ИСТОЧНИКИ В АКТИВНЫХ ОБЛАСТЯХ НА СОЛНЦЕ НАД НЕЙТРАЛЬНОЙ ЛИНИЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
|
Введение 3
1 Постановка задачи 5
2. Модельные расчеты 8
2.1 Модель с дополнительным диполем 8
2.2 Модель с токовым слоем 17
2.3 Модель Мока 21
Заключение 24
Литература 26
Приложение 1 27
Приложение 2 29
1 Постановка задачи 5
2. Модельные расчеты 8
2.1 Модель с дополнительным диполем 8
2.2 Модель с токовым слоем 17
2.3 Модель Мока 21
Заключение 24
Литература 26
Приложение 1 27
Приложение 2 29
В данной работе будут рассмотрены источники в активных областях, расположенных над нейтральной линией фотосферного магнитного поля (далее будем называть их NLS), причем особое внимание уделяется их связи с эруптивными процессами. А именно, будут приведены две возможные модели для интерпретации связи спектральных характеристик NLS (neutral line source) со вспышечной активностью: первоначально взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца рассматривалось исключительно как результат всплывание нового магнитного потока обратного знака вблизи уже существовавшего магнитного поля, что приводит к уменьшению интенсивности излучения NLS. Однако, в солнечной короне имеет место эффект магнитного пересоединения, что приводит к формированию токового слоя, в котором накапливается избыток электромагнитной энергии. Согласно концепции, описанной в работе [1], кумуляция магнитной энергии и образование токового слоя соответствует предвспышечной ситуации, а собственно сама вспышка происходит в результате разрушения слоя и преобразования накопленной энергии в тепловую и кинетическую энергию плазмы и потоки высоко энергетичных частиц. Аннигиляция магнитного поля также приводит к уменьшению интенсивности NLS.
История обнаружения радиоисточников над нейтральной линией, разделяющей противоположные полярности фотосферного магнитного поля, связана с наблюдением солнечных затмений и с использованием крупных радиотелескопов для изучения детальной структуры активных областей на Солнце.
На существование в солнечных активных областях NLS было впервые указано в работах [2] по наблюдениям на Westerbork Synthesis Radio Telescope, на волне 6 см. В дальнейшем эти источники были более детально проанализированы в работах [3], [4]. Стоит отметить, что это относительно стабильные, яркие, довольно компактные микроволновые источники, проекция которых на фотосферное магнитное поле совпадает с его нейтральной линией, то есть с областью нулевого продольного поля.
В ряде работ изучался вопрос о природе NLS. Так в работах [3], [4] говорится о гирорезонансной природе этих источников в горячей плазме с магнитными полями 400- 600Гаусс. В работе [5] утверждается, что гирорезонансный механизм не может дать NLS, так как поле между источниками мало. Но мало только продольное поле. Авторы стараются объяснить существование NLS излучением нетепловых среднерелятивистких электронов со степенным спектром, показатель которого равен 4-5. При этом они указывают на трудную проблему сохранения длительной стабильности генерации такого излучения. Поскольку температура гиросинхротронного излучения может достигать 108 —1010 К, что не наблюдается, то авторам пришлось предложить довольно сложную конструкцию с поглощающим экраном в виде большого количества мелкомасштабных неоднородностей в неравновесной корональной плазме.
Однако, основная проблема здесь - существенная нестабильность излучения. В то время как NLS являются стабильными источниками в широком диапазоне длин волн. Такой результат был получен, например, в новых наблюдениях NLS’s на радиотелескопе РАТАН- 600 в диапазоне 15-6 GHz.
Была предложена интерпретация радиоизлучения над нейтральными линиями как возникновение также небольшой популяции нетепловых электронов (около 1030 —1031) с показателем степени мощности распределения S = 3. В работе [6] указывается на трудности интерпретации излучения NLS источников циклотронным излучением на 3 гармонике гирочастоты и привлекают для объяснения 4 гармонику аналогично работе [7]. Авторы, однако, признают, что природа излучения NLS все еще неясна.
Оставаясь в рамках теплового механизма излучения необходимо иметь высокую температуру в области излучения NLS. Дополнительных нагрев может быть связан с существованием токового слоя. В работе [8] показано, что NLS является сочетанием петли и диффузной области токового слоя. Это может привести к дополнительному нагреву области NLS и дать высокую температуру излучения NLS. В исследовании [9] рассматривался вопрос о дополнительном нагреве плазмы в таких источниках, что интерпретировалось как проявление высокотемпературных токовых слоев на предвспышечной стадии в активной области.
