WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ

И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН им. Н.В. Пушкова

На правах рукописи

ЗАГНЕТКО Александр Михайлович

СТРУКТУРА ПРОТУБЕРАНЦЕВ И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В КОРОНЕ

01.03.03 – Физика Солнца.

Автореферат диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Троицк - 2007

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Научный руководитель:

доктор физ-мат наук Филиппов Борис Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физ-мат наук Молоденский Михаил Михайлович

кандидат физ-мат наук Ким Ираида Сергеевна

Ведущая организация:

Институт солнечно-земной физики СО РАН

Защита состоится 29 мая 2007 г. в 16 час 00 мин в конференц-зале ИЗМИРАН на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ИЗМИРАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН

Автореферат разослан 28 апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физ-мат наук Михайлов Ю.М.

Общая характеристика работы

Введение

Актуальность темы и современное состояние проблемы.

Совокупность процессов, развивающихся на Солнце, как во внутренних областях, так и на его поверхности оказывает огромное влияние на всю Солнечную систему. Для нестационарных спорадических явлений ключевым фактором, «управляющим механизмом» является магнитное поле. В нижней и средней короне Солнца отношение газового давления к магнитному, как правило, оказывается существенно меньшим единицы, поэтому магнитное поле является определяющим почти во всех процессах, происходящих здесь. К сожалению, измерения магнитного поля в короне в настоящее время технически невозможны, если не считать некоторых оценок, получаемых косвенными методами. На уровне фотосферы, вне областей сильного магнитного поля, измерения, основанные на эффекте Зеемана, позволяют определять только продольную по лучу зрения компоненту поля. Магнитное поле в короне приходится рассчитывать, основываясь на этих данных, в рамках определенных физических предположений.

Такие процессы, как вспышки или корональные выбросы вещества (CME - Coronal Mass Ejection) очень существенно воздействуют на гелиосферу в целом и Землю в частности. Достаточно сказать, что магнитные бури, порой выводящие из строя оборудование энергосистем и линий коммуникаций на поверхности нашей планеты и электронные устройства на космических аппаратах в околоземном пространстве, являются прямым следствием масштабных явлений, охватывающих фотосферу, хромосферу и солнечную корону. К сожалению, достоверной и общепризнанной теории, которая описывала бы такие, например, события, как эрупции протуберанцев и последующие выбросы солнечного вещества в межпланетное пространство или, тем более, позволяла предсказать их, в настоящее время не существует.

В настоящей работе предпринимается попытка проанализировать взаимосвязь структуры и динамики солнечных протуберанцев (волокон) с геометрией и эволюцией магнитного поля в солнечной короне, а также разработать некоторые подходы к предсказанию эрупции протуберанцев и последующих CME.

Исходя из вышеизложенного, целью данного исследования являлось:

  1. Установление взаимосвязи между морфологией протуберанцев и структурой магнитного поля в короне, в частности, сравнение средних углов наклона протуберанцев к вертикали с углами наклона поверхности, проходящей через вершины магнитных петель потенциального поля фотосферных источников.
  2. Сопоставление известных и разработка новых методов измерения высоты волокна над хромосферой и его вертикальной протяженности во время прохождения волокна по диску Солнца.
  3. Выявление параметров, которые характеризуют устойчивость равновесия волокон в короне, и на этой основе поиск подходов к предсказанию эрупций протуберанцев и развития корональных выбросов.

Научная новизна работы состоит в том, что

  1. На достаточно большом статистическом материале показана связь распределения вещества в протуберанцах с геометрией коронального магнитного поля.
  2. Предложен новый способ оценки высоты волокон и разработана методика, позволяющая вносить необходимые поправки при вычислении этого параметра с учетом сложной морфологии волокна, его динамики и дифференциального вращения Солнца.
  3. Выявлена четкая корреляция между характеристиками протуберанцев и магнитного поля, позволяющая предсказывать характер поведения протуберанцев и вероятность начала эрупции.

Практическая и научная значимость работы.

Разработанные в ходе настоящего исследования методы позволяют существенно упростить целый ряд расчетов, необходимых при изучении волокон, достаточно быстро вычислять такие параметры, как, например, вертикальная протяженность волокна в любой день его прохождения по видимому диску Солнца.

