Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://www.kosmofizika.ru/owz/somov.html
Дата изменения: Fri Feb 4 17:10:50 2011 Дата индексирования: Mon Oct 1 21:58:18 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: солнечная корона |
| СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА |
Физика солнечных вспышек"ЗиВ" ?2/2005 |
Во время большой вспышки поток жесткого электромагнитного излучения Солнца возрастает во много раз. В невидимых для нас ультрафиолетовых (УФ), рентгеновских и гамма-лучах наше светило становится "ярче тысячи солнц". Излучение достигает орбиты Земли через восемь минут после начала вспышки. Через несколько десятков минут приходят потоки заряженных частиц, ускоренных до гигантских энергий, а через двое-трое суток - огромные облака солнечной плазмы. К счастью, озоновый слой атмосферы Земли защищает нас от опасного излучения, а геомагнитное поле - от частиц. Однако даже на Земле, тем более в космосе, солнечные вспышки опасны и необходимо уметь их заблаговременно прогнозировать. Что же такое солнечная вспышка, как и почему она возникает? Солнце и мы
Ближайшая к нам звезда - Солнце - родилась около 5 млрд. лет тому назад. Внутри
нее идут ядерные реакции, благодаря которым существует жизнь на Земле. Построенные
на основе современных наблюдений теоретические модели строения и эволюции Солнца
не оставляют сомнений в том, что оно будет сиять еще миллиарды лет. Вспышки на Солнце
Последние десятилетия сразу несколько космических обсерваторий пристально вглядываются
в "разгневанное" Солнце с помощью специальных рентгеновских и УФ-телескопов.
Сейчас таких космических аппаратов четыре: американские "SOHO" (Solar
and Heliospheric Observatory - солнечная гелиосферная обсерватория; Земля и Вселенная,
2003, ? 3), "TRACE" (Transition Region and Coronal Explorer - исследователь
короны и переходного слоя), "RHESSI" (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic
Imager - солнечный спектральный телескоп высокоэнергичного излучения им. Рамати)
и российский спутник "Коронас-Ф" (Земля и Вселенная, 2002, ? 6). Прогнозирование вспышекНеобходимость прогнозирования солнечных вспышек возникла давно, но особенно
остро в связи с пилотируемыми космическими полетами. Долгое время почти независимо
и практически безрезультатно разрабатывались два подхода к решению этой проблемы.
Их можно условно назвать синоптическим и каузальным (причинным). Первый - сходный
с предсказаниями погоды - базировался на изучении морфологических особенностей
предвспышечных ситуаций на Солнце. Второй метод подразумевает знание физического
механизма вспышки и, соответственно, распознавание предвспышечной ситуации путем
ее моделирования. Рис. 1 - Солнечная вспышка (рентгеновский балл Х5.7), зарегистрированная 14 июля
2000 г. со спутников "TRACE" и "Yohkoh". Видна аркада вспышечных
петель: слева в УФ (195 А); в центре - в мягком рентгеновском излучении; справа
- источники жесткого рентгеновского излучения (53 - 94 кэВ), расположенные вдоль
вспышечных лент - основания аркады. NL - фотосферная нейтральная линия.
Уже первые внеатмосферные наблюдения с помощью космических аппаратов показали,
что солнечные вспышки представляют собой корональное, а не хромосферное явление.
Современные многоволновые наблюдения Солнца с космических и наземных обсерваторий
свидетельствуют о том, что источник энергии вспышки расположен над аркадой вспышечных
петель (светлые полосы на рисунке слева) в короне, наблюдаемых в мягком рентгеновском
и УФ-излучении. Аркады опираются на хромосферные вспышечные ленты, которые расположены
по разные стороны линии раздела полярности фотосферного магнитного поля, или
фотосферной нейтральной линии. Энергия вспышки
Солнечная вспышка - самое мощное из всех проявлений активности Солнца. Энергия
большой вспышки достигает (1-3)x1032 эрг, что приблизительно в сто
раз превышает тепловую энергию, которую можно было бы получить при сжигании всех
разведанных запасов нефти и угля на Земле. Эта гигантская энергия выделяется
на Солнце за несколько минут и соответствует средней (за время вспышки) мощности
1029 эрг/с. Однако это меньше сотых долей процента от мощности полного
излучения Солнца в оптическом диапазоне, равной 4x1033 эрг/с. Она
называется солнечной постоянной. Поэтому при вспышке не происходит заметного
увеличения светимости Солнца. Лишь самые большие из них можно заметить в непрерывном
оптическом излучении. Что такое пересоединение?
