УДК524.3-78, 523.947
О МАГНИТНОМ ПЕРЕСОЕДИНЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ
В СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШКАХ
© 2012 г. Б. В. Сомов*
Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ, Москва
Поступила в редакцию 02.08.2011 г.
Вопрос о роли электрических токов, распределенных по объему активной области на Солнце, рассматривается с точки зрения физики солнечных вспышек. Предлагается включить электрические токи в топологическую модель магнитного поля активной области. Применительно ко вспышке балла M7/1N 27 апреля 2006 г. получены оценки характерных значений коэффициентов взаимной индукции и энергии взаимодействия корональных электрических токов, текущих вдоль петель магнитного поля. Показано, что если эти токи действительно дают существенный вклад в энергетику вспышки, они должны проявлять себя в магнитных полях на фотосфере. В зависимости от ориентации распределенные токи могут как помогать, так и мешать процессу пересоединения в токовом слое на сепараторе во время вспышки. Несимметричное пересоединение токов сопрождается их прерыванием и индукционным изменением энергии. Пересоединение токов во вспышках существенно отличается от обычной неустойчивости слияния магнитных островов в токовых слоях. Необходимы высокоточные измерения магнитного поля в активных областях для количественного исследования роли распределенных токов в солнечных вспышках.
Ключевые слова: солнечная активность, вспышки, магнитное пересоединение.
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что электрические токи в солнечной короне порождаются многими процессами: вихревыми и сдвиговыми течениями плазмы в фотосфере, вращением солнечных пятен и т.д. Более того, электрические токи, генерируемые под фотосферой, всплывают в корону вместе с магнитными полями и плазмой. Полагают, что магнитная энергия токов в короне активной области может превышать энергию самых больших вспышек. Однако, в отличие от тонких токовых слоев на сепараторах и сепаратрисах магнитного поля, эти токи обычно распределены по большому объему магнитных трубок. Скорость их диссипации в условиях высокой проводимости корональной плазмы пренебрежимо мала. Между тем, взаимодействие этих токов и их влияние на динамику солнечных вспышек, предположительно, не является слабым. Как именно влияют распределенные токи на процесс магнитного пересоединения в солнечных вспышках? Как участвуют они в нем? Эти вопросы до сих пор остаются открытыми.
Первые представления о магнитном пересоединении электрических токов в солнечной короне появились давно в связи с изучением структуры и
Электронный адрес: somov@sai.msu.ru
эволюции магнитных полей в комплексах активности (Эну, Сомов, 1987). Тогда было показано, что перераспределение крупномасштабных электрических токов между взаимодействующими активными областями: (а) может быть связано с магнитным пересоединением на сепараторе магнитного поля в короне и (б) может объяснить направление эволюции комплексов активности, их способность производить большие солнечные вспышки (Сомов, 1992). Хотя в теоретическом плане ситуация казалась довольно очевидной (см. Сомов, 2006b, § 14.4), однако до сих пор не было убедительных свидетельств магнитного пересоединения электрических токов в короне, т.е. именно там, где находятся источники энергии вспышек.
Современные многоволновые наблюдения, обладающие высоким пространственным и временным разрешением, позволяют решить эту задачу. Например, Кумар и др. (2010) детально изучили вспышку балла M7.9/1N 27 апреля 2006 г. в активной области NOAA 10875. Рентгеновские изображения этой вспышки, полученные на космических аппаратах GOES и RHESSI, изображения в линии 195 A со спутника TRACE, вместе с магнитограммами, полученными с помощью магнитометра MDI на космической обсерватории SOHO, и наземными радио- и оптическими наблюденими продемонстрировали наличие в короне двух магнитных
Рис. 1. Негативные изображения вспышки 27 апреля 2006 г. в линии 195 A, полученные со спутника TRACE. (а) — Начало вспышки; видны две параллельные структуры, напоминающие петли; однако нет петель, соединяющих эти структуры между собой. (б) — Через две минуты после начала вспышки; стрелки D показывают расстояние между первичными взаимодействующими петлями. Кроме того, видны пересоединяющиеся петли: FP1 (L1) и FP2 (L1) — основания петли L1, FP1 (L2) и FP2 (L2) — основания петли L2, а также пересоединенные петли. Рисунок любезно предоставлен П. Кумаром (ARIES).
структур, несущих большие электрические токи. Взаимодействие этих токов, по мнению Кумара и др. (2010), носит характер неустойчивости слияния магнитных островов (Харуки, Сакай, 2001). Она приводит к пересоединению взаимодействующих токов, является причиной вспышки и, предположительно, источником ее энергии.
