Статья: Физика солнечных вспышек
2в - ширина слоя; 2а - толщина слоя; стрелками показаны направления втекания плазмы в слой и вытекания из него.
В реальных трех измерениях только в последние десятилетия, благодаря космическим исследованиям Солнца стала понятна роль топологических свойств крупномасштабных магнитных полей и кинетических плазменных явлений, вовлеченных в процесс пересоединения во вспышках.
"Радуга" и "молнии" на Солнце
Первоначально взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца рассматривалось исключительно как результат всплывания нового магнитного поля из-под фотосферы в корону. Новый магнитный поток, поднимаясь в солнечной атмосфере, взаимодействует со старым, предшествующим магнитным потоком. В действительности, взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца - гораздо более общее явление. В 1985 г. автор статьи предложил модель, которая связывает вихревые течения плазмы в фотосфере с появлением в короне особых линий магнитного поля - сепараторов. Сепаратор появляется над S-образным изгибом фотосферной нейтральной линии подобно радуге над изгибом реки. Такие изгибы весьма характерны для магнитограмм больших вспышек.
Рис. 4 - Модель магнитного поля активной области перед вспышкой. Особая линия магнитного поля - сепаратор (Х) над S-образным изгибом фотосферной нейтральной линии (NL) подобен радуге над рекой. Вихревое течение со скоростью V в фотосфере деформирует фотосферную нейтральную линию так, что она приобретает форму буквы S. V_ - конвергентные фотосферные течения (направленные к нейтральной линии); V|| - сдвиговые фотосферные течения (направленные вдоль нейтральной линии). В правом верхнем углу показана структура поля в окрестности сепаратора, вблизи его вершины: B_ - поперечные составляющие поля (перпендикулярные сепаратору), B || - продольная составляющая поля (направленная вдоль сепаратора).
По структуре поля сепаратор отличается от линии Х лишь тем, что содержит продольную составляющую магнитного поля. Наличие продольного поля В||, разумеется, не запрещает процесс пересоединения. Эта составляющая всегда присутствует внутри и вне формирующегося вдоль сепаратора пересоединяющего токового слоя. Она влияет на скорость пересоединения поперечных составляющих поля B_ и, следовательно, на мощность процесса преобразования энергии поля в тепловую и кинетическую энергии частиц. Это позволяет лучше понять и точнее объяснить особенности энерговыделения в солнечной вспышке.
Вспышка - быстрое магнитное пересоединение, которое подобно гигантской молнии вдоль "радуги" сепаратора. Оно связано с сильным электрическим полем (больше 10-30 В/см) в высокотемпературном (более 108 К) турбулентном токовом слое (ВТТТС), несущем огромный электрический ток (порядка 1011 А).
Первичное энерговыделение
Картина вспышки во всем ее многообразии и красоте (см. стр. 1 обложки) - следствие первичного выделения энергии в ВТТТС. Наличие нескольких каналов выделения энергии в токовом слое (течения плазмы, тепловое и электромагнитное излучение, ускоренные частицы) определяет многообразие физических процессов, вызываемых вспышкой в атмосфере Солнца.
Рис. 5 - Вспышки 15 апреля 2002 г. Изображения получены рентгеновским телескопом на спутнике "RHESSI" в диапазоне энергий 10-25 кэВ, который соотвествует тепловому излучению сверхгорячей плазмы:
а) непосредственно перед импульсной фазой;
б) во время импульсного нарастания потока жесткого рентгеновского излучения;
в) в максимуме интенсивности; движущийся вверх источник соответствует началу коронального выброса массы (CME).
Пересоединенные линии магнитного поля вместе со "сверхгорячей" (электронная температура больше 3x107 К) плазмой и ускоренными частицами движутся из ВТТТС со скоростями порядка 103 км/с. Рентгеновский телескоп космической обсерватории "RHESSI" зафиксировал два источника жесткого рентгеновского излучения в короне во время вспышки 15 апреля 2002 г. Один из них находился высоко над солнечным лимбом. Его движение вверх соответствовало зарождению коронального выброса массы в межпланетное пространство. Этот выброс зарегистрировал коронограф на космическом аппарате "SOHO" 16 апреля 2002 г. (Земля и Вселенная, 2003, № 3). Второй источник жесткого рентгеновского излучения находился под сепаратором. Пространственное распределение энергии жесткого рентгеновского излучения и, соответственно, пространственное распределение самых высоких температур во вспышке согласуются с предположением, что между источниками действительно находится пересоединяющий ВТТТС.
"Вторичные" эффекты под радугой
Постепенно охлаждаясь, сверхгорячая плазма становится видимой в более мягком рентгеновском излучении. В области, расположенной под сепаратором, она движется вниз и встречается с другой "горячей" (электронная температура меньше или порядка 3x107 К) плазмой, которая быстро течет вверх, из хромосферы в корону.
