Электродинамические процессы в атмосфере Солнца Литвищенко, Юрий Эдуардович

Введение к работе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4. регулярный и хаотический режимы вспышечных радиовсплесков;

5. жесткое рентгеновское излучение вспышек.

Научная новизна работы состоит в следующем:

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

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

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

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

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

На защиту выносятся следующие основные положения:

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

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

3. Корректный расчет характеристик жесткого рентгеновского
излучения вспьппек требует учета влияния кулоновских СТОЛКНО-'
вений и электрического ноля обратного тока на эволюцию рас
пределения нетепловых влектронов во вспышечной петле. При
этом функция распределения может оказаться практически изо
тропной, а поляризация тормозного рентгеновского излучения
близкой к нулю.

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

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 11 научных статьях.

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из се
ми глав, изложена на 124 страницах, содержит 5 рисунков и 1
таблицу. Библиография содержит 132 названия. '