АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 91, № 5, с. 399-408
УДК 523.985.7-77
ВКЛАД ТЕПЛОВОГО ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МИКРОВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕЧНЫХ ПЕТЕЛЬ
©2014 г. А. С. Моргачев1*, В.Е.Поляков1, В.Ф.Мельников2
1Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород, Россия
2Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук,
Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 28.05.2013 г.; принята в печать 11.06.2013 г.
Рассмотрен вклад теплового тормозного излучения в общий поток микроволнового излучения солнечной вспышечной петли. Данные об общем потоке принимаемого излучения получены с помощью радиогелиографа Нобеяма. Расчет потока теплового тормозного излучения в радиодиапазоне производился на основе определения интегральной температуры и концентрации горячей плазмы во вспышечной петле по потокам ее мягкого рентгеновского излучения. Для этого использовались данные спутников ООЕБ-Ш и ООЕ8-12. Показано, что на фазе максимума всплеска влияние теплового тормозного излучения на общий поток и спектральный индекс микроволнового излучения незначительно (Fth/Ftot < 3%, Да < 0.2, соответственно). На фазе спада всплеска вклад тормозного излучения может достигать высоких значений (до 80%), что приводит к весомому уменьшению наблюдаемого спектрального индекса (до Да ~ 1.5). Поэтому при диагностике параметров ускоренных электронов по характеристикам их гиросинхротронного излучения наиболее точные результаты можно получить, исследуя характеристики излучения на фазе максимума всплеска.
DOI: 10.7868/80004629914040070
1. ВВЕДЕНИЕ
Принято считать, что основным механизмом генерации микроволнового излучения солнечных вспышечных петель является гиросинхротронный (ГС) механизм [1—3]. За ГС-излучение ответственны электроны, движущиеся в магнитном поле с энергией, сравнимой с энергией покоя электрона. Одной из важнейших характеристик гиросинхро-тронного излучения является частотный спектр — распределение интенсивности излучения по частоте Ff (f). В области высоких частот, где источник излучения является оптически тонким, частотный спектр часто аппроксимируют степенной зависимостью:
Ff = kfa, (1)
где а — спектральный индекс (величина, отражающая наклон частотного спектра).
Необходимость точного определения спектрального индекса вызвана его связью с показателем энергетического спектра ускоренных электронов во вспышечной петле и с характером их питч-углового распределения [3]. Эти характеристики
E-mail: a.s.morgachev@mail.ru
чрезвычайно важны для получения ограничений на физические механизмы ускорения электронов во вспышках [2—7].
В то же время известно, что в процессе вспышки часто происходит заполнение вспышечной петли плотной хромосферной плазмой. Разогрев и последующее испарение хромосферы обусловлены потоками энергии в виде ускоренных частиц и тепла, распространяющихся от области энерговыделения в нижележащие плотные слои хромосферы. В результате плотная плазма, заполняющая петлю, оказывается источником дополнительного потока радиоизлучения, генерируемого за счет теплового тормозного механизма излучения. Таким образом, поток принимаемого радиотелескопом микроволнового излучения представляет собой сумму потоков гиросинхротронного излучения (Fgs) энергичных частиц и теплового тормозного излучения горячей плазмы ^^):
Ъаг = Fgs + Fth. (2)
Для правильного определения потока и спектрального индекса ГС-излучения необходимо корректировать данные наблюдений путем вычета из общего потока Ftot компоненты, связанной с тепловым тормозным излучением. Целью настоящей
работы является определение вклада тормозного излучения в полный поток принимаемого излучения и проведение такой коррекции на примере вспышек, зарегистрированных на радиогелиографе Нобеяма (Радиообсерватория Нобеяма).
В разделе 2 перечислены используемые исходные данные и получившие их инструменты. В разделах 3 и 4 приведены методики расчета температуры и меры эмиссии, а также потока теплового тормозного радиоизлучения горячей плазмы. Определение вклада теплового тормозного излучения в общий поток принимаемого излучения со всей вспышечной петли и его влияния на интенсивность и спектральный индекс излучения ряда конкретных вспышек приведено в разделе 5. Аналогичный расчет для отдельных участков вспышечной петли по наблюдениям с высоким пространственным разрешением рассмотрен в разделе 6.
2. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ
Для проведения исследования была создана база данных из событий, зарегистрированных радиогелиографом Нобеяма (NoRH) на частотах 17 и 34 ГГц. По данным NoRH построены карты радиояркости в каждом событии. В результате были отобраны 28 вспышек, характеризующихся одиночной вспышечной петлей, хорошо разрешенной гелиографом (размер наблюдаемой петли существенно превосходил ширину его диаграммы направленности). Изображения вспышечных петель позволили определить их размеры и объем. Для определения ориентации вспышечной петли, а также положения ее оснований и вершины использовались следующие процедуры. Во-первых, изучались карты распределения круговой поляризации. Использовался тот факт, что обычно максимумы параметра Стокса V приходятся на основания петель [4]. Во-вторых, использовались карты распределения магнитного поля положительной и отрицательной полярности на уровне фотосферы Солнца. Карты строились по данным магнитографа MDI на спутнике SOHO. Затем радиоизображения вспышек на частоте 34 ГГц накладывались на карты фото-сферного магнитного поля, что давало более четкое представление об ориентации вспышечной петли и положении ее оснований.
