УДК 52,3.62-726
ВОСПРОИЗВОДИМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА УСКОРЕНИЯ
СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
© 2004 г. Н. А. Лотова1*, К. В. Владимирский2, В. Н. Обридко1**, И. А. Субаев2
1Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Троицк 2Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва Поступила в редакцию 30.09.2003 г.
В экспериментах, проводившихся регулярно в 1999—2002 гг. на радиотелескопах РАН в г. Пущино, изучение радиальной зависимости рассеяния радиоизлучения компактных естественных источников было распространено на более удаленные от Солнца области околосолнечной плазмы. На основе большого объема данных показано, что помимо хорошо известной трансзвуковой области ускорения, расположенной на расстояниях 10—40 Rq от Солнца, на расстояниях 34—60 Rq существует область повторного ускорения, обусловленного совпадением скорости солнечного ветра с альвеновской скоростью. Повторение в трансальвеновской области характерных деталей радиальной структуры потока, наблюдающихся в трансзвуковой области (существование "предвестника", узкой области сниженного рассеяния, предшествующей широкой области повышенного рассеяния), говорит о сохранении до расстояний порядка 60 Rq, основных характерных черт резонансного ускорения потоков солнечного ветра.
Ключевые слова: Солнце, околосолнечная плазма, солнечный ветер, трансзвуковая и трансальвенов-ская области солнечного ветра.
REPRODUCIBLE CHARACTERISTICS OF THE SOLAR-WIND ACCELERATION, by N. A. Lo-tova, K. V. Vladimirsky, V. N. Obridko, and I. A. Subaev. In the experiments that were regularly carried out in 1999—2002 with Pushchino radio telescopes (Russian Academy of Sciences), the study of the radial dependence of the scattering of radio emission from compact natural sources was extended to regions of circumsolar plasma farther from the Sun. Based on a large body of data, we show that, apart from the standard transonic acceleration region located at distances of 10—40 Rq from the Sun, there is a region of repeated acceleration at distances of 34—60 Rq attributable to the equality between the solar-wind velocity and the Alfvenic velocity. The repetition in the trans-Alfvenic region of the characteristic features of the radial stream structure observed in the transonic region (the existence of a precursor, a narrow region of reduced scattering that precedes a wide region of enhanced scattering) suggests that the main characteristic features of the resonant acceleration of solar-wind streams are preserved up to distances of the order of 60 Rq .
Key words: Sun, circumsolar plasma, solar wind, transonic and trans-Alfve nic solar-wind regions.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальных проблем современной солнечной физики является изучение источников и процессов формирования потоков солнечного ветра. Экспериментальные исследования механизмов ускорения околосолнечной плазмы связаны преимущественно с возможностями метода просвечивания, с наблюдениями мерцаний или угла рассеяния радиоволн. В обоих случаях используется излучение компактных естественных
электронный адрес: helen@izmiran.rssi.ru электронный адрес: solter@izmiran.rssi.ru
источников. Основное внимание направлено на области, расположенные на малых расстояниях от Солнца, где формируется струйная структура и происходит ускорение потоков солнечного ветра.
Важным результатом исследований предыдущих лет явилось обнаружение существования непредсказанной теорией переходной, трансзвуковой области, в которой происходит основное ускорение и поток солнечного ветра становится сверхзвуковым (Лотова и др., 1985, 1998; Лотова, 1988, 1992). Переходная область расположена на радиальных расстояниях 10—40Е© от Солнца, где Е© — радиус Солнца. В переходной обла-
20-
и 10 к £
Н 8
5 6 ^ 5
3 4
3Ь 2 1
4 5 6 8 10 20 30 4050
10 20 30 40
Я /Яе
Рис. 1. Примеры локализации переходной трансзвуковой области солнечного ветра.
сти реализуется режим смешанного течения, в пространстве сосуществуют и взаимодействуют потоки, находящиеся в дозвуковом и сверхзвуковом режимах течения. Несомненный интерес представляет распространение исследований на более удаленные от Солнца области межпланетной плазмы с тем, чтобы прояснить дальнейшую судьбу потока и его струйной структуры. В 1999— 2002 гг. регулярные исследования солнечного ветра были распространены на область радиальных расстояний до 60—70 Я©. В этих экспериментах было накоплено значительное количество данных, которые обсуждаются ниже.
ОБЛАСТИ ИНТЕНСИВНОГО УСКОРЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
В радиоастрономических экспериментах изучаются характеристики рассеяния радиоволн: 26 (Я) — угол рассеяния и т(Я) — индекс мерцаний (Лотова и др., 1985; Лотова, 1988). Переходная область обнаруживается здесь как протяженная область усиления рассеяния. На рис. 1 приведены примеры локализации переходной области по данным радиальной зависимости угла рассеяния 26(Я); по обеим осям масштаб логарифмический. Рисунок 1а представляет результаты наблюдений источников 3С215 (Д), 3С225 (О) на длине волны Л = 2.7 м в августе 2001 г.; рис. 1б — наблюдения источников 3С133 (О), 3С154 (Д), 3С162 (□), 3С172 (у) на длине волны Л = 2.9 м в июне 1991 г. Незаполненные символы на рис. 1 соответствуют фазе сближения источника с Солнцем, восточному полушарию гелиосферы, заполненные — фазе удаления, западному полушарию.
