1
ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
МИКРОВСПЫШКИ В РЕНТГЕНОВСКОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА
Специальность 01.03.03. - физика Солнца
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
МИРЗОЕВА ИРИНА КОНСТАНТИНОВНА
Москва 2006
Работа выполнена в отделе физики плазмы Института космических исследований Российской Академии Наук
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Писаренко Новомир Федорович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Лившиц Моисей Айзикович
доктор физико-математических наук Терехов Олег Викторович
Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт
Защита диссертации состоится 1 июня 2006г. в 12 часов на открытом заседании диссертационного совета Д 002.113.03 ИКИ РАН по адресу: 117997, ул.Профсоюзная 84/32
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН
Автореферат разослан 2006г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.ф.-м. н. Т.М.Буринская
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
Проблемы физики Солнца традиционно вызывают большой интерес в физике космической плазмы. Исследования ведутся в широком диапазоне электромагнитных и корпускулярных излучений как в периоды так называемого “спокойного Солнца”, так и в периоды возрастания солнечной активности.
Периодичность солнечной активности и связь процессов, происходящих на Солнце с земными явлениями, установленная еще в начале прошлого века А.Л.Чижевским, в наше время получила развитие в виде новых научных направлений: космической погоды и космической биологии.
Многие страны, имеющие возможность ставить эксперименты с помощью приборов, размещенных на борту космических аппаратов, интенсивно развивают научные исследования в этих направлениях. Данные со спутников поступают в специальные центры, где систематизируются и обрабатываются. В обработанном виде солнечные данные поступают в мировые центры данных, которые в последнее время стали доступны через сеть “Интернет”.
Обширная серия измерений солнечных данных была проведена на отечественных космических аппаратах серии “Прогноз”. В настоящее время измерения ведутся на спутниках различных типов, в том числе, на спутниках серии GOES, YOHKOH, SOHO. С 1995 по 2000г.г. эксперименты по изучению солнечного рентгеновского излучения проводились на двух спутниках серии “Интербол” при непосредственном участии научных учреждений России. В представленной диссертации в основном использованы данные, полученные в двух экспериментах на борту спутников “Интербол-Хвостовой зонд” и GOES.
Среди различных проявлений солнечной активности наибольший интерес вызывают нестационарные солнечные явления, в частности, солнечные вспышки. За последние десятилетия опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию солнечных вспышек, в особенности крупных вспышечных событий, т.е. событий с общим энерговыделением до 1032 эрг. Это связано, во-первых, с большим влиянием этих явлений на оклоземное космическое пространство, а во-вторых с тем, что некоторые характеристики крупных вспышек просто легче определить по сравнению со вспышками более малых баллов. Однако, с развитием технической базы, с накоплением экспериментального материала по вспышкам и развитием теоретических представлений о механизмах солнечной активности, появилась необходимость более глубокого исследования вспышечных событий малой мощности. На этом пути можно ожидать новых результатов как в физике самих солнечных вспышек, так и в некоторых очень важных смежных проблемах, например в проблеме нагрева солнечной короны. Наиболее полно эти вопросы освещены в работах (Ашвендена и др.,2000), (Бенца и Григиса, 2002), (Крукера и др., 2002). К тому же, анализ крупных вспышек зачастую сильно затруднен сложностью рассматриваемых явлений: в таких вспышках происходит взаимное наложение вспышечных процессов в различных частях плазменно-магнитной структуры и на разных этапах развития вспышки. По существу, в реально анализируемых событиях, мы наблюдаем суперпозицию многих явлений, когда очень трудно выделить четко отдельные этапы вспышечного энерговыделения в данной зоне. Даже в событиях средней мощности наблюдается своеобразная “каша” более мелких отдельных вспышечных явлений. Поэтому весьма важен анализ тех случаев, когда мы можем более или менее определенно выделить относительно простые этапы вспышки с четкой пространственной и временной локализацией относительно простых выделений энергии. В идеале хотелось бы выделить отдельную минимальную (с минимальным энерговыделением) вспышку и проследить этапы ее развития. Отсюда наш интерес к вспышкам малых баллов.