Стоит обратить внимание, что связь NLS со вспышечной активностью отмечалась в целом ряде работ [10]. На основе регулярных спектрально-поляризационных наблюдений Солнца на РАТАН-600, начатых в 1975 г, с высоким пространственным разрешением в широком микроволновом диапазоне, на примере многих эруптивных событий было показано, что перед мощной вспышкой наблюдалось развитие радиоисточника над нейтральной линией фотосферного магнитного поля над местом максимального сближения полей противоположного знака, который за 1-2 дня до мощной вспышки становился доминирующей компонентой в структуре микроволнового излучения всей активной области [11]. Таким образом, особый интерес представляет исследование связи спектральных характеристик NLS со вспышечной активностью.
История обнаружения радиоисточников над нейтральной линией, разделяющей противоположные полярности фотосферного магнитного поля, связана с наблюдением солнечных затмений и с использованием крупных радиотелескопов для изучения детальной структуры активных областей на Солнце.
На существование в солнечных активных областях NLS было впервые указано в работах [2] по наблюдениям на Westerbork Synthesis Radio Telescope, на волне 6 см. В дальнейшем эти источники были более детально проанализированы в работах [3], [4]. Стоит отметить, что это относительно стабильные, яркие, довольно компактные микроволновые источники, проекция которых на фотосферное магнитное поле совпадает с его нейтральной линией, то есть с областью нулевого продольного поля.
В ряде работ изучался вопрос о природе NLS. Так в работах [3], [4] говорится о гирорезонансной природе этих источников в горячей плазме с магнитными полями 400- 600Гаусс. В работе [5] утверждается, что гирорезонансный механизм не может дать NLS, так как поле между источниками мало. Но мало только продольное поле. Авторы стараются объяснить существование NLS излучением нетепловых среднерелятивистких электронов со степенным спектром, показатель которого равен 4-5. При этом они указывают на трудную проблему сохранения длительной стабильности генерации такого излучения. Поскольку температура гиросинхротронного излучения может достигать 108 —1010 К, что не наблюдается, то авторам пришлось предложить довольно сложную конструкцию с поглощающим экраном в виде большого количества мелкомасштабных неоднородностей в неравновесной корональной плазме.
Однако, основная проблема здесь - существенная нестабильность излучения. В то время как NLS являются стабильными источниками в широком диапазоне длин волн. Такой результат был получен, например, в новых наблюдениях NLS’s на радиотелескопе РАТАН- 600 в диапазоне 15-6 GHz.
Была предложена интерпретация радиоизлучения над нейтральными линиями как возникновение также небольшой популяции нетепловых электронов (около 1030 —1031) с показателем степени мощности распределения S = 3. В работе [6] указывается на трудности интерпретации излучения NLS источников циклотронным излучением на 3 гармонике гирочастоты и привлекают для объяснения 4 гармонику аналогично работе [7]. Авторы, однако, признают, что природа излучения NLS все еще неясна.
Оставаясь в рамках теплового механизма излучения необходимо иметь высокую температуру в области излучения NLS. Дополнительных нагрев может быть связан с существованием токового слоя. В работе [8] показано, что NLS является сочетанием петли и диффузной области токового слоя. Это может привести к дополнительному нагреву области NLS и дать высокую температуру излучения NLS. В исследовании [9] рассматривался вопрос о дополнительном нагреве плазмы в таких источниках, что интерпретировалось как проявление высокотемпературных токовых слоев на предвспышечной стадии в активной области.
Стоит обратить внимание, что связь NLS со вспышечной активностью отмечалась в целом ряде работ [10]. На основе регулярных спектрально-поляризационных наблюдений Солнца на РАТАН-600, начатых в 1975 г, с высоким пространственным разрешением в широком микроволновом диапазоне, на примере многих эруптивных событий было показано, что перед мощной вспышкой наблюдалось развитие радиоисточника над нейтральной линией фотосферного магнитного поля над местом максимального сближения полей противоположного знака, который за 1-2 дня до мощной вспышки становился доминирующей компонентой в структуре микроволнового излучения всей активной области [11]. Таким образом, особый интерес представляет исследование связи спектральных характеристик NLS со вспышечной активностью.
Целью данной работы являлось рассмотрение связи спектральных характеристик NLS со вспышечной активностью, для чего были предложены две модели, в основе которых лежит модель двух разнесенных противоположно направленных диполей:
• Модель с дополнительным диполем, расположенном на расстоянии х от основного диполя и с меньшим значением магнитного поля на фотосфере.
Появление магнитного потока противоположной направленности, который в данном случае описывается дополнительным диполем, вблизи уже существующего приводит в NLS к исчезновению наиболее эффективно излучающих гирорезонансных уровней, что в свою очередь приводит к значительному ослаблению излучения.
Рис.25 Распределение параметра Стокса I на частоте 10 ГГц для модели двух диполей (сплошная линия) и для модели с дополнительным диполем (пунктир).
Из данных наблюдений известно, что интенсивность NLS перед вспышкой уменьшается на 10-20%. Однако согласно рассмотренной модели на частоте 10 ГГц уменьшение интенсивности излучения в области расположения NLS гораздо более значительно - примерно 75%. Однако, при параметрах дополнительного диполя x=d/10 и u=32 уменьшение интенсивности составляет около 20%, что соответствует данным наблюдений.