Рассмотрим простейший пример, который демонстрирует явление магнитного пересоединения.
Пусть два параллельных проводника расположены на расстоянии 2l друг от друга.
По каждому из проводников течет электрический ток. Магнитное поле этих токов
состоит из трех различных магнитных потоков. Два из них - Ф1 и Ф2
- принадлежат соответственно верхнему и нижнему токам; каждый поток охватывает
свой проводник. Они расположены внутри сепаратрисной линии поля А1А2
(сепаратрисы), которая образует "восьмерку" с точкой пересечения X.
Третий поток расположен вне сепаратрисной линии. Он принадлежит одновременно
обоим проводникам. Рис. 2 - Магнитное поле двух параллельных электрических токов одинаковой величины
I:
Отметим, что такое пересоединение в вакууме при всей его простоте - реальный
физический процесс. Его можно легко воспроизвести в лаборатории. Пересоединение
магнитного потока индуцирует электрическое поле, величину которого можно оценить,
разделив величину dФ на характерное время процесса пересоединения dt, то есть
время движения проводников. Это поле будет ускорять заряженную частицу, помещенную
вблизи точки Х, точнее говоря, линии Х. Токовые слои и вспышкиВ общем случае пересоединяющий токовый слой представляет собой магнито-плазменную структуру, как минимум, двумерную и, как правило, двухмасштабную, поскольку втекание плазмы в слой и вытекание из него осуществляются в ортогональных направлениях. Обычно (особенно в условиях сильного магнитного поля) ширина слоя (2b) много больше его толщины (2a). Это важно, поскольку, чем шире токовый слой, тем большую энергию он может накопить в области взаимодействия магнитных потоков. Между тем, чем толще слой, тем больше скорость диссипации (потери) накопленной энергии. Эти фундаментальные свойства пересоединяющего токового слоя составляют основу модели солнечной вспышки, предложенной выдающимся российским астрофизиком С.И. Сыроватским (1925-1979). Рис. 3 - Простейшая модель пересоединяющего токового слоя - нейтральный слой. В реальных трех измерениях только в последние десятилетия, благодаря космическим
исследованиям Солнца стала понятна роль топологических свойств крупномасштабных
магнитных полей и кинетических плазменных явлений, вовлеченных в процесс пересоединения
во вспышках. "Радуга" и "молнии" на СолнцеПервоначально взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца рассматривалось исключительно как результат всплывания нового магнитного поля из-под фотосферы в корону. Новый магнитный поток, поднимаясь в солнечной атмосфере, взаимодействует со старым, предшествующим магнитным потоком. В действительности, взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца - гораздо более общее явление. В 1985 г. автор статьи предложил модель, которая связывает вихревые течения плазмы в фотосфере с появлением в короне особых линий магнитного поля - сепараторов. Сепаратор появляется над S-образным изгибом фотосферной нейтральной линии подобно радуге над изгибом реки. Такие изгибы весьма характерны для магнитограмм больших вспышек.
По структуре поля сепаратор отличается от линии Х лишь тем, что содержит продольную
составляющую магнитного поля. Наличие продольного поля В||, разумеется, не запрещает
процесс пересоединения. Эта составляющая всегда присутствует внутри и вне формирующегося
вдоль сепаратора пересоединяющего токового слоя. Она влияет на скорость пересоединения
поперечных составляющих поля B_ и, следовательно, на мощность процесса преобразования
энергии поля в тепловую и кинетическую энергии частиц. Это позволяет лучше понять
и точнее объяснить особенности энерговыделения в солнечной вспышке. Первичное энерговыделениеКартина вспышки во всем ее многообразии и красоте (см. стр. 1 обложки) - следствие первичного выделения энергии в ВТТТС. Наличие нескольких каналов выделения энергии в токовом слое (течения плазмы, тепловое и электромагнитное излучение, ускоренные частицы) определяет многообразие физических процессов, вызываемых вспышкой в атмосфере Солнца.
