НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

ГЕРАСИМЕНКО Світлана Володимирівна

ВПЛИВ ПРОСТОРОВОЇ НЕОДНОРІДНОСТІ І ЗОВНІШНЬОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ НА ГЕНЕРАЦІЮ ХВИЛЬ В АКТИВНИХ ОБЛАСТЯХ НА СОНЦІ

01.03.03 – Геліофізика і фізика Сонячної системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Кришталь Олександр Нектарійович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України,

старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Лозицький Всеволод Григорович,

Астрономічна обсерваторія Київського національного

університету імені Тараса Шевченка,

старший науковий співробітник.

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Засенко Володимир Іванович,

Інститут теоретичної фізики ім. М.М.Боголюбова

НАН України,

старший науковий співробітник.

Провідна установа: НДІ “Кримська астрофізична обсерваторія”

Міністерства освіти і науки України, Крим, с. Наукове.

Захист відбудеться 16 квітня 2004 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАНУ, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Початок засідань о 10-й годині.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ГАО НАНУ за адресою: ГАО НАНУ, МСП, 03680, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Автореферат розісланий “ 11 ” березня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фіз.-мат. наук Васильєва І.Е.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сонячні спалахи - це найбільш близький і доступний для вивчення приклад процеса генерації нетеплових часток і космічних променів у Всесвіті. У сучасній астрофізиці цей процес має фундаментальне значення, оскільки він відповідає не тільки за космічні промені, але і за усі види нетеплового випромінювання від радіохвиль до -променів. Прикладна сторона проблеми обумовлена тим, що спалахи визначають радіаційну обстановку в космосі, стан іоносфери і геомагнітного поля і залежний від цього стан проходження радіохвиль; спалахи також впливають на погоду і біосферу. Задачі радіозв’язку, радіонавігації і безпеки космічних польотів і є причиною тієї уваги, яка приділяється прогнозуванню сонячних спалахів.

При вивченні сонячної плазми, на відміну від лабораторних досліджень, в принципі відсутня можливість впливу на “умови проведення експерименту”. Внаслідок цього, суттєво зростає значення різних теоретичних моделей, причому малі збурюючі фактори або малі добавки, якими можна було знехтувати в випадку чисто лабораторних досліджень, можуть суттєво вплинути на весь хід процесу в сонячній атмосфері. Тому при дослідженні петельних структур на Сонці будь-яка модель повинна враховувати якомога більше реально існуючих факторів.

Теоретичні розробки останніх десятиліть вказують на те [8-15], що ключовими пунктами теорії короткострокового прогнозу сонячного спалаху є генерація різноманітних плазмових хвиль внаслідок розвитку відповідних нестійкостей і подальші процеси розпаду та злиття цих хвиль з утворенням електромагнітного випромінювання. При розгляді цих процесів низькочастотними дрейфовими нестійкостями, що є наслідком неоднорідностей основних плазмових параметрів, як правило, нехтують, враховуючи їх відносну “повільність” (тобто малий інкремент). Разом з тим давно відомо, що ці нестійкості мають дуже низький поріг збудження, як на це було вказано в класичних дослідженнях Сомова зі співавторами. І, якщо взяти до уваги, що “передспалаховий” стан в петлі характеризується швидким зростанням амплітуди зовнішнього електричного поля (можливість саме такого сценарію розвитку процесу розглядали Альфвен і Карлквіст [16]) то роль дрейфових нестійкостей, на певному етапі розвитку всього процесу спалаху, може стати вирішальною. До того ж повільні магнітоакустичні хвилі, що розповсюджуються практично перпендикулярно до зовнішнього магнітного поля петлі, із зростанням кута відхилення від цього напрямку можуть трансформуватися, зокрема, в кінетичні альфвенівські хвилі, які мають важливе значення при розгляді процесів нагріву атмосфери Сонця та прискорення часток у спалахах.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертації дослідження виконувалися за планом наукових тем відділу фізики космічної плазми ГАО НАНУ:

1. “Ефекти магнітної геометрії і хвильові турбулентності в динаміці сонячної і магнітосферної плазми”, шифр 1.4.6/4-180В, №держ.реєстрації 0198U001452, 2000-2002.

2. “Процеси спектрального переносу і трансформації хвильової енергії в космічній плазмі”, шифр 1.4.6/205-У, № держ.реєстрації 0103U001177, 2003-2005.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є визначення фізичних умов виникнення і розвитку нестійкостей нових типів плазмових хвиль в рамках реалістичної моделі сонячної плазми в передспалаховому стані. Також метою дисертації є оцінка і обчислення часів розвитку нестійкостей різних типів плазмових хвиль в рамках лінійного наближення теорії збурень.

