ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 2, с. 185-193
КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА
УДК 523.985
К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМАХ ФОРМИРОВАНИЯ "ЗЕБРА"-СТРУКТУРЫ В РАДИОИЗЛУЧЕНИИ СОЛНЦА © 2009 г. А. И. Лаптухов, Г. П. Чернов
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН
Троицк, Московская область, Россия Поступила в редакцию 27.03.2008 г. Окончательный вариант получен 15.07.2008 г.
Обсуждается природа "зебра"-структуры в континуальных солнечных радиовсплесках IV типа. Наиболее разработанными моделями являются механизм, основанный на двойном плазменном резонансе, и механизм взаимодействия плазменных волн с вистлерами. Только за последние 5 лет вышло около 10 работ по усовершенствованию механизма, основанного на двойном плазменном резонансе, поскольку в первоначальном виде он не отвечал многим параметрам зебра-структуры. Показано, что усовершенствованная модель этого механизма со степенной функцией распределения внутри конуса потерь оказывается неосуществимой в любых моделях корональной плазмы. В последних работах рассматривается формирование зебра-структуры в ходе распространения электромагнитных волн в короне. Здесь мы оцениваем все модели. Анализ последних теорий позволяет заключить, что любые формы зебра-структуры могут формироваться в ходе распространения радиоволн в короне, если они встречают на своем пути неоднородности плазмы различных масштабов. Сверхтонкую структуру полос типа "зебры" в виде миллисекундных спайков со строгим периодом ~30 мс можно объяснить механизмом континуального радиоизлучения в самом радиоисточнике, если предположить, что неоднородности плазмы создаются волной конечной амплитуды с таким же периодом.
РАСЯ: 94.05.-a, 96.60.Tf
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования тонкой структуры солнечных радиовсплесков очень важны как для уточнения механизмов генерации самих всплесков, так и для диагностики плазмы солнечной короны. Самой интригующей тонкой структурой несомненно является "зебра"-структура (ЗС) в континуальных радиовсплесках IV типа [1]. ЗС в радиоизлучении Солнца представляет собой возбуждение колебаний сразу на многих (до нескольких десятков) близко расположенных дискретных приблизительно эквидистантных частотах. На рис. 1 приведен пример динамического спектра ЗС в метровом диапазоне волн, показывающий большое разнообразие частотного дрейфа полос и частотного разделения между полосами [2]. На рис. 2 показан фрагмент ЗС в микроволновом диапазоне, демонстрирующий большое число полос (34 полосы в интервале частот 2.6—3.8 ГГц) и сверхтонкую структуру полос в виде периодических всплесков (спайков миллисекундной длительности) [3].
Дискуссия о природе "зебра"-структуры (ЗС) продолжается уже более 30 лет [4, 5]. Наиболее разработанными моделями являются механизм на двойном плазменном резонансе (ДПР) и механизм взаимодействия плазменных волн с вистле-рами [1]. Чаще всего обсуждается механизм, ос-
нованный на ДПР, когда на дискретных уровнях в короне верхнегибридная частота становится равной целому числу электронных циклотронных гармоник. Только за последние 5 лет вышло около 10 работ по усовершенствованию этого механизма, поскольку в первоначальном виде [4, 5] он не отвечал многим параметрам ЗС. Если рассматривать ЗС в рамках данного механизма, то возникает ряд проблем при интерпретации наблюдаемых параметров ЗС и оценках параметров короны: отсутствие достаточной глубины модуляции между пиками инкремента на соседних гармониках одновременно с возможностью возбуждения на многочисленных уровнях ДПР; величина магнитного поля, определенная по частотному разделению между полосами ЗС, мала, что приводит к большому значению плазменного бета, которое для корональной магнитной ловушки должно быть <1. Авторы работы [6] предположили, что функция распределения энергичных электронов может быть степенной (внутри конуса потерь) с большим спектральным индексом ~ 8—10 (по импульсам частицр = шУ). В этом случае достигается достаточная глубина модуляции, но и тогда возбуждение на многочисленных уровнях ДПР не обеспечивается. Этот механизм предполагает, в частности, противоречивое требование быстрого изменения магнитного поля в источнике для объ-
МГц ИЗМИРАН
Рис. 1. Динамический спектр "зебра"-структуры в метровом диапазоне волн (рис. 6 в [2]).
01:48:30.0 01:48:35.0 0 0.1 0.2 0.3
время, ит время, с
Рис. 2. "Зебра"-структура в интервале частот 2.6—3.8 ГГц. Справа приведен увеличенный фрагмент спектра, демонстрирующий миллисекундную сверхтонкую структуру полос в виде периодических всплесков, показанных для наглядности изолиниями равной интенсивности (рис. 1 в [3]).
яснения динамики полос ЗС, которое не согласуется со слишком малыми значениями поля, определяемыми по частотному разделению между полосами.
