О СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШКАХ
Доктор физико-математических наук А.И. ПОДГОРНЫЙ
(Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН), доктор физико-математических наук И.М. ПОДГОРНЫЙ (Институт астрономии РАН)
Солнечная вспышка - это уникальное взрывное явление, самое мощное из всех наблюдаемых в солнечной системе. Выделяемая при большой вспышке за несколько минут энергия может превосходить 1032 эрг, что в десять миллиардов раз превышает энергию взрыва большой атомной бомбы.
Мощные вспышки на Солнце происходят два-три раза в год, чаще всего во время высокой солнечной активности, изменяющейся с периодом около 11 лет. Главное проявление вспышки - электромагнитное излучение в широком диапазоне частот (от радиоизлучения до у -квантов с энергией в несколько МэВ), потоки ускоренных частиц, спектр которых простирается за 20 ГэВ, выброс массы короны до 1016 г со скоростью около 1000 км/с. Этот сверхзвуковой поток ионизованного вещества распространяется в межпланетном пространстве, генерируя мощную ударную волну, возмущающую магнитное поле Земли, оказывает влияние на состояние земной атмосферы, нарушает радиосвязь, вызывает магнитные бури, сопровождающиеся полярными сияниями. Возникающие сильные электромагнитные возмущения в атмосфере Земли приводят иногда к крупным авариям на линиях электроснабжения и даже на нефтепроводах.
Естественно, что физика вспышки вызывает интерес не только как уникальное космическое явление, которое происходит на Солнце и на других звездах, но и имеет чисто практическое значение для прогнозирования ее появления.
В 1859 г. английский астроном Р. Ка-рингтон обнаружил неожиданное появление на поверхности Солнца двух ярких
пятен - вспышечных лент, а через 18 часов на Земле возникла сильная магнитная буря. Следовал вывод, что возникшее на Солнце колоссальное возмущение, которое вызвало магнитную бурю на Земле, распространялось в межпланетном пространстве со скоростью, превышающей 1000 км/с. Дальнейшие наблюдения показали, что связь этих явлений закономерна, а возникновение ярких пятен на Солнце было названо солнечной вспышкой. Свечение вспышечных лент в видимой области спектра является излучением нейтральных атомов. Это означает, что располагаются они в нижнем, относительно холодном слое атмосферы Солнца - хромосфере, где вещество не сильно ионизовано. Возник даже термин: хромосферные вспышки.
Детальные исследования показали, что вспышечные ленты в видимой области спектра являются вторичными процессами, а первичное проявление вспышки состоит в быстром нагревании полностью ионизованного вещества в короне Солнца на высоте около 10000 км, там, где практически нет нейтральных атомов. Поэтому излучение нейтральных атомов, регистрируемое при вспышке, практически непригодно для изучения ее физики. Наиболее полезную информацию о нагревании вещества в короне при взрывном выделении энергии несет в себе жесткое рентгеновское излучение.
Рентгеновское излучение сильно поглощается в атмосфере Земли, и его регистрация стала возможной только благодаря созданию специализированных космических аппаратов. Необходимо подчеркнуть, что не все наблюдаемые вспышки развиваются строго по единому сцена-
© А. И. Подгорный, И. М. Подгорный
45
Рис. 1.
Типичная серия вспышек, регистрируемая по рентгеновскому излучению на аппарате GOES. Нижняя кривая - рентгеновское излучение в спокойное время.
рию. Отдельные ее проявления могут отсутствовать или иметь несколько иной масштаб времени, то есть каждая вспышка обладает своими индивидуальными особенностями. Однако наиболее типичные проявления элементарной вспышки, регистрируемые на орбите Земли, - именно всплески рентгеновского излучения.
Элементарные вспышки, то есть импульсы рентгеновского излучения, обычно возникают сериями по 5-10 актов разной мощности в течение 10-20 часов
Рис. 2.
Динамика распределения магнитного поля активной области в течение трех дней перед вспышкой.
(рис. 1). Наблюдения этого излучения космическими аппаратами показывают, что среди наиболее важных особенностей всех вспышек - первичное энерговыделение в короне над активной областью, то есть над тем местом поверхности Солнца (над фотосферой), где локализуются магнитные поля высокой напряженности и очень сложной конфигурации. Напряженность магнитного поля в наиболее сильных и активных областях - солнечных пятнах - достигает тысяч Гаусс. На протяжении десятков часов перед вспышкой конфигурация поля активной области изменяется, однако изменения эти медленные, и никаких драматических событий в момент вспышки на поверхности Солнца не наблюдается, а выделение энергии происходит в короне над активной областью. Типичная эволюция магнитного поля в активной области в течение трех дней перед серией вспышек показана на рис. 2.
