Введение к работе
Акгуалыюсть it-мы. В 1R.19 і. Карингтон обнаружил появление двух ярких пятен на поверхности Солнца, следом за которыми через 18 ча сов возникла сильная магнитная буря на Земле. В 1913 г. такое явление было названо Ньютоном солнечной вспышкой. Вспышка является уникальным событием, при котором за десятки секунд уожег выделиться до 1UJ" эрг в виде жестких и мягких рентгеновских лучей, потоков вещества и тепловой энергии. Вспышка сопровождается также появлением частиц, ускоренных до сверхвысоких энергий и радиовсплесков. Радиовсплески связаны с появлением пучков быстрых электронов, захваченными в магнитном поле частицами и генерацией ударных воли при выбросе вещества из области вспышки. Имеется ряд неоспоримых фактов, указывающих, что энергия при вспышке выделяется высоко в солнечной короне над активной областью, там где магнитное поле меняет свое направление па противоположное. Важным элементом вспышки является генерация токов, текущих ВДОЛЬ ЛИШ1ІІ ноля, при ЧІОМ в одном магнитном няїне реї нетрируюгея проншоположно направленные токи. Обычно вспышка заканчивается образованием иоглерспыщечных петель — ярких образований, имеющих ([юрму арок.
В 1978 т. (.'.П. Сыринаюким была высказана гиногс-а. обьяспяюшая возможность медленного накопления энергии в окрестности особой ли іши магнитного поля в короне. Энергия запасается в магнитном поле токового слоя и затем может быстро освободиться из-з,--, разрушения токовою слоя. Эта гипотеза была успешно разработана в основном учениками СИ. Сыроватского для симметричного токового слоя при задании симметричных возмущений. Однако, до последнего времени не была показана возможность формирования устойчивого сокового слоя в условиях активной области, когда как источники магнитного поля, так и источники возмущений находятся только на фотосфере. Отсутствовали и данные, объясняющие устойчивость токового слоя при его образовании и переход слоя в неустойчивое состояние. ІІаконед, отсутствовала модель вспышки, описывающая основные явления от накопления энергии до образования поглевспышрчных петель. Эти данные помимо их научной ценности необходимы для принципиально нового подхода к проблеме прогноза солнечных вспышек.
Цель работы. Целью pafioi ы является построение мидели солнечной
вспышки и всех .основных связанных с ней процессов, которые происходят также во время других вспышечных процессов з космической плазме. Необходимо найти условия, при которых осуществляется накопление энергии вспышки в солнечной короне. Необходимо построить модель накопления энергии и ее вспышечного освобождения. При этом создание токового слоя, его квазистационарная эволюция и приводящая к взрывному энерговыделению неустойчивость должны рассматриваться как единый процесс, т.е. вспышечвое энерговыделение обязательно должно осуществляться в такой конфигурации поля, которая может образоваться в природных условиях. Необходимо объяснить появление вторичных солнечных вспышек, возникающих в результате выбросов плазмы, вызванных первичным вспышечным процессом, для чего требуется построить модель взаимодействия потока плазмы с магнитным полем. Необходимо выяснить механизм ускорения заряженных частиц и механизм переноса вспышечной энергии из короны в нижние слои солнечной атмосферы.
Научная новизна. В диссертации впервые рассмотрен ряд эффектов, связанных, в основном, с принципиальной ролью процессов пересоединения линий магнитного поля в космической плазме и физикой токовых слоев:
-
Показана возможность накопления энергии для вспышки в токовом слое при фокусировке различных типов возмущений, идущих от фотосферы, а также при взаимодействии сверхальвеновской струи с поперечным магнитным полем в короне. Устойчивость токового слоя в процессе его формирования обеспечивается течением плазмы вдоль слоя.
-
Рассмотрена эволюция токового слоя при изменении его массы нз-за электродинамического выталкивания. Найдены условия перехода устойчивого токового слоя в неустойчивое состояние со взрывным выделением энергии.
-
Предложена электродинамическая модель солнечной вспышки, объясняющая цепочку событий при развитии вспышки: нагревание плазмы, образование потоков плазмы, ускорение заряженных частиц, в том числе и вызывающих радиовсплески, локальный разогрев хромосферы и др.
4. Показано, что генерация продольных гаков является часто глав ным механизмом передачи энергии из короны в фотосферу. Предложен мехапизм, обеспечивающий генерацию продольных токов, вызывающих ускорение высыпающихся в хромосферу быстрых электронов при вспышке.
