Микровспышки в рентгеновском диапазоне излучения солнца

1. Зарегистрированные в анализируемый период с сентября по декабрь 1995г. рентгеновские всплески класса 0 можно определить как микровспышки.

2. Вспышкой предлагается считать только такое возрастание энерговыделения в активной области, следствием которого является появление заметного количества ускоренных (нагретых) электронов и, как следствие этого, соответствующее возникновение некоторого минимального потока рентгеновского излучения.

3. Рентгеновское излучение микровспышек имеет как тормозную, так и тепловую природу. Возможна и их комбинация.

4. Ускорение электронов и соответствующие тормозные процессы, участвующие в механизме солнечной вспышки имеют место уже на начальном этапе формирования токового слоя, на своеобразном “микроуровне”, который может соответствовать так называемым элементарным актам энерговыделения, проявляющиеся как рентгеновские всплески классов 0 и А.

Глава 3. Микровспышки и тепловой фон солнечной

короны.

3.1. Энергетический спектр слабых рентгеновских

всплесков солнечных событий в диапазоне

излучения Солнца 2-15 кэВ.

При регистрации слабых всплесков в рентгеновском диапазоне 2-15 кэВ излучения Солнца за период с сентября 1995 г. по декабрь 1999 г. были обнаружены следующие особенности: в годы, близкие к минимуму солнечной активности, а именно, в течение 1995 и 1996 гг. большинство всплесков класса А и 0 регистрировалось в областях энергий 2-3 и 3-5 кэВ, а в области энергий 5-8 и 10-15 кэВ число таких всплесков было заметно меньшим (менее 10 % по отношению к общему числу всплесков, регистрируемых во всех диапазонах энергий).

В аналогичных измерениях, осуществленных в 1997г., наблюдалось смещение максимума числа слабых рентгеновских всплесков от участка 2-5 кэВ к участку 3-8 кэВ. Между тем, в областях энергий >8 кэВ рентгеновских всплесков по-прежнему наблюдалось очень мало или они отсутствовали вовсе.

Начиная со второй половины 1998 года картина постепенно менялась: число слабых всплесков увеличивалось в областях энергий 5-8 и 10-15 кэВ (особенно в области энергий 10-15 кэВ), т.е. более часто стали появляться всплески в области относительно больших энергий.

1999 являлся годом, близким к максимуму текущего цикла солнечной активности. В этот период в рентгеновском диапазоне излучения Солнца 2-15 кэВ наблюдалось гораздо больше крупных всплесков класса С и М во всех областях энергий. Это обстоятельство весьма сильно затрудняло регистрацию солнечных событий малой мощности. Однако в отдельные дни, когда крупных вспышек было мало, удалось зарегистрировать удобные для анализа периоды, когда всплески малой мощности регистрировались только в области энергий 10-15 кэВ и отсутствовали всплески в остальных областях энергий. Такая тенденция устойчиво сохранялась в течение всего 1999 года.

На рис.2 приведена общая картина смещения максимума энергетического спектра слабых рентгеновских всплесков солнечных событий в диапазоне малых энергий за 1995 – 1999г.г. По оси ординат приведен диапазон регистрации всплесков в кэВ, в котором наблюдается максимум рентгеновских всплесков, по оси абсцисс – года наблюдения.

Именно слабые всплески оказывают довольно существенное влияние на фоновое рентгеновское излучение, имеющее тепловое происхождение. Так, в течение каждого года текущего цикла солнечной активности была отмечена стабилизация уровня теплового фона в тех областях энергий, где слабых всплесков наблюдалось мало или они не наблюдались вовсе.

Одновременно, зарегистрирован больший разброс значений

теплового фона в тех областях энергий, где было зафиксировано

больше слабых всплесков.

Выводы:

1. Число слабых всплесков рентгеновского излучения Солнца в области энергии 2-15 кэВ в разных частях этого диапазона зависит от периода наблюдения в цикле солнечной активности.

