Введение к работе
Актуальность темы. Физическая природа таких масштабных явлений в солнечной атмосфере как вспышки и протуберанцы уже на протяжении десятилетий является актуальнейшей темой исследований в солнечно-земной физике (Де Ягер, 1962; Старрок, 1979; Прист и Худ, 1995). Научное и прикладное значение этой темы, также как актуальность, определяется двумя факторами. Во-первых, солнечные вспышки и протуберанцы (эруптивные) представляют собой взрывные явления в космической плазме, наиболее доступные для всестороннего изучения и интенсивно исследуемые сейчас наземными и космическими обсерваториями. Во-вторых, они оказывают сильное воздействие на межпланетное и околоземное космическое пространство. Выяснение физической природы солнечных вспышек и протуберанцев обещает и понимание широкого круга явлений в космической плазме, а также в лабораторных установках, предназначенных для термоядерного синтеза, и создание научно обоснованного, надежного прогноза радиационной обстановки в ближнем космосе.
Несмотря на близость Солнца как космического объекта, многие физические процессы, протекающие во вспышках и протуберанцах и лежащие в основе их наблюдательных проявлений, практически недоступны для экспериментальных исследований. В связи с этим, одним из важнейших инструментов в современной физике Солнца являются теоретические исследования динами' і солнечной плазмы. Правиль. j поставленные и решенные задачи позволяют выходить на объяснение и лучшее понимание наблюдаемого феномена активности солнечной атмосферы. А общее построение теории динамики плазмы п солнечных вспышках и протуберанцах разрешит многое в физической природе этих явлений.
Исследование солнечных вспышек И протуберанцев сталкивается с оіром-ным количеством проблем, задач и вопросов. По значимости в прояснении физической сути этих явлений, по своей роли при исследовании многих других процессов, протекающих в солнечно-земной плазме, важнейшими проблемами являются следующие: для вспышек — механизм Первичного вспышечного энерговыделения и проблема послевспышечной эволюции высокоэнергичиой плазмы (Сомов, 1987), для протуберанцев — механизмы формирования в горячей короне холодных дол-
гоживущих областей плазмы (Тандберг-Хансен, ] 974). D каждой из трех указанных проблем существуют многочисленные вопросы, которые можно объединять в группы, формулируя конкретные задачи в рамках упомянутых проблем. Несколько таких групп вопросов (конкретных задач) составляют предмет исследования в настоящей диссертации. Объединение вопросов п этих задачах основано на следующих мотивах. Во-первых, по признаку общности путей поиска ответов через решение сходных нелинейных задач по динамике плазмы. Во-вторых, по принадлежности вопросов к рассмотрению конкретных плазменных систем. Наконец, третий мотив объединения заключался в подборе таких вопросов, при успешных ответах на которые в рамках конкретной задачи обеспечивался бы значимый и комплексный вклад в решение упомянутых важнейших проблем солнечных вспышек и протуберанцев.
Общая цель настоящей работы состоит в том, чтобы дать ответ на ряд принципиальных вопросов теории нелинейной динамики плазмы в магнитогидродина-мических системах с быстрой трансформацией магнитной энергии, в магнитных петлях с высокоэнергичными компонентами плазмы и в магнитных аркадах, теряющих тепловое равновесие.
Актуальность поставленной общей цели обусловлена прежде всего тем обстоятельством, что развитие теории динамики плазмы в перечисленных магнитных структурах существенно влияет на современное представление о солнечных вспышках и протуберанцах. Актуальность же конкретных задач обусловлена способом их постановки.
Цели работы (конкретные задачи) таковы:
Определить структуру магнитного поля и плазменных течений при различных режимах квазистационарной трансформации магнитной энергии в токовых слоях, уточнить диапазоны существования этих режимов и рассмотреть вопрос о возможности быстрого перехода Из одних режимов трансформации в другие.
