ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 174-175
УДК 523.62-726
ГДЕ ОБРАЗУЮТСЯ СРЕДНЕМАСШТАБНЫЕ ВАРИАЦИИ
СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА?
© 2014 г. Ю. И. Ермолаев
Институт космических исследований РАН, г. Москва e-mail: yermol@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 28.09.2011 г. После доработки 18.11.2013 г.
В работе обсуждается положение места образования периодических вариаций плотности солнечного ветра с учетом наблюдения изменения в противофазе плотностей протонов и альфа-частиц [Viall et al., 2009]. Принимая во внимание, что альфа-частицы двигаются быстрее протонов, наблюдаемые вариации должны были образоваться на расстояниях не более 0.02 а.е. от точки наблюдения.
DOI: 10.7868/S0016794014020096
На орбите Земли (1 а.е.) солнечный ветер имеет два характерных масштаба. В области крупных масштабов солнечный ветер сохраняет информацию о распределении масштабов в солнечной атмосфере. В области мелких масштабов распределение масштабов определяется локальной турбулентностью среды. Это наглядно проявляется в изменении наклона степенного спектра флуктуа-ций межпланетного магнитного поля: на орбите Земли излом происходит на характерной частоте около ^о = 3 х 10-5 Гц (т.е. флуктуации обладают характерным периодом около суток). При больших частотах показатель а = 5/3 (результат самоорганизации магнитных силовых трубок в кластеры более крупного размера), при меньших частотах — 3/2 (следствие эффекта памяти о распределении в солнечной атмосфере) (см., например, обзор [Зеленый и Милованов, 2004] и ссылки в нем). Это хорошо согласуется с размерами связанных с Солнцем крупномасштабных структур солнечного ветра, например, быстрых течений из корональных дыр или выбросов коро-нальной массы. В области характерных времен менее минут существует развитая турбулентность, и информация об источнике на Солнце полностью отсутствует. Область с характерными временами от минут до суток (т.е. десятки и сотни минут) можно рассматривать, как переходную область средних масштабов, когда могут присутствовать и те и другие распределения масштабов в зависимости от конкретных условий. В настоящей работе будут рассмотрены некоторые экспериментальные данные, относящиеся к среднемасштаб-ным вариациям солнечного ветра, и на их основе определено место образования этих вариаций.
Периодические вариации плотности с периодом около десятков минут иногда наблюдаются в солнечном ветре и могут служить источником
магнитосферных возмущений [Kepko et al., 2002; Kepko and Spence, 2003]. В работе [Viall et al., 2009] на основе анализа данных космического аппарата (КА) WIND для события 14 февраля 1996 года было показано, что во время периодических (~30 мин) вариаций плотности протонов наблюдались периодические изменения в противофазе плотности альфа-частиц. На основании этих наблюдений был сделан вывод: "Для этого события вариации в противофазе содержания альфа-частиц позволяют уверено предположить, что структуры с периодическими вариациями плотности в солнечном ветре образуются в солнечной короне (For this event, the anti-phase nature of the AHe variations strongly suggests that periodic solar wind density structures originate in the solar corona)". В настоящем комментарии мы покажем, что этот вывод базируется на некорректном предположении, и представленные данные свидетельствуют в пользу локального происхождения периодических структур плотности.
Viall et al. [2009] неявно предполагают, что переносные скорости протонов и альфа-частиц равны от момента выхода объема плазмы из солнечной короны до их регистрации на орбите Земли. Как показали многочисленные космические эксперименты, переносная скорость альфа-частиц обычно выше, чем скорость протонов, и разность их скоростей изменяется от очень малых величин (около 0) в медленном и плотном течении (например, в Гелиосферном токовом слое) до величины сравнимой (но несколько ниже) с альвеновской скоростью в быстрых течениях солнечного ветра [Formisano et al., 1970; Robbins et al., 1970; Bollea et al., 1972; Ogilvie, 1975; Asbridge et al., 1976; Bo-squed et al., 1977; Neugebauer, 1981; Marsch et al.,1982; Ogilvie et al., 1982; Yermolaev and Stupin, 1997; Yamauchi et al., 2004]. При скорости солнечного
ГДЕ ОБРАЗУЮТСЯ СРЕДНЕМАСШТАБНЫЕ ВАРИАЦИИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА?
