УДК 523.945
МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ВСПЫШКИ. 1. ТОКОВЫЙ СЛОЙ В КОРОНЕ
© 2012 г. А. И. Подгорный1, И. М. Подгорный2
Учреждение РАН Физический институт им. П.Н. Лебедева, г. Москва, 2Учреждение РАН Институт астрономии, г. Москва e-mail: podgorny@inasan.ru Поступила в редакцию 06.07.2010 г. После доработки 11.06.2011 г.
Представлен обзор результатов моделирования предвспышечной ситуации в солнечной короне, полученных численным решением полной системы трехмерных МГД уравнений. Никаких предположений о характере развития вспышки или поведении параметров активной области перед вспышкой не вводится. Начальные и граничные условия на фотосфере задаются из измерения магнитного поля перед вспышкой. Источники фотосферного поля аппроксимируются магнитными диполями. Использование программы ПЕРЕСВЕТ показало образование токового слоя, формирующегося в короне в окрестности особой линии магнитного поля в короне. Слой формируется за счет возмущений, приходящих от фотосферы. Необходимая для вспышки энергия запасается в магнитном поле токового слоя в течение двух—трех суток. Представлены основные принципы построения программы ПЕРЕСВЕТ, позволяющей в качестве граничных условий использовать карты измеренного фо-тосферного поля.
1. ВВЕДЕНИЕ
Первичное освобождение энергии солнечных вспышек происходит в солнечной короне над активной областью. Единственным резервуаром энергии, необходимой для вспышки (~1032 эрг) в короне, может служить магнитное поле, где энергия поля Б2/8я значительно превышает тепловую энергию плазмы пкТ. Распределение поля на фотосфере в момент вспышки практически не меняется. Это значит, что энергия потенциального магнитного поля, т. е. поля фотосферных источников, не реализуется при вспышке. При вспышке может реализоваться только магнитная энергия токов в короне над активной областью. Токовая система, в которой накапливается энергия в предвспышечном состоянии, должна обладать способностью аккумулировать магнитную энергию и быстро ее выделять при переходе в неустойчивое состояние.
Согласно гипотезе С.И. Сыроватского [Сыро-ватский, 1966], накопление магнитной энергии для солнечной вспышки должно происходить в окрестности особой линии магнитного поля, которая может появляться при соответствующем расположении источников в активной области. Простейшей особой линией является линия нулевого магнитного поля Х-типа. Численный маг-нитогидродинамический (МГД) расчет [Подгорный и Сыроватский, 1981; Брушлинский и др., 1980] показал, что возмущения потенциального поля, задаваемые изменением поля и/или зада-
нием скорости плазмы на границе, приводят к образованию токового слоя в окрестности особой линии. В магнитном поле слоя происходит накопление энергии. Начальная конфигурация создавалась четырьмя стержнями с током (рис. 1). Конфигурация в плоскости, перпендикулярной стержням с током, содержит нулевую Х-точку. Вмороженность линий магнитного поля в высокотемпературную плазму не позволяет произойти векторному сложению линий изменившегося магнитного потока, и в окрестности особой линии может образоваться токовый слой, разделяющий разные топологические области. Геометрическое сложение векторов полей этих топологических областей произойдет только после затухания тока в токовом слое. Высокая проводимость горячей плазмы солнечной короны не позволяет быстро затухнуть току в плазме. Образовавшийся слой не является нейтральным, а обладает нормальной компонентой магнитного поля [Podgorny and Podgorny, 1992; Podgorny et al., 2000]. Устойчивость слоя поддерживается непрерывным течением плазмы. С.И. Сыроватский полагал, что при определенных условиях устойчивость должна нарушиться и произойдет "разрыв" тока в слое.
В ряде работ рассматривается вспышечное выделение энергии при распаде токового слоя, с нормальной компонентой поля равной нулю (рис. 2) [Harris, 1962]. Слой Харриса обладает антипараллельными линиями магнитного поля, в котором отсутствует течение плазмы, а магнитное
163
2*
'I t
\ \ -i-1- 4
/ 1 < - ^ 11 * 1 1
Рис. 1. Магнитное поле с особой точкой Х-типа (а). Направление силы Ампера, деформирующей потенциальное магнитное поле (б). Потоки плазмы в магнитном поле возникшего токового слоя (в).
Bx
Бх = р = р0ек2(у/а)
В2/8п + р = В20/8п = р0; р = пкТ; п = р/т
Рис. 2. Нейтральный токовый слой. Линии магнитного поля (а). Распределения магнитного поля и концентрации плазмы в слое (б).
давление сбалансировано газокинетическим давлением. Токовый слой Харриса действительно неустойчив, и его распад может привести к вспы-шечному выделению энергии. Однако возникает непреодолимая трудность, связанная с возможностью образования такого неустойчивого состояния. Несмотря на многолетние усилия, никто не смог получить решение, которое бы описывало образование нейтрального токового слоя из реально существующей магнитной конфигурации, или хотя бы высказал идею, каким образом нейтральный токовый слой может возникнуть в плазме.
