Свойства неадиабатических газодинамических волн в солнечной атмосфере Бабаев, Эльчин Сафаралы оглы

Введение к работе

Предметом исследования диссертации являются нсаднабатнчгс-кие газодинамические и магнитогндродинамнческяе (МГД) волны в сильно неоднородной излучающей солнечной атмосфере.

Актуальность темы. В настоящее время наряду с развитием экспериментальных методов обнаружения и исследования волновых явлений в солнечной атмосфере большое внимание уделяегся и разработке теории этих процессов. Представляемая диссертационная работа посвящена изучению свойств и аналитическому моделированию колебательных процессов, имеющих в стратифицированной солнечной атмосфере неадішбаткческнй характер.

В настоящее время имеется ряд наблюдаемых эффектов [1], которые не объяснены а рамках адиабатической теории. Исследования взаимодействия газодинамических волн с излучением показывают [2J. что вблизи верхнего отражателя солнечного резонатора (нижней границы акустического потенциального барьера в фотосфере) существует сравнительно тонкий слой, где акустические 5 мин колебания из-за взаимодействия с тепловыми модами становятся сильно неадмабатичесхимн и раднзциошю затухают. Об этом свидетельствует, например, фазовый сдвиг между колебаниями в скоростях, наблюдаемыми а различных, близких друг к другу уровнях атмосферы (V-V спектр), или между колебаниями в интенсивности и скорости на одном уровне (I-V спектр) [3]. Радиационное затухание является более сильным механизмом потери энергии из резонатора, чем утечка энергии посредством туннельного эффекта. Оно может сильно изменить фазовые характеристики (динамическое поведение) колебаний в резонаторе. Поэтому построение неадиабатичічгкой теории колебаний с учетом радиационных потерь является актуальной задачей общей теории волн. Неадиабатнческая теория представляет особый интерес, и для гелиосейсмологии, поскольку'только правильно построенная теория собственных функции колебаний поможет решению ряда проблем, возникающих при изучении глубоких слоев Солниа по осцилляциям на его поверхности.

Одно из современных направлений развития общей теории локальных и-глобальных колебаний на Солнце связано с волновой диагностикой солнечной плазмы. При этом, например, используя

- ц _

V-V и I-V спектры р-мол акустических колебании, можно решить обратную задачу гелиосенсмологнн. Обычно при решении проблем волновой диагностики или используют численное решение исходных уравнений радиационной газодинамики [4]. или ограничиваются адиабатической теорией колебаний (5J. При численном решении уравнений возникает трудность, связанная с правильным выбором верхних граничных условий [6]. Для ее прео-даления необходимо знать поведение решения в определенных предельных случаях. Найденные в данной диссертации аналитические решения позволяют правильно ставить граничные условия.

Часто при теоретическом исследовании колебательных процессов в излучающей среде для преодоления математических трудностей, возникающих при решении шпегро-дифференцнальных уравнений радиационной газодинамики, рассматривается однородная атмосфера [⁷]. Предположение об однородности среды, в которой распространяется волна, оправдано, если длина волны много меньше характерного масштаба изменений среды /„ . Тогда при распространении волн их свойства меняются мало. Однако для большинства колебательных процессов, наблюдаемых на Солнце: X > /₀ , т.е. приближения типа геометрической оптики не применимы. Неоднородность среды сильно влияет на свойства волн. Извести [8], что основными факторами, вызывающими неоднородность Солцпа, являются сила тяжести и магнитное поле. Стратификация атмосферы приводит к появлению таких эффектов, как увеличение (пли уменьшение) амплитуды волны при ее распространении, изменение характера распространения, появление поверхностных мод, затухающих с удалением от границы раздела и т.д. В неоднородной атмосфере возникают явления (линейное взаимодействие волн разных типов, отражение волн от уровня взаимодействия), которые полностью отсутствуют в однородной среде. Необходимость учета влияния силы тяжести обусловлена также с тем, что характерные значения частот наблюдаемых колебаний на уровне фотосферы Солн-ца имеют порядок частоты Брунта-Вяйсяля (~ 10 сек" для фотосферы). Поэтому исследование низкочастотных возмущений в неоднородно)! солнечной атмосфере имеет важное значение для

- 5 -общей теории волн. В диссертации изучены свойства таких воз--мушеннй.

