Введение к работе
Актуальность проблемы.
Исследование солнечных вспышек (СВ) является в настоящее время одной из наиболее развивающихся областей физики Солнца. Важность проблемы СВ определяется двумя ее аспектами: астрофизическим и- аспектом солнечно-земных связей.
В астрофизическом плане полнота понимания этого сложного явления необходима для выяснения источника энергии вспышки, способов выделения этой энергии в различных проявлениях вспышки, связи явления СВ с другими проявлениями солнечной активности и для понимания циклических изменений солнечной активности в целом. Относительная доступность явления СВ для наблюдений существенна, кроме того, для понимания процессов, происходящих в космической плазме в различных космических объектах, а также в лабораторных плазменных установках.
В плане солнечно-земных связей СВ в тесной совокупности с корональными выбросами вещества оказывают значительное воздействие на околоземное и межпланетное космическое пространство, на Землю, и живые организмы, на системы связи и линии электропередачи, а также на людей и технику во время космических полетов.
Нейтроны, являющиеся вторичными продуктами СВ, открывают интересные возможности для решения ряда проблем физики Солнца и СВ. Роль вспышечных нейтронов велика в процессах генерации у-излучения, в формировании элементного состава внешних слоев Солнца, в у-излу^ении спокойного Солнца, у-излучение и нейтроны от вспышек стали за последние двадцать пять лет серьезным инструментом для исследования вспышечных явлений.
Высокоэнергичные нейтральные излучения, выходящие из области СВ, несут более достоверную и полную информацию о физических процессах в этой области, чем регистрируемые ускоренные заряженные частицы, подверженные воздействиям электромагнитных полей. Отметим, что нейтроны могут проникать глубоко в плотные фотосферные и даже в подфотосферные слои (ФС и ПФС). Поэтому и у-излучение в линиях, производимое нейтронами, несет информацию о физических условиях также и с этих глубин, недоступных оптическим наблюдениям.
Таким образом, анализ процесса распространения нейтронов в атмосфере Солнца и условий генерации у-излучения, вызванного нейтронами, важен как для лучшего понимания различных аспектов вспышечного явления, так и с точки зрения нахождения новых связей между характеристиками вышедшего в межпланетное пространство у-излучения и физическими условиями во вспышке, в том числе, свойствами среды, что дает новые возможности при анализе экспериментальных данных по регистрации у-излучения.
Цель работы.
Основным содержанием настоящей работы является анализ процесса распространения в атмосфере Солнца нейтронов, образованных в СВ, а также дискретного у-излучения, возникающего а) от захвата нейтронов ядрами водорода (2.223 МэВ) и б) от высвечивания некоторых ядер (12С - 4,439 МэВ; 160 - 6,129 МэВ; 56Fe - 0,847 МэВ), имеющихся в солнечной атмосфере и возбужденных нейтронами.
Основой анализа является численное моделирование методом статистического моделирования (Монте-Карло), в результате которого осуществляется построение распределений глубины, вертикальной толщи, времени и некоторых других параметров распространения нейтронов а) сразу после замедления до тепловых энергий и б) при излучении -/-квантов, вызванном взаимодействием нейтронов с ядрами окружающей среды. Рассчитывается генерация у-квантов на 1 нейтрон в зависимости от энергетического спектра нейтронов, времени и модели вертикального профиля плотности солнечной атмосферы (излучение 2,223 МэВ) или от энергии нейтронов и модели взаимодействия ускоренных заряженных ионов с атмосферой Солнца (излучение 4,439, 6,129, 0,847 МэВ), а также выход энергичных нейтронов в межпланетное пространство.
Цель данного анализа состоит не только в лучшем понимании процессов, связанных с нейтронами в солнечных вспышках, но и в установлении новых связей между характеристиками вышедшего у-излучения, вызванного нейтронами, с одной стороны, и с другой, - со свойствами солнечной плазмы или условиями во вспышке. Целью работы является также исследование возможности использования найденных связей в научно-практических целях.