Задачі дослідження:

1. Розробити метод аналізу стійкості низькочастотних хвиль при наявності в плазмі великомасштабного субдрейсерівського поля та врахуванні кулонівських зіткнень;

2. Дослідити умови виникнення і розвитку нестійкостей плазмових хвиль при наявності неоднорідності густини та просторового градієнту температури;

3. Розширити і доповнити існуючу ієрархію різноманітних нестійкостей плазмових хвиль в петельних структурах;

4. Зробити оцінки границь застосування використаної моделі і методу досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше відоме дисперсійне рівняння [17] було доповнено членами, які враховують парні кулонівські зіткнення, наявність слабкого електричного поля та просторову неоднорідність основних фізичних характеристик плазми. В результаті чисельного моделювання було показано, що серед коренів модифікованого дисперсійного рівняння (МДР) з’являються нові типи хвиль, основні характеристики яких змінюються в діапазоні, що зазвичай відповідає кінетичним альфвенівським або магнітозвуковим хвилям.

Вперше показано, що екстремально низькі пороги збудження цих хвиль зумовлені, в основному, не дрейфовими ефектами, як можна було очікувати, а адіабатично повільним зростанням амплітуди субдрейсеровського електричного поля в петлі.

Практичне значення одержаних результатів. Деякі отримані розв’язки дисперсійного рівняння (ДР), що відповідають певному типу хвиль, можуть служити показником (індикатором) зростання амплітуди електричного поля в струмовому контурі петлі. Внаслідок цього вони можуть бути використані для короткострокового прогнозу спалаху в аркаді петель.

Принципова можливість генерації на певній висоті в петлі альфвено-подібних хвиль дозволяє спростити цілий ряд основних положень деяких спалахових теорій. Всі вони суттєво використовують припущення про розповсюдження альфвенівських хвиль в петельних структурах [18]; теорія Піддінгтона [19] є однією з найбільш популярних серед них, а теорія Хейвертса-Пріста-Раста –найбільш грунтовною і розвиненою в застосуванні.

Цілий ряд задач у фізиці Сонця, і перш за все, дослідження механізму насичення циклотронного мазерного випромінювання спалахів [20], мають своїм ключовим моментом побудову найбільш повної ієрархії всіх нестійкостей, що розвиваються в передспалаховый плазмі. Отримані і досліджені в роботі нестійкості займають своє чільне місце в цій ієрархії.

Отримані результати доповнюють картину стану передспалахової плазми при дослідженні впливу дрейфових нестійкостей на нейтральний високотурбулентний струмовий шар (ВТСШ) [21].

Наукові результати, отримані в дисертації, можуть бути використані при дослідженнях в Київському Національному університеті імені Тараса Шевченка, Радіоастрономічному інституті НАНУ, Кримській Астрофізичній обсерваторії та в інших наукових установах України, де проводяться дослідження космічного простору.

Особистий внесок здобувача. В роботах [1-7] автором проведено чисельне моделювання, аналіз та інтерпретація одержаних результатів, також зроблені оцінки границь застосування використаної моделі. Автором самостійно написаний відповідний комплекс програм для реалізації методу аналізу стійкості низькочастотних хвиль при наявності в плазмі великомасштабного електричного субдрейсерівського поля та врахуванні кулонівських зіткнень.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на:

-

-

досліджень, Київ, 2001р.;

-

-

-

-

-

-

Публікації. Результати, викладені в дисертації, опубліковані упродовж 2001-2003 рр: статті в рецензованих журналах [1-4] – 4, матеріали та тези конференцій [5-7] – 3.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків та списку літератури, що включає 119 найменувань, складає 115 сторінок тексту, 31 рисунок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається загальна характеристика роботи, обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету дослідження, визначено наукову новизну отриманих результатів, приведено відомості відносно апробації роботи, публікацій та структури дисертації.

Перший розділ має, головним чином, оглядовий характер: розглядаються основні проблеми прогнозування сонячних спалахів. Коротко характеризуються найбільш розповсюджені моделі сонячних спалахів, обговорюється проблема спостереження передспалахових струмових шарів.

В першу чергу для інтерпретації одержаних результатів в дисертаційній роботі використовується модель Хейвертса-Пріста-Раста 22, згідно якій, спалах в активній області є наслідком взаємодії двох магнітних потоків, _“старого”, який є в одній з петель аркади, і “нового”, що підіймається з-під фотосфери. У рамках такого сценарію розвитку подій очевидно типовою є ситуація, коли при підйомі нового потоку, у результаті наведення додаткової електрорушійної сили у контурі “старої” петлі починає зростати амплітуда квазістатичного електричного поля. Розглядається механізм “безпосереднього вмикання” таким полем нестійкостей хвиль різних типів в плазмі післяспалахових петель в активній області.

