ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 33, № 3, с. 196-209
УДК 523.98
тепловое циклотронное излучение горячих корональных петель и особенности поляризационной структуры источников солнечного микроволнового излучения. i. яркостная температура
© 2007 г. Е. Я. Злотник1*, Т. И. Кальтман2, О. А. Шейнер3
1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новогород 2Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Пулково 3ФГНУ Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород
Поступила в редакцию 18.04.2006 г.
Обсуждается возможный вклад теплового циклотронного излучения горячих корональных магнитных петель в наблюдаемые характеристики микроволнового излучения, исходящего из активных областей на Солнце. В рамках простейшей трехмерной модели петли в виде горячего тора проведены расчеты ожидаемых особенностей частотной и поляризационной структуры источников микроволнового излучения, связанных с солнечными пятнами и содержащих корональные петли. В первой части работы приведены результаты модельных расчетов двумерных распределений яркостных температур на разных длинах волн для обыкновенной и необыкновенной мод, а также зависимости яркостных температур от длины волны. Выяснено влияние на эти характеристики размера петли, электронной концентрации и положения источника на диске. Численные расчеты распределений и спектров яркостных температур подтвердили известное предположение о том, что при определенных условиях спектр излучения горячего волокна может содержать циклотронные линии, а знак поляризации излучения может меняться по диапазону. Полученные в данной статье результаты являются основой для расчетов интегральных характеристик излучения (потока от всего источника и поляризации), результаты которых вместе с обсуждением модели будут приведены во второй части работы.
Ключевые слова: активные области на Солнце, корональные магнитные петли, тепловое циклотронное радиоизлучение.
THERMAL CYCLOTRON EMISSION FROM HOT CORONAL LOOPS AND PECULIARITIES OF THE POLARIZATION STRUCTURE OF SOLAR MICROWAVE EMISSION SOURCES: BRIGHTNESS TEMPERATURE, by E. Ya. Zlotnik, T. I. Kaltman, and O. A. Sheiner. We discuss the possible contribution of the thermal cyclotron emission from hot coronal magnetic loops to the observed characteristics of the microwave emission from solar active regions. Based on the simplest three-dimensional model of a loop in the form of a hot torus, we have calculated the expected peculiarities of the frequency and polarization structures of microwave emission sources associated with sunspots and containing coronal loops. Our model calculations of the two-dimensional brightness temperature distributions at various wavelengths for ordinary and extraordinary modes and the wavelength dependences of the brightness temperatures are presented in the first part of the paper. The loop size, the electron density, and the source position on the disk have been found to affect these characteristics. Our numerical calculations of the brightness temperature distributions and spectra have confirmed the well-known assumption that under certain conditions, the spectrum of a hot filament can contain cyclotron lines and the sign of the polarization can change over the wavelength range. The results obtained here refer to the brightness temperature along the line of sight that crosses the photosphere at a point with given coordinates, i.e., these are the emission characteristics at a fixed point of the source. Integrated characteristics (the flux from the entire source and its polarization) and a discussion of the hot loop model are given in Zlotnik et al. (2006).
PACS numbers: 96.60.P-; 96.60.pf; 96.60.Tf
Key words: solar active regions, coronal magnetic loops, thermal cyclotron radio emission.
Электронный адрес: zlot@appl.sci-nnov.ru
ВВЕДЕНИЕ
Исследование радиоизлучения корональных магнитных петель представляет интерес с нескольких точек зрения. Во-первых, корональные петли являются одним из основных структурных элементов атмосферы активных областей на Солнце и играют важную роль в процессах, приводящих, в частности, к солнечным вспышкам (Брэй и др., 1991; Прист, 1982; Бенц и др., 1998; Шривер и др., 1999; Степанов, 2004). Во-вторых, изучение корональных петель, состоящих из горячей (по сравнению с окружающей средой) плазмы, недоступно традиционным оптическим методам, и информация о физических условиях в них извлекается, в основном, из результатов внеатмосферных наблюдений в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. В то же время горячие корональные петли должны быть заметным источником радиоизлучения в микроволновом диапазоне волн. Это излучение накладывается на хорошо изученное излучение атмосферы над солнечными пятнами в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн — так называемую медленно меняющуюся или §-компоненту солнечного радиоизлучения (Железняков, 1964). Исследование специфических спектрально-поляризационных особенностей микроволнового излучения корональных магнитных петель представляет собой доступный путь восстановления физических условий в корональных магнитных петлях.
