Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Характеристики событий с обогащением СКЛ тяжелыми ионами 12
1.1. Обогащение СКЛ тяжелыми ионами 13
1.2. Изотопное содержание 15
1.3. Зарядовые состояния 16
1.4. Энергетические спектры %[
1.5. Временные вариации величины коэффициента обогащения тяжелых элементов 27
1.6. Связь с событиями, богатыми 3Не 29
1.7. Краткие выводы 35
ГЛАВА 2. Анализ экспериментальных данных и теорий обогащения 37
2.1. Каталог 37
2.2. Механизмы формирования аномального состава СКЛ 68
2.3. Механизм обогащения СКД тяжелыми ионами 77
2.4. Искажение спектров ускоренных частиц 82
2.5. Краткие выводы 86
ГЛАВА 3. Влияние коронального распространения на обогащение потоков энергичных частиц от Солнца тяжелыми элементами 87
3.1. Взаимодействие быстрых ионов с плазмой 87
3.2. Искажение первоначально степенного спектра частиц при прямом пролете
области корональной плазмы до
3.3. Искажение первоначально бессолевого спектра частиц при кулоновском
торможении в плазме короны Солнца 97
3.4. Краткие выводы Х.І2
ГЛАВА 4. Механизм обогащения СКЛ тяжелыми ионами 1x4
4.1. Взаимодействие ионов с ионно-звуковой турбулентностью 115
4.2. Параметры турбулентности и физические условия в области ускорения 128
4.3. Формирование необходимых условий; модель события с обогащением тяжелыми ионами 131
4.4. Краткие выводы 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
ЛИТЕРАТУРА 140
- Обогащение СКЛ тяжелыми ионами
- Каталог
- Взаимодействие быстрых ионов с плазмой
- Взаимодействие ионов с ионно-звуковой турбулентностью
Введение к работе
Солнечные вспышки представляют наиболее мощное проявление нестационарных процессов, протекающих в атмосфере Солнца. Энергия, выделяемая солнечной вспышкой, составляет 10 9 * 10^ эрг, при длительности вспышки I02 * Ю3 с. Солнечные вспышки сопровождаются излучением электромагнитных волн широкого диапазона частот и значительной интенсивности, мощными гидромагнитными возмущениями в межпланетной среде и являются наиболее близким к нам источником космических лучей-потоков ускоренных во вспышке электронов, протонов и более тяжелых ядер: солнечных космических лучей (СКЛ).
Вспышки представляют большой интерес для физики Солнца и играют важную роль в солнечно-земных связях [I, 2] . Влияние космических факторов, обусловленных солнечно-земными связями, на биосферу Земли в настоящее время не вызывает сомнений и их изучение может повлиять на активную деятельность человека в околоземном пространстве.
Теоретическое и экспериментальное исследование процессов, происходящих во время солнечной вспышки, является необходимым этапом на пути к их прогнозированию и поэтому имеет большое практическое значение.
Одним из аспектов исследования солнечной вспышки является изучение элементного и изотопного состава СКЛ, зарядового состава ионов и их энергетического спектра. Тот факт, что в ряде событий наблюдаются значительные отклонения элементного состава тяжелых ядер СКЛ от среднего по Солнцу - обогащение СКЛ тяжелыми элементами говорит об определенной специфике механизмов генерации ионов яа Солнце. Установление особенностей действия таких механизмов предполагает изучение процессов, происходящих во время солнечной вспышки и знание тех физических условий, которые при этом возникают в области вспышки.
Темой настоящей диссертации является изучение механизма обогащения солнечных лучей СКЛ тяжелыми элементами и построение модели соответственного вспышечного события. При этом исследуются как экспериментальные, так и теоретические аспекты проблемы.