Поскольку источником энергии вспышки может быть только само Солнце, то можно однозначно заключить, что перед вспышкой над ее активной областью происходит аккумуляция энергии, которая затем быстро выделяется. Причем главное энерговыделение происходит, как правило, за время около 10 мин. Единственная возможность для организации взрывного процесса в короне - медленная концентрация энергии магнитного поля над активной областью.
Плотность магнитной энергии В2/8п там всегда на много порядков величины превышает тепловую энергию пкТ (В -напряженность магнитного поля, п- кон-
центрация заряженных частиц и Т - температура). Конфигурация магнитного поля в короне над активной областью в спокойное время определяется источниками, находящимися под поверхностью Солнца, когда в короне отсутствует электрический ток. Энергия такого (потенциального) магнитного поля не может перейти в кинетическую энергию или тепло, если с этими источниками ничего не происходит. Многочисленные измерения не обнаруживают в момент вспышки сколько-нибудь значительных изменений магнитного поля на фотосфере. Таким образом, для реализации вспышки необходимо, чтобы над активной областью Солнца появился ток, при исчезновении которого освобождалась бы энергия магнитного поля, им создаваемого. Следовательно, модель вспышки должна включать механизм образования устойчиво существующего тока в короне, в магнитном поле которого постепенно накапли-
Рис. 3.
Результаты численного МГД моделирования возникновения токового слоя. Слой расположен между линиями магнитного поля противоположного направления. Токовый слой образовался при всплы/вании нового магнитного потока (3-4) рядом со стары/м (1-2). Справа линии поля в окрестности токового слоя показаныI в растянутом масштабе. Стрелками показаныI вектора скорости плазмыI, ускоренной вверх и вниз под действием электродинамической силы!. Плазма, вы/брошенная вверх, создает корональный выброс.
вается энергия, а затем в результате быстрой дис-сипации этого тока при определенных условиях происходит переход магнитной энергии в кинетическую энергию и тепло.
Токовые слои в короне
Современная диагностика плазмы не обладает методами измерения, позволяющими проследить динамику магнитного поля в короне в предвспышечном состоянии и выяснить, возникает ли там концентрация магнитной энергии. Современные методы не позволяют измерять магнитное поле в короне Солнца, но они дают возможность определить распределение магнитного поля на поверхности Солнца. Используя результаты таких измерений в качестве граничных условий и решая уравнение Лапласа, можно рассчитать потенциальное, то есть лишенное токовых систем поле над активной областью в стационарном состоянии. Однако медленно меняющееся перед вспышкой фотосфер-ное поле может вызывать появление токов в короне. Численное решение полной системы трехмерных уравнений магнитной гидродинамики с помощью специально разработанной программы "Пересвет" показало, что перед вспышкой в солнечной короне действительно генерируется слой электрического тока, разделяющий магнитные поля противоположного направления. Возникновение токового слоя происходит в окрестности особой линии магнитного поля вследствие фокусировки возмущений, приходящих от поверхности Солнца. Простейшая особая § линия представляет собой линию нуле- ™ вого поля. Вычисления § показали, что запасаемая § магнитная энергия в поле го-токового слоя достаточна | для вспышки. Такой про- ® цесс накопления энергии 1 был предсказан С.И. Сы- I роватским, а в 1992 г. на § основании первых магнито- | гидродинамических расче- I тов авторами этой статьи = была построена электродинамическая модель вспышки.
В настоящее время использование нового поколения программы "Пересвет" для магнито-гидродинамического моделирования явлений в солнечной короне и современных измерений магнитных полей активных областей на американском космическом аппарате ЭОИО позволяет рассчитать образование токового слоя перед реальной вспышкой и вычислить запасенную для этой вспышки энергию.
В простейшем случае токовый слой возникает тогда, когда рядом с магнитным потоком биполярной (образованной двумя магнитными полюсами) активной области из-под фотосферы всплывает новый магнитный поток, в котором магнитные линии имеют направление, противоположное старому магнитному потоку. Результат численного моделирования такого события представлен на рис. 3. Стрелками показаны скорости плазмы короны, а линиями - линии магнитного поля.
Высокая электрическая проводимость плазмы короны не позволяет быстро произойти простому геометрическому сложению векторов нового и старого поля, как это имело бы место в вакууме. Это свойство плазмы называют вмороженно-стью магнитного поля в плазму. Именно вмороженность позволяет длительное время удерживать горячую плазму в различных термоядерных установках. По мере возрастания нового потока (3-4) на границе, разделяющей старый (1-2) и новый магнитные потоки, возникает токо-§ вый слой. Слой разделяет противопо-§ ложно направленные линии поля, а запа-* сенная в магнитном поле токового слоя | энергия определяется величиной тока. ^ Механизм перехода энергии магнитно-| го поля в тепло и кинетическую энергию £ можно представить себе следующим об-| разом. Токовый слой не является ней-| тральным, как это предполагалось ранее | в некоторых теоретических ра
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.