Предлагалась единая модель образования полос в излучении и поглощении на основе наклонного распространения вистлеров для ЗС и канализированного распространения вдоль магнитной ловушки для полос со стабильным отрицательным частотным дрейфом (называемых
волокнами или "fiber bursts") [1, 7—9]. Эта модель объясняет наблюдаемый иногда непрерывный переход полос ЗС в волокна и обратно, но возникают трудности с объяснением полос ЗС, стабильных во времени и по частоте в течение десятков секунд.
Для устранения трудностей, возникающих в разных моделях, недавно предложена новая теория ЗС [10], основанная на механизме излучения авроральных "хоров" (магнитосферных всплес-
ков) за счет просачивания ^-моды, захваченной в регулярные неоднородности плотности плазмы. Эта теория, однако, не может объяснить высокую интенсивность излучения из-за некогерентности излучения отдельных изолированных источников. Кроме того, теория предполагает выполнение некоторых жестких условий, в частности, необходимость генерации мощной ионно-звуковой волны.
Спектр собственных частот неоднородной плазмы, как известно [11], может быть дискретным, поэтому явление ЗС в радиоизлучении Солнца естественно объяснить как следствие существования дискретных собственных частот в неоднородной солнечной атмосфере, возбуждаемых каким-либо механизмом во время вспышек.
Этот механизм уже рассматривался в нескольких аспектах [12—14]. В [12] получены дисперсионные уравнения для дискретного спектра собственных частот пространственно периодической среды, которая создается благодаря развитию тепловой неустойчивости в виде нелинейных структур. Рассчитан спектр собственных частот таких периодических в пространстве резонаторов и показано, что они вполне способны генерировать десятки полос ЗС, число которых не зависит от соотношения плазменной и гироча-стоты в источнике.
В этой работе мы попытаемся оценить, какая модель наиболее адекватно соответствует наблюдениям, и прежде всего, где должно происходить формирование полос (в источнике, самим механизмом возбуждения, или в ходе распространения). Проведенные дополнительные расчеты показывают, что механизм ДПР не может обеспечить большого числа полос ЗС ни в одной реальной модели корональной плазмы. Механизм дискретных собственных частот периодически неоднородной плазмы [12] может обеспечить достаточно большое наблюдаемое число гармоник. Однако при этом речь идет действительно только о принципиальной возможности существования гармоник (решается стационарная задача по одной координате), т.е. временная и частотная динамика полос не рассматривается.
2. ЧТО ДАЮТ НОВЫЕ ТЕОРИИ
ПО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ
МОДЕЛИ ЗС НА ДПР?
Механизм [10] можно считать самым большим
шагом в попытках усовершенствования модели на ДПР. Высвечивание ^-моды рассматривается на одном уровне ДПР (точечный радиоисточник), а гармоники являются собственными модами, просачивающимися через регулярные неоднородности, в качестве которых выбрана ионнозвуковая волна. Большое число гармоник достигается только при сильной ионнозвуковой
волне, обеспечивающей контраст плотности в не-однородностях ~20%. Однако, как показано в [15], такая сильная волна маловероятна в короне, более реальные величины контрастности скорее составляют ~2%. Тогда этот механизм может создать лишь несколько полос ЗС, тогда как иногда наблюдается до нескольких десятков полос (рис. 2). Наиболее слабым пунктом этой теории, по нашему мнению, является невозможность получения высокой интенсивности излучения из-за некогерентности излучения отдельных изолированных источников.
В основополагающих первых работах по теории ДПР [4, 5], была выбрана острая функция распределения быстрых частиц по скоростям. Разброс по скоростям считался бесконечно малым, что маловероятно, и расчеты инкрементов верхнегибридных волн не давали реальной картины [1]. Наглядно это показано в работе [6], где в выражении для антиэрмитовой части диэлектрической проницаемости оставлен член разброса по скоростям (точнее по импульсам частиц Ар/р). Тогда при реальных значениях разброса ~0.1 с функцией распределения с конусом потерь достаточная глубина модуляции между гармониками (максимумами инкремента) не обеспечивается. Однако расчеты авторов, использовавших степенную функцию распределения при показателе 8—10 (по импульсам), дали достаточную глубину модуляции, при которой реально можно получить ЗС на многих гармониках. Крутой степенной спектр частиц здесь является как бы аналогом небольшого разброса по скоростям, хотя такие спектры обычно наблюдаются, особенно в повторяющихся вспышечных уярчениях в жестком рентгеновском излучении (данные с КА RHESSI).
Авторы применяют свои расчеты для интерпретации 34 полос ЗС со сверхтонкой структурой полос в виде миллисекундных спайков в диапазоне 2.6—3.8 ГГц (рис. 2) в предположении строгого периода ускорения электронных пучков. Однако если проверить возможность одновременного возбуждения на 34 уровнях ДПР в короне для обычных зависимостей концентрации от высоты по барометрической формуле /р = /Р0ехр[-(Н - Нт)/10АТ] (используемой авторами) и магнитного поля по формуле, полученной в [16] по радиоданным, В = = 0.5(й/Я,)-15 (Я, — радиус Солнца), то оказывается, что 34 уровня ДПР растягиваются в короне до высот ~65 000 км, которые по всем представлениям обычно соответствуют плазменной частоте
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.