Пересоединенные линии магнитного поля вместе со "сверхгорячей" (электронная температура больше 3x107 К) плазмой и ускоренными частицами движутся из ВТТТС со скоростями порядка 103 км/с. Рентгеновский телескоп космической обсерватории "RHESSI" зафиксировал два источника жесткого рентгеновского излучения в короне во время вспышки 15 апреля 2002 г. Один из них находился высоко над солнечным лимбом. Его движение вверх соответствовало зарождению коронального выброса массы в межпланетное пространство. Этот выброс зарегистрировал коронограф на космическом аппарате "SOHO" 16 апреля 2002 г. (Земля и Вселенная, 2003, ? 3). Второй источник жесткого рентгеновского излучения находился под сепаратором. Пространственное распределение энергии жесткого рентгеновского излучения и, соответственно, пространственное распределение самых высоких температур во вспышке согласуются с предположением, что между источниками действительно находится пересоединяющий ВТТТС. "Вторичные" эффекты под радугойПостепенно охлаждаясь, сверхгорячая плазма становится видимой в более мягком
рентгеновском излучении. В области, расположенной под сепаратором, она движется
вниз и встречается с другой "горячей" (электронная температура меньше
или порядка 3x107 К) плазмой, которая быстро течет вверх, из хромосферы
в корону.
Как уже отмечалось, в мягком рентгеновском и УФ-излучениях заключена значительная
часть полной энергии вспышки, причем именно они воздействуют на верхние слои
атмосферы Земли. Не удивительно, что огромные потоки этого же излучения воздействуют
и на атмосферу Солнца (Земля и Вселенная, 1978, ? 1): хромосферу и фотосферу,
вызывая нагрев и дополнительную ионизацию солнечной плазмы. К сожалению, точности
современных наблюдений пока не хватает для изучения столь тонких эффектов.
Первые пространственные наблюдения гамма-излучения вспышек на космической обсерватории "RHESSI" показали, что ускоренные электроны и ускоренные ионы вторгаются в хромосферу в различных областях. Этот новый наблюдательный факт, хотя и требует дальнейшего детального изучения, в общих чертах согласуется с предположением о первичном ускорении частиц электрическим полем в пересоединяющем ВТТТС. Положительно и отрицательно заряженные частицы ускоряются крупномасштабным электрическим полем в противоположные стороны и, соответственно, высыпаются из токового слоя в хромосферу вдоль различных линий магнитного поля. Аккуратные теоретические расчеты эффекта, к сожалению, пока отсутствуют. Перед вспышкойЧто предшествует вспышке? В какой момент времени она происходит? Рассмотрим
эти вопросы на примере модели "Радуга", разрабатываемой в отделе физики
Солнца ГАИШ МГУ. Как происходит вспышкаВ модели "Радуга" предполается, что процесс быстрого пересоединения,
то есть первичное энерговыделение во вспышке, начинается на сепараторе вблизи
его вершины.
Быстрое пересоединение следующей пары линий магнитного поля создает другую
линию поля и новую пару ярких точек. А наблюдателю на Земле или на космической
станции кажется, что оба вспышечных ядра движутся друг к другу.
Во время вспышки происходит быстрая "релаксация стрессов" магнитного поля в короне. Подобно тому, как спусковой крючок освобождает сжатую пружину, пересоединение при вспышке обеспечивает быстрое превращение накопленного в активной области на Солнце избытка энергии поля в тепловую и кинетическую энергию частиц. Перспективы изучения вспышекИзучение солнечных вспышек необходимо для создания научно обоснованного, надежного
прогноза радиационной обстановки в ближнем космосе. В этом практическая задача
теории вспышек. Важно, однако, и другое. Вспышки на Солнце необходимо изучать
для понимания различных вспышечных явлений в космической плазме. В отличие от
вспышек на других звездах, а также многих других аналогичных (или кажущихся аналогичными)
нестационарных явлений во Вселенной, солнечные вспышки доступны самому всестороннему
исследованию практически во всем электромагнитном диапазоне - от километровых
радиоволн до жестких гамма-лучей. Физика солнечных вспышек - своеобразный разрез
через многие области современной физики: от кинетической теории плазмы до физики
частиц высоких энергий. |