Цель настоящей работы — количественная интерпретация эффекта магнитного пересоединения электрических токов в данной вспышке. План статьи таков. В разделе 2 кратко суммированы результаты наблюдений, демонстрирующих взаимодействие и пересоединение крупномасштабных электрических токов в короне. В разделе 3 представлена хорошо известная топологическая модель магнитного поля, в которую добавлены электрические токи. Взаимодействие этих токов рассматривается с физической точки зрения в разделе 4. Затем в разделе 5 обсуждается взаимодействие распределенных токов с пересоединяющим токовым слоем на сепараторе магнитного поля активной области. В разделе 6 представлен эффект топологического прерывания крупномасшабных токов, обусловленный тем, что в общем случае магнитное пересоединение симметрично по пересоединяемым магнитным потокам, но несимметрично по пересоединяемым электрическим токам. Общие черты и различия между явлением магнитного пересоединения токов в активной области и неустойчивостью слияния магнитных островов обсуждаются в разделе 7. Выводы сформулированы в разделе 8.
2. СВОДКА ГЛАВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Кумар и др. (2010) изучили изображения вспышки балла M7.9/1N 27 апреля 2006 г. в последовательные моменты времени, начиная с предвспышечного состояния, в мягком рентгеновском излучении, полученные при помощи рентгеновского телескопа SXI на космическом аппарате GOES, в жестком рентгеновском излучении, полученные на спутнике RHESSI, и в линиях 1600 и 195 A, полученные на спутнике TRACE. В качестве примера на рис. 1 представлены два изображения в линии 195 A: первое в момент времени 15:46:40 UT непосредственно перед началом импульсной фазы вспышки (а), второе — спустя две минуты (б). Видно, сколь сильно отличаются эти изображения. На первом хорошо видны две длинные структуры. Следуя Кумару и др. (2010), будем называть их взаимодействующими петлями, предполагая, что они представляют собой взаимодействующие трубки магнитного поля. При этом на рис. 1а нет заметных петель, которые располагались бы между ними. Напротив, на втором изображении (рис. 1б) видны не только две первичные петли, но и магнитные петли, соединяющие эти взаимодействующие петли между собой. Кумар и др. (2010) полагают, что новые петли являются результатом магнитного пересоединения взаимодействующих петель, несущих большие электрические токи.
Действительно, изображение вспышки в момент времени 15:48:46 UT можно понимать как результат взаимодействия магнитных петель, расстояние между которыми показано стрелками D. Кумар и
др. (2010) анализируют изменение величины D в ходе солнечной вспышки, приводят оценки электрических токов и других характерных параметров. Согласно Кумару и др., во время вспышки между взаимодействующими петлями расположена пересоединяющая Х-точка (ее хорошо видно на рис. 1б) и новые, пересоединенные петли магнитного поля. На самом деле, как будет показано в следующем разделе, рассматриваемое явление не сводится к пересоединению в отдельной Х-точке или двумерной Х-линии, а представляет собой более сложный, трехмерный процесс пересоединения линий магнитного поля и текущих вдоль них электрических токов на расположенном в короне сепараторе крупномасштабного магнитного поля.
3. ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕСОЕДИНЯЮЩИХСЯ ТОКОВ
Отвлекаясь от тонкой структуры взаимодействующих магнитных полей в короне, удобно рассматривать их крупномасштабную организацию в терминах так называемых топологических моделей (см. Сомов, 2006б, глава 3), иллюстрируемых в простейшем варианте рис. 2. Здесь все наблюдаемые источники магнитного поля в фотосфере внутри изучаемой активной области заменены четырьмя главными 'эффективными источниками'. Они расположены под плоскостью фотосферы РЬ (Горбачев, Сомов, 1989) и на рисунке не показаны. В реальных условиях в фотосфере Солнца роль таких источников обычно выполняют наиболее крупные солнечные пятна. Как следствие, топологическая модель воспроизводит только крупномасштабные особенности реального магнитного поля в короне активной области или комплекса активности. Во многих случаях этого оказывается вполне достаточно, имея в виду, что для накопления энергии вспышки в форме энергии взаимодействия магнитных потоков (Сыроватский, 1962, 1966) необходимо как минимум два потока, а следовательно, как минимум четыре источника поля.
Более сложные многосепараторные модели (см., например, Парнел, 2007) делают интерпретацию крупномасштабных явлений во вспышке менее однозначной, и тем не менее, не позволяют учесть тонкую структуру вспышки (если ставить перед собой такую задачу). Иными словами, более сложные топологические модели существенно запутывают ситуацию с пониманием физики солнечных вспышек и до сих пор не дали ясной интерпретации наблюдательных фактов, рассмотренных в данной статье. Однако и данная статья естественно не претендует на то, что она учитывает все многообразие наблюдаемых форм и сценариев солнечных вспышек, включающих, например, различные триггерные механизмы (Григис, Бенц, 2005).
Рис. 2. Трехмерная модель крупномасштабного магнитного поля в короне в процессе пересоединения. Четыре магнитных потока различной связности разделены сепаратрисными поверхностями £1 и £2, которые пересекаются на сепараторе X над плоскостью фотосферы РЬ. Линии магнитного поля В1 и В2 соединяют основания пересоединенных ма
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.