КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 6, с. 595-607
УДК 550.385
СПОРАДИЧЕСКИЕ ПОТОКИ ПЛАЗМЫ И ИХ ИСТОЧНИКИ В ПЕРИОД ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ АКТИВНОСТИ СОЛНЦА С 26 ОКТЯБРЯ ПО 6 НОЯБРЯ 2003 г.
© 2004 г. М. В. Еселевич, В. Г. Еселевич
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск E-mail: esel@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 21.01.2004 г.
На основе результатов исследования, выполненных различными авторами с применением разных полуэмпирических моделей, сформулированы положения комплексного метода, позволяющего связывать спорадические потоки солнечного ветра (СВ) на орбите Земли с корональными выбросами массы (КВМ), являющимися их источниками на Солнце. Этот метод применен для анализа событий в интервале с 26 октября по 6 ноября 2003 г. Показано, что в рассматриваемый период вблизи максимума солнечной активности большая часть КВМ (до 80% от общего числа) возникает в основании цепочек стримеров. Показано, что главным фактором геоэффективности шести спорадических потоков СВ является величина Bz межпланетного магнитного поля, а необычно низкая величина индекса min Dst < -300 нТ для двух потоков со скоростями Vmax > 1000 км/с есть следствие того, что они не являются изолированными, т.е. последующий поток движется по среде возмущенной предыдущим потоком.
1. ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о физических основах связи спорадических потоков плазмы солнечного ветра (СВ) на орбите Земли с характеристиками их источников на Солнце является фундаментальным для солнечно-земной физики. При этом, под спорадическим СВ понимают потоки плазмы, время жизни источников которых на Солнце меньше часа. Ими являются корональные выбросы массы (КВМ - coronal mass ejection). Будем полагать, что сопровождающие КВМ вспышки, наблюдаемые в различных диапазонах длин волн, являются индикаторами их появления и не являются источником спорадических потоков СВ и, в частности, ударных волн (хотя могут быть источниками потоков высокоэнергичных протонов). Это связано с тем, что до настоящего времени не удалось выделить чисто вспышечные ударные волны ("бласт-волны" или ударные волны, вызванные локальным взрывом (солнечной вспышкой) [1]). Основные задачи в этой области, которые решаются вот уже более трех десятков лет, заключаются в следующем: установление для потоков СВ на орбите Земли соответствующих им источников на Солнце; нахождение количественных соотношений, связывающих параметры потоков СВ с характеристиками их источников на Солнце. Обе эти задачи взаимосвязаны, и без знания количественных соотношений, практически, невозможно надежно отождествить потоки СВ и их источники на Солнце.
В современных теоретических моделях среднеквадратичная погрешность расчета времени прихода спорадического потока СВ на орбиту Земли составляет ±12 часов при минимальных значениях времени пролета расстояния Солнце-Земля <24 часа [2]. Столь значительный разброс, по-видимому, связан с различием местоположений источников потоков на диске Солнца (особенно, с различием по долготе). В полуэмпирических моделях многие годы в качестве индикаторов спорадических потоков СВ рассматривались солнечные вспышки (см., например, [3-5]). Несмотря на получение этим методом многих важных результатов, недостаток этого подхода очевиден: есть спорадические потоки, связанные не со вспышками, а с выбросом волокна. Исследования [6], выполненные в последнее время, весьма тщательно на большом статистическом материале, показали, что истинным источником (а значит и наиболее надежным индикатором) этих потоков следует рассматривать КВМ.
Целью настоящей работы является формулировка на основе результатов исследований, выполненных с применением разных полуэмпирических моделей, положений комплексного метода и его применение для установления связи между спорадическими потоками СВ и их источниками на Солнце в выбранном интервале времени чрезвычайной активности Солнца.
595
3*
2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КВМ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ АНАЛИЗА
Не претендуя на полноту обзора, остановимся только на тех свойствах КВМ и их продолжении в гелиосфере - межпланетных корональных выбросах массы (МКВМ), которые будут необходимы для данного анализа.
1. Существуют два типа КВМ [7]: связанные с выбросом волокна (постепенные КВМ) и связанные со вспышкой (импульсные КВМ).
Постепенные КВМ формируются, когда в основании корональных стримеров происходит выброс волокна и его полости. При наблюдении сбоку они видны как шарообразные оболочки с ярким ядром внутри. Скорость оболочки растет постепенно с увеличением расстояния от Солнца, достигая на Я = (2-30)Яо значений Ук ~ 400-600 км/с (Яо - радиус Солнца). При наблюдении вдоль направления движения, такие КВМ выглядят как светящийся ободок вокруг Солнца ("гало"). Это согласуется с представлением о КВМ, как об оптически тонкой оболочке, удаляющейся от Солнца. При определенных обстоятельствах, наиболее быстрые из постепенных КВМ возбуждают ударные волны и вызывают геомагнитные бури [8]. Обнаружение и исследование их свойства представляет собой актуальную и весьма не простую задачу.
Импульсные КВМ связаны со вспышками и волнами Моретона на видимом диске Солнца. При наблюдении сбоку, на расстояниях Я = (2-30)Яо, эти КВМ распространяются с постоянной скоростью, обычно превышающей 750 км/с. Их ускорение происходит очень быстро вблизи Солнца, иногда на расстояниях Я < Яо от его поверхности. Наиболее быстрые КВМ со скоростями >1000 км/с имеют угловой размер с1 > 100°, который при Ук ~ 2000 км/с может достигать с1 ~ - 130°-140° [9].