2. В зависимости от фазы цикла солнечной активности, слабые всплески более часто регистрировались в следующих областях энергий: 1995 г. – 2-3, 3-5 кэВ

1996 г. – 2-3, 3-5 кэВ

1997 г. - 3-5, 5-8 кэВ

январь 1998 г. – июнь 1998 г. – 3-5, 5-8 кэВ

июнь 1998 г.– декабрь 1998 г. – 5-8, 10-15 кэВ

1999 г. – 10-15 кэВ

3. Проведенные за период с 1995 по 1999 год наблюдения временных профилей слабых всплесков в рентгеновском диапазоне излучения Солнца 2-15 кэВ позволяют сделать вывод об особенностях физических процессов в активных областях Солнца в относительно узких полосках энергетического спектра в отдельные периоды цикла солнечной активности:

а). Средняя энергия слабых всплесков растет с

ростом солнечной активности.

б). Выявлена взаимная связь числа слабых всплесков

и разброса значений теплового фона: так, больший разброс

значений теплового фона наблюдается в те периоды

времени и в тех областях энергий, где чаще регистрировались

всплески класса А и 0.

4. Связь интенсивности фонового рентгеновского излучения и слабых рентгеновских всплесков объясняется, по-видимому, отсутствием резкой границы между тепловым фоном и собственно рентгеновским всплеском. Положение этой границы установить очень сложно и оно зависит от динамики температуры в солнечной атмосфере. Можно представить себе, что даже слабая рентгеновская вспышка является суперпозицией тепловой и нетепловой компонент рентгеновского излучения. Кроме того, вспышка представляет собой

Рис.2. Общая картина смещения максимума

энергетического спектра слабых всплесков

рентгеновского излучения Солнца

в диапазоне 2-15 кэВ за 1995-1999г.г.

суперпозицию некоторого числа элементарных актов энерговыделения, каждый из которых может иметь как тепловое так

и нетепловое происхождение. В любом случае мы имеем дело со взаимным обменом энергии в системе “вспышка – фон”.

3.2. Микровспышки и тепловой фон. Распределение

по энергиям микровспышек.

Полученные данные позволяют говорить о микровспышках как о квазистационарном явлении, тесным образом связанным с физическими процессами в солнечной короне, а так же о существенном вкладе микровспышек в процесс нагрева солнечной короны.

За период с сентября по декабрь 1995г были исследованы микровспышки и тепловой фон рентгеновского излучения солнечной короны в диапазоне энергий от 2 до 15 кэВ. Период наблюдений был выбран таким образом, чтобы крупные солнечные вспышки отсутствовали и можно было бы четко выделить максимумы потоков рентгеновского излучения вспышек младших классов.

Частота появления микровспышек за все время наблюдения составило от 2 до 4 события в час. При этом максимум частоты появления событий пришелся на 8 декабря 1995г., когда за 21 час непрерывных наблюдений частота появления микровспышек составила в среднем 4 события в час.

В течение каждого дня за период наблюдений было зарегистировано определенное количество микровспышек различных классов. Далее за каждый день для отдельного класса микровспышек вычислялось среднесуточное значение максимума потока рентгеновского излучения. Именно это значение наносилось

на график. Так были получены отдельные кривые для микровспышек классов 0, А, В. Кроме того, за каждый день периода наблюдений вычислялись суммарные среднесуточные значения для всех классов: 0, А, В. Так была получена кривая суммарных среднесуточных значений максимумов потоков рентгеновского излучения для всех микровспышек.

Точнее всего с кривой среднесуточных значений теплового фона коррелирует кривая микровспышек класса А, а так же кривая суммарных значений микровспышек всех классов.

Общее количество вспышек класса А и класса 0 сравнимо между собой: 139 вспышек класса А и 141 вспышка класса 0. Данный факт уже отмечался выше.

Для определения общего энерговыделения вспышек балла 0 мы учли среднее значение мощности рентгеновского всплеска для вспышек этого класса: 710-9 Вт/м2, среднюю длительность: 100 с.