Напередодні спалаху спостерігаються збурення основних термодинамічних параметрів плазми, які мають чітко виражений хвильовий характер. В якості основного джерела виникнення і розвитку плазмових нестійкостей розглядається квазістаціонарне електричне поле. Про існування такого поля в петельних структурах свідчить наявність в них електричних струмів і їх характер. Ці струми є в петлях протягом практично всього часу їх існування. Такі поля зазвичай називають “dc” (“direct current”) –полями. Зростання амплітуди такого поля в часі може бути причиною послідовного “ввімкнення” різних типів плазмових нестійкостей. Як правило, зростання амплітуди електричного поля є достатньо швидким з точки зору зовнішнього спостерігача і в той же час достатньо повільним з точки зору величин, які характерні для розвитку плазмових нестійкостей, перш за все, - часу їх розвитку. За припущенням, що головною особливістю передспалахового стану плазми в петельній структурі є помітне зростання амплітуди великомасштабного поля , та, маючи інформацію про ієрархію плазмових нестійкостей, можна починати розрахунки короткочасового прогнозу спалаху в петельній структурі. Розвиток нестійкості відповідного типу плазмових хвиль є тільки необхідною умовою цього прогнозу.

При цьому треба зауважити, що і досі немає таких даних спостережень, які б дозволили напевно встановити точну відповідність між двома моментами часу, - моментом досягнення амплітудою квазістатичного поля свого максимального значення і моментом “початку спалаху”. Згаданий проміжок часу (тобто зростання амплітуди великомасштабного поля в струмовому контурі петлі) реально може бути відомий лише за порядком величини і представляє собою фактично лише характерний часовий масштаб. Саме в такій якості він і використовується в усіх теоретичних розрахунках.

В другому розділі дисертації описується модель плазми, що використовується в дисертації, виводиться дисперсійне рівняння для низькочастотних хвиль в активній області на Сонці.

Плазма в петлі на рівні хромосфери не є цілком іонізованою і необмеженою. Разом з тим обробка даних спостережень, отриманих у рамках міжнародної програм “УOHKOH”, SOHO та TRACE вказує на те, що в контексті даної моделі її можна розглядати як цілком іонізовану і необмежену, тому що в області, яка розглядається, частоти зіткнень заряджених часток з електрично нейтральними частками набагато менші частот взаємних зіткнень електронів з іонами [11,12]. Метод локальних розв’язків дисперсійного рівняння дозволяє не враховувати вплив границь, залишаючись в рамках наближення геометричної оптики.

Вісь Z обраної системи координат традиційно зорієнтована вздовж напрямку магнітного поля петлі, при цьому площина XY паралельна площині фотосфери. Досліджувана область плазми знаходиться досить близько до однієї з двох основ (“foot point”) петлі. Центр системи координат XYZ суміщений з центром малого поперечного переріза розімкнутого тора, яким моделюється петля. Поле є великомасштабним, тобто є всюди в петлі. В одній з основ петлі воно спрямовано до фотосфери, в іншому – в протилежному напрямку.

Модель плазми, що використовується в дисертації, є свідомо обмеженою в тому плані, що, по-перше, може бути застосованою для розрахунків тільки тих процесів, що відбуваються в хромосфері спалаху, де кількість електроно-іоних парних кулонівських зіткнень досить значна. Вона (модель) за означенням є “прив’язаною” до певного діапазону висот в атмосфері Сонця. По-друге, використання в розрахунках тільки “локальних” розв’язків дисперсійного рівняння є не лише засобом математичного спрощення, а, в основному, відображенням того факту, добре відомого із даних спостережень, що ніяких різких границь в активній області ще й досі нікому не вдалося спостерігати. Це стосується навіть тих об’єктів, які ідентифікуються як “передспалахові струмові шари” [11?15,18,23]. Тому наближення і локальних розв’язків, і геометричної оптики (для збурень) є не тільки зручним, але і доречним.

Вважається, що рівноважна функція розподілу по швидкостях є чисто максвелівською для іонів і описується зсунутим максвелівським розподілом для електронів.

Електричне поле в петлі вважається слабким і квазістатичним.

Час розвитку нестійкості в рамках лінійного наближення теорії збурень пов’язаний з інкрементом нестійкості стандартним співвідношенням

.

Наявність у плазмі досить сильних магнітного і субдрейсеровського електричного полів може забезпечити деяку перевагу спрямованого руху заряджених часток вздовж поля над їх хаотичним тепловим. Тим самим може бути реалізована ситуація, коли електронно-іонні зіткнення домінують не тільки над іон-іонними, але і над електрон-електронними [18,23].

Розглядаються довгохвильові збурення, які мають малу величину параметра кінетичності для електронів та іонів.

Вважається, що фазова швидкість хвиль що генеруються, вздовж осі Z, змінюється в діапазоні, який характерний для іонно-звукових і альфвенівських хвиль.

Розглядається квазіперпендикулярний напрямок розповсюдження збурень. Це обумовлено, насамперед, даними спостережень, оскільки результати, одержані в міжнародних програмах YOHKOH і SOHO дослідження петельних структур у рентгенівському діапазоні, визначили чітко виражену неоднорідність густини в напрямку, перпендикулярному до їх магнітного поля [11?15]. Внаслідок цього і з’являється можливість знехтувати просторовими градієнтами температури і магнітного поля в порівнянні з градієнтом густини, оскільки відомо, що саме розходження в густині є головними при порівнянні характеристик плазми у спалаховій петлі і фоновій плазмі активної області [18?19].