Новизна работы.
1. Впервые проведен численный анализ процесса термализации нейтронов в атмосфере Солнца методом статистического моделирования
посредством построения распределений времени, глубины, длины траектории, полной и вертикальной толщи, числа столкновений нейтронов по достижении ими теплового равновесия с окружающей средой. В частности, впервые установлены и проанализированы основные факторы, формирующие вид распределения глубины проникновения таких нейтронов:
энергетический спектр нейтронов;
угловые характеристики испускания нейтронов;
высотная зависимость плотности солнечной атмосферы п(Н);
энергетическая зависимость сечения упругого пр-рассеяния;
характер угловой зависимости пр-рассеяния
кинематика пр-рассеяния.
-
Впервые исследовано изменение формы распределения глубины проникновения нейтронов, испускающих у-кванты, по сравнению с формой распределения глубины только что термализовавшихся нейтронов.
-
Впервые показано, что форма распределения глубины испускания у-квантов с энергией 2,223 МэВ и временной ход этого у-излучения содержат информацию о высотном профиле плотности солнечной плазмы.
-
Предложен метод анализа плотности солнечной атмосферы и ПФС, в том числе, и на глубинах, недоступных наблюдению оптическими или иными методами, на основе характера временного хода у-излучения в линии 2,223 МэВ. Показана принципиальная возможность использования найденных связей при анализе результатов, полученных в современных экспериментах по регистрации у-излучения.
-
Впервые рассчитаны генерация и выход у-излучения в линиях 4,439, 6,129, 0,847 МэВ от высвечивания возбужденных нейтронами первых уровней ядер соответственно 12С, 160, 56Fe в зависимости от первоначальной энергии нейтронов, рассчитан вклад этого у-излучения в полное излучение от возбуждения тех же ядер; кроме того, в случае высвечивания ядрами 56Fe установлена зависимость этого вклада от модели взаимодействия ускоренных заряженных частиц с веществом окружающей среды.
-
Созданы алгоритмы и программы на основе метода статистического моделирования (Монте-Карло) расчета распространения нейтронов и 7-излучения в линиях 2,223, 4,439, 6,129, 0,847 МэВ с использованием статистических весов и построением плотностей распределения некоторых пространственно-временных характеристик нейтронов.
Научная и практическая ценность работы.
Проведенный анализ эволюции пространственно-временных
характеристик совокупности нейтронов, генерированных в СВ, в атмосфере Солнца представляет научный интерес с точки зрения выводов, полученных в результате этого анализа, в том числе: о наиболее вероятных временах и глубинах термализации нейтронов, об объеме выделения энергии нейтронами в процессе термализации, о выходе нейтронов от Солнца в межпланетное пространство, о незначительном изменении формы распределения глубины нейтронов от момента их термализации до захвата водородом с испусканием у-квантов 2,223 МэВ, и наконец, о связи временного профиля у-излучения с высотным профилем плотности солнечной плазмы во время вспышек.
На базе проведенного анализа заложены основы нового метода определения характера высотного хода плотности солнечной плазмы во время СВ. Предлагаемый метод особенно ценен тем, что позволяет делать суждения о высотном профиле плотности плазмы в глубоких ФС и ПФС, недоступных наблюдениям другими методами. Показана принципиальная возможность использования найденных связей при анализе результатов, полученных в современных экспериментах по регистрации у-излучения.
Для понимания роли нейтронов в формировании у-линий от высвечивания возбужденных уровней 4,439, 6,129, 0,847 МэВ соответственно ядер 12С, 160, 56Fe важен проведенный расчет вклада нейтронов в полную интенсивность у-излучения этой природы. Существенно, что в случае 56Fe выявлено наличие зависимости этого вклада от модели взаимодействия ускренных заряженных частиц со средой.
