Введение к работе
-Актуальность, .
Предлагаемое исследование объединяет в себе решение ряда ге-лио- и геофизических задач прикладного и теоретического характера. Круг обсуждаемых при этом вопросов продпктоєан тематикой института солнечно-земной физики, где была выполнена данная работа. Условно можно выделить три ее основных раздела: солнечная активная область, солнечный ветер, атмосфера Земли.
1. Нермнй раяд^л иосияиу^н аналиву некоторых вопросов происхож
дения солнечной вспышки і: проблеме ее предвестников в микро
волновом диапазоне длин волн (главы I, II и III).
Природа солнечной вспышки относится к числу фундаментальных проблем физики солнечной активной области. Наиболее распространены два подхода к этой проблеме, - в одном используется концепция магнитных жгутов, в другом - концепция "сплошного" магнитного поля, содержащего нейтральный токовый слой. Для обоих концепций актуальной является обсуждаемая в диссертации проблема т.н. "накопления" вспышечной энергии. В рамках первой концепции проблема "накопления" сопряжена с анализом ыштоьсй иеустойчішости магнитных петель, в рамках второй - с анализом "магнитосферной" модели солнечной еспышки в изначально закры-юй квадріпольной магнитной конфигурации.
Теоретический интерес и прикладное значение имеет также проблема выделения таких особенностей в микроволновом излучении активной области, которые можно было бы использовать как для диагностики ее состоянии, так и в задаче прогноза геоэф-ф'.'ктивны;: (ударные волны, рентген, ультрафиолет, энергичнее частицы) солнечных вспышек. Эта же задача является одной ив центральных для микроволнового комплекса СОРТ (Сибирский Солнечный Гадлотелоскоп). Анализ, в указанием аспекте, экстерн -ментальных данных этого комплекса составляет радио.ил'роиоми-ческую част) "солнечного" раздела диссертации.
2. Сторой раздал посвящен теоретической разработке метода и
решению задачи распространения вепкшечнои ударной ьелны взрыв
ного типа в трехмерно-неоднородном солнечном ветре, содержащем
гедиосферннй токовый слой (глава IY).
Данная задача актуальна с точки зрения оценки геоэффектив-косги приходящих на Земло медпланетных мгд.-ударных волн. К настоящему моменту эта задача не была решена, поскольку исследования экспериментального, равно как к теоретического плана о влиянии гелиосферного токового слоя на процесс распространения и интенсивность ударной волны носили противоречивый характер.
3. Третий раздел (глаьа Y), б сущности, является геофизическим приложением тех же схем расчета, которые использовались во втором разделе. Рассмотрен ряд задач о воздействии импульсных источников (толчок землетрясения, наземный промышленный и подземный ядерный взрывы) на земную ионосферу. Решение этих задач поодиктовало не только необходимостью количественной оценки воздействия, но и проблемой ионосферного контроля за мощностью взрывного источника.
Как можно видеть, первый и второй солнечные разделы объединены одним общим явлением - солнечная вспышка. При этом первый равдел в большей мере сопряжен с анализом предвспышечной ситуации, ї.торой же - послевспыжечному феномену ударней волны.
В прикладном аспекте геофизического воздействия со стороны Солнца, первый раздел имеет выход на установление микроволновых предвестников крупных рентгеновских Еспышек, второй - на установление роли гелиосферного токового слоя в вопросе о действенности пришедшей к Земле вспышечкой ударной волны. В свою очередь третий раздел поевшей наземным факторам геофизического воздействия. Указанная направленность, разобщенного, на первый взгляд, материала диссертации вынужденным образом отражает тематику института солнечно-земной физики СО РАН. При этом практически все'обсуждаемые в диссертации проблемы являются составными частями международной программы STEP (см.: труды 8-го международного симпозиума по солнечно-земной физике, Sendai, Japan, 1994; труды второго симпозиума SOLTJP, Na-kaninato, Japan, 1994).
Цельность изложения теоретического материала диссертации состоит в том, что постановка и анализ всех предложенных задач осуществляются с позиций магнитной и газовой динамики.
Целями работы являются:
анализ винтовой неустойчивости и ее роли в создании вспышеч-ной__ситуации_ь_ рамках-концепции солнечных жгутовых магнитных структур. Анализ "магнитосфериого" подхода к проблеме солнечной вспышки.