На рис. 1 хорошо видна широкая область усиления рассеяния, которая обнаруживается по сравнению с асимптотической зависимостью, 26 (Я) ~ Я-1'6, характерной для дозвуковой области солнечного ветра (Лотова и др., 1997).
Важной структурной особенностью радиальной зависимости рассеяния является предвестник переходной области — узкая область резко сниженного рассеяния, которая предшествует широкой области повышенного рассеяния (рис. 1). Область предвестника наблюдается как при изучении радиальной зависимости угла рассеяния 26(Я), так и в измерениях индекса мерцаний т(Я). Ширина области предвестника невелика. В типичной серии ежедневных наблюдений рассеяния области предвестника соответствуют наблюдения одного дня, один результат измерений, сниженный более чем в 2 раза по сравнению с уровнем рассеяния в дозвуковой области. Это снижение рассеяния реально, значительно превышает порядок величины возможных отклонений, связанных с инструментальными ошибками измерений. Наблюдения последующих дней дают результат, превышающий уровень рассеяния в дозвуковой области. Быстрым изменениям рассеяния в области предвестника соответствуют быстрые изменения состояния вещества, быстрые изменения скорости потоков солнечного ветра. Грубые оценки порядка величины этих изменений можно получить, используя известное уравнение непрерывности, построенное в предположении сферической симметрии течения (Мулеман, Андерсон, 1981). В применении к процессам, происходящим без существенных изменений расстояния от Солнца, уравнение имеет
предельно простой вид:
N (R)V (R) = const,
где N — электронная концентрация плазмы, V — скорость потока солнечного ветра. Из снижения рассеяния в области предвестника вдвое следует, таким образом, быстрое удвоение скорости потока и затем такое же быстрое снижение скорости при восстановлении исходного уровня рассеяния.
Механизм быстрых изменений состояния околосолнечной плазмы в области предвестника требует, конечно, дальнейшего детального исследования. Поскольку имеющиеся экспериментальные данные мало говорят о деталях процесса, задача представляется трудной. В комплексной проблеме изучения процессов формирования сверхзвуковых потоков солнечного ветра само существование эффекта предвестника оказалось весьма полезным. Малая ширина области предвестника позволяет использовать величину Rp — расстояние от Солнца, на котором этот эффект возникает, — при определении внутренней границы переходной области. Положение этой границы используется как параметр, характеризующий интенсивность процесса ускорения солнечного ветра (Лотова и др., 1995 а, б).
Ранее мы рассматривали характеристики потока солнечного ветра в интервале сравнительно небольших расстояний от Солнца, R ~ 10—30R©. Изучение радиальной зависимости скорости потока в более широком диапазоне расстояний показало, что ускорение солнечного ветра не является непрерывным и монотонным. Этот вывод впервые был получен в работе Мулемана, Андерсона (1981) на основании экспериментальных данных о времени запаздывания радиосигналов и, соответственно, о распределении вещества на трассе, связывающей космический аппарат (КА) Viking с наземной станцией. Отклонение электронной концентрации от закона обратных квадратов радиального расстояния от Солнца позволило выявить две зоны интенсивного ускорения потоков солнечного ветра — в районе 20 и 50R©. Сложный, немонотонный характер процесса ускорения был в дальнейшем подтвержден более прямыми методами измерения скорости солнечного ветра (Яковлев и др., 1980, 1988; Ефимов и др., 1990; Токумару и др., 1995; Ефимов, 1994). Для более полной диагностики процессов ускорения солнечного ветра необходимы непрерывные ряды данных о радиальной зависимости скорости солнечного ветра в широкой области радиальных расстояний R & & 3—80R©, сопоставленные с данными о рассеянии радиоволн. На рис. 2 приведены результаты наших экспериментов, примеры радиальной зависимости угла рассеяния, измеренного в широких пределах R & 5—70R©, где так же, как и на рис. 1, по
осям использован логарифмический масштаб. Для различных источников здесь использованы символы: на рис. 2а — по наблюдениям источников 3С2 (О), 3С5 (Д) в марте 2000 г.; на рис. 2б -по источникам 3С144 (О), 3С166 (♦) в июне 2000 г.; на рис. 2в — по источникам 3С2 (О), 3С5 (□) в марте 2001 г.; на рис. 2г — по источнику 3С138 (О) в июне 2000 г. Незаполненные и заполненные символы, как и на рис. 1, позволяют различить наблюдения, относящиеся к фазе сближения источника с Солнцем и удаления от Солнца. Из рис. 2 видно, что в радиальной зависимости угла рассеяния 2в(Е), помимо известной переходной области, в более удаленных от Солнца областях повторяется усиление рассеяния на расстояниях Е ~ 40—70Е©, причем здесь повторяю
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.