ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2D1D, том 5D, № 3, с. 317-327
УДК 523.62-726
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОНАЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ ВЕЩЕСТВА МЕТОДОМ МГД МОДЕЛИРОВАНИЯ ИХ ЭВОЛЮЦИИ
© 2010 г. Н. А. Бархатов, Е. Г. Жулина, Е. А. Калинина
Нижегородский государственный педагогический университет, Нижний Новгород
e-mail: nbarkhatov@inbox.ru
Поступила в редакцию 12.05.2009 г. После доработки 23.12.2009 г.
На основе данных о регистрируемых в окрестности Венеры на космических аппаратах (КА) Helios и Pioneer Venus Orbiter межпланетных явлений корональных выбросов вещества (МКВВ) решается задача по определению начальных параметров возмущающих потоков КВВ типа петля, фронт, спайк, выброс кратной структуры, бесструктурный выброс, которые не могут быть определены из прямых наблюдений. Для этого применен метод численного МГД моделирования модификации начальных параметров КВВ. Проведён анализ параметров МКВВ для установления видов солнечных источников рассматриваемых потоков плазмы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Современные исследования показали, что ко-рональные выбросы вещества (КВВ) — одно из фундаментальных явлений крупномасштабной солнечной активности [Gosling, 1993; Webb et al., 2000; Черток, 2002]. Актуальность их исследования объясняется постоянным интересом к физическим процессам на трассе Солнце—Земля и необходимостью прогнозирования явлений космической погоды. Проведение таких исследований стало возможным благодаря наличию банка непрерывных данных параметров околоземного пространства, полученных на патрульном КА Wind и системе SOHO.
Существенной трудностью в таких исследованиях является неопределенность в использовании начальных параметров КВВ. На данный момент о параметрах КВВ чаще всего судят по результатам визуальных наблюдений на наземном или спутниковом коронографе (LASCO). Вместе с тем, параметры КВВ, прежде чем быть зарегистрированными на КА в околоземном пространстве как межпланетные МКВВ и проявить свою потенциальную геоэффективность, сильно эволюционируют на трассе Солнце—Земля. В связи с этим начальные параметры КВВ остаются неизвестными.
В настоящей работе методом компьютерного МГД моделирования решается задача по определению начальных параметров возмущающих потоков, причиной которых являются КВВ. Компьютерное МГД моделирование часто применяется в задачах солнечно-земных связей. Важный вклад в изучение солнечно-земных связей в рамках такого подхода принадлежит группе Dryer
[Dryer et al., 1989; Бархатов и др., 2002]. В работе [Бархатов и др., 2002] на основе компьютерного моделирования эволюции уединенных крупномасштабных возмущений были установлены их солнечные источники. Успешность такого подхода к анализу крупномасштабной динамики межпланетной среды была также продемонстрирована в работе [Бархатов и др., 2003] на примере моделирования процессов, обусловленных взаимодействием высокоскоростного потока солнечного ветра из нестационарной корональной дыры и стационарного солнечного ветра, а также слиянием корональных дыр. На основании трёхмерного МГД моделирования в работе [Linker et al., 2002] делается попытка построения модели магнитного поля в фотосфере Солнца, соответствующего KВВ.
В основу исследования, выполняемого в настоящей работе, положены сведения о параметрах MKВВ, зарегистрированных на KA Helios и Pioneer Venus Orbiter (PVO) [Lindsay et al., 1999]. MKВВ в данном случае являются результатом модификации начальных возмущений, вызванных KВВ в процессе их переноса в межпланетной среде из короны в окрестность Венеры. Ценность этих данных в том, что визуальные параметры KВВ им отвечающие, зарегистрированы на коронографах в профиль и поэтому хорошо наблюдаемы. Необходимые для выполнения работы визуальные и морфологические признаки выбросов вещества представлены в каталоге S MM (http:// lasco-www.nrl.navy.mil/cmeclass.html).
Методика установления начальных параметров KВВ заключается в их подборе для получения регистрируемых параметров MKВВ в результате численного M^A моделирования эволюции KВВ
в солнечном ветре. Объективная оценка качества совпадения результатов моделирования с зарегистрированными данными проводится с помощью корреляционного анализа. На последнем этапе определения начальных параметров КВВ, полученные в результате моделирования параметры пересчитывались с учетом сферического расширения межпланетной среды.
2. ОТБОР И КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСОВ КВВ-МКВВ
Для решения задачи по определению начальных параметров КВВ проведены численные эксперименты по эволюции конкретных возмущений 1979-1984, 1986, 1988 гг. в солнечном ветре. Подбор событий был сделан на основе сведений, приведенных в работе [Lindsay et al., 1999], где содержатся данные о параметрах ряда МКВВ, зарегистрированных на КА PVO и Helios и соответствующие этому ряду события КВВ, полученные с коронографов Solwind и SMM. Нумерация событий, принятая в нашей работе, отвечает работе [Lindsay et al., 1999].