Цели и задачи исследования.
Целью данной работы является изучение характеристик солнечных вспышек малой мощности, их места в механизме солнечной активности, а также их роли в процессах нагревания плазмы в солнечной короне.
Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы при дальнейшем изучении солнечных вспышечных явлений, при постановке новых экспериментов в этой области, при составлении математических моделей солнечных явлений и всего механизма солнечной активности в целом. солнечный вспышка плазма корона
Результаты, выносимые на защиту.
1. По данным, полученным в проекте “Интербол-Хвостовой зонд” был выделен и обработан ряд периодов (в работе приведены данные в основном за 1995год), в которых наблюдались солнечные события очень малой мощности в рентгеновском диапазоне излучения Солнца.
В области энергий от 2 до 15 кэВ выделен класс солнечных событий (класс 0) с общим энерговыделением от 1025 до 1026 эрг со следующими характеристиками:
- длительность: 30 300с;
- мощность всплеска: 4.5 10-9 10-8 Вт/м2;
- превышение максимальной интенсивности всплеска над тепловым фоном: 1 5 имп/с;
- значение теплового фона: 6 10 имп/с.
2. Обнаружено существование нижнего предела в распределении слабых солнечных вспышек по энергиям, при этом, процессы, происходящие в микровспышках, лежащих близ данного предела, имеют смешанный характер, т.е. являются комбинацией теплового и тормозного рентгеновского излучения. Получены кривые распределения числа микровспышек в зависимости от их мощности.
3. Выявлено смещение максимума энергетического спектра слабых рентгеновских всплесков в более жесткую область исследуемого диапазона при переходе от минимума цикла солнечной активности к его максимуму.
4. Определено значение теплового фона рентгеновского излучения Солнца в области малых энергий на различных участках цикла солнечной активности. Выявлена взаимная связь числа слабых всплесков в рентгеновском диапазоне излучения Солнца с разбросом величины значений теплового фона.
5. Выявлена корреляция среднесуточных значений максимумов потоков рентгеновских всплесков микровспышек разных классов с величинами среднесуточных значений теплового фона - рентгеновского излучения солнечной короны, что позволяет сделать вывод о существенном вкладе энерговыделения микровспышек в процесс нагрева солнечной короны.
Все эти результаты, по существу, являются новыми результатами. В соответствии с принятой формой представления, можно записать их в следующем виде.
Научная новизна полученных результатов.
1. По данным проекта “Интербол-Хвостовой зонд” в год солнечного минимума впервые выделен ряд периодов, в которых наблюдались солнечные события очень малой мощности в рентгеновском диапазоне излучения Солнца.
В области энергий от 2 до 15 кэв выделен новый класс солнечных событий (класс 0), зарегистрированы характеристики данного класса событий.
2. При анализе солнечных событий малой мощности (микровспышек) обнаружен ряд новых закономерностей: существование нижнего предела в распределении микровспышек по энерговыделениям, смешанный характер процессов образования рентгеновского излучения в этих микровспышках.
3. Обнаружено смещение максимума энергетического спектра микровспышек в зависимости от фазы в цикле солнечной активности.
4. Определено значение теплового фона на различных участках цикла солнечной активности. Выявлена взаимная связь числа слабых всплесков в рентгеновском диапазоне излучения Солнца с разбросом величины значений теплового фона.
5. Впервые экспериментально выявлена взаимосвязь микровспышек и теплового фона солнечной короны.
Личный вклад соискателя.