Вихідним пунктом для одержання ДР можна вважати вираз для скалярної діелектричної проникності гарячої магнітоактивної неоднорідної плазми [24].

З огляду на вищенаведені обмеження на параметри плазми і параметри збурень, електричне поле в неоднорідному середовищі вважається квазіпотенційним. Тоді рівність нулю виразу для діелектричної проникності у плазмі з просторовою неоднорідністю грає ту ж роль, що грає стандартне ДР в однорідній плазмі [24]. Це рівняння у такому випадку можна розглядати як рівняння ейконала для потенційних хвиль у нульовому наближенні геометричної оптики [24].

Наявність слабкого електричного поля й врахування зіткнень позначаться на вигляді виразів для повздовжньої і поперечної компонент діелектричної проникності, у яких з’являться додаткові члени. Таким чином вихідне дисперсійне рівняння можна назвати модифікованим рівнянням (МДР).

В процесі розв’язку даної задачі розглядалися тільки дійсні корені МДР. З одного боку, це дозволило виключити з розгляду процеси, що відповідають фактичному зриву коливань внаслідок аперіодичного згасання або розвитку аперіодичної нестійкості, з іншого боку - наклало додаткові обмеження на діапазон зміни основних фізичних характеристик плазми.

У порівнянні з відомим дисперсійним співвідношенням, отриманим А.Б.Михайловським в роботі 17, отримане ДР модифіковано впливом парних кулонівських зіткнень і наявністю слабкого електричного поля . Таке квазістатичне великомасштабне поле називають субдрейсерівським, якщо виконується нерівність

,

де Е0 — це амплітуда зовнішнього квазістатичного електричного поля, а ЕD ----амплітуда відповідного локального дрейсерівського поля. Це модифіковане дисперсійне рівняння (МДР) при R=0 і ei=0 (ei - частота електронно-іонних зіткнень) переходить у ДР з роботи 17, розв’язками якого є дві кінетичних альфвенівських хвилі (КАХ), - пряма і зворотня, – “дещо змінених” дрейфовими рухами, а також повільна дрейфова хвиля.

Отримане дисперсійне рівняння розв’язувалось методом Эйлера [25]. Необхідною і достатньою умовою того, щоб усі чотири корені МДР були дійсними, є умова від’ємності дискримінанту резольвентного алгебраїчного рівняння третього ступеня, яке за загальними правилами [25] ставиться у відповідність початковому поліному четвертого ступеня. Ця умова накладає досить жорсткі обмеження на значення основних фізичних параметрів плазми. Саме вона, разом з вищезгаданими умовами, а саме: “локальності” розв’язків дисперсійного рівняння; наближенням геометричної оптики; генерацією фазової швидкості хвиль в діапазоні магнітозвукових і альфвенівських хвиль і малим значенням величини іонного гірорадіусу по відношенню до розмірів неоднорідності густини, дозволила область зміни параметрів моделі розділити на дві підмножини, що не перетинаються. Кожна з них відповідає різним фізичним ситуаціям в активній області напередодні спалаху, а саме: а) випадку “слабкої” неоднорідності і б) випадку “сильної” неоднорідності.

Неоднорідність вважалася “слабкою”, якщо для неї величина ( - іонний гірорадіус, l – розміри неоднорідності) має гранично малі, а величина (тангенс кута нахилу хвильового вектора збурень по відношенню до напрямку, перпендикулярного до )– гранично великі можливі значення. У противному випадку, – при максимально можливому і мінімальному , – неоднорідність має сенс називати “сильною”. Зважаючи на те, що в дисертації розглядаються довгохвильові наближення і тільки локальні розв’язки модифікованого дисперсійного рівняння, гранично малі можливі значення повинні відповідати випадку “сильної” неоднорідності, а гранично великі значення – випадку “слабкої” неоднорідності за умови, що рівняння стану плазми і характеристики збурень дозволяють знехтувати впливом “ширу”, - тобто кривизни і скрученості магнітних силових ліній.

Розв’язки ДР отримані в аналітичному вигляді, усі вони мають дійсні корені. Для певного типу рівняння стану сонячної атмосфери та типових значень напруженості магнітного поля показано, що врахування впливу просторової неоднорідності густини і наявності великомасштабного електричного поля призводить до появи низькочастотних плазмових коливань альвенівського типу.

У третьому розділі виводиться МДР з врахуванням теплового руху іонів і неоднорідності густини. В випадку слабкої просторової неоднорідності плазмової густини середній масштаб неоднорідності вважався рівним товщині поверхневого шару післяспалахової петлі, а в випадку сильної неоднорідності – товщі передспалахового струмового шару, який може виникнути в межах поверхневого шару. В обох випадках іонний циклотронний радіус набагато менший за середній характерний розмір неоднорідності.