Исследовать нестационарные режимы нагрева плазмы в токовых слоях с аномальной турбулентной проводимостью, определить мощность стационарного энерговыделения а турбулентных токовых слоях;
— Рассмотреть динамику Плазмы в магнитогидродинамической системе с нетрадиционным для солнечной вспышки механизмом энерговыделения — двухэтапной
трансформацией магнитной энергии, когда первоначально энергия магнитного поля переходит в энергию гидродинамического движения, а затем в тепловые формы;
Исследовать особенности динамики плазмы с высокоэнергичными компонентами во всиышечных магнитных петлях, связать эти особенности с наблюдательными проявлениями вспышек в жестком рентгеновском излучении и радиодияпазоие;
Создать теорию переходного процесса от статического высокотемпературного состояния короналыюй простой магнитной аркады к динамической структуре холодного протуберанца и построить физическую модель процесса формирования протуберанца.
Нгу'жая новизна диссертации определяется достижением поставленных целей, и ее целесообразно отразить в той же последовательности, что и перечисленные выше цели работы.
Разработан метод детализации внутренней структуры диффузионной области при квазистационарных режимах магнитного пересоединения в токовых структурах конечной толщины. Метод построен по аналогии с приближенными параметрическими методами расчета пограничных слоев в гидродинамике. С помощью этого метода уточнена структура магнитного поля и плазменных течений в медленных режимах (диффузионных токовых слоях — ДТС) и быстрых режимах квазистационарного магнитного перееоединения. Определена особая роль медленного режима с максимально возможной скор< тыо пересоединения (граничного режима) как режима, устойчивого по отношению к малым возмущениям. Для ДТС в граничном режиме указана возможность разви-чя неустойчивости с порогом по амплитуде. Превышение порога может достигаться при таком импульсном включении большого сопротивления в малой обласні вблизи центра ДТС, при котором величина возмущения поперечной компоненты магнитного поля в этой области превысит невозмущенное значение. Процесс развития неустойчивости завершается расщеплением ДТС на ударные волны и перестройкой в режим быстрого квазнстационарного перееоединения.
Установлено, что стационарные протяженные (с шириной ](f-10f см) турбулентные ДТС на Солнце, обладая большим запасом свободной магнитной энергии, находятся в квазилинейном режиме развития токовых микронеустойчивостей (или на пороге неустойчивости), в котором не может быть достигнута мощность
энерговыделения, достаточная для энергетики главной фазы солнечной вспышки. Получены условия и продемонстрирована возможность реализации в турбулентных ДТС нестационарных режимов энерговыделения, представляющих из себя колебательную репаксацию к стационарному состоянию. Определена амплитуда магнитозвуковой ударной волны, которая необходима для того, чтобы под воздействием такой волны на малую область ДТС возник локализованный всплеск аномальной проводимости, инициирующий взрывную перестройку ДТС в быстрые режимы пересоединения. Выдвинута гипотеза о существовании сильно топологически неравновесных систем (СТНС). Для таких магнитогидродинамических систем в приближении бесконечной проводимости либо отсутствуют равновесные состояния с протяженными сингулярными токовыми слоями вблизи особых нулевых точек магнитного поля Х- типа, либо они являются неустойчивыми. За счет диссипации быстрых гидродинамических движений среды (возникающих в неравновесной системе) на ударных волнах идет процесс эволюции СТНС к состоянию с син-гулярнэстыо в магнитном поле вблизи X - точки. В тоже время, за счет конечной проводимости в периодически возникающем тонком токовом слое вблизи X - точки идет процесс пересоединения магнитного поля, который стремится ликвидировать топологическую неравновесность системы. Оба эти процесса составляют содержание релаксационного процесса, обеспечивающего зспышечное энерговыделение и приводящего магнитогидродинамическуто систему в устойчивое равновесное состояние. Доля свободной магнитной энергии, трансформирующаяся в тепловую форму непосредственно в процессах пересоединення СТНС, мала по сравнению с долей энергии, преобразуемой в тепловую форму посредством ударных волн из энергии гидродинамического движения среды, возникающего в неравновесной системе. Поэтому можно говорить о двухэтапной трансформации энергии магнитного поля в СТНС. При таком преобразовании свободная энергия магнитного поля сначала переходит в энергию гидродинамического движения плазмы, а затем на ударных волнах эта энергия трансформируется в тепловые формы энергий. Проанализированы особенности динамики плазмы в сильно топологически неравновесных магнитогидродинамических си-
стемах, и представлена модель солнечной вспышки на основе двухэтапиой. трансформации магнитной энергии в СТНС.