выяснение роли переходных золновых мгд.- процессов в формировании пульсаций микроволнового излучения активной области.
- морфологический и теоретический анализ особенностей мпкро волнового источника расположенного над фотосфернои нейтральней линией.
роо^-ійоїКсі метода и семени»? нчлччи распрг,стрс'1!;с!'"Г! к Зс-ідлс всрыьнои мгд.- ударной волны в условиях трехмерно-неоднородного солнечного ветра.
разработка метода и решение ряда геофизических задач о воздействии па атмосферу Земли импульсных источников, толчок землетрясения, слабый наземный и подземный ядерный взрывы.
Научную новизну целесообразно отравить в той ке последователь пости, что и перечисленные выше цели работы.
К) Проблема солнечноГ: вспышки.
іта проблема рассматривается в рамках двух подходов. Первый і од ход спираете л на концелц;пс солнечны)' магнитных лгутоь, зто-.ой - заключается г. сравнительном анализе процессоь, сопровождающих магнитосферную суббурю и солнечную вспыхку.
В рампах перг.ого подхода обсулдаются достаточно известные
lOJ. магнитной петле по сценарию "диоруптивной" нестабильности "То-самака" (т.н. модель ипайсера); б) о возможности представления юлскна (протуберанца) магнитным жгутом, расположенным над фо-осферной линией инверсии; ъ) о принципиальной роли волокна і процессе формирования вепкяечной ситуации в активной области АО) . Решение от/х ьопросов ведется с точки зрения устойчивости дотекающего ь уединенном магнитном жгуте электрического тока. осуждается модель силового (а не бессилового) магнитного жгу- та, для которого вадача устойчивости относительно винтовых мод может быть решена достаточно точно методом колебаний. Результатом анализа явился вывод о несостоятельн'юти положения а) и построена не противоречащая положениям б), в) модель последовательно выходящих из-под фотосферы токонесущих магнитных, аркад. В последнем случае необходимым оказалось введение понятия частично экранированного магнитного жгута, поверхностный ток которого лишь частично компенсирует внутренний ток обратного направления, в отличие ст полностью экранированного и неэкра-нированного жгутов. Рассмотрение вопроса о внешних винтовых модак, соответствующего «гуту, уединенного тока в неограниченной, плазме солнечной атмосферы, привело к вьшоду об устойчивости магнитных жгутов (петель) к винтовому иэгкбу в довольно широком диапазоне параметров даже без ограничения ьа длину петли (.когда заведомо нарушается, зачастую некорректно используемое, условие Шафранова-Крускала устойчивости внешне* кинк-моды. Последнее справедливо для границы плазмы, а не токового канала. В атмосфере Солнца такой границы нет.). В тем же случае, когда неустойчивость разрешена, развитие внешнего винтового ивгиба оказывается возможным только во время "раСоты" фотосферного граничного режима, сопряженного с выходом (но ке с погружением) из-под фотосферы самого магнитной жгута. Рассмотрение ансамбля таких поднимающихся в корону жгутов, изначально не взаимодействующих между собой, детерминиро-Еанно (без привлечения "удобных" представлений о хаотичесш движении фотосферных оснований петель) приводит к представлению о магнитном узле, в котором происходит пересоединепп' (быстрое или медленное, в еависимости ст внешних условий) пе рекрестно-взаимодействующих магнитных петель. В рамках тако схемы магнитный узел является основным топологическим элемен том вакрытой петельной конфигурации с расположенным вдоль ли нии инверсии волокном. Что касается "магкитосферного" подхода к проблеме вспышеч ного энергевыдолекия, основанного на кажущейся аналогии про цессов солнечной вспышки и магнитосферной суббури, то у многн "солнечников" (в том числе у автора этих строк) отношение такой упрощенней трактовке было весьма скептическим. Однакс поэтапное (начиная с состояний динамического равновесия магм тосфер Зешш и соответствующей АО) рассмотрение этого вопроса позволило построить непротиворечивую схему всех фаз солнечной вспышки исходя-из "сценария-магнитосферкой-суббури;— При зтоя "магнитосферной" оказывается квадрупольная. изначально замкнутая, магнитная конфигурация АО, Физическим механизмом, обеспечивающим протекание фазы "накопления" является неустойчивость типа "неустойчивости вытяжения" закрытого кьоста аемкой магнитосферы. Процесс "накопления" обусловлен подъемом в корону замкнутого магнитного потока б смежных, с местом локализации будущей вспышки, областях. Flash фаза солнечной вспышки опре- ПпДЯЫ'УЛ ПсреХОЛОМ "НЙУСТОЙЧЙЬООІИ ijllituhOiUM'* Ь НЕУСТОЙЧИВОСТЬ разрыва нестационарного (.