Физический смысл образования токового слоя в окрестности особой линии прост (рис. 1). Конфигурация потенциального поля в начальный момент описывается выражением: {—Н0 у, —Н0 х, 0} (Н0 — градиент магнитного поля). Возникающий в результате возмущений току вдоль оси Zвызывает движение плазмы под действием силы ] х В/с (рис. 2б) к особой линии вдоль одной из осей (например, У) и движение от особой линии вдоль другой оси (например, Х). Движение плазмы деформирует магнитное поле в конфигурацию, соответствующую токовому слою — сжимает поле по оси У и растягивает его вдоль оси Х. При этом плотность тока повышается. Следовательно, увеличивается сила, заставляющая плазму двигаться в том же направлении, из-за чего поле деформи-
руется еще сильнее. В результате такого процесса самофокусировки в магнитном поле образовавшегося токового слоя (рис. 1в) накапливается энергия, необходимая для вспышки. Толщина слоя уменьшается до тех пор, пока не достигнет значения
А = Vm/Vin , (1.1)
(где vm = е2/4па — магнитная вязкость, — скорость втекания плазмы в слой). Смысл этой формулы, полученной Свитом и Паркером [Parker, 1957], означает, что приход магнитного потока в слой вместе с потоком плазмы сбалансирован диссипацией поля в слое.
Одновременно с опубликованием идеи Сыро-ватского появилась статья Братенола и Хирша [Bratenahl and Hirsch, 1966], в которой сообщалось о лабораторном эксперименте, демонстрирующем образование токового слоя, разграничивающего области с противоположными направлениями линий магнитного поля.
Простейшим примером конфигурации магнитного поля, содержащего особую линию в короне, является поле четырех магнитных пятен противоположной полярности, расположенных в активной области на одной прямой. Такая конфигурация показана на рис. 3. Особая линия пересекает плоскость рисунка в точке Х-типа. В об-
Р
Рис. 3. Магнитное поле, создаваемое четырьмя вертикальными диполями, расположенными под фотосферой, содержит нейтральную линию Х-типа.
щем случае особая линия не обязана быть линией нулевого магнитного поля. Особая линия может обладать продольной компонентой поля. Численный МГД эксперимент, выполненный в трехмерном приближении для симметрично расположенных источников поля [Podgomy and Podgorny, 1992], показал, что над активной областью образуется токовый слой в результате распространения возмущений от фотосферы.
Ряд авторов, например [Amari et al., 2000; Forbes et al., 1989; Kliem et al., 2004; Lin, 2004; Linker et al., 1990], связывает возникновение вспышек и корональных выбросов массы с появлением магнитных жгутов (ropes). Чаще всего такой взрывной процесс объясняется нарушением равновесия между силой магнитного отталкивания жгута от проводящей поверхности Солнца и силой Лоренца j х B/c, прижимающей жгут к поверхности (рис. 4а). Здесь B — поле в активной области. В обзоре [Lin, 2004] подробно рассмотрена серия работ, в которых выброс корональной массы объясняется ускорением магнитного жгута, возникшего под магнитной аркой. Выброс жгута должен сопровождаться вытягиванием линии поля арки и образованием токового слоя (рис. 4б). В трехмерных численных МГД экспериментах показано, что начальное состояние и параметры жгута можно подобрать таким образом, чтобы получить наблюдаемое развитие коронального выброса [Lugaz et al., 2009]. Однако в этом сценарии остается неясным сам механизм появления жгута в состоянии равновесия, и почему выброс жгута не вызывает в момент вспышки сильных магнитных возмущений в активной области [Подгорный и Подгорный, 2011].
Из других обсуждаемых сценариев вспышки следует отметить возможность быстрого магнитного пересоединения в поле, обладающем спи-
ральностью. Численное МГД моделирование [Кшапо е! а1., 2003] показало, что при определенных условиях и искусственно заданном шире скорости может происходить "аннигиляция спираль-ности" за счет магнитного пересоединения в появившихся особых точках. Условия моделирования сильно отличаются от реальных, исключено давление плазмы. Основанный на "аннигиляции спи-ральности" механизм не объясняет коронального выброса массы, генерации релятивистских протонов и других важных проявлений вспышки. В работе [Л^ е! а1., 2010] не обнаружена связь возникающих на фотосфере спиральных структур с появлением вспышек.
Независимо от того, какой физический механизм лежит в основе вспышки, численное моделирование вспышечного процесса должно быть выполнено при начальных и граничных условиях, взятых из наблюдений состояния активной области перед реальной вспышкой. Механизм возникновения вспышки должен демонстрироваться результа-
Начальное положение магнитного жгута
Рис. 4. Линии магнитного поля двух пятен и положение тока (магнитного жгута) перед вспышкой (а). Деформированные линии поля после выброса жгута (б).
тами моделирования, а не искусственно вводиться при постановке численного эксперимента. Для возникновения вспышки магнитная энергия Б2/8я, аккумулированная в магнитном поле, должна быстро диссипировать и перейти в тепло и энергию ускоренных частиц. Процесс медленной эволюции должен смениться взрывной фазой. Численное моделирование ток
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.