Введение
Диссертация посвящена экспериментальному изучению структуры высокоскоростных спорадических потоков в солнечном ветре и вызванных ими эффектов в магнитосфере Земли. Кроме того, исследуется природа солнечных источников высокоскоростных потоков механизм их ускорения в атмосфере Солнца и эволюция последних в межпланетном пространстве на пути от Солнца до орбиты Земли.
Актуальность темы. В результате быстрого развития космической техники не только поверхность Земли, но и вся толща атмосферы, магнитосфера и межпланетное пространство становятся ареной непосредственной технической деятельности и обитания человека. Действительно, в настоящее время сотни спутников научного и технического назначения, движутся в окрестностях Земли, работают пилотируемые космические станции, планируются экспедиции к другим планетам солнечной системы. При этом выяснилось, что как ближний космос, так и межпланетное пространство заполнено чрезвычайно активной средой — плазмой солнечного происхождения. И как в прошлые века мореплавателей интересовало состояние морской поверхности, направление и скорость ветра, температура воздуха, интенсивность облачности и осадков, то есть погода, так и в наше время авторов спутниковых проектов, космонавтов и астронавтов интересует состояние среды, в которой движутся эти космические аппараты, то есть космическая погода. При этом наибольший интерес, естественно, вызывают экстремальные события, связанные с прохождением высокоскоростных потоков и связанных с ними межпланетных ударных волн. Солнечный ветер зарождается в верхних слоях атмосферы Солнца. В связи с этим можно полагать, что основные пара-
метры солнечного ветра, в том числе и в высокоскоростных потоках, определяются определенными процессами в атмосфере Солнца. К сожалению, связь между параметрами потока на орбите Земли и физическими явлениями в хромосфере и в короне Солнца оказывается чрезвычайно сложной и, кроме того, меняется от уровня солнечной активности. В частности, до сих пор остается неясной природа солнечных источников спорадических высокоскоростных потоков в солнечном ветре. Соответственно, оказывается невозможным предсказание ни параметров этих потоков, ни времени их появления в окрестности Земли.
Таким образом, локализация источников спорадических высокоскоростных потоков и выяснение их природы является одной из основных задач солнечно-земной физики.
Кроме того, следует иметь в виду, что параметры потока в окрестностях Земли (или космического аппарата) определяются не только особенностями его формирования в хромосфере или короне Солнца, но и условиями его распространения от Солнца до Земли и процессами его взаимодействия с фоновым солнечным ветром. Соответственно, исследование эволюции высокоскоростных потоков на их пути от Солнца до Земли также является одной из фундаментальных задач физики солнечного ветра и межпланетных ударных волн.
Все выше сказанное и определяет актуальность рассматриваемых в диссертации проблем.
Целью диссертационной работы является:
1. Установить природу солнечных источников, формирующих спорадические высокоскоростные потоки в солнечном ветре.
2. Исследовать динамику этих потоков по мере их распространения от Солнца до Земли.
3. Исследовать геоэффективность этих потоков в зависимости от положения их источников на Солнце, взаимной ориентации магнитных полей на Солнце, а также в сжатом солнечном ветре и в теле потока.
Научная новизна:
1. Разработан метод "меченных потоков",позволяющий локализовать источники высокоскоростных потоков на Солнце.
Метод основан на связи ориентации магнитного поля в теле потока с крупномасштабным магнитным полем на Солнце.
2. Впервые обнаружено, что скорость распространения вспышеч-ного потока определяется не только его начальной скоростью в короне Солнца, но и взаимной ориентацией магнитных полей в теле потока и в области сжатого солнечного ветра.
3. Впервые установлена связь параметров и структуры высокоскоростных спорадических потоков в солнечном ветре с конфигурацией крупномасштабных магнитных полей в соответствующих активных областях.
4. Отчетливая связь геоэффективности вспышечного потока со структурой крупномасштабных магнитных полей на Солнце в области вспышки и к западу от нее получены впервые.
5. Предложенная модель вспышечного потока, в значительной степени уточняет существующие представления о его структуре и связи его параметров с явлениями на Солнце.
Научная и практическая ценность. На основании проведенного в диссертации анализа характеристик спорадических высокоскоростных потоков сделан вывод о том, что основным источником этих потоков являются хромосферные вспышки на Солнце. При этом ко-рональные выбросы масс, также безусловно связанные с этими потоками, являются, по сути дела, следствием прохождения через корону потока плазмы, ускоренного в области вспышки. Этот результат позволяет предположить единую модель высокоскоростного потока от момента его генерации в хромосфере и прохождения через корону Солнца, его эволюции в межпланетном пространстве и его взаимодействие с магнитосферой Земли.