По нашим оценкам общее энерговыделение микровспышек класса 0 составило в среднем E 1025 эрг. Оценим полное число вспышек за

весь 1995 год, переходя от 23 дней наблюдения к длительности наблюдения в 1 год. Учитывая общее число крупных вспышек, зарегистрированных в 1995 году: С – 159 и М – 11, мы получили энергетический спектр рентгеновских вспышек за 1995год.

На рис. 3 показаны энергетические спектры рентгеновских солнечных вспышек. По горизонтали отложены логарифмы накопленного числа вспышек, по вертикали – логарифм общего энерговыделения в эргах. Цифрой 1 обозначен энергетический спектр рентгеновских вспышек за 1995год – год минимума в цикле солнечной активности. Цифрой 2 обозначен энергетический спектр рентгеновских вспышек за 1980 год – год сравнительно невысокого

максимума 20-го цикла солнечной активности по данным (Касинский, Сотникова 1988).

Завал на кривой для 1980 года в большей степени связан с высоким фоном, обусловленным излучением активных областей. В нашем случае фон экстремально мал, поэтому завал на кривой 1 означает действительное уменьшение числа слабых вспышек.

Эти результаты подтверждают вывод, полученный в работах (Мирзоева, Ликин 2004), (Мирзоева, Ликин 2005) о том, что существует нижний предел в распределении солнечных вспышек по энерговыделениям, и этим пределом являются микровспышки класса 0, тесно связанные с тепловым фоном солнечной короны. Эти результаты позволяют говорить о существенном вкладе энерговыделения микровспышек в процесс нагрева солнечной короны.

Рис.3. Энергетические спектры рентгеновских солнечных

вспышек: 1- за 1995 год, 2 – за 1980 год.

Выводы:

1.Изучение частоты и общего количества вспышек баллов 0 и А и сравнение этих данных с частотой более мощных явлений показывает, что существует нижний предел в распределении солнечных вспышек по энерговыделениям и этим пределом являются микровспышки класса 0.

2.Обнаруженные положительные корреляции кривых рентгеновского излучения микровспышек и теплового фона солнечной короны позволяют говорить о тесной взаимосвязи плазменно-магнитной структуры солнечной короны и плазменно-магнитных конфигураций активных областей микровспышек.

3.Энерговыделение микровспышек вносит существенный вклад в процесс нагрева солнечной короны.

3.3. Сценарий механизма солнечной вспышки на основе

элементарных актов энерговыделения.

Если связывать динамику вспышки с возникновением и развитием токовых слоев в различных плазменно-магнитных конфигурациях активных областей, то возникновение вспышечно-подобных событий малой мощности можно связать с возникновением серии разрывов в токовом слое. В такого рода событиях вспышечное явление является результатом локального ускорения или ряда ускорений заряженных частиц в разрывах, каждый из которых может быть сопоставим с так называемым “элементарным” актом. Такая маленькая “элементарная” вспышка может быть маленьким кирпичиком в здании более крупной вспышки.

В слабых по мощности вспышках дело не доходит до так называемой “взрывной” фазы, т.е. вся выделившаяся энергия диссипирует, не успевая дать начало МГД-взрыву. Интегральные эффекты в событиях самых малых баллов практически отсутствуют, а общая длительность таких событий близка к длительности отдельных предполагаемых разрывов токового слоя.

Можно предположить, что реальный токовый слой имеет неоднородную структуру – состоит из отдельных волокон, каждое из которых развивается неодновременно с соседними. При такой структуре в токовом слое может происходить множество микроразрывов. В каждом микроразрыве возникает электрическое поле, ускоряющее электроны и ионы, которые генерируют рентгеновское излучение, наблюдаемое нами в диапазоне от 2 до 15 кэВ. Реальная вспышка – это значительно более сложный, разветвленный процесс, имеющий неоднородную пространственно-временную структуру.

