Введение к работе
Актуальность проблемы и предмет исследования. Наблюдения показывают, что переходный слой от фотосферы к хромосфере Солнца существенно нестационарен (об этом свидетельствуют данные наблюдении спутников TRACE, SOHO и HINODE и др.). Временной и пространственный спектры этих нестационарностеи достаточно широки, а причины их возникновения, несмотря на многочисленные попытки выявления возможных механизмов, окончательно не объяснены. Тем не менее, широкая рас-простра-ненность, регулярность и квазипериодичность возникающих в результате таких нестационарностеи конфигураций плазмы однозначно указывают на их фазовую, волновую природу происхождения.
Объектами исследования в диссертации являются волновые процессы, протекающие в фотосфере и хромосфере Солнца.
Спикулы — наиболее значительное и заметное явление в нижней хромосфере Солнца, по сути дела определяющее видимую структуру этой области («горящая трава»). Они, как известно [1-4], представляют собой относительно коротко живущие (5-ПО мин) образования, имеющие вид более плотных, чем окружающая среда, квазивертикальных пикообразных структур, в которых происходит подъем газа со скоростями порядка 20-^30 км/с. Спикулы прослеживаются вплоть до высот 10-П1 тыс. км; иногда в них отмечаются и возвратные движения вещества вниз. Спикулы всегда присутствуют на поверхности Солнца, и при этом обнаруживают явную связь с ячейками суперконвекции, скапливаясь, главным образом, на границах этих ячеек. В среднем на одну ячейку суперконвекции приходится около 30 спикул; их характерный поперечный масштаб составляет 50(Ы000 км.
Магнитная природа спикул не вызывает сомнений. Если вести речь о магнитных полях в узлах хромосферной сетки (т.е. на стыках суперячеек), то там основная часть магнитного потока сконцентрирована, по-видимому, в тонких магнитных трубках — жгутах, где поле достигает напряженности в U2 кГс. Выходя в хромосферу, эти трубки резко расширяются, так что над большей частью ячейки магнитное поле можно считать горизонтальным.
Проблеме образования спикул посвящено большое количество работ, но в подавляющем большинстве этих работ спикулы изначально рассматриваются как локальные струйные выбросы, которые формируются за счет вертикального ускорения некоторого столба газа в основании нижней хромосферы. В качестве механизма, вызывающего такое локальное ускорение
сгустков плазмы, обычно указываются магнитные силы, возникающие в специфической магнитной конфигурации при перестройке (перезамыкании) магнитных силовых линий, или же ударное взаимодействие гранул и супергранул на границах ячейки [2, 5, 6].
Как уже говорилось, тот факт, что образование спикул на солнечной поверхности является не единичным, а совершенно типичным, массовым явлением, говорит в пользу того, что они возбуждаются и формируются с помощью универсального, волнового механизма - развития коллективных процессов в плазме, а не за счет специфических особенностей структуры магнитного поля.
В работе [7] была проведена попытка объяснения причины возникновения спикул развитием неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (НКГ) на тангенциальном разрыве скорости и магнитного поля между веществом хромосферы и растекающимся в верхней фотосфере веществом ячеек супергрануляции .
В данной работе мы пытаемся несколько расширить указанный механизм неустойчивости учетом возможности развития наряду с НКГ и ветровой неустойчивости (впервые обнаруженной Майлсом [8]) за счет учета вертикальной структуры скорости в ячейках супер конвекции.
Солнечные магнитные аркады в отличие от спикул наблюдаются в основном в короне, однако, как представляется, начальная стадия их формирования происходит именно в нижней хромосфере. Данное предположение обосновано тем обстоятельством, что в периоды максимумов солнечной активности практически вся поверхность Солнца состоит из мелких петель и аркад, и лишь некоторые из них можно наблюдать в короне. Вопрос о формировании аркад, заполненных горячей плазмой, до сих пор остается загадочным. Эти явления наблюдаются как после эрупций, на стадии затухания вспышек, так и в активных областях, преимущественно над линиями раздела полярностей крупномасштабного поля (т.е. в области больших волокон — протуберанцев). Как правило, предлагаются стационарные равновесные модели бессиловых или потенциальных конфигураций магнитного поля, в то время как данные наблюдений свидетельствуют о динамичном, крайне нестационарном характере процесса формирования этих образований на начальной стадии.
В данной диссертационной работе мы предлагаем учесть возможность формирования наблюдаемых солнечных магнитных аркад центробежными эффектами, возникающими во вращающейся сильно замагниченной плазме при ее всплывании из фотосферы в хромосферу (магнито-центробежная резонансная неустойчивость).
