НАГРЕВ ПЛАЗМЫ ДО СВЕРХВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР (>30 МК) В СОЛНЕЧНОЙ ВСПЫШКЕ 9 АВГУСТА 2011 ГОДА
(© 2015 г. И. Н. Шарыкин1*, А. Б. Cтруминский1'2, И. В. Зимовец1
1 Институт космических исследований РАН, Москва 2Московский физико-технический институт (Государственный университет)
Поступила в редакцию 29.04.2014 г.
Исследуется солнечная вспышка 9 августа 2011 г. рентгеновского класса Х6.9, которая является самой "горячей" вспышкой с 2000 по 2012 гг., с максимальной температурой плазмы по данным GOES «32.5 МК. Целью работы является определение причины такой аномально высокой температуры плазмы, а также исследование энергетического баланса во вспышечной области с учетом наличия сверхгорячей плазмы (>30 МК). Мы анализируем данные RHESSI, GOES, AIA/SDO и EVE/SDO, обсуждаем пространственную структуру вспышечной области и результаты спектрального анализа ее рентгеновского излучения. Анализ рентгеновских спектров по данным RHESSI проводится в рамках одно- и двухтемпературного приближения c учетом излучения горячей (^20 МК) и сверхгорячей (^45 МК) плазмы. Спектр жесткого рентгеновского излучения в обеих моделях аппроксимируется степенными функциями. Показано, что наблюдаемые особенности вспышки лучше объясняются с помощью двухтемпературной модели, в которой сверхгорячая плазма располагается в вершинах вспышечных петель (или области магнитного каспа). Формирование сверхгорячей плазмы может быть связано с ее нагревом за счет первоначального энерговыделения и подавлением теплопроводности. Аномально высокая температура (33 МК по GOES) скорее всего является артефактом метода расчета температуры по двухканальным измерениям GOES в рамках однотемпературного приближения, примененного к излучению многотемпературной вспышечной плазмы с малым вкладом низкотемпературной части дифференциальной меры эмиссии.
Ключевые слова: солнечная вспышка, рентгеновское излучение, ускоренные электроны.
DOI: 10.7868/S0320010815020072
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
О мощности солнечных вспышек принято судить по интенсивности мягкого рентгеновского излучения (SXR), зарегистрированного в канале 1 — 8 A рентгеновским детектором космических аппаратов (КА) GOES. Рентгеновским баллом (классом) вспышки считается максимальная средняя интенсивность, зарегистрированная за 1 мин. По данным измерений GOES в двух энергетических
каналах (второй канал 0.5—4.0 A), можно оценивать температуру T и меру эмиссии EM плазмы в однотемпературном приближении (Томас и др., 1985), причем температура тем больше, чем меньше разница между потоками в обоих каналах.
В работе (Райан и др., 2012) был проведен статистический анализ потоков мягкого рентгеновского излучения, температуры и меры эмиссии солнечных вспышек поданным GOES. Из результатов данной работы видно, что относительный разброс
Электронный адрес: ivan.sharykin@phystech.edu
вспышечных температур достаточно невелик по сравнению с разбросом меры эмиссии, и значения T > 30 МК достаточно редки, причем события с температурами выше данного условного порога могут быть отнесены к "сверхгорячим" (Каспи и др., 2014). Однако оценка температуры по GOES исходит из однотемпературного приближения, которое справедливо далеко не всегда. Для того чтобы получить более точные сведения о распределении температуры во вспышечной области, необходимо использовать спектральные наблюдения рентгеновского и ультрафиолетового излучений.
В данной работе исследуется уникальная солнечная вспышка GOES класса X6.9, произошедшая 9 августа 2011 г. Уникальность данного события заключается в большой температуре плазмы, которая оценивается по данным GOES «32.5 МК (таблица). Такое значение температуры позволяет отнести данное событие к сверхгорячим вспышкам и, более того, оно является самым горячим событием среди вспышек M и X классов (рис. 1) с 2000 по
Таблица 1. Сравнение вспышек 9 августа 2011 г. (Х6.9) и 23 июля 2002 г. (Х4.8) по наблюдениям с помощью КА GOES
Вспышка (GOES класс), дата и UT время /max(1-8 А), Ю-4 Вт/м2 W0.5-4A), 10"4 Вт/м2 (h/h) max Tmax, МК EMmax, 1049 см-3
9 августа 2011 (Х6.9), 07:40 6.9 3.5 0.47 32.5 29.2
23 июля 2002 (Х4.8), 00:30 4.8 1.7 0.33 22.6 23.9
2012 г. Однако наличие высоких температур вспы-шечной плазмы может быть достоверно установлено только с помощью детального спектрального анализа (например, высокая температура может быть связана с нетепловым излучением, которое вносит вклад в коротковолновый канал GOES).
Одно из первых исследований сверхгорячей вспышечной плазмы было сделано по данным наблюдений SMM в работе (Свестка, Полетто, 1985), где обсуждается связь наблюдаемой сверхгорячей плазмы с пересоединением. По данным SMM в работе (Дэн, Сомов, 1989) описываются наблюдения сверхгорячих точек с температурами 50—60 MK В работе (Ковалев и др., 2001) исследуются сверхгорячие структуры с температурами 20—50 МК, наблюдаемые КА Yohkoh. Определение температуры по данным SMM и Yohkoh в указанных работах было основано на наблюдениях не в двух каналах, как в случае с GOES, а трех-четырех. Однако воз-
102
о
Ы01
100
5 10 15 20 25 30 35 40 T, МК
Рис. 1. Диаграмма максимальная мера эмиссии — максимальная температура для вспышек класса М и Х за период 2000—2012 гг. по данным GOES. Черным и серым крестом обозначены соответственно вспышки 9 августа 2011 г. и 23 июля 2002 г.