Расчет параметров переходной области и предсказание состояния магнитосферы невозможны без знания параметров солнечного ветра перед фронтом отошедшей ударной волны, что требует развития методики прогнозирования "космической погоды" в окрестностях Земли. Обнаруженные закономерности позволяют прогнозировать параметры возмущенного солнечного ветра в окрестностях Земли, являющиеся входными параметрами при построении численной модели переходной области.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при разработке методики краткосрочного (с заблаговременностью 1,5-2 суток) прогнозирования состояния магнитосферы и геомагнитных возмущений и обусловленных ими изменений параметров среды, жизнедеятельности и здоровья человека.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований, согласно которым основным источником спорадических высокоскоростных потоков в солнечном ветре являются солнечные вспышки.
2. Эмпирическая модель вспышечного потока и ее зависимость от положения источника на диске Солнца и от взаимной ориентации крупномасштабных магнитных полей на Солнце в области вспышки и к западу от нее.
3. Результаты исследований, устанавливающих связь между геоэффективностью вспышечных потоков, положением вспышки на диске Солнца и структурой крупномасштабных магнитных полей на Солнце.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, разработке модели, отборе экспериментального материала, его обработке, выполнении расчетов и интерпретации результатов. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на Международных конференциях XVIII Ассамблее IAGA (Гамбург, Германия, 15-27 августа 1983), "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, Россия, 29 июня — 3 июля 1998), XXIV Ассамблее EGS (Гаага, Нидерланды, 1999), XXII Ассамблее IAGA (Бирмингем, Великобритания, 18-30 июля 1999), XXV Ассамблее EGS (Ницца, Франция, 25-29 апреля 2000), "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, Россия, 22-26 мая 2000), 33rd Ассамблее COSPAR (Варшава, Польша, 16-23 июля 2000), XXVI Ассамблее EGS
(Ницца, Франция, 25-30 марта 2001), XXIII Ассамблее IAGA (Ханой, Вьетнам, 19-31 августа 2001), Всероссийская конференция по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 24-28 сентября 2001), XXVII Ассамблее EGS (Ницца, Франция, 21-26 апреля 2002), "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, Россия, 3-7июня 2002), XXVIII Ассамблее EGS (Ницца, Франция, 6-11 апреля 2003), а также на семинарах кафедры физики Земли НИИ Физики СПбГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликованы девять статей в научных рецензируемых журналах и три статьи в сборниках трудов научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 126 наименований, содержит 200 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 11 таблиц.
Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, описана научная новизна полученных результатов, научная и практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.
В первой главе представлен обзор литературы по солнечному ветру и приводятся современные представления о морфологии и механизме генерации солнечного ветра, рассмотрены общие и наиболее исследованные характеристики этого процесса.
В параграфе 1.1 подробно рассмотрена модель солнечного ветра Паркера и выделяются основные направления ее развития. Обсу-
ю
ждается нагрев и ускорение солнечного ветра с учетом энергии маг-нито-гидродинамических волн. Рассмотрены двух- и трех- жидкостные модели солнечного ветра.
В параграфе 1.2 рассмотрены особенности высокоскоростных потоков в солнечном ветре и их возможные источники на Солнце. К настоящему времени установлено, что в солнечном ветре существуют, по меньшей мере, два вида высокоскоростных потоков: квазистационарные (рекуррентные) и спорадические потоки. Источники этих потоков существенно отличаются друг от друга и чаще всего исследуются независимо. Что касается рекуррентных потоков, то, согласно современным представлениям, они генерируются в области корональных дыр, физические характеристики которых обсуждаются в п. 1.2.1. В то же время до сих пор нет единой точки зрения на проблему формирования и эволюцию спорадических высокоскоростных потоков. Обзор различных гипотез относительно механизма и области их образования дается в п. 1.2.2. В частности, подробно обсуждается соотношение между межпланетными ударными волнами, солнечными вспышками и корональными выбросами масс. Сделан вывод о том, что вспышки и корональные выбросы масс тесно связаны. Высокоскоростные корональные выбросы масс, движущиеся в межпланетном пространстве, являются продолжением солнечной вспышки.
Параграф 1.3. посвящен межпланетным ударным волнам. В п.1.3.1 рассматриваются ударные волны, которые обычно наблюдаются вблизи ведущего края возмущения солнечного ветра, которое включает изменение газодинамических параметров плазмы: повышение скорости течения, протонной температуры, напряженности магнитного поля и плотности плазмы. Для решения задачи о скачке па-
п
раметров на ударной волне используются соотношения Рэнкина-Гюгонио. Кроме того в п. 1.3.2 описана общая структура течения плазмы за ударным фронтом, основанная на качественной картине явления. В п.1.3.3 обсуждается численная модель Хундхаузена распространяющихся межпланетных ударных волн в солнечном ветре, которая затем используется для классификации и интерпретации результатов наблюдений. Этот вопрос рассматривается в рамках общей проблемы энергетики коронального расширения и с учетом физических процессов, протекающих в солнечной вспышке.