не нейтрального) токового слоя внутри зоны "накопления"'. Заключительная фаза релаксации вспышечного процесса соответствует известной модели Шюймана-Коппа. В) Переходные волновые процессы в атмосфере АО. Анализ пульсаций микроволнового излучения АО (Радиоинтерферометр с малой базой і уверенно выявил присутствие цугов квазипе-риодичес,«х колебаний (КПК) с характерными значениями периодов около 3 мин., 5 мин. и 6-? мин. Традиционный путь трактовки КТЖ состоит в использовании представления с некотором резонансном объеме с достаточно резкими границами, собственные частоты которого и определяют характерные значения наблюдаемых периодов. Однако, гармоник, кратных основным периодам, обнаружено не было.. Их отсутствие можно было бы объяснить низкой добротностью "резонатора" , но наблюдаемая длительность цугов КПК была сл'11'іком высока для этого. Поэтому бая избран альтернативный путь, опирающийся на дисперсионные свойства (обусловленные силой тяжести, периодичностью следования магнитных петель и пр.) безграничной солнечной магнитоплазмы. Учет последнего обстоятельства определяет осцилляторный характер переходных процессов, являющихся откликом системы на возникшее или проходящее возмущение (течение). Формирование волнового следа за импульсным возмущёнГ'>м использовалось ранее другими авторами при интерпретации фотосферных пятиминутных колебаний. Что же касается обсуждаемых КПК, то их формирование обусловлено откликом атмосферы над тенью и полутенью на быстрый (несколько минут) подъем или перестройку магнитного поля солнечного пятна. Характерные спектральные компоненты возникающего переходного процесса зависят, главным образом, от температурного строения атмосферы. При этом колебания с периодом около трех минут определяются характеристиками атмосферы пятна в области температурного минимума (который можно рассматривать как температурное плато), а не размером "резонатора" фотосфера - переходная нона. Для объяснения КПК с периодами 6-7 минут пришлось предположить присутствие в переходной зоне достаточно иирокого плато с температурой около 20 тыс. град., существующего только во Бремя "выхода" нового магнитного потока в АО.-Теория хромосферы предсказывает возможность существования похожего температурного плато в интервале резкого роста лучистых потерь на излучение в линии L-альфа. Однако, до сих пор экспериментальные свидетельства его существования отсутствуют. Последующи анализ переходных процессов быстрого магнитоз-і'уковаго и альвеноЕСКого типов привел к выводу о неизбежном их влиянии на характеристики секундных пульсаций микроволнового излучения АО. Переходные процессы указанного типа могут модулировать темп всплескового экерговыделения приходя извне, либо "навязывать" свой период, Бозбуждаясь в самом энергоисточнике. С) Микроволновый источник над нейтральной линией. Достаточно компактные долгоживущие радиоисточники, расположенные примерно над нейтральной линией фотосферного магнитного поля АО (Neutral Line associated Sourse NLS) были обнаружены свыше десяти лет назад. Однако, интерес к ним заметно возрос лишь после исследований, выполненных пулковской группой ради оастрономов на телескопе РАТЛН - 6G0. Главным признаком, по которому выделялись эти объекты, был необычно крутой наклон спектра в сторону коротких длин волн, благодаря чему они получили название "пекулярных" (PS). Принципиальными при этом сказались предположения о связи PS с нейтральными токовыми слоями и о возможности их использования как фактора прогноза крупных протонных вспышек. В этсй.связи, а также исходя :п теоретячео ких предпосылок появления и существования K'uC fПУНКТ Ai, был проведен анализ морфологических к эволюционных особенностей этих источников на основе данных наблюдений Сибирского Солнеч- При этом оказалось, что РЗ , по всей вероятности, предотаь .