В результате рассмотрения зависимости спектральных характеристик от параметров дополнительного диполя, а именно его положения относительно основного диполя и величины магнитного поля на фотосфере, пришли к выводу, что чем ближе располагается дополнительный диполь к месту расположения NLS и чем больше величина его магнитного поля , тем заметнее уменьшается интенсивность излучения и степень поляризации.
Таким образом, изменение спектральных характеристик NLS напрямую зависит от параметров дополнительного диполя, причем наиболее ярко эта зависимость проявляется на более высоких частотах (более 6 ГГц).
• Модель с токовым слоем.
Известно, что перед вспышкой формируется токовый слой, неустойчивость которого и приводит к генерации высокоэнергетичных частиц. Поэтому для исследования связи характеристик NLS с эруптивными процессами в исходную модель двух диполей ввели сомножитель, описывающий область магнитного пересоединения. Появление токового слоя приводит к уменьшению интенсивности излучения в области расположения NLS на частоте 10 ГГц на 10-20% ( соответствующая зависимость представлена на рис.17). Данный вывод соответствует данным наблюдений, при этом размер области магнитного пересоединения, являющийся важным параметром задачи, должен иметь величину порядка й=3-108 см.
Таким образом, каждая из предложенных моделей качественно описывает поведение NLS, хотя представление о формировании токового слоя является более обоснованным с физической точки зрения.
Кроме того в данной работе была рассмотрена модель Мока для распределения электронной температуры и концентрации в применении к лежащей в основе нашей работы модели двух диполей. В результате сравнения спектров интенсивности для этой новой модели с используемой при рассчетах моделью Сельхорста, приходим к выводу о несостоятельности модели Мока с точки зрения соответствия данным наблюдений, так как даваемые ею значения интенсивности излучения на порядок меньше тех, что соответствуют наблюдаемым, и которые хорошо описываются моделью Сельхорста.
• Модель с дополнительным диполем, расположенном на расстоянии х от основного диполя и с меньшим значением магнитного поля на фотосфере.
Появление магнитного потока противоположной направленности, который в данном случае описывается дополнительным диполем, вблизи уже существующего приводит в NLS к исчезновению наиболее эффективно излучающих гирорезонансных уровней, что в свою очередь приводит к значительному ослаблению излучения.
Рис.25 Распределение параметра Стокса I на частоте 10 ГГц для модели двух диполей (сплошная линия) и для модели с дополнительным диполем (пунктир).
Из данных наблюдений известно, что интенсивность NLS перед вспышкой уменьшается на 10-20%. Однако согласно рассмотренной модели на частоте 10 ГГц уменьшение интенсивности излучения в области расположения NLS гораздо более значительно - примерно 75%. Однако, при параметрах дополнительного диполя x=d/10 и u=32 уменьшение интенсивности составляет около 20%, что соответствует данным наблюдений.
В результате рассмотрения зависимости спектральных характеристик от параметров дополнительного диполя, а именно его положения относительно основного диполя и величины магнитного поля на фотосфере, пришли к выводу, что чем ближе располагается дополнительный диполь к месту расположения NLS и чем больше величина его магнитного поля , тем заметнее уменьшается интенсивность излучения и степень поляризации.
Таким образом, изменение спектральных характеристик NLS напрямую зависит от параметров дополнительного диполя, причем наиболее ярко эта зависимость проявляется на более высоких частотах (более 6 ГГц).
• Модель с токовым слоем.
Известно, что перед вспышкой формируется токовый слой, неустойчивость которого и приводит к генерации высокоэнергетичных частиц. Поэтому для исследования связи характеристик NLS с эруптивными процессами в исходную модель двух диполей ввели сомножитель, описывающий область магнитного пересоединения. Появление токового слоя приводит к уменьшению интенсивности излучения в области расположения NLS на частоте 10 ГГц на 10-20% ( соответствующая зависимость представлена на рис.17). Данный вывод соответствует данным наблюдений, при этом размер области магнитного пересоединения, являющийся важным параметром задачи, должен иметь величину порядка й=3-108 см.
Таким образом, каждая из предложенных моделей качественно описывает поведение NLS, хотя представление о формировании токового слоя является более обоснованным с физической точки зрения.
Кроме того в данной работе была рассмотрена модель Мока для распределения электронной температуры и концентрации в применении к лежащей в основе нашей работы модели двух диполей. В результате сравнения спектров интенсивности для этой новой модели с используемой при рассчетах моделью Сельхорста, приходим к выводу о несостоятельности модели Мока с точки зрения соответствия данным наблюдений, так как даваемые ею значения интенсивности излучения на порядок меньше тех, что соответствуют наблюдаемым, и которые хорошо описываются моделью Сельхорста.
Подобные работы
- Исследование условий формирования и развития серебристых облаков
Магистерская диссертация, география. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2022