Рассматриваются два класса ударных волн, которые могут формироваться на фронтах высокоскоростных плазменных потоков. Поршневая волна, которая соответствует эмпирическому R-событию и взрывная волна - эмпирическому F-событию. В п. 1.3.4. рассмотрена структура вспышечного потока в моделях Хундхаузена и Иванова.
В параграфе 1.4 подробно описываются солнечные вспышки, их классификация и основные свойства.
Параграф 1.5. посвящен механизму генерации солнечных вспышек. В качестве одного из них рассмотрена в п. 1.5.1. предложенная Старроком качественная модель вспышки, базирующаяся на идеях Петчека. В п. 1.5.2 дано определение магнитного пересоединения как процесса топологической перестройки магнитного поля, сопровождаемой выделением магнитной энергии. Математически проблема магнитного пересоединения была сформулирована и решена для частного случая стационарного потока несжимаемой жидкости Петче-ком [1964]. Рассмотрена модель Семенова 1985 г. нестационарного пересоединения в двухмерном случае в несжимаемой плазме. Вводится система идеальной МГД, на основе которой строится решение задачи пересоединения. В конце этого параграфа рассмотрены осо-
12
бенности энерговыделения на МГД-волнах. В п. 1.5.3 анализируется модель солнечной вспышки по экспериментальным данным. Детальный анализ структуры активной области в хромосфере и ее эволюции в ходе вспышки детально исследовались по данным (на борту спутника Yohkoh) рентгеновского излучения в области лимбовых вспышек (Tsuneta [1997]). Приводятся результаты выполненного в этой работе анализа, убедительно иллюстрирующие образование магнитной X-линии, генерацию расходящихся из окрестностей Х-линии потоков ускоренной (до 1000 км/с) и горячей плазмы, формирование семейства МГД-фронтов, отождествляемых автором с медленными ударными волнами. Все перечисленные особенности структуры вспышечной области являются, согласно Tsuneta, убедительным подтверждением магнитной модели вспышки.
Во второй главе рассматриваются экспериментальные данные, свидетельствующие о вспышечной природе солнечных источников высокоскоростных спорадических потоков в солнечном ветре и связанных с ними межпланетных ударных волн.
В параграфе 2.1 приведены экспериментальные данные.
В параграфе 2.2 исследуются магнитное поле в теле потока и на Солнце в области вспышки. В этом исследовании в качестве параметра, характеризующего рассматриваемый высокоскоростной поток (метод "меченных потоков"), используется магнитное поле, вмороженное в этот поток, а затем анализируется связь между этим полем и магнитным полем на Солнце в области вспышки. В результате экспериментально установлен факт тесной взаимосвязи ориентации магнитных полей в теле потока с ориентацией магнитных полей на Солнце в области вспышки. Таким образом показано, что высокоскоростные потоки и связанные с ними межпланетные ударные волны
13
действительно генерируются в области вспышки, и магнитное поле, которое они несут, в сущности, есть продолжение магнитного поля соответствующих активных областей на Солнце. Это еще раз подтверждает предположение о том, что высокоскоростные потоки генерируются некоторыми процессами, развивающимися в активных областях на Солнце в ходе солнечных вспышек.
В параграфе 2.3 исследуется время пробега ударной волны и тела потока вспышечного выброса от Солнца до Земли в зависимости от положения вспышки на диске Солнца. Подтверждено влияние положения вспышки на диске Солнца на указанное время пробега. Получено, что скорость движения вспышечного потока максимальна для потоков, эжектированных вспышками, расположенными на долготах /l=40°-60°W.
В параграфе 2.4 рассматривается влияние положения вспышки на диске Солнца на структуру потоков вблизи Земли. При этом принимается во внимание, что если источником высокоскоростного потока является вспышка, то в соответствии с моделью Spreiter (Spreiter and Stahara [1985]), структура вспышечного потока в окрестности Земли должна зависеть от положения вспышки на диске Солнца. В связи с этим исследуется поведение магнитного поля и термодинамических параметров вспышечной плазмы в зависимости от положения вспышки на диске Солнца. Показано, что структура вспышечного потока зависит от положения источника на диске Солнца:
а) если соответствующая вспышка расположена вблизи центрального меридиана, то на фронте ударной волны наблюдается скачок магнитного поля и всех термодинамических параметров плазмы; если вспышка расположена западнее (|А|>20°) или восточнее (|/Lj>20°) центрального меридиана, то поведение пара-
14
метров плазмы и магнитного поля оказывается существенно иным. Причем, в потоках, связанных с восточными вспышками, интенсивность магнитного поля и значения термодинамических параметров в области сжатого солнечного ветра оказываются значительно больше, чем в потоках от западных вспышек. Ь) Наблюдаемая зависимость структуры высокоскоростных потоков от положения предшествующих им вспышек на диске Солнца согласуется с моделью Spreiter (Spreiter and Stahara [1985]), что является еще одним свидетельством в пользу предположения о том, что источником этих потоков являются солнечные вспышки.
