УДК 523.62-726
ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ УСТАНОВИВШЕГОСЯ СВЕРХЗВУКОВОГО ПОТОКА СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
© 2014 г. Н. А. Лотова1*, И. А. Субаев2, О. Н. Корелов3
1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН, Москва.
2Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ Физического института
им. П. Н. Лебедева, РАН, Москва. 3Научно-исследовательский радиофизический институт (ФГБНУ НИРФИ),
Нижний Новгород Поступила в редакцию 04.03.2014 г.
Последовательное изучение солнечного ветра распространено на широкую область межпланетного пространства, до расстояний от Солнца Я ^ 90Я8. Эксперименты проводятся на радиотелескопах Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН: ДКР-1000, А « 2.7—2.9 м и РТ-22, А « 1.35 см соответственно. Изучаются характеристики рассеяния радиоволн: угол рассеяния в(Я) и индекс мерцаний т(Я). Процесс формирования установившегося сверхзвукового солнечного ветра связывается с последовательностью четырех этапов ударного ускорения, масштаб которых в разных потоках солнечного ветра изменяется в пределах 10—23 Яя, в зависимости от начальной скорости потока. Эти обстоятельства необходимо учитывать при прогнозировании состояния ближнего космоса, по данным о солнечном ветре в близких к Солнцу областях межпланетной среды.
Ключевые слова: межпланетная среда, солнечный ветер, радиоастрономический метод просвечивания, характеристики рассеяния радиоволн: угол рассеяния в(Я) и индекс мерцаний т(Я).
DOI: 10.7868/80320010814100040
ВВЕДЕНИЕ
В 1951 г. В. В. Виткевичем был предложен метод изучения внешних областей солнечной короны — радиоастрономический метод просвечивания (Вит-кевич, 1951). В этом методе околосолнечная, межпланетная среда изучалась на просвет радиоизлучением квазара ЗС144 — мощного компактного радиоисточника, расположенного в Крабовидной туманности. По результатам первых успешных наблюдений в 1953, 1955 гг. (Виткевич, 1955), было установлено, что наблюдаемое увеличение угловых размеров просвечивающего источника ЗС144 при его видимом сближении с Солнцем связано с рассеянием радиоволн на неоднородностях электронной концентрации Д№2 в межпланетной среде.
В первых радиоастрономических экспериментах радиальная зависимость угла рассеяния радиоволн в(Я) изучалась в узкой области радиальных расстояний от Солнца Я ~ 4—12 Я3 (Виткевич, 1955).
В результате была установлена убывающая зависимость угла рассеяния в^) (Виткевич, 1955) вида
в(Я) = СЯ
-1.6
(1)
Электронный адрес: lotova@izmiran.ru
В 1958 г. Паркером (1958) была разработана модель магнитогидродинамического течения солнечного ветра — непрерывного медленного ускорения потока с учетом его расширения в межпланетном пространстве. Здесь отметим, что модель Паркера применима к солнечному ветру лишь в очень узкой зоне радиальных расстояний от Солнца (Я ^ ^ 10 Я3), поскольку радиоастрономические эксперименты по просвечиванию околосолнечного пространства обнаружили на расстоянии Я ^ 10 Я3, существование узкой области с резко сниженным уровнем рассеяния радиоволн (Лотова и др., 2011; Лотова Писаренко, 1990). Таким образом, при удалении от Солнца в область ббльших расстояний, Я ^ 10 Я3, механизм ускорения солнечного ветра существенно отличается от паркеровской модели.
4 5 6 810 20 304050 10 20 30 40
я/я%
4 5 6 810 20 30
4 6 10 12 20
Рис. 1. Радиальные зависимости угла рассеяния радиоволн в (Я.): (а) — просвечивающие источники 3С225 — О, •; 3С228 - Л, а (август 2001 г.); (б) - источники С138 - V, ▼; 3С144 - Л, А; 3С154 - О, •; 3С166 - □, ■ (июнь 1991 г.). Радиальная зависимость индекса мерцаний т(Я): (в) - источник ¡НС-20431 - О, • (декабрь 1997 г.); (г) - источники ЩС-20431 - О, •, Ш31(2) - Л, а (декабрь 1992 г.).
РАЗВИТИЕ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
В последние годы основной интерес в изучении солнечного ветра был связан с последовательным распространением радиоастрономических методов изучения околосолнечной среды на более удаленные области межпланетного пространства. Следующий этап этих исследований связан с изучением межпланетной среды в области радиальных расстояний К ^ 40 К3. Эксперименты проводились с привлечением двух модификаций метода просвечивания (Лотова и др., 2011; Лотова, Писаренко, 1990; Ефимов и др., 1977) с независимым изучением различных характеристик рассеяния радиоволн: угла рассеяния в(К) и индекса мерцаний т(К). Эксперименты проводятся в Радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН, г. Пущино, на радиотелескопах ДКР-1000, Л = 2.7-2.9 м и РТ-22, Л = 1.35 см. Изучение зависимости индекса мерцаний т(К) в околосолнечном пространстве в режиме слабого рассеяния радиоволн (т < 1) в нашем случае основано на привлечении нового класса просвечивающих радиоисточников -мазерных источников линии водяного пара, Л = = 1.35 см. (Лотова и др., 2011). Использование
столь коротких длин волн обеспечивает информативный режим слабых мерцаний (т < 1) в близких к Солнцу областях межпланетной среды (К ^ ^ 40 К8). Это позволило повысить надежность основного результата. Он связан с обнаружением в области радиальных расстояний от Солнца К ^ ^ 40 К3 двух последовательных узких зон, АК & & 1.5-2.5 К3, с резко сниженным уровнем рассеяния радиоволн (рис. 1а-г). Данный эффект наблюдался в независимых экспериментах с изучением двух различных характеристик рассеяния радиоволн: угла рассеяния в(К) и индекса мерцаний т(К).