По современным представлениям энергия вспышки черпается из частичной диссипации локального магнитного поля области групп солнечных пятен, протекающей за счет гидродинамических движений в конвективной зоне Солнца [3-7]. В процессе солнечной вспышки энергия магнитного поля переходит в тепловую и гидродинамическую энергию плазмы, электромагнитную и корпускулярную радиацию, что собственно и составляет вторичные эффекты [8]: горячий газ и ускоренные частицы вдоль силовых линий проникают в хромосферу, нагревают ее и создают тепловое мягкое рентгеновское, ультрафиолетовое и оптическое излучение, последнее особенно яркое в линии ]-Ц .
Быстрыми частицами генерируется рентгеновское и микроволновое излучение; ускоренные ионы (протоны) инициируют различные ядерные реакции в атмосфере Солнца [9, 10] , в которых, в частности, роадаются и % - кванты различных энергий.
Первичным же эффектом в солнечной вспышке следует считать ускорение электронов и протонов (за время менее 5 секунд [II]), возникающее при конверсии энергии магнитного поля. Сам механизм ускорения частиц во вспышке, способный ускорить электроны и протоны до релятивистских энергий за секунды (а возможно и за меньшее время), пока неизвестен.
Силовые линии магнитного поля в области солнечной вспышки имеют скорее всего петлеобразную (арочную) структуру. Такие конфигурации, в частности, бессиловые конфигурации магнитного поля, в настоящее время обсуждаются как в плане решения проблемы энерговыделения, так и при изучении вторичных эффектов солнечной вспышки [12 - 23].
Несмотря на очевидный прогресс в вопросе изучения солнечных вспышек и в экспериментальном, и в теоретическом направлениях, многие вопросы еще недостаточно изучены. До сих пор точно не установлены область локализации и объем, где накапливается и высвобождается запасенная энергия; неизвестны конкретные механизмы энерговыделения и ускорения заряженных частиц и т.д.
Совокупность основных процессов, происходящих во вспышке и характерные параметры плазмы!активной области показаны схематично на рис.1.
Формирование элементного состава солнечных космических лучей, является одной из нерешенных пока проблем в явлении солнечной вспышки. Поэтому исследование условий ускорения ионов на Солнце, характеристик области ускорения и распространение частиц в атмосфере Солнца представляет большой интерес с научной и практической точки зрения.
Современное, состояние проблемы^обогащения солнечных крсми-чвск^_Л2чдй_тяжелыми ионами.
За период с 1961 г. и, особенно, начиная с 1971 г., зарегистрировано много событий, когда происходило обогащение солнечных космических лучей тяжелыми ионами. Однако за этот период полного исследования известных событий, во всех их проявлениях, сделано не было. Известен один обзор событий с обогащением тяжелыми элементами,за период с 1973 по 1977 гг. [24], и ряд работ [25 - 27 и др.] , в которых анализировались некоторые события с обогащением как тяжелыми ионами, так и изотопом Hie [25]. В этих работах были раскрыты многие основные свойства событий, но в то же время, стала очевидной недостаточность информации, обусловленная отсутствием комплексного подхода к изучению проблемы. Совершенно недо-
Электромагнитное <4$*у
Ус порей Н6/Є частын&/ Colo Общая сжвш і основные компоненты солнечной вспышки* статочно исследованы подобные события с точки зрения одновременного знания: энергетических спектров в диапазоне энергий ІСГ3 * I02 МэВ/н., зарядовых состояний всех элементов СКЯ, временной ход (повышения и понижения) интенсивности потоков частиц в событии, пространственное распределение частиц в межпланетном пространстве, связь с другими сопутствовавшими явлениями (рентгеновское, X - излучение, радиоизлучение всех диапазонов, потоки электронов, характеристики солнечного ветра и др.). Многие из этих компонент несут непосредственную информацию о характеристиках как области ускорения, так и области распространения частиц при их выходе в межпланетное пространство. Роль распространения ускоренных на Солнце частиц в межпланетном пространстве и короне Солнца также изучена не полностью.
В то же время, анализ всех известных к настоящему моменту событий с обогащением тяжелыми элементами позволяет обобщить сделанные ранее выводы и попытаться на основе такого анализа найти пути решения проблемы, построить модель солнечной вспышки, в которой может формироваться аномальный состав солнечных космических лучей.