Для определения электронной концентрации фоновой плазмы вспышечных петель были использованы данные наблюдений спутника GOES в мягком рентгеновском излучении (SXR). Данный инструмент принимает излучение в двух каналах с длинами волн 1—8 и 0.5—4 A.
Для определения вклада микроволнового излучения горячей плазмы в общий поток принимаемого излучения от всей вспышечной петли были использованы данные об общем потоке радиоизлучения
на частотах 17 и 35 ГГц, полученные радиополяриметрами Нобеяма (Радиообсерватория Нобеяма), ведущими наблюдения без пространственного разрешения.
Для определения вклада теплового тормозного излучения в общий поток принимаемого излучения из различных участков вспышечной петли использовались данные наблюдений радиогелиографа Нобеяма, обладающим пространственным разрешением 10" на частоте 17 ГГц и 5" на частоте 34 ГГц.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ВО ВСПЫШЕЧНЫХ ПЕТЛЯХ
Расчет таких параметров плазмы, как температура и мера эмиссии производился при помощи специального програмного пакета IDL SSW. Этот пакет использует следующие выражения для расчета интенсивности теплового тормозного рентгеновского излучения [8, 9]:
L = 1.07 х Ю-42-
EM
--9ffe
hu ~kT.
(kT\'
Y = 0.37
/ 30 кэВ \ 1 кТ )
0.15
(3)
(4)
(5)
где EM = fV n2dV — мера эмиссии, n0 — концентрация излучающих тепловых электронов плазмы, V — объем излучающего вещества, hv — энергия рентгеновского кванта в кэВ, kT — температура плазмы в кэВ. Решение системы уравнений для интенсивностей рентгеновского излучения на двух энергиях дает значение меры эмиссии и температуры излучающего источника.
В данной работе средняя электронная концентрация плазмы во вспышечной петле (no) вычислялась по найденному значению меры эмиссии согласно формуле
По
ЕМ
(6)
Расчет объема вспышечной петли V, реально наблюдаемой с помощью радиогелиографа, производился из предположения о том, что образующие петельной трубки при ее "мысленном" выпрямлении представляют собой кривые, подчиняющиеся квадратичному закону: г (у) = ку2 + Ь. Данная зависимость имеет вид
■2 ё
z{y) = -2 h^ +
где й — толщина петли на уровне 0.5ТЬтах на карте радиояркости, а = пБ/2 — длина вспышечной петли вдоль линий магнитного поля, Б — расстояние между измеренными положениями оснований петли на карте радиояркости. Таким образом, объем вспышечной петли выражается определенным интегралом вида
V = 2 пН2
1
- 2
У
2\ 2
4
15'
= — ттсР
тгР ~2~'
Пример радиоизображения вспышки, по которому определялись значения й и Б, представлен на рис. 1.
Результаты расчета параметров плазмы (объем петли V, максимальная мера эмиссии ЕМ, максимальная температура излучающего источника, максимальная электронная концентрация п0, максимальная оптическая толщина источника т) для исследованных вспышечных петель представлены в табл. 1.
4. РАСЧЕТ ПОТОКА ТЕПЛОВОГО ТОРМОЗНОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
Ниже приведено описание расчета потока теплового тормозного излучения фоновой плазмы в радиодиапазоне на основе [ 1]. Коэффициент поглощения kf и излучательная способность фоновой плазмы af при наблюдаемых во вспышках температурах плазмы Т равны соответственно
k
f
af
8
з\
^ 8 ^ — -1
3
q6Z 2ПоП , 4kT
1п ■
п (kТте)3/2с/2 5Н/
q6Z2nоni , 4kT
л/кТгпе/2сг
1п
5Н/'
где 5 = 1.78. Здесь е = 1 —-рт — диэлектрическая
а р
проницаемость плазмы, Д = уУ/тл- плазменная частота, п0 — концентрация электронов, те — масса электрона, q — заряд электрона, Z — атомное число, veff — частота соударений электронов с другими частицами, щ — концентрация ионов, k — постоянная Больцмана. В условиях солнечной
короны и хромосферы veff
5.5 щ
т3/2
1п 104
Т 2/3
Т/г
п,
(11
где
т = / kf d^kf Ь
I
(12)
(8)
— оптическая толщина источника на частоте /.
В случае, когда т ^ 1, имеем ^ = af Ь, где Ь — глубина источника (толщина петли Ь = й). Для определения потока теплового тормозного излучения в радиодиапазоне необходимо умножить интенсивность излучения на телесный угол, в котором видна вспышечная петля:
Р = I //(Ш^//^, (13)
п °
где Б — площадь излучающей поверхности петли, К — растояние от Земли до Солнца. Телесный угол, в котором видна петля, определяется по наблюдаемым контурам радиояркости (О = Б/К2;,, где Б — площадь петли на радиокарте на уровне 0.5 от максимума). Таким образом, учитывая, что в условиях солнечной короны щ = п0 и Z = 1, получаем окончательное выражение для потока излучения из оптически тонкого радиоисточника:
¿^ = 2.13-
q6nо
3/2 3 те С3
1п
АкТ
Ж/
ьпГ
(14)
После по
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.