АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2013, том 90, № 8, с. 665-675
УДК 523.98-334.7
АКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ МИНИМУМА ПРОШЕДШЕГО СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА: СВЯЗЬ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ТОКАМИ
© 2013 г. И. Ю. Григорьева1*, М. А. Лившиц2, Г. В. Руденко3, И. И. Мышьяков3
1Главная астрономическая обсерватория Российской академии наук, Пулково, С.-Петербург, Россия
2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук, Москва, Троицк, Россия
3Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук,
Иркутск, Россия Поступила в редакцию 30.11.2012 г.; принята в печать 07.12.2012 г.
Проанализирована совокупность данных о небольших активных областях (АО) на Солнце за три года (2007—2009 гг.). Показано, что в очень спокойных условиях (при низком уровне рентгеновского фона) форма корональных петель некоторых АО достаточно хорошо соответствует ходу силовых линий, вычисленному в потенциальном приближении. Это относится к нескольким АО (например, к группе 10999 в июне 2008 г.), где вспышки мощнее В3 вообще не наблюдались. Микроволновое излучение этой АО, зарегистрированное на РАТАН-600, было очень слабым и поляризация фактически отсутствовала. В большинстве групп наблюдались субвспышки. На примере группы 10933 (январь 2007 г.) продемонстрировано, что для таких АО характерно возрастание мягкого рентгеновского излучения от нескольких до десяти раз, одновременно с некоторым увеличением потока микроволнового излучения. При этом к северо-западу от основного пятна АО 10933 развивается источник с противоположным направлением поляризации. Серия магнитограмм SOHO/MDI (а также Hinode) показывает, что перед развитием этого поляризованного источника происходит всплытие нового магнитного поля, продолжающееся несколько часов 8 января 2007 г. С использованием наблюдений полного вектора магнитного поля (данные Hinode) и метода нелинейной экстраполяции бессиловых магнитных полей получена оценка плотности тока на поверхностях, располагающихся на различных высотах. Проинтегрированный по высоте ток существенно усилен в двух узлах над нейтральной линией поля вблизи места основного всплытия поля. Таким образом, подтверждается то, что всплытие нового магнитного поля является основным фактором эволюции АО на всех стадиях их существования. Развитие этих представлений может помочь в выяснении взаимосвязи между усилением токов, нагревом плазмы и ускорением частиц, как в слабых АО, так и в мощных комплексах активности.
DOI: 10.7868/S0004629913080021
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время значительно увеличился поток наблюдательных данных, относящихся к внешним слоям солнечной атмосферы. Результаты наблюдений наземных солнечных телескопов начали уступать новой информации, получаемой с таких космических аппаратов как SOHO, TRACE, STEREO, Hinode и SDO. Это относится не только к исследованию потоков излучения, но и к детальному изучению магнитных полей. До сих пор основное внимание уделялось изучению нестационарных процессов — вспышек и корональных вы-
E-mail: maliv@mail.ru
бросов массы (СМЕ). В этой статье мы хотели обратить внимание на то, что сейчас имеются хорошие предпосылки для серьезного анализа общих вопросов, относящихся к строению и развитию центров солнечной активности. Эта задача была поставлена еще в 60-х гг. прошлого века в монографии Шкловского [1], где были введены известные термины о перманентных и спорадических коро-нальных конденсациях. Сейчас эти термины используются исключительно редко, но новой классификации фактически не появилось.
В очень большом количестве работ изучаются отдельные характеристики активных областей (АО) и связь температуры и плотности с полем
скоростей и магнитными полями. Развитие этих исследований можно проследить от первых работ, относящихся к интерпретации данных спутника Yohkoh, до последних — с изложением современных представлений о возможном строении АО в короне [2]. Развитие АО принято связывать с эволюцией магнитных полей в соответствующей области фотосферы Солнца. Однако только в последнее время всплытие нового магнитного поля (в англоязычной литературе — всплытие потока) можно сейчас рассматривать как существенный фактор развития АО в целом.
Кроме определенного пересмотра классификации АО, представляет также интерес исследование самого начала развития групп пятен или изучения небольших АО. Прошедший минимум цикла характеризовался тем, что необычайно низкий уровень активности продолжался очень долго, фактически с начала 2007 г. по 2009 г. Это дает возможность исследовать зарождение и первые этапы развития АО. В предыдущие минимумы циклов такие исследования не удавалось успешно провести ввиду значительных флуктуаций фонового излучения, в частности в мягком рентгеновском диапазоне, и отсутствия возможностей изучения магнитных полей с необходимым пространственным и временным разрешением.