С целью объяснения экспериментальных данных были ранее предложены различные возможности. Впервые возможность преимущественного ускорения тяжелых ионов была рассмотрена в работе [28] применительно к галактическим космическим лучам. В [29] предпринята попытка объяснить обогащение солнечных космических лучей тяжелыми ионами за счет зависимости факторов ускорения и потерь энергии в процессе ускорения от заряда и массы ионов.
В дальнейшем идеи [28] развивались применительно к Солнцу в работах [30, 31] и др. Возможности преимущественного ускорения тяжелых ионов в турбулентной плазме с магнитным полем рассмотрены в работах [32 - 34].
Открытие нового класса событий с аномально большим обогащением солнечных космических лучей изотопом гелий-3 (в сравнении с содержанием изотопа гелий-4) потребовало новых подходов и идей. Возможность сильного обогащения солнечных космических лучей гели-ем-3 была предложена впервые в [35] , а затем, в других механизмах, в[36] и L37]. В [38] было показано, что в вопросе объяснения обогащения солнечных космических лучей тяжелыми ионами механизм, предложенный в [36] не позволяет объяснить всю совокупность характеристик события и сопутствующих явлений. В то же время, анализ действия механизмов, предложенных в [35] и [37] (механизмы нелинейной инжекции ионов в процесс ускорения) показал, что невозможно, в рамках предложенных моделей, в одних и тех же условиях, обеспечить обогащение солнечных космических лучей и ге-лием-3 и тяжелыми ионами.
Целью диссертации является разработка возможности обогащения солнечных космических лучей тяжелыми элементами и создания конкретной модели такой солнечной вспышки.
Научная новизна и практическая_ценность работы.
Исследуемые в диссертации вопросы стали подробно и интенсивно изучаться в последнее десятилетие в связи с развитием и усовершенствованием средств измерения слабых потоков тяжелых ионов от Солнца вне земной атмосферы.
В диссертации впервые составлен каталог событий с обогащением солнечных космических лучей тяжелыми ионами, на базе которого проведен анализ таких событий, а затем и сравнение результатов выполненных расчетов с данными наблюдений.
Впервые детально исследована возможность преимущественной инжекции тяжелых ионов в механизм ускорения при бесстолкнови-тельном нагреве ионов ионно-звуковой турбулентностью в плазме с температурой Те ~ 10 и Те /Тр ~ 25 .
Исследовано влияние кулоновских потерь энергии на процесс инжекции ионов; рассчитаны коэффициенты обогащения различных энементов солнечных космических лучей.
Впервые теоретически получена зависимость коэффициента обогащения тяжелыми ионами от доли инжектированных ядер кислорода, объясняющая наблюдения.
На основе проведенных расчетов, с учетом результатов наблюдений, найдены основные характеристики области ускорения тяжелых ионов в короне Солнца.
Предложена модель события с обогащением тяжелыми элементами. Возможным источником, создающим все необходимые условия для возникновения преимущественной инжекции тяжелых ионов являются потоки энергичных электронов, ускоренных в импульсной фазе вспышки.
Составленный каталог событий с обогащением тяжелыми ионами может быть использован для проведения дальнейшего анализа таких событий и сопутствующих им явлений.
Результаты данной работы показывают, что при рассмотрении вопросов ускорения тяжелых ионов солнечных космических лучей и формирования их состава следует учитывать, как весьма важные, плазменные механизмы инжекции ионов в режим ускорения, и то, что они, очевидно, являются определяющими в случав аномального состава солнечных космических лучей.
Результаты проведенных расчетов могут быть использованы при анализе новых экспериментальных данных по событиям с обогащением тяжелыми ионами.
