить два основных подхода к проблеме вспышечного энерговыделения. Согласно первому подходу, необходимое для вспышки накопление свободной магнитной энергии и ее быстрая трансформация в тепловые формы могут осуществляться в тонких, но очень протяженных токовых слоях [13-15]. Такие слои могут возникать в короне под действием движения источников поля на фотосфере, например, при "всплывании" нового магнитного потока [16]. Во втором подходе токи, которые либо генерируются вихревыми движениями в фотосфере, либо изначально присутствуют во всплывающей снизу скрученной магнитной петле, являются, в отличие от тонких токовых слоев, распределенными токами, то есть текущими по значительному объему магнитных петель. Диссипация распределенных токов в короне мала, но не мало их взаимодействие между собой, которое и может приводить к преобразованию свободной магнитной энергии в другие формы [17 - 21].

Возможность возникновения тонких протяженных токовых слоев и эффект накопления магнитной энергии в их окрестности были прекрасно продемонстрированы теоретически в приближении бесконечной проводимости плазмы [22]. Было показано, что медленные изменения на границах плазменной системы ( ПС) приводят к образованию внутри ПС бесконечно тонких (сингулярных) токовых слоев вблизи особых линий (сепараторов), а для двумерных ПС вблизи гиперболических нулевых точек магнитного поля. В реальных условиях конечной проводимости сингулярные токовые слои представляют из себя токовые структуры конечной толщины с движением плазмы внутри. Эти токовые структуры, которые будем в дальнейшем называть токовыми слоями конечной толщины (ТСКТ), обеспечивают процесс накопления и процессы быстрой трансформации накопленной магнитной энергии. И процесс накопления, и процессы быстрой трансформации фактически являются различными режимами пересоединения магнитного поля в ТСКТ, в которых реализуется соответствующая каждому режиму динамика плазмы в Г1С [23-25].

ГЛАВА I посвящена исследованию квазистационарных режимов магнитного нересоединения в ТСКТ двумерных ПС. Первоочередной интерес к этим простейшим режимам пересоеди