Були визначені діапазони змін основних характеристик плазми в приповерхневому шарі спалахової петлі при максимально можливому ступені неоднорідності густини, тобто на межі застосування формалізму локальних розв’язків МДР.

Внаслідок того, що в даному випадку не має можливості одержати розв’язки модифікованого дисперсійного рівняння для безрозмірної частоти в аналітичному вигляді, в даному розділі приділяється особлива увага порівнянню “морфологічних” особливостей (тобто зовнішнього вигляду) цих розв’язків ,() з найбільш відомими розв’язками дисперсійних рівнянь у схожих фізичних ситуаціях.

Інкременти нестійкостей обчислювались за стандартним алгоритмом в лінійному наближенні теорії збурень.

Аналіз одержаних виразів дозволив встановити, які хвилі будуть генеруватися протягом лінійної стадії розвитку нестійкості, а які будуть загасати. В випадку “слабкої” неоднорідності густини два з чотирьох коренів виявилися нестійкими відносно малих збурень. А нестійкість одного з коренів, як виявилося, має чітко виражений пороговий характер, - тобто виникає при певному значенні амплітуди повільно наростаючого слабкого електричного поля. В випадку “сильної” неоднорідності густини три з чотирьох коренів ДР є нестійкими відносно малих збурень.

Розвиток деяких нестійкостей може привести або до виникнення аномального опору на певній ділянці токового контуру петлі, або до генерації плазмової хвилі з певним законом дисперсії, яка може приймати участь у різних трьоххвильових процесах злиття і розпаду у плазмі спалахової атмосфери. Інші корені, в деяких випадках, потрапляють в діапазон магнітозвукових хвиль, і є помітно зміненими врахуванням зіткнень, дрейфових рухів і слабкого електричного поля. Вони одержали умовну назву ПС-хвиль (провісники спалаху), оскільки нестійкості цих коренів мають яскраво виражений граничний характер і відповідає певному значенню амплітуди субдрейсеровського поля, що адіабатично повільно зростає в процесі розвитку передспалахового стану. Генерація однієї з ПС-хвиль може проявитися у вигляді низькочастотної модуляції сплесків ІІІ роду.

Треба окремо зазначити, що одержання достатніх умов короткострокового прогнозу немає безпосереднього відношення до дослідження нестійкостей плазмових хвиль та умов їх виникнення. Тому ця проблема знаходиться за межами даної дисертації.

В четвертому розділі досліджені фізичні умови виникнення і розвитку низькочастотних нестійкостей в післяспалахових петлях аркових структур в активній області на Сонці при наявності аномального (“зворотнього”) просторового градієнту температури. Величина просторового градієнту температури в петлі зростає в напрямку від центра поперечного переріза петлі, де розташований початок локальної декартової системи координат, до її периферії. При розрахунках робилися припущення, що приведена (або відносна) величина цього градієнта значно перевищує відповідні величини для густини і напруженості магнітного поля. Останнє припущення означає, як і раніше, зневагу впливом “шира” (shear) у передспалаховій плазмі, тобто впливом неоднорідності магнітного поля і скрученості його силових ліній.

В дисертації показано, що нехтування впливом “ширу”, який, взагалі кажучи, в певних ситуаціях може приводити навіть до стабілізації деяких типів нестійкостей, можливо лише при виконанні певних досить-таки жорстких умов. Одержані нерівності зв’язують між собою основні характеристики хвильових збурень (кут нахилу хвильового вектора до напрямку магнітного поля, поперечна довжина хвилі) з основними термодинамічними характеристиками плазми (температура, густина, амплітуди полів, тощо). І, якщо в рамках використаних наближень, в випадку “слабкої неоднорідності” ці умови (нерівності) виконуються досить легко (“з запасом”), то в випадку “сильної неоднорідності” вони, фактично, встановлюють верхню межу значень амплітуди субдрейсеровського поля . Вищезгадані нерівності тим більш важливі, що в деяких теоріях спалаху (як теорія Піддінгтона, наприклад) [18,19,23], саме “шир” вважається одним із основних “триггерів” спалаху в аркаді.

Квазістатичне електричне поле в петлі передбачається паралельним магнітному , і в передспалаховій ситуації амплітуда його може зростати відповідно до теорії Хейвертса-Пріста-Раста, коли “новий” магнітний потік виходить з-під фотосфери. Характерним просторовим масштабом неоднорідності температури, орієнтованим уздовж осі -ів, вважається товщина “передтокового” шару, - своєрідного “попередника” високотурбулентного струмового шару (ВТСШ), - у якому домінуючими є зіткнення електронів з розвинутою іонно-звуковою турбулентністю (ІЗТ).