Данные о скорости солнечного ветра по измерениям на КА "Венера-10,15,16" (Ефимов и др., 1977; Яковлев и др., 1980, 1987; Арманд и др., 1987) были получены в разные годы в каждом случае на различающихся радиальных расстояниях от Солнца в достаточно узкой области К, включающей лишь один эпизод ударного ускорения солнечного ветра. На этой основе было невозможно воспроизвести единую, сложную картину ускорения солнечного ветра. Однако сопоставление этих изолированных данных с последовательностью пространственного ускорения солнечного
8 -
к к
3 4
4 и
2 -
10
20 Я/Яв
40
Рис. 2. Радиальные зависимости угла рассеяния радиоволн в(Е): источник 3C144, 2010 г. Здесь и далее заполненные символы соответствуют фазе сближения источника с Солнцем, незаполненные — фазе удаления.
ветра по рассеянию радиоволн обнаруживают хорошее согласие результатов независимых измерений.
Экспериментальные данные о радиальной зависимости угла рассеяния радиоволн в(Я) и индекса мерцаний т(Я) (рис. 2) свидетельствуют о существовании в межпланетной среде двух зон ударного ускорения солнечного ветра. Действительно, сопоставление радиальных профилей характеристик рассеяния в(Я), т(Я) с данными о скорости солнечного ветра на двух первых этапах ускорения солнечного ветра по данным измерений на КА "Венера-10,15-16" (Ефимов и др., 1977; Яковлев и др., 1980) показало, что узкий пространственный интервал ДЯ ~ 1.5—2.5 Я3, соответствующий ударному ускорению солнечного ветра, совпадает с зоной сниженного уровня рассеяния радиоволн в характеристиках в(Я), т(Я).
Далее в последовательном развитии ударного процесса за фронтом ударной волны в характеристиках рассеяния радиоволн наблюдается возрастание, что соответствует частичному снижению скорости потока в зависимости V(Я). Но при этом скорость V(Я) остается все же повышенной по сравнению с исходной величиной. Все эти взаимосвязанные процессы изменения основных характеристик потока солнечного ветра: скорости V, концентрации электронов (№) и Д№2 в ударном ускорении солнечного ветра повторяются во всех последовательных эпизодах развития волновых процессов в солнечном ветре (Ефимов и др., 1977; Яковлев и др., 1980, 1987; Арманд и др., 1987).
МЕТОД ПРОСВЕЧИВАНИЯ В СОВРЕМЕННОМ ИЗУЧЕНИИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
В современных экспериментах солнечный ветер изучается в непрерывном режиме просвечивания межпланетной среды в широкой области радиальных расстояний от Солнца Я & 40—130 Я3. Здесь по мере удаления просвечивающего источника от Солнца в область радиальных расстояний Я ^ ^ 40 Я3, как указывалось выше, эксперименты проводятся с использованием двух модификаций метода просвечивания. Изучение более удаленных и разреженных областей межпланетной среды, радиальных расстояний Я ^ 40—90 Я3, связано с использованием лишь одной модификации метода просвечивания — изучением угла рассеяния радиоволн 0(Я), поскольку квазары являются более мощными радиоисточниками. Все упомянутые эксперименты проводятся в Радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН, г. Пущино. На радиотелескопе ДКР-1000 А & 2.7—2.9 м изучается радиальная зависимость угла рассеяния радиоволн 0(Я).
Расширение методов и изучаемой области солнечного ветра в новой модификации метода просвечивания с использованием одновременно двух типов просвечивающих радиоисточников: квазаров, радиотелескоп ДКР-1000, А = 2.7 ми мазерных источников линии водяного пара, радиотелескоп РТ-22, А = 1.35 см РАО АКЦ ФИАН (рис. 1) принесло существенную информацию о процессе ускорения солнечного ветра.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
В ШИРОКОЙ ОБЛАСТИ РАДИАЛЬНЫХ РАССТОЯНИЙ ОТ СОЛНЦА
В многочисленных сериях экспериментов изучение радиальной зависимости угла рассеяния радиоволн было распространено на широкую область радиальных расстояний от Солнца: Я ~ (4—90, 4— 130) Яз (рис. 3-6).
В результате этого было установлено, что весь процесс ускорения солнечного ветра распадается на 4 этапа, 4 зоны, масштаб которых определяется напряженностью магнитного поля в солнечной короне и, как следствие этого, начальной скоростью потоков солнечного ветра.
В последовательности четырех этапов ускорения наблюдается затухание в уровне дополнительного ускорения потока, т.е. процесс ускорения солнечного ветра носит затухающий характер.
Для начально высокоскоростных потоков солнечного ветра протяженность последовательности
н 8 1 1 1 8
* 4 \ тг - 4
г \ iU л
® 2 -, V Й 2
10
20 40 R/Rs
10 20 40 60 90 R/Rs
Рис. 3. Радиальные зависимости угла рассеяния радиоволн 0(R): (а) — источник 3C2, 2010 г.; (б) — источник 3С5,2010 г.
8 -
к s
4
ч и
ф 2 -
10 20 40 60 80 10 20 40 60 80
2010 г. R/Rs
2013 г. R/Rs
Рис. 4. Радиальные зависимости угла расс
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.