Развитие использованных в диссертации подходов даст возможность на основе мониторинга солнечных волокон прогнозировать возникновение корональных выбросов вещества, возмущающих земную магнитосферу и вызывающих геомагнитные бури.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Вывод о том, что вещество протуберанцев в основном сконцентрировано вблизи поверхности, проходящей через вершины арок силовых линий потенциального магнитного поля (поверхность Br = 0 или нейтральная поверхность), рассчитанного по фотосферным магнитограммам.
  2. Метод определения вертикальной протяженности волокон с помощью одного изображения хромосферы и расчета структуры магнитного поля в короне.
  3. Методика оценки вероятности эрупции протуберанца и образования коронального выброса на основе сравнения критической высоты устойчивости с реальной наблюдаемой высотой протуберанца и результаты мониторинга волокон в течение второй половины 2005 – начала 2006 гг.

Апробация результатов и публикации. Основные положения и результаты диссертации представлялись на

- Всероссийской астрономической конференции (ВАК – 2004, Москва, МГУ, 3 - 10 июня 2004 г.)

- Международной конференции «КОРОНАС-Ф: три года наблюдений активности Солнца 2001 – 2004 гг.», (г. Троицк, 31 января – 5 февраля 2005 г.),

- Всероссийской конференции «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности» (г. Троицк, 10-15 октября 2005 г.)

- Международной конференции «Modeling and Computer Simulation in Material Technologies» (Ариэль, Израиль, 11 – 15 сентября 2006 г.),

- Международном симпозиуме «Recent Observations and Simulations of the Sun – Earth System», (Варна, Болгария, 18 - 22 сентября 2006 г.),

- на семинарах ИЗМИРАН.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых научных журналах и 3 статьи в трудах конференций.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно исследовал около четырех десятков волокон, наблюдавшихся в 1999-2003 гг. и провел сопоставление их формы и структуры с геометрией рассчитанного потенциального магнитного поля в короне. Это исследование показало, что вещество протуберанцев концентрируется вблизи поверхности, проходящей через вершины магнитных арок, нейтральной поверхности.

Автором предложен новый способ оценки высоты волокон над хромосферой во время их прохождения по диску Солнца, основанный на связи распределения вещества в протуберанцах с геометрией магнитного поля.

Автором проведен мониторинг крупных солнечных волокон за период второй половины 2005 г. с оценкой их стабильности и перспектив перехода в эруптивную фазу. На этой базе сформулированы критерии, позволяющие делать прогноз эрупций волокон и развития корональных выбросов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, 4 глав и Заключения. Работа содержит 128 страниц текста, в том числе 38 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы включает 149 наименований.

Автор выражает самую искреннюю благодарность научному руководителю Б.П. Филиппову, а также О Гым Дену за предоставленный пакет программ для расчета ряда исследуемых параметров.

Содержание работы

В первой главе представлен краткий обзор основных сведений о протуберанцах, их морфологии, динамике, взаимосвязи с магнитным полем в короне. В первом параграфе обсуждаются некоторые проблемы, связанные с получением данных о магнитном поле в солнечной короне. Подчеркивается, что поскольку прямых измерений магнитного поля в короне пока нет, большое значение имеют расчеты поля по фотосферным измерениям путем решения краевых задач. Приведены аргументы в пользу достаточности потенциального приближения для поля короны при рассмотрении ряда задач, особенно для участков Солнца вне активных областей.

Во втором параграфе изложены результаты работ по изучению распределения протуберанцев по высоте над хромосферой. Высота протуберанцев – важный параметр, характеризующий условия их равновесия и определяющий в значительной степени характер дальнейшей эволюции. Ранее были попытки связать наблюдаемую высоту протуберанцев с параметрами магнитного поля (напряженностью поля, горизонтальным градиентом и др.), но ясной физической связи установить не удалось.