Феномен активных долгот [9] на Солнце привлекает внимание исследователей уже более века. Как известно, пятнообразовательная активность Солнца сосредоточена в относительно узком широтном интервале -пятна появляются лишь в «королевской зоне», на гелиоширотах между солнечным экватором и параллелями 37 -40. Имеется также определенная концентрация мест появления групп пятен и по гелиодолготам. Обычно отмечаются две «активных» долготы, точнее - две долготных зоны протяженностью около 30 -40 каждая, разнесенных друг от друга примерно на 180 [10-13]. В этих зонах солнечные пятна, их группы, а также факельные площадки, т.е. активные области в целом, появляются чаще, чем в соседних долготных интервалах. Данный эффект впервые был замечен около ста лет назад, с тех пор многократно исследовался, и сегодня факт существования активных долгот надежно подтвержден на обширном статистическом материале. Наиболее отчетливо эффект активных долгот выражен для больших пятен и крупных активных областей, т.е. по отношению к более мощным проявлениям активности.
Активные долготы — достаточно стабильные образования — некоторые из них существуют до ста лет на одних и тех же солнечных меридианах. Согласно данным работы [14], даже после Маундеровского минимума расположение активных долгот сохранилось. Также следует отметить, что крупные пятна преимущественно расположены на поясах, параллельных экватору [15].
В нашей работе мы показываем, что учет вращения Солнца и, соответственно, возникающего при этом эффекта Россби приводит к возникновению биений медленных магнитозвуковых волн (ММЗВ), распространяющихся на Восток и таких же волн, модифицированных эффектом Россби, распространяющихся на Запад. Эти биения в принципе способны приводить к формированию наклонных каналов с пониженным давлением в фотосфере. Поскольку этот эффект достаточно крупномасштабен (6 каналов вдоль одной широты) он может приводить к формированию периодически расположенной крупномасштабной структуры солнечных пятен на активных долготах, параллельно солнечному экватору.
Поиск, выявление и исследование всех вышеперечисленных явлений представляются перспективными и актуальными на сегодняшний день.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование нестационарных процессов, протекающих в фотосфере и переходном слое к хромосфере Солнца на начальной стадии их развития, изучение основ-
ных свойств волновых решений, полученных при описании моделей наблюдаемых структур в рамках линейной магнитной гидродинамики.
Научная новизна
Предложен новый подход для объяснения формирования солнечных магнитных аркад на начальной стадии их развития, предполагающий наличие вращения плазмы в области образования данной структуры.
Установлено, что за формирование квазивертикальных, пикообраз-ных структур, аналогичных спикулам может быть ответственен механизм Кельвина-Гельмгольца в совокупности с механизмом сверхотражения.
Впервые показано, что биения медленных магнитозвуковых волн и волн Россби могут служить причиной формирования периодически расположенной крупномасштабной структуры активных областей в активных долготах.
Разработана и подробно описана в главе 3 модификация алгоритма, реализующего метод стрельб для интегрирования системы ком-плекснозначных дифференциальных уравнений в цилиндрической системе координат для предложенной нами модели всплывающего из фотосферы вращающегося цилиндрического слоя замагниченного вещества.
Научная и практическая значимость. Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения применений для широкого круга специалистов, занимающихся проблемами физики Солнца и звезд, астрофизики, МГД-моделированием в таких учреждениях, как Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Институт Астрономии РАН, ИЗМИР АН, АКЦ ФИАН, Астрономический институт СПбГУ, Институт космических исследований РАН, Государственный астрономический институт им. Штернберга, Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Волгоградский, Ростовский, Уральский, Калмыцкий и Санкт-Петербургский госуниверситеты. Примененная в данной работе модификация алгоритма метода стрельб для цилиндрической системы координат может быть использована при чтении соответствующих спецкурсов для студентов математических и физических специальностей.
Основные положения, выносимые на защиту.
Вывод о том, что развитие магнитогидродинамической резонансно-центробежной неустойчивости может приводить в конечном итоге к формированию солнечных магнитных аркад.
Доказательство того, что совокупное действие волноводных ветровой сверхотражательной неустойчивости и неустойчивости Кельви-на-Гельмгольца, развивающихся на границе фотосферы и нижней хромосферы уже на линейной стадии способно приводить к формированию квазивертикальных, пикообразных структур, аналогичных спикулам.
Развитие предложенного ранее В.В. Мусцевым и А.А. Соловьевым в работе [7] механизма формирования тонкой структуры хромосферы развитием поверхностных и объемных гидродинамических неустойчивых мод.
Обоснование использования явления биений волн Россби и медленных магнитозвуковых волн, распространяющихся в противоположных направлениях, в качестве механизма, ответственного за формирование активных долгот.
Достоверность результатов и выводов диссертации определяется строгой физической обоснованностью используемых моделей, применением при решении поставленных задач строгих, надежно апробированных математических методов и надежно оттестированных на аналитически решаемых задачах программ, реализующих эти численные методы.