Установление связи КВВ, наблюдаемых на коронографе, с возмущениями в межпланетном пространстве (МКВВ) сделано с учетом их местоположения. Также учитывался тот факт, что КВВ, имеющие начальную скорость ниже скорости окружающего солнечного ветра, ускоряются по мере движения по трассе Солнце - Венера, а КВВ с более высокими скоростями выброса — замедляются. Всего рассмотрен ряд из 31-го случая такого соответствия. Для изучаемых событий из базы данных КА PVO и Helios были взяты параметры МКВВ — концентрация N, компонента скорости Vx солнечного ветра, температура протонов солнечного ветра T и компоненты магнитного поля B (nssdca.gsfs.nasa.gov). Из каталога SMM были взяты установленные в области возникновения солнечного ветра визуальные параметры соответствующих КВВ — угол раскрыва (W), центральный угол (РА), начальная и конечная скорости КВВ, а также морфологический тип КВВ.
Визуальные данные по КВВ позволяют провести разделение выбросов на типы по морфологическим признакам: гало, петля, фронт, спайк, мультиспайк (выброс кратной структуры), бесструктурный выброс [Lindsay et al., 1999]. В свою очередь рассматриваемые КВВ вызываются или сопутствуют активным явлениям на Солнце. Это позволяет связать их появление с начальными солнечными источниками потоков плазмы. Вид или комплекс видов этих источников определяет характеристики крупномасштабных возмущений в солнечном ветре [Иванов, 1996]. Анализ показал, что КВВ, принадлежащие к одному типу, приводят к сходным возмущениям параметров межпланетной среды, т.е. к параметрам МКВВ. В
результате все события по их последствиям были нами поделены на четыре класса КВВ-МКВВ.
К первому классу КВВ-МКВВ отнесены КВВ (7 событий) типа "фронт", следствием которых является подогретый по сравнению с окружающей средой скачок плотности частиц солнечного ветра, движущийся со скоростью, близкой к скорости солнечного ветра и содержащий магнитные поля с компонентами Б1 разных знаков. Анализ форм и амплитуд МКВВ согласно работе [Иванов, 1996] говорит о том, что возмущения такого вида чаще всего возникают вследствие КВВ, связанных с источником вида / (вспышка).
Ко второму классу КВВ-МКВВ (8 событий) отнесены так называемые "спайки" — клинья, ведущие к резкому скачку плотности слабо нагретой плазмы, двигающемуся практически со скоростью стационарного солнечного ветра. Они могут быть связаны с 8Б¥ источниками.
Третий класс КВВ-МКВВ (14 событий), ввиду схожести их влияния на параметры межпланетного солнечного ветра объединяет в себе бесструктурные и мультиспайкные, иначе говоря "сложные" КВВ. Эти возмущения характеризуются сильно подогретым скачком плазмы, движущимся с повышенной скоростью. Причиной "сложных" КВВ вероятнее всего является дырочно-волокон-но-стримерный источник (CH-SDF-HCS).
К четвертому классу КВВ-МКВВ (2 события) отнесены КВВ типа "петля", который приводит к подогреву окружающей плазмы и движению ее с передним быстрым фронтом. Форма возмущений параметров, приходящих от КВВ типа "петля", имеет сходство с возмущениями от КВВ типа "спайк". Можно предположить, что причиной выброса также является волоконный источник (SDF). КВВ типа "гало" в имеющихся данных отсутствуют.
Для дальнейшего моделирования из 31-го события КВВ-МКВВ были использованы принадлежащие четырем классам 5 событий (комплексов): 7 (19.03.1980 КВВ - 22.03.1980 МКВВ), 18 (19.08.1981 КВВ - 23.08.1981 МКВВ), 19 (15.09.1981 КВВ -17.09.1981 МКВВ), 25 (22.01.1984 КВВ - 24.01.1984 МКВВ), 28 (14.07.1986 КВВ - 17.07.1986 МКВВ).
При выполнении моделирования подбирались начальные условия для КВВ, соответствующие конкретной ситуации в солнечной короне. Процесс подбора начальных данных для получения удовлетворительных результатов базировался на известных из литературы диапазонах изменения параметров, отвечающих КВВ разного типа (характерные особенности в значениях параметров разных выбросов, продолжительность выброса). Таким образом, выбор начальных условий согласовывался с упомянутой выше классификацией КВВ. Результаты, полученные в наших численных экспериментах, на первом этапе визуально
сопоставлялись с данными параметров МКВВ, зарегистрированных на КА Helios, PVO. Для объективной оценки качества проводимого МГД моделирования для каждого параметра МКВВ (By и Bz компоненты магнитного поля, концентрация, температура и скорость плазмы) производился расчет коэффициента корреляции (R) между экспериментально зарегистрированными данными и результатами моделирования. Задаваемые начальные условия, при которых были получены наибольшие значения коэффициента корреляции в конкретном численном эксперименте, объявлялись установленными начальными параметрами КВВ.
3. МГД УРАВНЕНИЯ И ВЫБРАННАЯ РАЗНОСТНАЯ СХЕМА ИХ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ
Пространственно-временное численное моделирование проводилось на основе системы МГД уравнений [Бархатов и др., 2003]. Для безразмерных величин плотности, скорости, магнитного поля и температуры (р, V, B, T) выбранная система уравнений была предварительно приведена к безразмерному виду [Бархатов и др., 2003]:
dp
+ divpV = 0
f + (V -V) V + 2 (vT + Pvp) -
- a —1 (AV + 1V- divV) + 1 [BrotB] = 0
Re pv 3 ) P
— - rot[VB] - — AB = 0, divB = 0
dt Rem
- (y
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.