Учет магнитного поля видоизменяет картину волновых процессов [9]. Структура солнечной атмосферы определяется магнитной сеткой над развивающимися суперграмуляцноииыми ячейками и вокруг них. Магнитное поле изменяет такие характеристики волн, ках фазовая скорость, частота отсечки, условие диссипации и т.д. Об этом свидетельствуют наблюдения колебаний в активных областях на Солнце, свойства которых существенно отличаются от колебаний в спокойных областях [10]. Б большинстве теоретических работ рассматриваются предельные случая: вертикальное и горизонтальное магнитные поля. Однако, вертикальное или почти горизонтальное магнитное поле может иметь место только в строго определенных областях солнечной атмосферы. В диссертации изучено влияние произвольно направленного (наклонного) однородного магнитного поля на свойства волн.

Исходя т вышеизложенного можно сделать вывод, что адекватная теория волн должна учитывать влияние на колебания среды сил давления и тяжести, а при наличии магнитных полей в проводящей плазме - и магнитных сил. Следовательно, возникает необходимость в исследовании свойств неадиабатических атмосферных и магнитоатмосферных волн в излучающей атмосфере. Атмосферными волнами называют газодинамические (акустические, внутренние гравитационные и поверхностные) волны малой амплитуды в сжимаемой стратифицированной атмосфере, находящейся з поле тяжести. Мапштоатмосферные волны - это обычные МГД-золны, которые находятся под влиянием силы тяжести и,а свою очередь, подразделяются на альаеновскне и мапшто-акустико-гравитациошше (МАГ) волны.

Цель и задачи в>сслсдовання Основной целью диссертационной работы являлось нахождение аналитического решения уравнений радиационной газодинамики (и МГД-уравненин) и на основе этого решения исследование свойств газодинамических возмущений (соответственно МГД-возмущений) в неоднородной плазме солнечной атмосферы с учетом неадиабатичности колебательных процессов из-за радиационных потерь.

При этом рассматривались следующие задачи:

J. Построение линейной аналитической теории распространения и поглощения газодинамических волн в стратифицированной излучающей атмосфере с произвольной оптической глубиной, когда непрозрачность среды меняется с высотой экспоненциальным образом.

1. Учет влияния радиационных потерь на распространение, поглощение и устойчивость атмосферных волн. Определение частот отсечки неаднабатических атмосферных и магнитоатмосферных волн, изучение их зависимости от параметров среды. Исследование взаимодействия акустических и тепловых колебании в поле лучистого переноса на Солнце.

2. Построение линейной теории распроспмнелия и трансформации К4АГ-ВОЛИ в излучающей среде, где возникают оптически тонкие возмущения. Учет влияния магнитного поля на распространение и лучистое затухание МАГ-волн.

3. На основе аналитического решения уравнений радиационной газодинамики разработка модели, объясняющей распределение амплитуды флуктуации интегрального потока излучения Солнца по частоте.

4. Изучение зависимости фазового сдвига между колебаниями в яркости (температуре) и скорости (I-V спектр) от частоты колебании.

Научная новизна

1. Впервые найдено аналитическое решение уравнений радиационной газодинамики для неадиабатических колебаний в неоднородной излучающей атмосфере с произвольной оптической глубиной и стратифицированным теплообменом. На основе этого решения развита общая теория распространения и радиационного затухания неадиабазическнх атмосферных волн в изотермической среде.

2. Показано, что в атмосфере существует уровень (для Солнца -уровень фотосферы), где скорости распространения акустических и тепловых волн становятся сравнимыми. На этом уровне акустические волны становятся сильно неадиабашческими м происходит перемешивание мод колебании. Как следствие, возникает возможность одновременного наблюдения звуковых и тепловых мод на од.іой и той же частоте.

3. Определены в хлады тепловых и ахустнческнх колебаний ш флуктуации интегрального потока излучения и и скорость движения. Установлено, что наблюдаемые в непрерывном спектре Солнца колебания являются тепловыми, которые возникают в результате трансформации акустических волн на одной л той Ах частоте, а при доплеровских измерениях скорости колебаний на Солнпе фактически наблюдаются звуковые волны.

