АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2008, том 42, № 5, с. 463-476
УДК 523.985
ТОНКАЯ СТРУКТУРА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ КРУПНЫХ ВСПЫШЕК
© 2008 г. Г. П. Чернов
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова
РАН, Троицк Московской области Поступила в редакцию 10.02.2007 г.
Проведен комплексный анализ нескольких последних явлений с зебра-структурой (ЗС) и волокнами (fiber bursts) на динамических спектрах солнечных радиовсплесков IV типа с использованием всех доступных наземных и спутниковых данных (SOHO, TRACE, RHESSI). 3C и волокна наблюдались на частотах от 50 до 3800 МГц. Основные относительные спектральные параметры и степень круговой поляризации ЗС и волокон почти одинаковы. Тонкая структура наблюдалась как в мощных явлениях, так и в слабых (а более богатой была в слабых явлениях), как на импульсной фазе, так и на спаде, в моменты повторяющихся континуальных всплесков. Вид тонкой структуры зависит от формы магнитных петель в радиоисточнике, от типа ускорения быстрых частиц (импульсное или длительное), от наличия ударных волн и корональных выбросов массы. Обнаружен ряд новых эффектов взаимодействия полос зебры и волокон с пульсациями. В частности, в диапазоне 1-2 ГГц наблюдалось одновременно до 40 волокон с различной полосой частот на фоне внезапных поглощений. Показано, что различные эффекты поведения полос ЗС и волокон на фоне быстрых широкополосных пульсаций удается объяснить в рамках модели с вистлерами, если учитывать квазилинейную диффузию быстрых частиц на вистлерах, деформирующую функцию распределения частиц по скоростям.
PACS: 96.60.Hv, 96.60.ph
ВВЕДЕНИЕ
Полосы в излучении и поглощении на фоне континуума солнечных радиовсплеcков IV типа традиционно подразделяют на два вида: зебра-структуру и волокна (fiber bursts). Зебра-структура (ЗС) представляет собой более или менее регулярные полосы на динамическом спектре (частота-время) чаще с положительным, но не с постоянным дрейфом частоты. Волокна обычно имеют почти постоянный отрицательный частотный дрейф. Многие наблюдательные свойства этих структур хорошо известны, они давно изучаются и классифицируются в обзорах и монографиях (Slot-tje, 1981; Крюгер, 1983). Однако иногда регистрируются необычные полосы с резко меняющимися параметрами. Наблюдения на новом спектрографе Пекинской обсерватории в диапазоне 2.6-3.8 ГГц с высоким разрешением (10 МГц и 8 мс) свидетельствуют о таком же разнообразии подобной тонкой структуры и в микроволновом диапазоне (Chernov и др., 2001; 2003).
Интерпретация такой сложной тонкой структуры не успевала за получением все более разнообразных новых наблюдательных данных. Однако для волокон основным механизмом радиоизлучения можно считать взаимодействие плазменных электростатических волн (I) с вистлерами (w) (возбуждаемыми одними и теми же быстрыми электронами с конусным распределением по скоростям) со свободным выходом обыкновенной волны (t): l + w —- t (Kuijpers, 1975a; Чернов, 19906).
Гораздо сложнее развивалась теория образования зебра-структуры. Было предложено более десятка различных моделей, большая часть которых включает излучение электростатических плазменных волн на двойном плазменном резонансе (Zheleznykov, Zlotnik, 1975; Kuijpers, 1975b; Федо-ренко, 1975; Железняков, 1977; Mollwo, 1983; Win-glee, Dulk, 1986):
/ 2 2 Л/2 ,1Ч
®UH = (®Pe+ «Be) = S fflBe, (1)
где a>uH - верхняя гибридная частота, fflpe - электронная плазменная частота, ю^ - электронная циклотронная частота и s - номер гармоники. Наиболее адекватной наблюдениям и условиям в короне является модель Winglee, Dulk (1986), основанная на ненасыщенном электронном циклотроном мазерном излучении электронами с конусным распределением по скоростям. Однако во всех этих версиях теории ЗС мы сталкиваемся с рядом трудностей:
1) частотное разделение между полосами ЗС Afs должно составлять некую долю от электронной циклотронной частоты (в зависимости от соотношений шкал высот изменения поля и плотности в короне), однако часто наблюдается нерегулярная структура;
2) магнитное поле, определенное по величине A/S, всегда оказывается настолько малым, что трудно получить плазменное в < 1 (очевидное значение для магнитной ловушки над активной областью);
3) практически все модели объясняют полосы в излучении, хотя иногда наблюдаются полосы преимущественно в поглощении;
4) во всех моделях опускается важное свойство распределения с конусом потерь: оно генерирует также вистлеры, и взаимодействие вистлеров с быстрыми частицами кардинально меняет распределение по скоростям - поперечная анизотропия уменьшается, но возникает пучок по продольным скоростям.