Причина этого вторичного (но не второстепенного) течения в том, что мощные потоки тепла и ускоренных частиц из ВТТТС быстро распространяются вдоль пересоединенных линий магнитного поля и моментально нагревают хромосферу по обе стороны от фотосферной нейтральной линии. Так образуются пары вспышечных лент, наблюдаемые в видимых хромосферных линиях и УФ-линиях переходного слоя между короной и хромосферой. Нагретые до высоких температур верхние слои хромосферы "испаряются" в корону. Эффект быстрого расширения нагретой хромосферной плазмы в корону хорошо виден в рентгеновских лучах. "Хромосферное испарение" (так называют это явление) вместе с плазмой, вытекающей из токового слоя, порождает аркады вспышечных петель: длинные или короткие (как во вспышке 15 апреля 2002 г.).
Рис. 6 - Гигантская солнечная вслышка (рентгеновский балл Х17) 4 ноября 2003 г. Прекрасно видна аркада вспышечных петель в короне. Изображение в линиях крайнего ультрафиолетового излучения 171 А получено с помощью УФ-телескопа КА "ТRACE".
Как уже отмечалось, в мягком рентгеновском и УФ-излучениях заключена значительная часть полной энергии вспышки, причем именно они воздействуют на верхние слои атмосферы Земли. Не удивительно, что огромные потоки этого же излучения воздействуют и на атмосферу Солнца (Земля и Вселенная, 1978, № 1): хромосферу и фотосферу, вызывая нагрев и дополнительную ионизацию солнечной плазмы. К сожалению, точности современных наблюдений пока не хватает для изучения столь тонких эффектов.
Изучение вторичных явлений имеет принципиальное значение для сравнения результатов теории вспышек с наблюдениями, поскольку видны больше всего именно следствия первичного энерговыделения: например тормозное излучение ускоренных электронов в хромосфере делает вспышечные ленты видимыми в жестком рентгеновском излучении.
Оптическое излучение вспышки - часть сложного гидродинамического отклика хромосферы и фотосферы на импульсный нагрев мощными пучками заряженных частиц, потоками тепла и жесткого электромагнитного излучения. К сожалению, пока еще нет однозначных предсказаний теории, относящихся к оптическому излучению. Слишком сложна физическая картина "отклика". Успехи достигнуты лишь на пути численного моделирования импульсного нагрева хромосферы электронными пучками. Расчеты на ЭВМ вскрыли специфические особенности импульсной фазы вспышки: формирование ударных и тепловых волн большой амплитуды, отличие электронной температуры от ионной, мощное УФ-излучение в линиях переходного слоя. Однако в целом, даже в рамках столь ограниченной постановки задачи об отклике, предстоит еще много сделать, чтобы обеспечить сравнение результатов расчетов и наблюдений.
Первые пространственные наблюдения гамма-излучения вспышек на космической обсерватории "RHESSI" показали, что ускоренные электроны и ускоренные ионы вторгаются в хромосферу в различных областях. Этот новый наблюдательный факт, хотя и требует дальнейшего детального изучения, в общих чертах согласуется с предположением о первичном ускорении частиц электрическим полем в пересоединяющем ВТТТС. Положительно и отрицательно заряженные частицы ускоряются крупномасштабным электрическим полем в противоположные стороны и, соответственно, высыпаются из токового слоя в хромосферу вдоль различных линий магнитного поля. Аккуратные теоретические расчеты эффекта, к сожалению, пока отсутствуют.
Перед вспышкой
Что предшествует вспышке? В какой момент времени она происходит? Рассмотрим эти вопросы на примере модели "Радуга", разрабатываемой в отделе физики Солнца ГАИШ МГУ.
Начнем с процесса накопления энергии перед вспышкой. Главными факторами здесь являются медленные течения фотосферной плазмы, несущей магнитные поля. Фотосферные течения, направленные к нейтральной линии, принято называть конвергентными, а течения вдоль нее называются сдвиговыми.
Очевидно, конвергентные течения стремятся сжать фотосферную плазму и "вмороженное" в нее (движущееся вместе с плазмой) магнитное поле в окрестности нейтральной линии. Это приводит к формированию медленно пересоединяющего токового слоя вдоль сепаратора. При этом магнитное поле приобретает избыток магнитной энергии токового слоя. Сдвиговые течения в фотосфере растягивают линии магнитного поля в короне в направлении, параллельном сепаратору.
Суммарный избыток магнитной энергии в короне, создаваемый течениями плазмы в фотосфере, называют "свободной магнитной энергией". Именно она полностью или частично "освобождается" во время вспышки, точнее говоря, превращается из энергии поля в тепловую и кинетическую энергию частиц солнечной плазмы.
Как происходит вспышка
В модели "Радуга" предполается, что процесс быстрого пересоединения, то есть первичное энерговыделение во вспышке, начинается на сепараторе вблизи его вершины.
В процессе пересоединения первой пары линий поля создается новая линия. При этом происходит быстрое превращение соответствующей порции энергии магнитного поля в энергию частиц плазмы. Ускоренные частицы за очень короткое время долетают вдоль пересоединенной линии поля к ее основаниям в хромосфере. Здесь они отдают свою энергию: тормозятся и нагревают хромосферную плазму, порождая пару "ярких точек", называемых "вспышечные ядра эмиссии".