В связи с интерпретацией некоторых наблюдательных проявлении вспышек и радиоизлучении и жестком рентгеновском диапазоне исследованы особенности динамики плазмы с высокоэиергичными компонентами во вспышечных магнитных петлях на Солнце. При этом показана возможность возникновения релаксационных колебаний уровня плазменных волк при одномерной квазилинейной диффузии нестабилизированных потоков быстрых электронов. Такими колебаниями удается объяснить в ряде случаев пульсирующие режимы генерации радиоизлучения из солнечных магнитных ловушек. Исследована динамика процесса расширения вдоль магнитной петли сгустка горячих электронов (высокотемпературного керна), возникающего вблизи вершины петли в результате вспышечного энерговыделения. Показано, что в рамках тепловой модели возможно объяснение экспериментальных фактов по длительности всплесков жесткого рентгеновского излучения и по временному ходу меры эмиссия излучения.
Впервые создана теория переходного процесса от статического высокотемпературного состояния корональної! простой магнитной аркады к динамической структуре холодного протуберанца. При этом установлены условия, при которых для простой магнитной аркады в конечном высотном дк. іазоне арок теряется высок температурное тепловое равновесие. Показано, что переходный процесс, возникающий после потери высокотемпературного теплового равг эесия, можно разбить на две стадии. На первой стадии вблизи вершин арок формируется узкая область охлаждения плазмы, в котор-й температура в течение этой стадии падает на два порядка, а плотность сильно возрастает. Под действием силі. тяжести избыточной массы, накапливающейся и области охлаждения, при определенных условиях могут образовываться магнитные ямки. При таком развитии переходного процесса на второй стадии происходит формирование протуберанца, располагающегося вблизи вершин неравновесных арок Между двумя фронтами тепловых волн охлаждения, которые отделяют холодное вещество протуберанца от горячей корональной плазмы. Определена структура восходящего потока плазмы и получена простая формула для скорости этого потока в основании аркады.
Предложен сценарий эволюции простой магнитной аркады на основе медленных, расходящихся относительно нейтральной линии, движений фотосферной плазмы, которые и приводят к возникновению диапазона неравновесных арок и процессу формирования протуберанца. Сценарий эволюции аркады совместно с теорией переходного процесса составляют единую модель протуберанца — модель перехода статической высокотемпературной простой магнитной аркады к динамической структуре протуберанца, и эта модель хорошо согласуется с наблюдениями.
Научная и практический ценность
Научная ценность работы определяется решением ряда принципиальных вопросов нелинейной динамики плазмы в магнитогидродинамических системах с быстрой трансформацией энергии магнитного поля, в магнитных петлях с высоко-энергичными компонентами плазмы и в магнитных аркадах, теряющих тепловое равновесие. Развитие теории динамики плазмы в перечисленных магнитных структурах непосредственно отражается на современном представлении о физической природе солнечных вспышек и протуберанцев.
Практическое значение работы прежде всего заключается в том, что полученные в диссертации результаты по динамике плазмы могут использоваться другими исследователями при решении многочисленных задач в солнечно - земной физике. Так возможно непосредственное использование результатов по нелинейной динамике плазмы для интерпретации наблюдательных проявлений солнечных вспышек, а построенная в диссертации самосогласованная модель протуберанца в простой магнитной аркаде может использоваться для работы с наблюдательным материалом. Практический характер имеет разработанная в диссертации методика детализации внутренней структуры диффузионных областей токовых структур конечной толщины.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты, докладывались на семинарах ИСЗФ СО РАН, ИКИ РАН; на XV международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Минск, 1981), Первой всесоюзной школе по космической физике (Юрмала, 1981), семинаре КАПГ по физике солнечной плазмы (Рига, 1982), семинаре секции "Солнце" Астросовета АН СССР (Киев, 1984), Конференции по физике горячей плазмы (Звенигород, 1984), Международной рабочей
группе по итогам Года Солнечного Максимума (Иркутск, 1985), Всесоюзной конференции по физике Солнца (Алма - Ата, 1987), на I, III, IV, V it VII семинарах рабочей группы "Специальные теоретические и экспериментальные исследования солнечной плазмы" (Москва, 1981; Москва, 1984; Ленинград, 1*>В5; Ашхабад, 1986; Ялта, 1988).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 205 страниц текста, 26 рисунков, одну таблицу. Список литературы включает 165 наименований. Общий объем диссертации 244 страницы.