Зроблені оцінки границь застосування використаної методики. В випадку сильної неоднорідності, завдяки розвитку нестійкості, можуть генеруватися два типи хвиль: кінетичні альфвенівські хвилі і деякий новий тип хвиль з діапазону магнітозвукових. Нестійкість останніх має чітко виражений пороговий характер по відношенню до амплітуди електричного поля. Доведено, що випадок “сильної” неоднорідності температури відповідає необхідним умовам виникнення передструмового шару (ПШ) в атмосфері активної області безпосередньо перед спалахом.

Отримані в цьому розділі теоретичні результати можуть використовуватись не лише для короткострокового прогнозу сонячного спалаху. Є цілий ряд задач у фізиці Сонця, зокрема, дослідження механізму насичення циклотронного мазерного випромінювання, у яких ключовим моментом є побудова якомога більш повної ієрархії всіх нестійкостей, що розвиваються в передспалаховій плазмі. Отримана і досліджена в цьому розділі нестійкість безумовно виявиться корисною в цій ієрархії.

Якщо розглядати властивості ПШ як задані, що вже є в передспалаховій плазмі (тобто є шар плазми з просторовим градієнтом температури, товщиною l (у кілька десятків метрів), розвинутою ІЗТ і основними параметрами , близькими за значеннями до параметрів відповідного ВТСШ), то одержані результати можна розглядати як доповнення до стандартного дослідження впливу дрейфових нестійкостей на нейтральний ВТСШ. Дрейфові ефекти, що істотно знижували поріг збудження нестійкості в нейтральному ВТСШ, у випадку ПШ відіграють роль малих доданків і стають визначальними тільки при “вимкненому” електричному полі. Якщо ж (хоча і ця величина, за означенням повинна бути дуже малою), то замість повільної дрейфової альфвенівської хвилі генерується хвиля, яку ми назвали “зворотною модифікованою ПМЗ-хвилею”, теж дуже низькопорогова. Згаданий ПШ можна розглядати як найбільш ранню стадію формування ВТСШ.

ВИСНОВКИ

Висновки містять основні результати роботи:

1. В роботі розроблений метод аналізу нестійкостей низькочастотних хвиль при наявності в плазмі великомасштабного субдрейсерівського поля та врахуванні кулонівських зіткнень. Вперше показано, що саме наявність цих факторів, так само як і наявність дрейфових рухів в плазмі спалахових петель, визначальним образом впливає як на умови виникнення нестійкості плазмових хвиль, так і на конкретний вид їх дисперсії.

2. Досліджені умови виникнення і розвитку нестійкостей плазмових хвиль при наявності неоднорідності густини та просторового градієнту температури в поверхневих шарах спалахових петель в аркаді.

3. Зроблені оцінки границь застосування використаної методики. Одержані критерії можливості нехтування впливом “ширу” магнітних силових ліній при наявності просторового градієнту температури або густини і субдрейсеровського електричного поля.

4. В випадку сильної неоднорідності температури, завдяки розвитку нестійкості, можуть генеруватися два типи хвиль: кінетичні альфвенівські хвилі і певний тип хвиль з діапазону магнітозвукових, найбільш близький до повільних магнітозвукових хвиль, але з нестандартною дисперсією. Нестійкість останніх має чітко виражений пороговий характер по відношенню до амплітуди електричного поля. Показано, що розглянутий випадок “сильної” неоднорідності температури тісно зв’язаний з необхідними умовами виникнення ПШ в атмосфері активної області безпосередньо перед спалахом.

5. Показано, що в межах застосування напівемпіричних моделей хромосфери спалаху, можливе виникнення деяких різновидів хвиль із діапазону магнітозвукових, які виникають при певній амплітуді субдрейсерівського поля і певному значенні відношення електронної температури плазми до іонної. Виникнення таких хвиль є однією з необхідних умов короткострокового прогнозу спалаху в петельних структурах активної області.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Публікації в реферованих журналах

1. Kryshtalrasimenko S.V. Kinetic alfven and low-frequency alfven-like waves in post-flare loops // Вісник Київського університета. Серія “Астрономія”.– 2002. –Вип. 38.– С.17-25.

2. Кришталь А.Н.,  Герасименко С.В. Дисперсия волн в магнитоактивной плазме арочных структур с учетом субдрейсеровских полей и сильной неоднородности плотности // Кинематика и физика небесных тел. – 2002. – Т.18,№3. – С.258-272.

3. Кришталь А.Н.,  Герасименко С.В. О возможности краткосрочного прогноза вспышки в арочных структурах активных областей на Солнце // Доповіді АН України. – 2003. – №4. – С.70-76.

4. Кришталь А.Н.,  Герасименко С.В. О необходимом условии краткосрочного прогноза вспышки: случай сильной неоднородности плотности // Доповіді АН України. – 2003. – №9.– С.80-87.

Матеріали та тези конференцій:

5. Кришталь А.Н., Герасименко С.В. Возможность краткосрочного прогноза вспышки в послевспышечных петлях в активных областях на Солнце // Труди І Української конференції з перспективних космічних досліджень. – Київ. –2001. – С.38.