2. На расстояниях Я > 70Яо и вплоть до орбиты Земли МКВМ тормозятся [8]. Возможной причиной этого является бесстолкновительная ударная волна, которая формируется на фронте МКВМ в результате взаимодействия с фоновым СВ. Несмотря на многочисленные исследования, точный закон уменьшения скорости ударной волны (а значит и МКВМ) с расстоянием не известен. Наиболее сильное торможение испытывают быстрые ударные волны с начальной скоростью вблизи Солнца У0 > 1000 км/с [10]. Для них, в первом приближении, можно положить, что У0 связано с ее значением на орбите Земли УЕ, соотношением [5]:
(средняя скорость ударной волны на участке Солнце-Земля):
VE - V/2.
(1)
V - (Vo + Ve)/2,
Откуда, с учетом (1), получим: Vt - 3/4 Vo,
(2)
Тогда, считая, что изменение скорости с расстоянием происходит по линейному закону, имеем простое выражение для транзитной скорости Ут
(3)
Ve - 2/3 Vt. (4)
Справедливость этих соотношений была показана на ограниченном числе событий в работе [5]. В связи с этим очень интересны выводы, сделанные в последних исследованиях Cane and Richardson [6], выполненных очень тщательно и на большом числе событий (214 событий МКВМ). В них исследовалась эмпирическая связь между скоростью КВМ в плоскости неба Vk с его транзитной скоростью Vt в межпланетном пространстве и скоростью Vmax (скорость Vk определяется по движению яркой оболочки КВМ). Здесь Vmax - максимальная скорость СВ за ударной волной в возмущенной области на орбите Земли. В первом приближении можно положить V0 - Vk и VE - Vmax. На верхней и нижней панелях рис. 1, полужирными линиями показаны, соответственно, зависимости Vt - 3/4 Vk и Vmax - 2/3 Vt, приблизительно отражающие среднее положение экспериментальных точек в этой работе. Отметим, что при строгом усреднении точек на рис. 1 и рис. 5 в работе [6] получаются не точно указанные зависимости. Однако, в условиях ограниченного числа точек и сравнительно большого их разброса, интерполяция такими простыми и удобными при расчетах зависимостями является вполне оправданной. Справедливость этого показал и анализ, приведенный ниже в данной работе. Точкам, наиболее отклоненным кверху по оси Vt на рис. 5 в работе [6], на нашем рис. 1 соответствует пунктир Vt - Vk - движение МКВМ с постоянной скоростью. На нижней панели рис. 1 им соответствует пунктир Vmax -- Vt - Vk. Положение самых нижних точек на рис. 5 в работе [6] ограничивается в нашем рис. 1 пунктирной прямой Vt - 0.37Vk. Ей соответствуют КВМ, возникшие на достаточно больших долготах L относительно центрального меридиана. В наших исследованиях закон Vt - 0.37 Vk будет использоваться для событий на долготах с |L | > 60°. КВМ с максимальными скоростями около Солнца Vk - (500-700) км/с характеризуются примерно равными транзитными скоростями Vt - 500 ± ± 100 км/с, а с Vk < 500 км/с - на орбите Земли не регистрируются (см. рис. 5 из [6]).
Особо следует подчеркнуть, что в работе [6] при построении зависимости на рис. 5 использовалась скорость Vk в плоскости неба, которая, вообще говоря, не есть скорость КВМ в направлении от Солнца к Земле. Тем не менее, простые линейные зависимости, приведенные на рис. 1, удается построить пусть даже в условиях заметного разброса экспериментальных точек. Не исключено,
Ут, км/с 2000
1500
1000-
Солнце
500
500 1000 1500 2000 2500 3000 (б)
Утах, км/с 2000
Ук, км/с /
Уу = У
/ у тах у т
Корональный выброс массы
1600-
1200
800-
400
400 800 1200 1600 2000
Ут, км/с
Рис. 1. а - зависимость транзитной скорости Ут фронта спорадического потока (или ударной волны) от скорости Ук в плоскости неба, связанного с ним КВМ: полужирная прямая - интерполяция по работам [2, 3]; тонкая прямая - нижняя граница разброса экспериментальных точек из [3]; пунктир - верхний предел при движении с постоянной скоростью. б - полужирная прямая - зависимость максимальной скорости Утах спорадического потока СВ на орбите Земли от его транзитной скорости Ут по работам [2, 3]; пунктир - при движении с постоянной скоростью Ут.
что это связано с особенностями регистрации КВМ в белом свете.
3. Начиная с Я > (3-10)Я0, угловой размер й КВМ остается практически неизменным с расстоянием [11] (определение й см. на рис. 2).
Рис. 2. Схема сечения оболочки КВМ плоскостью неба. й - угловой размер, А0 - видимая широта места возникновения КВМ, пунктир - линия экватора Солнца.
4. Местом возникновения КВМ являются основания пояса или цепочек стримеров [9, 12]. Цепочки стримеров, в отличие от пояса стримеров, разделяют корональные дыры с одинаковым направлением радиальной компоненты крупномасштабного магнитного поля Солнца. При н
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.