Предложена модель вспышечного потока, основанная на экспериментальных данных.
В параграфе 2.5 описывается методика расчета компонент крупномасштабного фотосферного магнитного поля на Солнце в области вспышки. Расчет компонент магнитного поля на Солнце, как и в работах (Pudovkin and Chertkov [1976]; Пудовкин и Понявин [1985]), производился по магнитным картам Солнца по методике, в основу которой положен метод замыкания магнитных потоков.
В третьей главе анализируется влияние взаимной ориентации магнитных полей в сжатом солнечном ветре и в теле потока, а также влияние взаимной ориентации магнитных полей на Солнце в области вспышки и в районе к западу от нее на скорость распространения и структуру вспышечных потоков.
В параграфе 3.1 исследовано влияние взаимной ориентации магнитных полей в сжатом солнечном ветре и в теле потока на характеристики вспышечного выброса, в частности время его пробега от Солнца до Земли. Рассмотрено совокупное влияние положения
15
вспышки на диске Солнца и угла лв (где Ав - угол между векторами магнитного поля в сжатом солнечном ветре и в теле потока на время пробега вспышечного потока. Показано, что время пробега и крупномасштабная конфигурация потока зависят не только от положения вспышки на диске Солнца, но и от взаимной ориентации магнитных полей в сжатом солнечном ветре и в теле потока. Получено, что ге-лиодолготная асимметрия в распространении от Солнца вспышечных потоков зависит не только от положения вспышки на диске Солнца, но и от взаимной ориентации магнитных полей в солнечном ветре: в случае больших углов |дб>| область максимальных скоростей потока
ближе к центральному меридиану; - в случае малых углов |д<9| эта область смещается к западу. Как в случае больших углов, так и малых, во вспышечном потоке отчетливо выделяются область сжатого солнечного ветра и тело потока. Кроме того было получено, что на орбите Земли ширина области сжатого солнечного ветра у потоков с |д
120° от вспышек, расположенных в восточной части солнечного диска меньше, чем у таких же, но с |дВ параграфе 3.2 исследованы некоторые динамические характеристики распространения высокоскоростных потоков в солнечном ветре: определено характерное расстояние торможения вспышечного потока, оценена начальная скорость вспышечного выброса плазмы и проведено исследование их зависимости от взаимной конфигурации магнитных полей в солнечном ветре и параметров вспышки. Получено, что характерное расстояние торможения L вспышечного потока зависит от взаимной ориентации магнитных полей в сжатом солнеч-
16
ном ветре и в теле потока (|д#|): чем больше угол Ав, тем больше величина L. Обсуждается наблюдаемая связь характерного расстояния торможения L от взаимной ориентации магнитных полей в теле вспышечного потока и в сжатом солнечном ветре (д#). Начальная скорость (Vo) вспышечного выброса составляет примерно (1000-2000) км/с и соответствует альвеновской скорости в нижней короне, что подтверждает модель солнечной вспышки, основанную на гипотезе о магнитном пересоединении. Величина Vo по-видимому, не зависит от взаимной ориентации межпланетных магнитных полей (угла Ав).
В параграфе 3.3 исследуется структура и поведение газодинамических параметров солнечной плазмы и магнитного поля вспышечного потока в зависимости от взаимной ориентации магнитных полей в теле потока и в сжатом солнечном ветре за фронтом отошедшей ударной волны. Результаты проведенного исследования позволяют сделать вывод, что структура вспышечного потока на орбите Земли определяется не только длительностью вспышки на Солнце (Hund-hausen [1972]), но и взаимной ориентацией магнитных полей в теле потока и в области сжатого солнечного ветра: а) в случае больших углов (д#>120°), вспышечный поток на орбите Земли характеризуется отчетливым скачком всех параметров плазмы независимо от длительности вспышки (при At в диапазоне от 30 минут до 2,5 часов), б) в случае малых углов (д<9<60°) структура вспышечных потоков в значительной степени определяется длительностью вспышки: при At&3 часов, вариации параметров плазмы в области сжатого солнечного ветра соответствует взрывной волне по классификации Хундхаузена (Hundhausen [1972]); при д/«16 минут, структура потока не наблюдается в окрестности Земли.
17 |