4. Впервые с учетом радиационных потерь построена теория линейной трансформации, отражения и поглощении нсадиабати-ческнх r\f АГ-волн а атмосфере, в хоторой возникают оптически тонкие возмущения.

5. Изучено влияние наклона магнитного поля на радиационное затухание МЛГ-иолн. Установлено, что с ростом наклона поля поглощение волн резко усиливается.

6. Определены частоты отсечки для низкочастотных нсадиаба-тнческих газодинамических и МГД холебанш'а. Похазано, что частоты отсечки адиабатических и неадиабатнческих волн различны.

7. Рассчитан теоретический спектр фазового сдвига между колебаниями в яркости и скорости (I-V спектр), который адекватен фазовому сдвигу между тепловыми и акустическими волнами на одной и тої! же частоте. На основе полученного спектра показано, что волновые процессы в солнечной фотосфере являются сильно неадиабатическими и имеет место радиационная релаксация возмущений.

8. Разработана модель неадиабатических колебаний, которая
позволила впервые объяснить наблюдаемый максимум з распре-
дслешш флуктуации интегрального потока излучения Солнца
на частоте 3.3 мГи (колебания с периодом 5 мин). На этой часто
те относительное значение амплитуды флуктуации потока ока
залось порядка -10 . что соответствует данным наблюдений
космических экспериментов.

Научная и практическая значимость работы Полученные з диссертации результаты исследований свойств и характеристик волн з стратифицированной излучающей атмосфере с произво.тьп їй оптической глубиной имеют важное значение с точки зрения обобщения теории неадиабатических колебаний в неоднородной среде.

- в -

Найденное в работе аналитическое решение задачи по взаимодействию акустических волн с излучением окажется полезным при решении разных астрофизических задач и постановке граничных условий при численных расчетах.

Аналитическое решение системы уравнении, описывающих неаднабатическне колебания в атмосфере Солнца, позволяет провеези сравнение теоретических значений флуктуации яркости и скорости с данными наблюдении и дать адекватное объяснение измеряемых параметров колебаний.

Результаты и выводы диссертации могут быть использованы для интерпретации наблюдаемых явлений как в солнечной атмосфере, так и в атмосферах других звезд и пламег. Установленный факт, что в флуктуация» яркости и скорости движения должны наблюдаться соответственно тепловые ч акустические колебания, имеет важное значение для гелио- и астеросейсмологии.

Защищаемые положения 5. Аналитическая теория неадиабатических газодинамических колебаний в стратифицированной излучающей атмосфере с произвольной оптической глубиной.

2. Теория линейной трансформации и радиационного затухания атмосферных и магннтоатмосферных волн в сильно неоднородной среде.

3. Модель неаднабатнческнх колебаний, определяющая вклады тепловых н акустических волн в наблюдаемые флуктуации яркости и скорости движения в солнечной атмосфере.

4. Модель распределения амплитуды флуктуации интегрального потока излучения Солнца по частоте колебаний.

5. Теоретические фазовые I-V спектры неаднабатнческнх газо
динамических її МГД колебаний в неоднородной излучающей
атмосфере.

Лцчньій вк.'іад автора Автор непосредственно участвовал в постановке задач н анализе полученных результатов. Все численные расчеты выполнены лично автором.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 6-ой Научно-технической конференции аспирантов ч молодых специалистов НПО космических исследований

- Э -ГЛАВКОСМОСа СССР в рамках космического эксперимента "Гюнешь" (г.Нахичевань, октябрь 1990 г.), на Всесоюзной конференции "Астрофизика сегодня" памяти С.А.Каштана и С.Б.Пнкельнера (г.Нижний-Новгород, март 1991 г.), на 5-ом Всесоюзном научном семинаре рабочей группы "Волны в атмосфере Солнца" (г.Иркутск, июль 1991 г.), на Международной научной конференции "Астрофизика и космология после Гамо-ва" (г.Одесса, сентябрь 1994 г.), а также на семинарах Отдела космической электродинамики ИЗМИРАН, на семинаре Теоретического отдела ИЗМИРАН, на Обшеннститутском объединенном научном семинаре ИЗМИРАН по физике Солнца.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка цитируемой литературы из 125 наименований. Полный объем диссертации - 165 страниц, в том числе основной текст на 122 страницах, 31 рисунок на 26 страницах, приложение на 3 страницах и литература на 14 страницах.