Рассчитано запаздывание у-излучения в линиях от нейтронов по отношению к подобному у-излучению от протонов, запаздывание составляет от 0,09 с. до 0,018 с для нейтронов с начальными энергиями соответственно от 1 МэВ до 100 МэВ. Обсуждается возможный в перспективе подход к экспериментальному разделению вкладов нейтронов и протонов в линейчатое у-излучение рассматриваемой природы от солнечных вспышек.
Результаты работы могут быть использованы при дальнейшей разработке моделей процессов в солнечных вспышках, а также при интерпретации результатов экспериментов.
Созданная методика (алгоритмы и программы) расчета распространения нейтронов и генерации ими у-квантов в процессе СВ может, помимо основного назначения, служить основой для расчетов эффектов от других ядерных
реакций, производимых нейтронами на Солнце, например, приводящими к образованию радиоактивных ядер или генерации элементов.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования процесса термализации нейтронов в
атмосфере Солнца посредством построения и анализа распределений
нейтронов, достигших теплового равновесия с солнечной атмосферой, по
следующим величинам: глубине, полным пройденным пути и толще вещества,
времени, числу упругих столкновений с веществом окружающей среды.
Результаты анализа факторов, формирующих вид распределения термализованных нейтронов по глубине. Установление и исследованание зависимость распределения по глубине от начальных энергетического спектра и углового распределения нейтронов, а также от высотной зависимости плотности солнечной атмосферы.
2. Результаты исследованования изменения формы распределения
глубины испускания у-квантов с энергией 2,223 МэВ в процессе захвата
нейтронов ядрами водорода, по сравнению с формой распределения глубины
только что термализовавшихся нейтронов.
-
Нахождение зависимости формы распределения глубины испускания у-квантов с энергией 2,223 МэВ и временного хода этого у-излучения от высотного профиля плотности солнечной плазмы.
-
Метод анализа высотного профиля плотности солнечной атмосферы и подфотосферных слоев во время вспышки на основе характера временного хода у-излучения в линии 2,223 МэВ. Разработаны основы этого метода, который особенно ценен тем, что позволяет исследовать плотность плазмы, в частности, в глубоких слоях, недоступных наблюдениям оптическими или иными методами. Показана принципиальная возможность использования предложенного метода при анализе результатов, полученных в современных экспериментах по регистрации у-излучения.
5. Расчет выхода у-излучения в линиях 4,439, 6,129, 0,847 МэВ,
генерируемых при взаимодействии солнечных нейтронов с ядрами 1^с, 1^0 и
S^Fe солнечной атмосферы. Показано, что вклад у-излучения, обусловленного
нейтронами, в полное излучение в линии 0,847 МэВ зависит от модели
взаимодействия ускоренных частиц с веществом окружающей среды.
6. Методика (алгоритмы и программы) расчета процессов
распространения нейтронов и генерации у-излучения, обусловленного
нейтронами, в линиях 2,223, 4,439, 6,129 и 0,847 МэВ методом статистического моделирования.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах по космофизике ОКФИ (рук. проф. М.И. Панасюк) и ОКИ (рук. проф. Ю.И. Логачев) НИИЯФ МГУ, на семинаре ГАИШ МГУ "Физика Солнца и космическая электродинамика" (рук. проф. Б.В. Сомов), на 12-ой школе-семинаре "Космическая электродинамика и физика Солнца" (Пущино, март 1995), на Всероссийской конференции по физике Солнца (Москва, ГАИШ МГУ, декабрь 1995), на рабочем совещании "Перспективы исследований высокоэнергичных явлений в солнечных вспышках и космических гамма-всплесках в эксперименте "Фотон"" (Москва, МИФИ, июнь 1996), на 24-ой Международной конференции по космическим лучам (Рим, 1995), на международной конференции COSPAR (Бирмингем, 1996), на конференциях "Ломоносовские чтения" (Москва, МГУ, 1987, 1996).
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в семи печатных работах и двух препринтах НИИЯФ МГУ.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение и список литературы, занимает объем 139 страниц, включая 52 рисунка, 14 таблиц и 127 библиографических ссылок.