Апробация работы. Материалы настоящей диссертации докладывались на 37-й Международной студенческой научной конференции «Физика Космоса» (г. Екатеринбург, 28янв. — Іфевр. 2008г.), в рамках IV Всероссийского научного семинара «Физика Солнца и звезд» (г. Элиста, 22—25 апр. 2008г.), на 13-й Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 11—14 ноября 2008г.), на 38-й Международной студенческой научной конференции «Физика Космоса» (г. Екатеринбург, 2янв. — бфевр. 2009г.), на общем астрофизическом семинаре Специальной астрофизической обсерватории РАН (пос. Нижний Ар-хыз, 26 марта 2009г.), на Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (г. Кемерово, 27 марта — 2 апреля 2009г.), на семинарах Естественно-математического института Калмыцкого госуниверситета с 2007г. по 2009г., на Всероссийской научной конференции по
физике Солнца (г. Санкт-Петербург, ГАО РАН, 5—11 июля, 2009), на Международной научной конференции «Nonstationary Phenomena and Instabilities in Astrophysics» (г. Волгоград, 8—11 сентября 2009г.), на Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной физики и математики», 26.10. — 29.10. 2009 г., Элиста, на 14-й Региональной научной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 11—16 ноября 2009г.), на Всероссийской ежегодной конференции по физике Солнца «Солнечная и солнечно-земная физика - 2010», (г. Санкт-Петербург, ГАО РАН, 3—9 октября 2010).
Основные публикации по теме диссертации.
Бисенгалиев Р.А., Мусцевой В.В. Сдвигово-резонансные неустойчивости и нестационарность верхней фотосферы Солнца. // Сб. тр. IV Всероссийского науч. семинара «Физика Солнца и звезд», Элиста, 2008, С. 72 — 82.
Бисенгалиев Р.А., Мусцевой В.В. «Ветровая» сверхотражательная неустойчивость переходного слоя от фотосферы к нижней хромосфере Солнца. // Сб. тр. IV Всероссийского науч. семинара «Физика Солнца и звезд», Элиста, 2008, С. 83 — 91.
Бисенгалиев Р.А., Мусцевой В.В. Резонансно-центробежные эффекты как фактор формирования солнечных магнитных аркад // Астрономический журнал, Т.87, 5, С.513—523. (2010).
Бисенгалиев Р.А., Есина Я.В., Кузьмин Н.М., Мусцевой В.В., Храпов С.С. Биения магнитогидродинамических волн и волн Россби и их возможное влияние на формирование магнитной цикличности Солнца // Астрофизический бюллетень, Т.65. No 3. С. 270 — 282. (2010).
Бисенгалиев Р.А., Есина Я.В., Кузьмин Н.М., Мусцевой В.В., Храпов С.С. Биения МГД-волн и волн Россби как фактор формирования крупномасштабных солнечных пятен // «Актуальные проблемы современной физики и математики», Сб. тр. регион, научно-практич. конф., 26—29 окт. 2009 г., Элиста: Изд-во КалмГУ 2010 г. - С. 30—36.
Кроме того, материалы диссертации опубликованы в:
1. Бисенгалиев Р.А., Мусцевой В.В. О возможности генерации солнечных спикул волноводно-резонанснои «ветровой» неустойчивостью медленных
магнитозвуковых волн. // Тез. докл. 37-й Международ, студ. науч. конф. «Физика Космоса», Екатеринбург, 2008, С.253.
Бисенгалиев Р.А., Мусцевой В.В. МГД-центробежная неустойчивость солнечной магнитной аркадной структуры. // Тез. докл. 38-й Международ, студ. науч. конф. «Физика Космоса», Екатеринбург, 2009, С.321.
Бисенгалиев Р.А., Мусцевой В.В. Резонансные МГД-неустойчивости, как фактор образования солнечных магнитных аркад. // Тез. докл. 15-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых., Кемерово-Томск, 2009г., С.414.
Бисенгалиев Р.А., Мусцевой В.В. Солнечные магнитные аркады: механизм формирования мгд-центробежной неустойчивостью. // Тез. докл. Всероссийской конференции «Год астрономии: Солнечная и солнечно-земная физика», Санкт-Петербург, 2009, С. 19.
Bisengaliev R.A., Mustsevoy V.V. The mhd-centrifugal instability in solar magnetic arcades. II Book of abstracts of international conference «Nonstation-ary phenomena and instabilities in astrophysics», Volgograd, 2009.
Бисенгалиев P.А. Ветровая неустойчивость Майлса как один из возможных механизмов образования солнечных спикул. // Тез. докл. XIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 2008, С. 48-49.
Личный вклад автора. Основные идеи и постановки задач разрабы-тавались совместно с научным руководителем. Численные расчеты, их графическая обработка, разработка и отладка вычислительных программ для ЭВМ проводились автором. Обсуждение результатов всех опубликованных работ проводилось совместно с научным руководителем. В работе, совместной с Есиной Я.В., Кузьминым Н.М., Мусцевым В.В., Храповым С.С, автором было проведено численное решение полного дисперсионного уравнения (перечисленными соавторами рассматривался его упрощенный вариант).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения и списка используемой литературы. Общий объем работы составляет 114 страниц и включает в себя 34 рисунка.