0. В МГД приближении рассмотрена динамика плазменных потоков
в солнечной короне и магнитосфере Земли. Впервые показана рель
продольных токов в торможении плазменных струй.
Научная и практическая ценность. Токовые слои являются распространенным явлением в космической плазме: в атмосфере Солнца, в межпланетной среде, в магнитосферах Земли и других планет. Способность токовых слоев аккумулировать энергию и длительно существовать в устойчивом состоянии, а также быстро распадаться при определенных условиях привлекает к ним многих исследователей. В отличии от подавляющего большинства работ исследуемый здесь токовый слой образовывается потоками плазмы в магнитном поле, а. но задается в некоторое удобной аналитической форме, не встречающейся в природе (например модификация решения Харриса). Слой, создаваемый течением плазмы. содержит нормальную компоненту магнитного ноля, в <юм слое происходит электродинамическое ускорение плазмы и ікегда сущесчвуег течение. 'Такой подход позволил понять все фазы эволюции слоя начиная от формирования до его распада. Было показано, что эволюция слоя определяется в основном потерей его массы из-за электродинамического выталкивания. Помимо приложения к солнечной физике результаты исследования потоков плазмы были использованы для планирования и анализа Российски-Американского активного эксперимента Георэ.
Полученные в диссертации результаты позволяют осуществить новый подход к прогнозу солнечных вспышек. В разработанной диссертантом программе ПЕРЕСВЕТ заложены возможности непосредственного анализа наблюдений активных областей для оперативного предсказания развития активности.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты численного 3D МГД моделирования образования то
кового слоя над активной областью и его эволюции. Выяснены
условия образования слоя, квазистационарного существования и перехода в неустойчивое состояние.
-
Результаты численного МГД моделирования образования токового слоя при взаимодействии сверхальвеновской струи плазмы с поперечным магнитным полем короны. Показано образование токового слоя в таких условиях и его распад.
-
Электродинамическая модель солнечной вспышки, построенная на основании разработанной теории, лабораторного и численного моделирования, а также с использованием наблюдательных данных.
-
Числепное моделирование поведения доальвеновских потоков плазмы в короне, включая генерацию продольных токов.
-
Предлагается новый подход к теории прогноза солнечных вспышек, основанный на оперативном апализе наблюдательных данных и позволяющий быстро рассчитать развитие предвспышечного состояния.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на 3-ей Байкальской школе по солнечно-земной физике (Иркутск 1985), Рабочих совещаниях по моделированию космических явлений в лабораторной плазме (Горький 1986, Новосибирск 1988, 1990), Международной коиференции по физике плазмы (Киев 1987), Конференции по солнечной физике (Пулково 1987), Международных конференциях по космическим лучам (Москва 1987, 1996), 2-й Рабочей группе по импульсным солнечным вспышкам (США, Нью Хэмпшир 1988), 12-м Консультативном совещании КАПГ по физике Солцца (Одесса 1988), Ежегодных семинарах-школах "Физика Солнца и космическая электродинамика" (Пулково 1988, Львов 1990, Пущино-иа-Оке 1991, 1994, 1995, Москва 1996), Всесоюзной конференции "Физика космической плазмы" (Ереван 1989), Международной конференции по физике магнитных жгутов (США, Гамильтон 1989), 4-й Всесоюзной школе по космической физике (Суздаль 1990), Международных семинарах СОЛТИП (Чехословакия, Либлис 1991, Япония, Накаминато 1994) Всероссийских совещаниях "Математические модели ближнего космоса" (Москва 1993, 1996), 20-м Европейском совещании по изучению атмосферы (Апатиты 1993),
'Заседании секции совета "Солнце Земля" (Москва ІУ94). Международном симпозиуме по солнечным явлениям, приводящим к межпланетным и магпитосферным возмущениям (США, Сакраменто Пик 1995), Всероссийской конференции но физике Солнца (Москва 1995), Международной конференции но магиитодинамическим явлениям в солнечной атмосфере (Япония, Токио 1995), Международной ассамблее КОСПАР (Англия, Бирмпнгам, 1966). Результаты так же докладывались па семинарах научно-исследовательских организаций нашей страны и на семинаре Университета Калифорнии в Лос-Анжелесе.
Публикация результатов диссертации. Основное содержание диссертации опубликовано в 32 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из семи глав и приложения. Первая глава является вводной, а последняя — заключительной. Диссертация изложена на 400 страницах, включая 67 рисунков. Список литературы содержит 269 наименований.