Мы можем представить вспышку как цепочку довольно быстрых квазистационарных элементарных актов энерговыделения в хромосфере или короне Солнца с последовательной перестройкой плазменно-магнитной конфигурации, как в окрестности каждого такого акта энерговыделения, так и в волокне токового слоя в целом. Суперпозиция таких актов энерговыделения и дает нам в рентгеновском диапазоне временные профили более крупных

вспышек. Вспышка, при таком подходе, напоминает мозаику, состоящую из относительно мелких актов энерговыделения. Суммарная выделенная энергия крупной вспышки зависит от количества и частоты отдельных актов энерговыделения. Еще раз

нужно отметить, что общая физическая картина в крупных вспышках может быть значительно сложнее.

При формировании микровспышки ускорение частиц проявлется на начальном этапе накопления энергии в токовом слое, и мы видим этот процесс в виде мелких рентгеновских всплесков в указанном диапазоне энергий.

При этом, необходимо учитывать тот факт, что в относительно небольшом временном диапазоне (порядка нескольких часов) одновременно наблюдаются, как правило, вспышки соседних классов. Так, в исследованные нами периоды, одновременно наблюдались вспышки классов 0 и А, реже – В при низких среднесуточных значениях теплового фона. Это означает, скорее всего, что слабые солнечные события, например вспышки класса 0, являются более элементарными актами энерговыделения, которые вносят свой вклад в формирование более крупных вспышек классов А и В. Заметим, что при наличии вспышек среднего класса С, вспышки класса 0 фактически не наблюдаются вовсе при увеличении среднесуточных значений теплового фона. Со вспышками класса С, как младшие по классу, соседствуют вспышки класса В, реже – А. И, следовательно, роль отдельных актов энерговыделения (т.е. роль “кирпичиков мозайки”) для вспышек класса С играют уже вспышки класса В (реже – класса А). Таким образом, можно предположить, что вспышечный процесс имеет не только интегральную, мозаичную структуру (продольную структуру), но и определенную ступенчатую (вертикальную) структуру, т.е. вспышка – это еще и последовательный иерархический процесс.

Заключение.

В работе получены следующие результаты:

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 (солнечные события класса 0, А, В) 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 и разброса 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.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Мирзоева И.К., Ликин О.Б. “Солнечная активность в мягкой компоненте рентгеновского излучения (По данным проекта “Интербол”)”, Препринт № Пр-2046 (М.: ИКИ РАН, 2002).

2. Мирзоева И.К., Ликин О.Б. “Особенности временных профилей слабых всплесков мягкой компоненты рентгеновского излучения Солнца” (По данным проекта “Интербол”), Препринт № Пр-2047 (М.: ИКИ РАН, 2002).

3. Мирзоева И.К., Ликин О.Б. “Характеристики слабых всплесков мягкой компоненты рентгеновского излучения Солнца”, “Письма в Астрономический журнал”, т.30, с.216, 2004.

4. Мирзоева И.К. “Слабые всплески мягкой компоненты рентгеновского излучения Солнца и микровспышки”, сборник материалов конференции “Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность”, ИКИ РАН, ноябрь, 2004.

5. Мирзоева И.К., Ликин О.Б. “Микровспышка как один из этапов солнечного вспышечного события”, “Космические исследования”, т.43, №2, с.152, 2005.

6. Мирзоева И.К.“Энергетический спектр временных профилей слабых всплесков мягкой компоненты рентгеновского излучения Солнца”, “Письма в Астрономический журнал” т.31, №1, с.59, 2005.

7. Мирзоева И.К., Ликин О.Б. “Механизм солнечной активности и микровспышки”, “Известия Крымской Астрофизической Обсерватории”, (в печати).

8. Мирзоева И.К. “Микровспышки и тепловой фон солнечной короны”, “Письма в Астрономический журнал” т.32, №1, с.72, 2006.

9. Писаренко Н.Ф., Мирзоева И.К. “Рентгеновские всплески и возможный сценарий слабых солнечных вспышек”, “Космические исследования”, (в печати).