Целью настоящего исследования является выяснение того, действительно ли всплытие нового магнитного поля является определяющим фактором развития активных процессов в короне. В связи с этим возникла и новая проблема, связанная с выяснением роли электрических токов в развитии нестационарных процессов. Сама возможность серьезного изучения этого вопроса появилась благодаря измерениям полного вектора магнитного поля с достаточно высоким пространственным и временным разрешением на космических аппаратах (КА) Hinode и SDO. Этот вопрос стал более актуален и в связи с обнаружением жесткого рентгеновского излучения субвспышек на КА Suzaku. Неожиданным явилось то, что в этих событиях были обнаружены электроны с энергиями более 100 кэВ, но само число таких ускоренных частиц оказалось достаточно малым. Это свидетельствует о том, что процессы ускорения оказываются возможными уже на первоначальной стадии развития АО.
Основное внимание в этой статье уделяется развитию процессов в короне на высотах от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров. Кроме наблюдений в вакуумном ультрафиолете и мягком рентгеновском диапазоне, мы широко используем данные РАТАН-600 на микроволнах и расчеты магнитных полей на соответствующих высотах.
Статья содержит краткие сведения о приборах, с помощью которых получены данные о солнечной активности (раздел 2). Далее в разделе 3 кратко упоминаются выделенные нами типы небольших АО и подробно описаны несколько примеров АО различных типов, включая рассмотрение характеристик и эволюцию магнитных полей. В разделе 4 приведены выводы и обсуждение места полученных результатов в общей проблеме возникновения нестационарных процессов в магнитосферах АО; кратко обсуждается также возможная взаимосвязь возникновения токов, нагрева плазмы и ускорения частиц в небольших АО.
2. НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
В нашей работе использовалась совокупность данных о солнечной активности. Профили мягкого рентгеновского излучения заимствовались из данных спутников GOES, включая в некоторых случаях прибор GOES Imager.
Регулярные многоволновые наблюдения Солнца в микроволновом диапазоне (РАТАН-600) позволяют проследить динамику излучения областей и обнаружить особенности, возникающие на различных стадиях их развития [3]. Двумерные карты Солнца, получаемые на Сибирском солнечном радиотелескопе (ССРТ; 5.7 ГГц) [4] и японском Радиогелиографе Нобеяма (NoRH, 17 ГГц) [5], прослеживают пространственное расположение источников в нижней короне. Информация о магнитных полях была получена по данным прибора MDI/SOHO (продольное поле) и данным КА Hinode (прибор SOT; полный вектор магнитного поля с разрешенной ^-неопределенностью направления поперечного поля методом [6]).
3. ТИПЫ АКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ
В МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА
В начале этой работы были просмотрены данные о наблюдениях групп пятен за 3 года с 2007 по 2009 гг. включительно в различных диапазонах: оптический диапазон и вакуумный ультрафиолет (ВУФ).
В этот период на диске Солнца было зарегистрировано около 100 групп пятен. Анализ поведения мягкого рентгеновского излучения по GOES, включая данные прибора GOES Imager, позволил оценить вклад каждой из групп в полный поток Солнца и составить представление о вспышеч-ной активности рассматриваемой группы. Удалось условно выделить три типа небольших АО, наблюдавшихся в этот период. Всего о нескольких группах можно было сказать, что в них вообще не наблюдалось субвспышек, которые превышали
уровень 10-7 Вт/м (В1). Более типичным оказался случай, когда при возникновении группы поток мягкого рентгеновского излучения возрастал и отмечалась некоторая вспышечная активность. Обычно в данный день развивалось одна или несколько субвспышек, затем были 2—3 спокойных дня, и такое поведение АО повторялось. Для нескольких групп дополнительно использовались данные STEREO для анализа поведения ВУФ до восхода или после захода групп за лимб, видимый для наблюдения с Земли или с околоземных орбит. Те группы пятен, в которых развивались вспышки мощнее балла С3, были отнесены к третьему типу, непосредственно примыкающему к обычным мощным АО, наблюдавшимся на фазах более высокой активности солнечного цикла.
Изучению различий поведения этих трех типов АО в микроволновом излучении, а также сопоставлению потоков излучения с магнитными полями посвящены следующие разделы статьи.
,3.1. Активные области с отсутствием токов в короне
Многие процессы на Солнце часто связываются с протеканием электрических токов во внешних слоях атмосферы. В предыдущий минимум цикла — 1996—1997 гг. — один из авторов этой работы попытался найти ответ на обратный по существу вопрос: существуют ли вообще АО, в которых токи полностью отсутствуют. Иначе говоря, есть ли такие АО, где поле над фотосферой является потенциальным. В то время не удалось найти убедительный ответ на поставленный вопрос ввиду двух трудностей. Первая была связана с недостаточной точностью наблюдений полного вектора магнитного поля. Кроме того, продолжительное существование АО нарушалось мелкомасштабными явлениями — развитием очагов активности вблизи АО и появлением течений и изменениями фонового магнитного поля в хромосфере и нижней короне вблизи них.
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.