пЧ'-'т лить частный случаи вивкораспсложенкого N15. На ряде примеров впервые удалось изучить процесс роздения ЖБ к обнаружить факт "ступенчатого" прироста (за 10 - 30 минут) соответствующего этим источникам микроволнового потока. Следует заметить, что рам'-е "ступеньки" неоднократно отмечались на tX.'PT ПРИ ИЗУЧЄНІГ.1 ЭВОЛЮЦИОННЫХ ИЕМЄ1ІЄНИЙ ПОТОКа ВСЄЙ АО. ГИняі«\. ?*огт"с ;:;; ..-і-.міії.ним г«-««^ ct;:^i.tu-,i, так л* **«" дал^"^ г? г ."Омі) "л«ї О'.ионан и признан факт реальности "ступенек" вообще. Реальность этого явления свое наилучшее подтверждение чаша ь факте наблюдения, синхронного микроволновому, "ступенчатого" возрастания потока продольного магнитного поля в одной из "иг-лучин" главной нейтральной линии на магнитограмме АО. Можно предположить, что ступенчатому росту микроволнового потока соответствует Формирование ь достаточно плотной, замкнутей маг нитосфер.р до "магнитного узла", зквивалентного компактному трехмерному токовому слою. Наилучшую оьяз! низкие обнаруживают с достаточно моицш-ми (безотно:итолыю к их оптическому баллу) вспышками Б мягком рантг<не, появляясь за одчн два дій; до первой из них и присутствуя перед каждой послєдук;ііі"Й (что, гоогяце говоря, '>одт-п рждает ви^гте поч-лпн ьквод огно'-пт"лыю связи Pfi - хромое-ферц.чл вошл/л-м, полученный на РЛІ'ЛІІе;. Длительное сведение КОМПАКТНОГО. ЯрКОГО N1.S В АО Перед ВСПЫШКОЙ ЯРЇЇН^Т^З нидпісдтй ;кк,і гіг "н.іК'-<,чЛ'ЧШЛ", і расходования возможной вешда'чной знер г їм Т'-'м з' м. із-, факт присутствия такої о объекта указывает j;a то, что магнитосфера ЛО "топологически" готова к тому, чтобы такое, предшествующее мощной вспышке, "накопление", могло иметь ме~тті (гтрк , например, достаточно быстром подъеме магнитного п- 'з-кл в коронуь М>-то;і благодаря относительной простоте и на*дяднооти. возможно, сиграет принципиальную роль г. злдач> пропг-за крупных рентгеновских вспышек на комплексе пчт. D) Метод РКР в проблеме взаимодействия всиышечных мгд -ударных волн с гелио^ферним токовым слоем. Для решения задачи численного трехмерного анализа формы и интенсивности генерированной вспышксй вврывной ударной волны била разработана и роализована подуанаяитическая методика расчета, соответствующая приближению ВКВ, но с учетом факторов нелинейности. При этом потребовался вывод е наиболее общем виде лучевых уравнений к^шштогвуковых волн в неоднородном солнечном ветре с последующим учетом фактора интенсивности ударной волны. Вши получены в явной форме вакояы затухания достаточно слабых, произвольно ориентированных взрывных ударных волн при их распространении вдоль расчетной лучевой трубки. Постановка задачи определяется гаданием модели солнечного ветра и магнитного поля, координатами и мощностью точечного взрыва, ксторым аппроксимируется солнечная вспышка. Ноеый метод расчета дал новые результаты, наиболее интересным из которых является формирование на поверхности ударного фронта выдающегося вперед выступа, соответствующего процессу частичкой кумуляции волновой энергии в окрестность гелиосфер-ного токового слоя. Это означает, что при прочих равных условиях к земнсй магнитосфере вспшпечная ударная волна придет раньше, а ее интенсивность будет выше в том случае, когда Земля находится в окрестности секторной границы меаэтланетногс магнитного поля. Следует заметить, что использование "традици онного" метода нелинейной геометрической акустики для решения подобной задачи приводит к неверным выводам о неограниченной кумуляции и формировании не выступа, а углубления на волновой поверхности. F) Геофизические приложения. Рассмотренные ниже геофизические приложения в качестве слагаемых схемы расчета параметров короткой воздушной ударной волнь содержат метод нелинейной геометрической акустики (НГА). В методе НГА пренебрегаете!» дисперсией неоднородной атмосферь (внешняя сила тяжести). Поправка, учитывающая последнее обстоятельство, может быть мала, но существенно то, что она нарас тает по мере распространения возмущения приводя к