6. Kryshtal A.N., Gerasimenko S.V. Generation of low-frequency waves in post-flare loop’s plasma // Proс. “Solmag: Magnetic Coupling of the Solar Atmosphere”, Euroconference and IAU Colloquium 188 Santorini, Greece. – 2002. – P.465-468.

7. Кришталь А.Н., Герасименко С.В. Генерация низкочастотных волн в плазме послевспышечных петель при наличии неоднородности температуры //Известия КрАО, – 2002.– Т.98, – С.174.

ПЕРЕЛІК ЦИТОВАНИХ ДЖЕРЕЛ

8. Machado.E. et al. Semiempirical models of chromospheric flare regions // Astrophysical Journal. – 1980. – Vol.242, №1. – P.336-351.

9. Kosovichev A.G., Zharkova V.V. Variations of photospheric magnetic field associated with flares and CMEs // Solar Physics. – 1999. – Vol.190. – P.459-466.

10. Цап Ю.Т. Механизмы ускорения электронов в солнечных вспышках // Известия КРАО. – 2000. – Т.96. – С.165.

11. Aschwanden M.I. An evaluation of coronal heating models for active regions based on YOHKOH, SOHO and TRACE observations // Astrophysical Journal. – 2001. – Vol.560. – P.1035-1043.

12. Schrijver C.I., Aschwanden M.I., Title A.M. Transverse oscillations in coronal loops observed with TRACE // Solar Physics. – 2002. – Vol.206,№1. – P. 69-98.

13. Подгорный А.И., Подгорный И.М. Моделирование солнечной вспышки при всплывании нового магнитного потока //Астрономический журнал. –2001. – Т.78, №1. – С.71-77.

14. Мельников В.Ф., Флейшман Г.Д,, Фу К.Д., Хуанг Г.-Л. Диагностика вспышечной плазмы по миллисекундным пульсациям солнечного радиоизлучения // Астрономический журнал. – 2002. – Т.79, №6. - С. 551-569.

15. Терехов О.В., Шевченко А.В., Кузьмин А.Г,, Сазонов С.Ю., Сюняев Р.А, Лунд Н. Наблюдение квазипериодических пульсаций в солнечной вспышке SF900610 // Письма в Астрономический журнал. - 2002. –Т. 28, №6. - С.452-456.

16. Alfven,H.&Carlquist,P. Currents in the solar atmosphere and a theory of solar flares // Solar Physics. – 1967.– Vol.1.– P.220-228.

17. Михайловский А.Б. Колебания неоднородной плазмы, в кн. Вопросы теории плазмы, Госатомиздат, Москва,1963.– вып. 3.– С.141-202.

18. Зайцев В.В., Степанов А.П., Цап Ю.Т. Некоторые проблемы физики солнечных и звездных вспышек // Кинематика и физика небесных тел – 1994.– 10, №6. – С.3-31.

19. Piddington, J.H. Solar flares: models and predictions of the flux-rope theory // Astrophysical Journal. – 1979.– Vol.233. – P.727-735.

20. Melrose D.B., Dulk G.A. Electron-cyclotron masers as the sourse of certain solar and stellar radio bursts // Astrophysical Journal. – 1982. - Vol.259. –P.844-858.

21. Б.В. Сомов, В.С. Титов, А.И. Вернетта “Магнитное пересоединение в солнечных вспышках” // Итоги науки и техники, серия “Астрономия”, изд.ВИНИТИ, Москва, 1987. – T.34. – С.136-237.

22. Heywaerts J., Prist E.R., Rust D.M. An emerging flux model for the solar flare phenomenon // Astrophysical Journal. – 1977. – Vol. 216 – P.123-137.

23. Miller J.A. et.al. Critical issues for understanding particle acceleration in impulsive solar flares // Journal of Geophysical Research. – 1997.– Vol.102, №A7. – P.14631-14659.

24. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электро-динамики плазмы. – Москва: Высшая школа, 1989. – 424 С.

25. А.П. Мишина, И.В. Проскуряков в кн.: Высшая алгебра, – Москва: изд.ГИФМЛ, 1962. – 300C.

АНОТАЦІЯ

Герасименко С.В. Вплив просторової неоднорідності і зовнішнього електричного поля на генерацію хвиль в активних областях на Сонці. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.03 – Геліофізика і фізика Сонячної системи. – Головна астрономічні обсерваторія НАН України, Київ, 2003.

В рамках лінійного наближення теорії збурень розглядаються умови виникнення і розвитку нестійкості низькочастотних хвиль в плазмі, яка знаходиться в зовнішньому магнітному и паралельному до нього слабкому квазістатичному електричному полі. Кулонівські зіткнення описуються інтегралом Батнагара-Гроса-Крука. Для випадку довгохвильових збурень, які розповсюджуються майже перпендикулярно до зовнішнього магнітного поля, показано, що при виконанні деяких додаткових фізичних умов дисперсійне рівняння являє собою поліном четвертого ступеня відносно безрозмірної зведеної частоти. Чисельне моделювання проведено для значень основних параметрів плазми (густини, температури, напруженості полів), типових для атмосфери спалаху в активній області на Сонці. З’ясувалося, що нестійкість деяких коренів дисперсійного рівняння має пороговий характер, тобто відповідна до них хвиля починає генеруватися при певному значенні амплітуди повільно зростаючого слабкого електричного поля. Цей факт можна розглядати як виконання однієї з необхідних умов короткострокового прогнозу спалаху в арковій структурі.