можно, что нетепловое излучение давало сильный вклад в высокоэнергетические каналы и анализ был некорректен. Современный КА RHESSI обладает гораздо лучшим пространственным, временным и спектральным разрешением, что позволяет осуществлять более надежный анализ температуры вспышечной плазмы.
Спектральный анализ рентгеновского излучения по данным RHESSI показывает наличие в некоторых вспышках плазмы с температурой ^40 МК. Например, Каспи и Лин (2010) проанализировали рентгеновский спектр вспышки 23 июля 2002 г. (X4.8) в двухтемпературном приближении и нашли максимум температуры более горячей компоненты ^45 МК. В таблице приведено сравнение вспышек 23 июля 2002 г. и 9 августа 2011 г. по данным GOES. Событие 9 августа 2011 г. по данным GOES горячее на 10 МК, чем событие 23 июля 2002 г. (рис. 1). При таком различии в температурах можно предположить, что сверхгорячая плазма в событии 9 августа 2011 г. вносит более существенный вклад в поток рентгеновского излучения по сравнению с 23 июля 2002 г. В работе (Лиу и др., 2013) короткий всплеск рентгеновского излучения (12—25 кэВ, RHESSI) во вспышке класса B, произошедшей 26 июня 2002 г., рассматривался тепловым с характерной максимальной температурой ^36 МК. Продолжением работы (Каспи, Лин, 2010) было статистическое исследование (Каспи и др., 2014), где обсуждается возможность нагрева плотной корональной плазмы до сверхгорячих температур.
Наличие сверхгорячей плазмы в области первоначального энерговыделения солнечной вспышки ранее обсуждалось в теоретической работе (Сомов, Косуги, 1997). Факт наличия сверхгорячей плазмы важен для исследования процессов первичного вспышечного энерговыделения и ускорения частиц, тогда как плазма "типичных" вспышечных температур по данным GOES, по-видимому, связана с хромосферным "испарением" (Фишер и др., 1985; Бойко, Лифшиц, 1995), т.е. является вторичным явлением по отношению к первичному энерговыделению.
Целью работы является определение причины аномально высокой температуры, определенной по
данным КА GOES, в событии 9 августа 2011 г. и исследование энергетического баланса во вспы-шечной области, учитывая наличие сверхгорячей плазмы с температурой более 30 МК. Далее будут представлены: данные наблюдений рентгеновского излучения КА GOES и RHESSI, а также пространственно разрешенные наблюдения экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения AIA/SDO (раздел 1); анализ спектров RHESSI в двухтемпературном и однотемпературном приближениях (раздел 2); обсуждение возможной причины аномально высокой температуры по GOES (раздел 3); обсуждение энергетического баланса и ускорения электронов во вспышечной области (раздел 4); обсуждение полученных результатов и выводы (разделы 5 и 6).
1. НАБЛЮДЕНИЯ 1.1. Данные
В работе используются данные наблюдений следующих инструментов:
1. Детекторы мягкого рентгеновского излучения GOES-15 (Geostationary Operational Environmental Satellite): наблюдения SXR излучения в коротковолновом (0.5—4 A) и длинноволновом (1—8 A) каналах. Временное разрешение составляет 2 с. Данные GOES используются для исследования временной динамики нагрева плазмы.
2. Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, RHESSI (Лин и др., 2002): пространственно-разрешенные и спектральные наблюдения рентгеновского излучения в широком диапазоне энергий 3 кэВ—7 МэВ. В нашей работе мы исследуем рентгеновское излучение только в диапазоне 3—300 кэВ, чтобы понять пространственную структуру, динамику нагрева плазмы и ускорения электронов.
3. Atmospheric Imaging Assembly, AIA (Лемен и др., 2012) на борту КА SDO (Solar Dynamics Observatory): пространственно разрешенные наблюдения ЭУФ излучения (94, 131, 171, 193, 211, 304 и 335 A) и наблюдение УФ-излучения (1600 и 1700 A). Временное разрешение составляет 12 с и пространственное разрешение 1.2" (размер пикселя 0.6"). В нашей работе мы используем только данные наблюдений 94 A, так как этот канал обладает самой слабой чувствительностью и ПЗС матрица испытывает меньшее перенасыщение во время солнечных вспышек. Данные AIA используются для исследования пространственной структуры вспышечной области.
4. Extreme Ultraviolet Variability Experiment, EVE (Вудс и др., 2012) на борту КА SDO-стектральные наблюдения УФ-излучения всего
диска Солнца. Временное разрешение составляет 10 с, диапазон длин волн 6.5—60.0 нм со спектральным разрешением 0.02 нм. УФ-спектры используются для оценки радиационных потерь вспышечной области в УФ-диапазоне.
Для обработки данных наблюдений используется пакет программ Solar Software (http://www. lmsal.com/solarsoft/).
1.2. Наблюдения вспышки
На рис. 2 представлены временные профили темпа счета рентгеновских фотонов КА RHESSI и потока рентгеновского излучения по данным КА GOES. Во вспышке выделяется предымпульс-на
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.