Достоверность. Построение теоретического объяснения обогащения солнечных космических лучей тяжелыми ионами базировалось на основе анализа большого числа наблюдательных данных и с учетом общих представлений о природе солнечных вспышек. - II -
Расчет обогащения базировался, в основном, на результатах теории турбулентной плазмы. Следующие из теории связь коэффициента обогащения железом с абсолютной величиной потока ионов кислорода и зависимость коэффициента обогащения от энергии в области малых энергий согласуются с наблюдениями.
Параметры предложенной модели события с обогащением тяжелыми элементами не противоречит имеющимся наблюдательным данным по рентгеновскому излучению солнечных вспышек.
Обогащение СКЛ тяжелыми ионами
Химический состав СКЛ часто отличается от химического состава солнечного вещества: наблюдается обогащение тяжелыми ядрами, в том числе ядрами железа. Относительное содержание (и обогащение) меняются от события к событию. Под относительным содержанием мы будем понимать отношение полного числа зарегистрированных ядер сорта / к полному числу зарегистрированных ядер кислорода.
Обозначим: (Ц0) "" относительное содержание элемента і в солнечном веществе; и ( Г; 0 )СКА - то же в СКЛ. При этом, в ( Г;(0 )0 под /7; и ft0 понимается число ядер в кубическом сантиметре вещества. Отношение ( Г-і0 )Скл к ( До )0 называется коэффициентом обогащения элемента I :
Общее состояние вопроса в экспериментальном и теоретическом аспектах обсуждалось в ряде работ L39 - 45], где были выделены многие черты железом-богатых событий.
В первых сообщениях о регистрации кратковременных возрастаний интенсивности потоков преимущественно тяжелых ядер с атомным номером Zo/ 5 на орбите искусственных спутников Земли, [46 -50], было отмечено, что при этом практически не изменяется интенсивность потока протонов. Было сделано предположение, что обнаруженные эффекты связаны с хромосферними вспышками С 46, 51]. Выяснено затем, что длительность событий с возрастанием интенсивности потоков преимущественно тяжелых элементов может варьироваться в пределах от нескольких часов до нескольких суток [49, 50].
Связь таких событий с хромосферними вспышками, отмеченная как вероятная в работе [51], установлена в настоящее время достаточно надежно.
Величина коэффициента обогащения Q-0 различных элементов испытывает значительные вариации как от события к событию, так и в пределах одного события. При этом наблюдается тенденция - величина QitQ растет с ростом атомного номера Z0/ элемента I , как видно из рис.2«
Каталог
Создание каталога событий с обогащением СКЛ тяжелыми ионами в совокупности с другими сопутствующими явлениями оказывается важным этапом на пути комплексного анализа явления и создания теории обогащения СКЛ тяжелыми ионами. Нами были собраны данные для большого числа событий с обогащением СКЛ тяжелыми элементами [741 . При этом, в силу разрозненности материалов, представленных различными авторами, количественно удалось отобразить в таблицах лишь около сорока событий, часть из которых - данные измерений различных авторов для одного и того же события.
В табл.4 представлены даты измерений потоков частиц от Солнца в событиях, когда наблюдалось обогащение тяжелыми ионами. Каждое такое измерение нумеруется в каталоге и в дальнейшем, в следующих таблицах, указывается лишь порядковый номер события в каталоге. В табл.4 указана также литература по каждому событию.
В табл.5, 6 приводятся характеристики соответствующих событию- (или группе событий в каталоге) оптических солнечных вспышек и другие характеристики сопутствующих событию явлений - потоков и относительных содержаний легких частиц, рентгеновского и радиоизлучений и др.
В табл.7 дано относительное содержание элементов на поверхности Солнца, взятое за основу в данной работе из t102].
Взаимодействие быстрых ионов с плазмой
Характер движения ионов в плазме очень сильно зависит от состояния плазмы, уровня и вида имеющихся в ней полей. Даже в равновесной плазме существует определенный тепловой уровень хаотических электрических полей - плазменных (ленгмюровских) волн конечной амплитуды.