В настоящее время считается твердо установленным, что микроволновое излучение локальных источников, связанных с магнитными полями солнечных пятен, обязано своим происхождением, главным образом, циклотронному механизму излучения тепловых электронов (Железняков, 1964, 1997; Злотник, 1968а,б). При этом в рамках стандартной модели атмосферы над пятном, когда магнитное поле и электронная концентрация уменьшаются с высотой, а кинетическая температура растет от хромосферных до корональных значений, тепловое циклотронное излучение электронов вполне хорошо объясняет основные наблюдаемые характеристики типичных источников сантиметрового и дециметрового излучения, связанных с пятнами, например, немонотонный ход частотного спектра, преимущественную поляризацию со знаком необыкновенной волны, распределение радиояркости в виде кольца или подковы (Гельфрейх, Лубышев, 1979; Алиссандракис, Кунду, 1982; Лэнг, Уилсон, 1982; Злотник, 1996; Злотник и др., 1998). Однако наблюдения активных областей на сантиметровых и дециметровых волнах, выполненные в последние годы с высоким пространственным и частотным разрешением, обнаружили такие свойства радиоисточников, которые трудно
объяснить в рамках стандартной модели источника х-компоненты. К их числу можно отнести, например, существование гало с немонотонным частотным спектром — широкого бесструктурного образования, наблюдаемого в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн и не связанного непосредственно с пятном (Гельфрейх, 1995, 1998), наличие узкополосных деталей на фоне плавного частотного спектра (Уилсон, 1985; Лэнг, Уилсон, 1987; Богод и др., 2000), а также изменение знака поляризации по диапазону (Алиссандракис и др., 1999; Вурлидас и др., 1997). Как показали предварительные расчеты (Вурлидас и др., 1997; Железняков, Злотник, 1980, 1988, 1989; Шейнер, Злотник, 1994; Злотник, 1999; Кальтман и др., 1998, 2005), указанные особенности во многих случаях могут быть объяснены вкладом корональных магнитных петель в наблюдаемое радиоизлучение.
В работах Шейнер, Злотник (1994), Злотник (1999) были представлены результаты расчетов, выполненных для горизонтального участка магнитной петли, расположенного в ее вершине. Из них следовало, что спектр излучения (зависимость яркостной температуры и степени поляризации от частоты) может содержать узкополосные детали типа циклотронных линий, причем поляризация может менять знак по диапазону. Кроме того, в отличие от стандартных источников циклотронного излучения из атмосферы над пятнами, в которых основной вклад в излучение дают вторая и третья гармоники электронной гирочастоты, спектр излучения из области, содержащей корональные петли, может существенно расшириться за счет того, что заметным может оказаться излучение на более высоких гармониках. Указанные особенности свидетельствуют о том, что исследование вклада горячей петли в тепловое циклотронное излучение активных областей заслуживает более тщательного изучения.
Для этой цели в настоящей работе проведены модельные расчеты ожидаемых спектрально-поляризационных характеристик теплового циклотронного излучения корональной магнитной петли. В качестве простейшего приближения выбрана модель горячего тора. Отметим, что мы не ставим перед собой цель сконструировать модель физически реальной петли, которая обеспечила бы наблюдаемые характеристики конкретного радиоисточника. Мы рассматриваем только принципиальную возможность объяснить некоторые нестандартные свойства наблюдаемого микроволнового излучения активных областей.
В первой части работы проведены расчеты двумерных распределений яркостной температуры по петле на ряде длин волн при разных значениях электронной концентрации и положений петли на
Рис. 1. Модель горячей петли: силовые линии магнитного поля B и ось тора (толстая линия), в котором повышена температура; в — угол между лучом зрения и проекцией петли на фотосферу (экватором); а — угол между лучом зрения и магнитным полем. Цифры по осям координат приведены для малой петли.
диске. Кроме того, в фиксированной точке источника, определяемой пересечением выбранного луча зрения с фотосферой, построены частотные спектры (в терминах яркостных температур) для обыкновенного и необыкновенного излучения. Во второй части работы (статье Злотник и др., 2007), цитируемой ниже как статья II, обсуждаются интегральные характеристики микроволнового излучения горячих корональных петель и возможности интерпретации нестандартных источников микроволнового излучения из активных областей.
МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕГО ТОРА
Как правило, корональные петли соединяют магнитные поля противоположной полярности. Магнитное поле обычно аппроксимируют полем горизонтального диполя или двух противоположно направленных вертикальных диполей, погруженных под фотосферу. Однако для численного моделирования мы выбрали упрощенную форму магнитного поля (аналогично Бросиус, Холман, 1988) с силовыми линиями в виде полуокружностей. В этом случае расчеты и их результат
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.