Кроме того, основные спектральные свойства полос типа зебра и волокон и поляризация их радиоизлучения совпадают, что свидетельствует в пользу единого механизма излучения для обеих структур, основанного на слиянии плазменных волн с вистлерами, но в различных условиях неустойчивости вистлеров. Вся магнитная ловушка заполняется периодическими волновыми пакетами вистлеров, возбуждаемыми конусным распределением быстрых электронов на циклотронном резонансе:
fflw - k V|| - s fflBe = 0, (2)
где fflw - частота вистлеров, k¡¡ - волновое число вистлеров, V|| - скорость быстрых электронов (параллельная магнитному полю). В зависимости от формы функции распределения неустойчивость развивается или на нормальном эффекте Доплера (s = +1 в (2)), когда вистлеры распространяются навстречу быстрым частицам вдоль магнитного поля, приводя к формированию волокон; или на аномальном резонансе (s = -1), когда вистлеры распространяются в направлении быстрых частиц под большими углами к магнитному полю и образуют полосы типа зебра с различным частотным дрейфом (Мальцева, Чернов, 1989а, 19896; Chernov, 1990a, 19906; Chernov и др., 1998). Быстрая периодичность неустойчивости вистлеров связана с квазилинейным характером неустойчивости (рассеяние быстрых частиц на вис-тлерах), приводя к периодическим срывам неустойчивости электростатических волн в объеме пакета вистлеров, чем и обуславливаются полосы поглощения, сопровождающие как волокна, так и полосы в излучении типа зебра (Чернов, 1996). Вистлеры могут давать вклад в образование полос в излучении и поглощении в результате их взаимодействия с плазменными волнами как на суммарной, так и на разностной частотах ± o>w = (Чернов, 1976; 1989; Чернов, Фомичев, 1989).
Неудовлетворенность ситуации с единой теорией ЗС продолжает стимулировать многих авторов к созданию новых версий механизма на двойном плазменном резонансе (Ledenev и др., 2001; Zlotnik и др., 2003). В поиске устранения трудности с малыми значениями напряженности магнитного поля на двойном плазменном резонансе LaBelle и др. (2003) предложили новую теорию ЗС, основанную на механизме излучения авроральных "хоров" -магнитосферных всплесков, принимаемых на на-
земных станциях на частотах 2-4 МГц, с тонкой структурой, похожей на ЗС. Предполагается, что излучается Z-мода циклотронным мазерным механизмом (по аналогии с Winglee, Dulk, 1986). И хотя сама Z-мода на верхней гибридной частоте не выходит из источника, при наличии неоднородностей плотности соответствующих масштабов она может трансформироваться в обыкновенную моду на дискретных частотах (собственных гармониках). Однако эта теория оставляет без внимания сам процесс высвечивания и динамику гармоник. Кроме того, суммарная картина от множества неоднородностей (они создаются распространяющимися ионнозвуковыми волнами) должна приводить к замыванию полос в сплошной спектр (континуум). В стороне остается еще одновременное появление волокон на фоне ЗС.
Наблюдения тонкой структуры солнечного радиоизлучения остаются надежным инструментом как для диагностики плазмы солнечной короны, так и для проверки выдвигаемых теоретических моделей и проверки результатов лабораторных плазменных экспериментов по взаимодействиям волна-волна и волна-частица. За последние годы значительно расширились наблюдения тонкой структуры, обнаружены новые эффекты в ЗС. Анализ новых явлений теперь, обычно, включает более полное изучение вспышечных процессов в оптическом и в рентгеновском диапазонах. Поэтому на данном этапе важно выделить новые аспекты в наблюдениях тонкой структуры и проанализировать их в свете различных теоретических моделей, чему и посвящена настоящая работа.
НОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕБРА-СТРУКТУРЫ
В последние годы были значительно модернизированы спектрометры Национальной обсерватории Китая (NAOC) в диапазонах 1-2, 2.6-3.8 и 5.2-7.6 ГГц. Они позволяют регистрировать тонкую структуру с наилучшим спектральным разрешением: по частоте10 МГц, по времени 5-8 мс. В некоторых явлениях полученные на этих спектрометрах данные удалось сравнить с одновременными наблюдениями на спектрографе ИЗМИРАН в диапазоне 25-270 МГц.
Явление 21 апреля 2002 г.
Взрывная длительная вспышка балла X1.5 21 апреля 2002 г. произошла в AR 9906 вблизи западного лимба (S14W84) между 00:43 UT и 02:38 UT. В линии КУФ-диапазона 195 А на ИСЗ TRACE (Transition Region And Coronal Explorer) наблюдалось формирование яркой послевспышечной аркады петель (Gallagher и др., 2002).
В интервале 01:34 UT-02:15 UT наблюдалась темная материя, падающая на аркаду сверху и затмевающая аркаду петель. По радиоданным и жест-
Рис. 1. Сверху: профиль всплеска в жестком рентгеновском излучении в канале 44-67 кэВ (МТ1/ЫХЯ8) 21 апреля 2002 г., совпадающего с интервалом зебра-структуры в диапазоне 2.6-3.8 ГГц. Внизу: профили радиоизлучения на двух частотах 2.84 и 3.44 ГГц (КДОС, станция Хуайроу), показывающие радиопоток в интенсивности (I = Ь + К) и в поляризации (V = Ь - К), обозначенные соответственно сплошной и пунктирной линиями. Все быстрые выбросы связаны с тонкой структурой. Видно, что степень поляризации возросла к концу всплеска.
кому рентгеновскому излучению все длительное явление разделяется на две фазы: на фазе роста мягкого рентгеновского излучения по данным MTI/HXRS на ИСЗ GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) был зарегестрировар первый максимум жесткого рентгеновского излучения (около 01:15 UT - 01:18 UT), а в радиодиапазоне
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.