формировании растущего волнового следа. Поэтому законы, затухания уединенно» ударной волны не могут иметь асимптотического представленій і О даже в идеальной среде с регулярной плавной неоднородностью. Анализ соответствующих~ рамок- примёнтаюсти приближения НГА и расчет дисперсионной поправки к законам затухания слабой ударной волны проводится впервые. Решение задачи о распространении в реальной атмосфере возмущения, порожденного поверхностной волной при сильных землетрясениях, продиктовано существованием в ряде работ объяснения весьма заметного (десятки и сотки градусов) нагреьа и смещения (до десятков км) ионосферных слоев эффектом ударной »олны к?. зт;к высота:'.. Расчет покавал ошибочность такой тонкії срошп. Разработана методика расчета в реальной атмосфере взрывной волны от слабого наземного (промышленного) или воздушного взрывов. Одним кз элементов схемы является "сшивка" численных решений теории сильного вэрыва с решением НГА на некоторой контрольной поверхности. Используемый иногда метод спектрального разложения уходящего от места взрыва возмущения с учетом линейного поглощения каждой составляющей дает неверную оценку интенсивности и протяженности ударной волны на ионосферных высотах. В свою очередь использование в методе НГА асимптотических соотношений для расчета параметров уединенной волны на большом удалении от места взрыва также оказывается неверным, посколысу в реаіьной атмосфере выход законов затухания на асимптотически режим места не имеет. О рамксл проблемы ионосферного контроля за мощностью подземного ядерного испытания разработана схема аналитического расчета параметров воздушного возмущения, порожденного движением взволнованной камуфлетным взрывом земной поверхности. Постановка задачи определяется заданием модели атмосферы, механическими свойствами скальной породы, глубиной и мощностью взрыва. Б указанной постановке полуаналитическое решение проблемы акустического воздействия подземного взрыва на верхнюю ионосферу найдено впервые. В частности, получено соотношение, свнрыващее параметры ядерного испытания с величиной вертикального смещения ионосферы в ударной волне над эпицентром взрыва. Показано также, что основная доля акустической энергии уходит практически вертикально вверх (при изначально плоской земной поверхности") и лишь малая ее доля захватывается атмосферным волноводом. Научная и практическая ценность. Научная ценность определяется решением ряда принципиальны) вопросов физики солнечных активных областей, теории распространения ударных волн в солнечном ветре и атмосфере Земли. Полученные в диссертации результаты могут использоваться другим исследователями при решении ряда задач. Практический характер имеют предложенные в диссертации методики, к числу которых относятся: методика прогноза геоэффективных (крупных рентгеновских, в частности) солнечных вспышек на радисаотрономическок комплексе СОРТ (метод знепятенного источника - NLS); методик* расчета параметров взрывных ударных волн в трехмерно-неоднородном солнечном ветре и атмосфере Земли. Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на : конференциях по радиофизическим исследованиям солнечной системы (Киев, 1981; Звенигород, 1384; Одесса, 1985; Симферополь, 1988); совещании по физике Солнца (Одесса, 1938); SMY-SMA Workshop, Иркутск, 1985; Plasma Astrophysics ESA Workshop, Грузия, 1990; CESRA Workshop, Греция, 1931; SOLTIP Symposium, Чехословакия, 1991; XI всесоюзной акустической конференции, Москва, 1991; семинарах рабочих групп: "Волны в атмосфере Солнца" (Рига, 1985), "Специальные теоретические и экспериментальные исследования солнечной плазмы" (Львов, 1990); семинарах ИСЗФ СО АН СССР и др. Структура и объем. Диссертация состоит ив введения, пяти глав, заключения. Cm содержит 233 страницы текста, напечатанного через 1,5 интервала, 43 рисунка, 2 таблицы. Список литературы включает 164 паи мекюванил. Общий объем диссертации - 265 страниц.
ногоРэдиотелескопаЛССРТ) -.Похожие диссертации на Некоторые вопросы физики солнечных активных областей и теории распространения ударных волн в солнечном ветре и атмосфере Земли