175
ветра 500 км/с, которая наблюдалась в рассматриваемый период, на 1 а.е. в среднем альфа-частицы двигаются быстрее, чем протоны, на величину 2— 5%. Для двух компонент, вместе вышедших из Солнца в межпланетную среду, на 1 а.е. пространственный сдвиг между ними достигнет 0.02—0.05 а.е. или временной сдвиг 100—250 мин. В реальной ситуации этот сдвиг будет еще больше, так как разница скоростей компонент убывает с ростом расстояния от Солнца [Marsch et al., 1982; Yermolaev and Stupin, 1990], а мы взяли для оценки наименьшую величину разности скоростей на 1 а.е. Полученный сдвиг существенно превышает период наблюдаемой структуры (30 мин). Это означает, что любая антикорреляция плотности альфа-частиц и протонов, рожденная вблизи Солнца, будет отсутствовать вблизи Земли, так как обе компоненты сдвинутся относительно друг друга на расстояние, превышающее как период структур, так и размер всего явления.
Таким образом, наблюдаемая антикорреляция плотностей протонов и альфа-частиц могла родиться лишь вблизи точки регистрации (не более 0.02 а.е.), чтобы сдвиг между компонентами за счет разности их скоростей был меньше периода зарегистрированных структур.
Работа частично поддержана РФФИ, гранты № 10-02-00277-а и № 13-02-00158-а, а также Программой Президиума РАН № 22.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
— Зелёный Л.М., Милованов А.В. Фрактальная топология
и странная кинетика: от теории перколяции к проблемам космической электродинамики // УФН. Т. 174. № 8. С. 809-852. 2004.
— Asbridge J.R., Bame S.J., Feldman W.C., Montgomery M.D.
Helium and hydrogen velocity difference in the solar wind // J. Geophys. Res. V. 81. P. 2719—2727. 1976.
— Bollea D, Formisano V., Hedgecock P.C., Moreno G, Palm-
otto F. Helios 1 helium observations in the solar wind // NASA Spec. Publ. V. 308. P. 588—597. 1972.
— Bosqued J.M., D'Uston C., Zertzalov A.A., Vaisberg O.L.
Study of alpha component dynamics in the solar wind using Prognoz satellite // Solar Phys. V. 51. P. 231 — 242. 1977.
— Formisano V., Moreno G, Palmiotto F. a-particle observa-
tions in the solar wind // Solar Phys. V. 15. P. 479-498. 1970.
— Kepko L., Spence H.E. Observations of discrete, global
magnetospheric oscillations directly driven by solar wind density variations // J. Geophys. Res. 108(A6). P. 1257—1269. doi:10.1029/2002JA009676. 2003.
— Kepko L, Spence H.E., Singer H.J. ULF waves in the solar
wind as direct drivers of magnetospheric pulsations // Geophys. Res. Lett. 29(8). P. 391—394. doi:10.1029/2001GL014405. 2002.
— Marsch E, MuhlhauserK.-H, RosenbauerH, SchwennR,
Neubauer F.M. Solar wind helium ions: Observations of the Helios solar probes between 0.3 and 1 AU // J. Geophys. Res. V. 87. P. 35—51. 1982.
— Neugebauer M. Observations of solar-wind helium //
Fund. Cosmic Phys. V. 7. P. 131. 1981.
— Ogilvie K.W. Differences between the bulk speeds of hy-
drogen and helium in the solar wind // J. Geophys. Res. V. 80. P. 1335—1338. 1975.
— Ogilvie K.W., Coplan M.A., Zwickl R.D. Helium, hydrogen,
and oxygen velocities observed on ISEE 3 // J. Geo-phys.Res. V 87. № 9. P. 7363—7369. 1982.
— Robbins D.E., Hundhausen A.J., Bame S.J. Helium in the
solar wind // J. Geophys. Res. V 75. P. 1178—1187. 1970.
— Viall N.M., Spence H.E., Kasper J. Are periodic solar
wind number density structures formed in the solar corona? // Geophys. Res. Lett. V. 36. L23102. doi:10.1029/2009GL041191. 2009.
— Yermolaev Yu.I, Stupin V.V. Some alpha-particle heating
and acceleration mechanisms in the solar wind: Prog-noz 7 measurements // Planet. Space Sci. V. 38. № 10. P. 1305—1313. 1990.
— Yermolaev Yu.I., Stupin V.V. Helium abundance and dy-
namics in different types of solar wind streams: the Prognoz 7 observations // J. Geophys. Res. V. 102. №A2. P. 2125—2136. 1997.
— Yamauchi Y., Suess S.T., Steinberg J.T., Sakurai T. Dif-
ferential velocity between solar wind protons and alpha particles in pressure balance structures // J. Geophys. Res. V 109. A03104. doi:10.1029/2003JA010274. 2004.
ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ том 54 № 2 2014
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.