Ключові слова: плазмові нестійкості, активна область Сонця, сонячні магнітні петлі, просторова неоднорідність, великомасштабне електричне поле.

АННОТАЦИЯ

Герасименко С.В. Влияние пространственной неоднородности и внешнего электрического поля на генерацию волн в активных областях на Солнце, - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук, по специальности 01.03.03 – Гелиофизика и физика Солнечной системы. – Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2003.

Рассматриваются условия возникновения и развития неустойчивости низкочастотных волн в плазме, находящейся во внешнем магнитном и параллельном ему слабом квазистатическом электрическом поле. Парные кулоновские столкновения описываются модельным интегралом Батнагара-Гросса-Крука. В качестве уравнения состояния были использованы значения равновесных температур и плотностей электронов и ионов из известной полуэмпирической модели хромосферы вспышки Мачадо-Аврета-Лезера (1980), где значения плотности и температуры плазмы соответствуют высоте приблизительно полторы тысячи километров над уровнем фотосферы. Неоднородность температуры и плотности плазмы предполагается одномерной. Для случая длинноволновых возмущений, распространяющихся почти перпендикулярно внешнему магнитному полю, показано, что при выполнении некоторых дополнительных физических условий дисперсионное уравнение представляет собой полином четвертой степени относительно безразмерной приведенной частоты. Уравнение решается методом Ейлера. Область изменения параметров модели была разделена на две непересекающиеся подобласти, одна из которых соответствует случаю “слабой” неоднородности, а другая – случаю “сильной”. Физические свойства неоднородности во втором случае оказываются близкими к свойствам высоко-турбулентного токового слоя в предвспышечном состоянии. В качестве среднего размера неоднородности принималась толщина слоя, возникшего в результате развития ионно-звуковой турбулентности. Некоторые из полученных корней оказываются неустойчивыми относительно малых возмущений. Численное моделирование на основе полученных формул проведено для значений основных параметров плазмы (плотности, температуры, напряженности полей), типичных для атмосферы вспышки в активной области на Солнце. Для конкретного уравнения состояния солнечной атмосферы учет влияния пространственной неоднородности температуры, плотности и слабого электрического поля приводит к появлению новых типов плазменных колебаний. Оказывается, что неустойчивость некоторых из корней дисперсионного уравнения носит отчетливо выраженный пороговый характер, т.е. соответствующая им волна начинает генерироваться при определенном значении амплитуды медленно возрастающего слабого электрического поля. Этот факт можно рассматривать как выполнение одного из необходимых условий краткосрочного прогноза вспышки в арочной структуре.

Ключевые слова: плазменные неустойчивости, активная область Солнца, солнечные магнитные петли, пространственная неоднородность, крупномасштабное электрическое поле.

ABSTRACT

Gerasimenko S.V. The influence of spatial inhomogeneity and external electric field on the generation of wave in Sun’s active regions. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s scientific degree by speciality 01.03.03 – Heliophysics and physics of Solar system. – The Main Astronomical Observatory of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

In the framework of linear approximation of the perturbation theory the conditions have been considered for the onset and development of the low-frequency wave instabilities for the plasmas in the external magnetic field as well as in the weak quasistatic electric field, both being parallel. It is assumed that the pair Coulomb collisions are described by the model integral of Bhatnagar-Gross-Krook. For the case of long-wave perturbations which propagate almost perpendicular to the external magnetic field, it has been shown that under some additional physical conditions, the dispersion relation is the polynomial of the fourth order with respect to the reduced frequency. Numerical simulation on the basis of the obtained formulas has been performed for the values of main plasma parameters (density, temperature, magnetic field amplitude, etc.) which are typical for the flare atmosphere in the solar active regions. It turns out that instability of the one of mentioned roots has clearly expressed threshold character, i.e. it arises at the certain value of slowly increasing amplitude of the weak electric field. This fact can be used for the short-time prediction of solar flare in the arch structures.

Key words: instability of plasma, active region of the Sun, solar magnetic loops, spatial inhomogeneity, large-scale electric field.

Підп.до друку 9.03.2004. Формат . Папір офс. Гарнітура “Таймс”. Друк офс. Ум.друк.арк.0,9. Обл.-вид.арк.1,0. Наклад 100 прим. Зам.217.

Видавництво “ЛОГОС”

Свідоцтво ДК №201 від 27.09.2000 р.

01030, Київ-30, вул. Богдана Хмельницького,10,тел.235-60-03