В третьем параграфе представлены сведения о магнитных полях в протуберанцах, полученных на основе измерений, использующих эффекты Зеемана и Ханле, а также анализе тонкой структуре волокон и протуберанцев и распределении поля в фотосфере в канале волокна и ближайших окрестностях. Экспериментальные данные служат основой для разработки теоретических представлений о магнитной поддержке плазмы протуберанцев магнитным полем. В четвертом параграфе обсуждаются два типа магнитных конфигураций, которые обычно используются при моделировании равновесия протуберанцев. Модель Киппенхана – Шлютера, или модель нормальной полярности, предполагает наличие прогиба силовых линий внешнего поля над линией раздела полярностей и точного баланса между электромагнитной силой (силой Лоренца) и весом протуберанца. Модель Куперуса – Раду, или модель инверсной полярности, принимает во внимание еще и диамагнитную силу, которая действует на электрический ток, связанный с волокном, со стороны индукционных токов в верхнем слое фотосферы.

В пятом параграфе приводятся наблюдательные данные и идеи, которые были выдвинуты для объяснения формирования волокон области над хромосферой вблизи линии раздела полярностей, именуемой каналом волокна. В шестом параграфе рассматривается обоснование существования предельной высоты устойчивого равновесия в модели инверсной полярности. Этот параметр будет использован в четвертой главе диссертации для разделения наблюдаемых волокон и протуберанцев на два типа: склонных к эрупции в ближайшие дни и стабильных волокон.

Вторая глава посвящена исследованию соотношению между геометрией (формой, положением) протуберанцев и структурой потенциального магнитного поля в окружающей области. Отмечается, что большая часть волокон, которые имеют заметную протяженность вдоль меридиана, имеет систематический наклон по отношению к вертикали с поверхностью Солнца в направлении запада. Этот факт был обнаружен д’Азамбужа в середине прошлого века. Гипотезы, которые предлагались позднее для качественного объяснения наблюдаемого наклона волокон, основывались на модели Киппенхана – Шлютера и вряд ли могут считаться в настоящее время убедительными, хотя основная идея о связи наклона со структурой поля, вероятно, справедлива.

Рис 1. Наложение проекции нейтральной поверхности на фильтрограмму для волокна 04.03.2002.

В диссертации предпринимается попытка более детального сопоставления геометрии протуберанцев со структурой поля, рассчитанного по реальным магнитограммам. Во втором параграфе описана методика, которую предложил д’Азамбужа для измерения наклона волокон, и результаты применения ее к нескольким десяткам волокон, которые были выбраны и прослежены более чем на 300 Н-фильтрограммах. В следующем параграфе изложена процедура расчета потенциального магнитного поля и определения «нейтральной» поверхности, то есть поверхности составленной из линий раздела полярностей (нейтральных линий) на различной высоте.

В четвертом параграфе показано, что нейтральная поверхность чаще всего имеет достаточно простой вид и может быть аппроксимирована плоскостью с определенным углом наклона к вертикали. Вещество волокна в основном сосредоточено вблизи этой поверхности, о чем свидетельствует примерное равенство углов наклона волокон, определенных по методике д’Азамбужа и углов наклона нейтральных поверхностей, рассчитанных по фотосферным магнитограммам в потенциальном приближении. На рис. 1 показано наложение проекции нейтральной поверхности на фильтрограмму. Расчеты показывают также, что нейтральные поверхности в исследованных случаях проходят через вершины арок силовых линий, не обнаруживающих никаких прогибов. Концентрация плазмы вблизи нейтральной поверхности, проходящей через вершины арок силовых линий, указывает на направление электрического тока в этой плазме, которое соответствует магнитной конфигурации, используемой в моделях волокон инверсной полярности.

В третьей главе рассматриваются методы, позволяющие оценивать и измерять высоту солнечных протуберанцев над хромосферой в то время, когда они видны как волокна на солнечном диске. Обоснована необходимость определения высоты волокон над хромосферой в то время, когда они находятся на диске Солнца. Проанализированы известные методы оценки высоты волокон над хромосферой в произвольный день их прохождения по диску Солнца. В первую очередь это способ, основанный на методике д’Азамбужа определения наклона волокон к вертикали, описанный в предыдущей главе. Знание наклона волокна позволяет рассчитать высоту волокна по фильтрограмме в произвольный день (по одной проекции) в предположении, что наклон не меняется существенным образом в течение рассматриваемого интервала времени.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»