В равновесной системе имеет место динамическое равновесие между испусканием и поглощением волн, что ведет к установлению равновесного (теплового) относительного уровня флуктуации глеком трического поля, &т С123 J
Если плазма является неравновесной (например, плазма плюс пучок электронов), то уровень энергии ленгмюровских волн становится много выше уровня, определяемого формулой (3.1.2).
При наличии неизотермии, т.е. при (T /Tj.) I, заметный (а при (Те/Т[)» I, - определяющий) вклад в уровень флуктуации электрического поля в плазме дает ионно-звуковая мода.
Движение пробной заряженной частицы с зарядом eZ и массой сопровождается торможением ее за счет взаимодействия с тепловыми флуктуациями электрического поля, за счет поляризации плазмы (взаимодействие с индуцированным электрическим полем плазмы). Коэффициент торможения (на единицу массы частицы) при этом определяется выражением [124] :
Искажение первоначально степенного спектра частиц при прямом пролете области корональной плазмы
Вопрос о зависимости относительного содержания тяжелых ионов от энергии в CKI является, прежде всего, вопросом о форме энергетических спектров различных элементов в области малых энергий. Как было сказано, задача об искажении первоначальной формы спектров ускоренных частиц при кулоновском взаимодействии с плазмой, уже ставилась раньше [88, 91J и др. Была показана принципиальная возможность существенного искажения спектров в области малых энергий для ионов изотопа 3Не и Не+ . При этом получала объяснение зависимость 0зНе ,Не от энергии в области Е I МэВ/н. L881 .
Нами исследовалась возможность объяснения зависимости тяжелых ионов от энергии (в области Е 10 МэВ/н.) влиянием кулоновского торможения частиц при их прохождении через корону ЦІ063 . Рассчитывались С. 1063 искажения спектров частиц при их прямом пролете области торможения в корональной плазме.
Взаимодействие ионов с ионно-звуковой турбулентностью
В случае, когда плазма неизотермична, в ней могут быть возбуждены продольные ионно-звуковые волны, для которых в пределе К е«1 дисперсионное соотношение имеет вид: где Arrip, 7] - масса и температура иона, 71? - электронная температура, Z - зарядовое число иона, К - волновое число, (Гц - (ионно) звуковая скорость, равная:
В дальнейшем будем считать плазму преимущественно водородной 9 %/Тр» I, а примеси в ней ионов других элементов - малыми, поэтому:
Для того, чтобы соблюдалось условие /ol : иг , где о - декремент затухания ионно-звуковых волн, необходимо, чтобы неизотер-мия была достаточно велика: 7J./7] 6 CI261.
Учитывая, что тепловая скорость электронов в плазме (Jj-e равна:
В плазме области активных процессов на Солнце характерными (по данным многочисленных наблюдений) являются значения Пе Ю10 Ю12 см"3, Н & 10 І02 Гс, что в оценках для ионно-звуковой плазменной частоты UJpi , равной и, следовательно, влиянием магнитного поля на процессы в плазме, проходящие на масштабах времени ионно-звуковой турбулентности можно пренебречь, а плазму можно считать изотропной и немагнитной.
Использование нами первоначально в С107] коэффициента диффузии Д- "-2/А при исследовании преимущественной инжекции тяжелых ионов в режим ускорения за счет бесстолкновительного нагрева ионов плазмы при индуцированном рассеянии ионно-звуковых плазмонов на ионах для элементов легче кислорода не привело к согласию расчетных и экспериментальных значений Qi,o , в то время как для более тяжелых элементов согласие в общих чертах имелось. При этом, все же не удавалось объяснить деталей - наличие подъемом при переходе к М$ и Fe . Как показали дальнейшие исследования [129], зависимость коэффициента диффузии ионов в пространстве скоростей от заряда и массы для процесса индуцированного рассеяния плазмонов не совпадает с использовавшейся в работах [35, 37, I07J. Использование результатов работы [129] устраняет имевшиеся трудности и позволяет достичь практически полного согласия с наблюдениями.