Диссертационная работа является самостоятельным научным исследованием. Соискателю принадлежит выбор направления исследования солнечных событий малой мощности, определение характеристик и поиск закономерностей в этих событиях, а также предложение на основе полученных экспериментальных данных модели микровспышки как одного из этапов солнечного вспышечного события. Соискателем разработан план исследований, проделана большая работа по обработке и анализу экспериментального материала по проекту. При анализе полученного материала автором привлекались данные, полученные в проектах GOES, RHESSI, а также работы других авторов, посвященные исследованию солнечных событий малой мощности.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались автором на научно-технических советах отдела физики плазмы ИКИ РАН, на конференции по физике Солнца “Солнечная активность и параметры ее прогноза” в Крымской Астрофизической Обсерватории (2002г.), на конференции “Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность”, ИКИ РАН (2004г.).
Публикации.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Текст содержит 27 рисунков. Список использованных источников включает 40 наименований, в том числе иностранных - 14.
Содержание работы.
Глава 1. Солнечные вспышки - основной элемент солнечной активности.
1.1. Общие характеристики солнечных вспышек.
Существуют различные проявления солнечной активности, которые включают в себя: 1). активные области, связанные с выходом из конвективной зоны на поверхность Солнца плазмы с магнитным полем, проявляющееся в процессе пятнообразования; 2). вынос магнитного поля в нижнюю хромосферу и корону и связанные с этим процессом плазменные образования в солнечной атмосфере: спикулы, корональные петли, протуберанцы; 3). солнечные вспышки и корональные выбросы.
Наиболее известным проявлением солнечной активности являются вспышки. Вспышкой принято считать проявление солнечной активности, связанное с довольно быстрым и локально сконцентрированным энерговыделением. Различными наблюдениями установлено, что вспышки связаны с активными областями на поверхности Солнца. Во время вспышки наблюдается значительное увеличение яркости в хромосферных линиях, в Н водорода и в других линиях. Во вспышках наблюдается ускорение заряженных частиц: электронов и ядер. Иногда, при самых сильных вспышках, наблюдаются ускоренные протоны высоких энергий и гамма-излучение. Во время вспышки происходят значительные возрастания излучения в различных длинах волн
электромагнитного спектра: в радиодиапазоне, в ультрафиолетовой, рентгеновской и видимой областях.
Энергия большой вспышки достигает 31032 эрг, ее основная часть выделяется в течение десятков минут. Такое большое энерговыделение крупных вспышек приводит к взрыву в солнечной атмосфере, результатом чего является образование ударной волны и всех вторичных явлений в солнечной атмосфере и короне, связанных с эволюцией этой волны. У крупных вспышек, можно считать, что половина энерговыделения уходит на ускорение заряженных частиц, а половина энергии идет на МГД-взрыв. Скорости МГД-волн, образующихся при взрыве, могут превышать 1000 км/с. Вспышки с энерговыделением от 1028 до 1032 эрг представляют основную долю крупных, средних и более слабых (чем средняя) вспышек.
Вспышки с общим энерговыделением меньше 1027 эрг принято считать малыми вспышками или солнечными событиями малой мощности (раньше часто употреблялся термин “субвспышки”). Нижний предел общего энерговыделения во вспышке, как считается в настоящее время, близок к E0 1025 эрг.
Активное изучение солнечных вспышек с помощью приборов, установленных на космических аппаратах, с привлечением наблюдательных данных, полученных в наземных обсерваториях, ведется с начала 60-х годов прошлого века. Подавляющая часть исследований по вспышкам посвящена солнечным событиям большой мощности по той простой причине, что их легче наблюдать и регистрировать их характеристики. Поэтому, основные наблюдательные данные и сделанные на их основе выводы, в большинстве случаев относились к солнечным событиям большой мощности.
С 1969 года и по настоящее время принята классификация солнечных вспышек по мощности потока рентгеновского излучения вспышки (мощность всплеска в максимуме), достигающего земной орбиты. Мощность потока рентгеновского излучения вспышки измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Современная классификация солнечных вспышек в рентгеновском диапазоне 2-15 кэВ выглядит следующим образом: