Физические законы для солнечного ветра, справедливые на любой фазе цикла солнечной активности, как один из итогов Ассамблеи COSPAR 2010 В. Г. Еселевич Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск К о н ф е р е н ц и я «Физика плазмы в солнечной системе» февраля 2011 г., ИКИ РАН

Что такое физический закон? Физический закон – это эмпирически установленная и выраженная в строгой словесной или математической формулировке устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состояниями тел и других материальных объектов в окружающем мире. Выявление физических закономерностей составляет основную задачу физической науки. Википедия

Несколько замечаний: 1.Ограничимся формулировкой физических законов не вообще, а только для солнечного ветра (СВ). 2. Любой закон лучше наблюдать в идеальных условиях, т.е. когда его действие не нарушается посторонним воздействием. Например: второй закон Ньютона F = ma очевиден, когда сила трения стремится к нулю. Поскольку в солнечном ветре, часто, условия не идеальные, трудно выделить и доказать существование того или иного физического закона СВ. 3. Формулировка таких законов (после 40 лет исследований) стала критически важной задачей именно сейчас. Почему? Это связано с необходимостью понять поведение СВ в более сложных ситуациях, когда существует воздействие на него сразу нескольких факторов. Применение статистических методов в этих случаях автоматически исключает нахождение законов СВ.

При чем здесь COSPAR 2010? Прошедшая 38-я Ассамблея COSPAR 2010 показала, что ряд физических законов для СВ, установленных еще в 70-х - 90-х годах прошлого столетия, прошли проверку временем и подтвердились в измерениях, полученных на новых (более совершенных) инструментах. Эти законы оказались справедливыми для всех прошедших циклов солнечной активности, вне зависимости от фазы цикла. Последовательность изложения следующая: краткая формулировка закона и затем ссылка на 2-3 первые основополагающие работы по данному закону в порядке приоритета их по времени.

Пономарев Е.А. К теории солнечной короны. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. // Киев, Киевский Университет, Parker E.N. Dynamics of Interplanetary gas and magnetic fields. // Astrophys. J., v. 128, p , Грингауз и др. Поток солнечного ветра измерен на автоматических Межпланетных станциях Луна-2, Луна-3, 1959.//Доклады АН СССР 131, N6, Массачусетский технологический институт. Поток СВ со скоростью 280км/с измерен на спутнике Эксплорер-10, ЗАКОН О существовании солнечного ветра (СВ) От Солнца существует поток разреженной плазмы - cолнечный ветер (СВ).

Этот закон (Пономарева – Паркера) предсказал существование СВ, на орбите Земли основываясь на известной к тому времени высокой температуре плазмы в короне, но ответил на вопрос о механизмах возникновения СВ на поверхности Солнца. Тем самым он открыл новую эпоху в исследовании солнечно-земной физики, которая длится уже пол века.

Дальнейшие исследования показали, что существует три типа СВ: Два квазистационарного типа СВ: Быстрый СВ и медленный СВ. Поскольку их источники на Солнце существуют сравнительно долго (более суток - недели, месяцы), их назвали квазистационарными. Третий тип – спорадический СВ. Его источники на Солнце существуют менее суток. Все три типа СВ имеют различные механизмы возникновения, которые до сих пор не ясны. Поэтому связанные с ними законы формулируются отдельно.

2. ЗАКОН Быстрого СВ Источником быстрого СВ на Солнце являются корональные дыры. Максимальная скорость V М быстрого СВ на орбите Земли связана с площадью S корональной дыры, заключенной в интервале широт λ = ±10° относительно плоскости эклиптики, соотношением V М = к*S, т.е. есть зависимостью V М (S). Nolte J.T., Kriger A.S., et al., Coronal holes as sources of solar wind. Solar Phys., 46, , 1976.

3 ЗАКОН Пояса стримеров Медленный СВ, текущий в поясе стримеров, на орбите Земли регистрируется в окрестностях секторных границ межпланетного магнитного поля (ММП), содержащихся внутри участков потоков плазмы с повышенным динамическим давлением. Глобальная структура пояса стримеров характеризуется, в среднем, универсальным законом поведения в цикле солнечной активности. Svalgaard, L.J., Wilcox, W. and T.L. Duvall. A model combining the solar magnetic field. Solar Phys., 37, 157, Korzhov N P. Large-scale three-dimensional structure of the interplanetary magnetic field. Solar Phys., 55, 505, 1977.

4 ЗАКОН Цепочек cтримеров Медленный СВ, текущий в цепочках стримеров (псевдостримерах), на орбите Земли регистрируется в виде участков потоков плазмы с повышенным динамическим давлением, содержащих четное количество изменений знака ММП. С ростом солнечной активности число цепочек стримеров возрастает. Eselevich, V.G. and Fainshtein, V.G. On the existence of the heliospheric current sheet without a neutral line (HCS without NL). Planet. Space Sci., 40, 105, Eselevich, V.G., Rudenko, V.G. and Fainshtein, V.G. Study of the structure of streamer bels and chains in the Solar corona. Solar Phys.,188, 277, Ivanov K., Bothmer V., Cargill P.J., Kharshiladze A., Romashets E.P., Veselovsky I. Subsector structure of the interplanetary space. Proc. The Second Solar Cycle and Space Whether Euroconference, Vicvo Equense (Italy), 317, Y.M. Wang, N.R. Sheeley and N.B. Rich. Coronal pseudostreamers. Ap. J., 685, 1340, 2007.

Суммируя перечисленные законы для квазистационарного СВ, имеем картину справедливую всегда в отсутствие спорадических потоков СВ. В будущем, когда станут ясны механизмы формирования по каждому из 3-х законов для квазистационарных СВ, на их основе, возможно, будет сформулирован единый закон.

5. ЗАКОН Нерадиальности лучей пояса и цепочек стримеров Нерадиальность лучей пояса и цепочек стримеров зависит от широты λ места их расположения вблизи Солнца и достигает максимальных значений на широтах λ ±40°. Eselevich, V., Eselevich, M. Study of the nonradial directional property of the rays of the streamer belt and chains in the solar corona. Solar Phys., 208, 516, А.G. Tlatov and V.V. Vasil'eva. The non-radial propagation of coronal streamers in minimum activity epoch. Proceedings of the International Astronomical Union, 5, 292, 2009.

Механизм возникновения не радиальности лучей пояса и цепочек стримеров не ясен.

Структура пояса стримеров 6. ЗАКОН О лучевой структуре пояса стримеров Пояс корональных стримеров представляет собой последовательность пар лучей повышенной яркости (или два близко расположенных ряда лучей). Яркости лучей в каждой паре, в общем случае, могут различаться. Нейтральная линия радиальной компоненты магнитного поля Солнца, проходит вдоль пояса между лучами каждой из пар. Gubchenko, V.M., M.L. Khodachenko, H.K. Biernat, V.V. Zaitsev and H.O. Rucker. On a plasma kinetic model of a 3D solar corona and solar wind at the heliospheric sheet, Hvar Obs. Bull., 28 (1), 127, Eselevich M. and Eselevich V. The double structure of the coronal streamer belt. Solar Phys., 235, 331, Топология магнитного поля в поясе стримеров в результате возбуждения стратифицированных мод колебаний. (Модель Губченко – Зайцева).

Eselevich V. and M. An investigation of the fine ray structure of the coronal streamer belt using LASCO data. Solar Phys., 188, 299, Wang, Y., J.B. Biersteker, N.R. Sheeley, Jr., S. Koutchmy, J. Mouette, and M. Drukmuller. The solar eclipse of 2006 and the origin of raylike features in the white-light corona. Astrophys. J., 669, 882, Хотя в теории рассмотрен возможный механизм формирования лучевой структуры пояса стримеров и существует качественное согласие ее выводов с экспериментом, до полного понимания истинной причины этого очень интересного явления еще далеко.

Bavassano B. et al., Heliospheric plasma sheet and coronal streamers. Geophys. Res. Let., 24(3),1655, Еселевич М. и Еселевич В. Пояс стримеров в короне Солнца и на орбите Земли. Геомагнетизм и аэрономия, 47, N3, 309, ЗАКОН О структуре гелиосферного плазменного слоя Поперечное сечение гелиосферного плазменного слоя (на орбите Земли) имеет, в общем случае, вид двух максимумов концентрации с характерным размером 2 -3 (в гелиосферной системе координат), между которыми проходит секторная граница. Такая структура является квазистационарной (сохраняется на интервале времени порядка суток) и является продолжением структуры пояса стримеров в короне (лучевой структуры).

Возможно, что в будущем 6-ой – 7-ой законы могут быть объединены в один закон.

8. ЗАКОН О фрактальности гелиосферного плазменного слоя Тонкая структура гелиосферного плазменного слоя на орбите Земли представляет собой последовательность вложенных друг в друга магнитных трубок (фрактальность). Размер трубок, по мере вложенности, меняется почти на два порядка. Milovanov A. V. and Zelenyi L. M. Fraction excititations as a driving mechanism for the self-organized dynamical structuring in the solar wind. Astrophys. Space Science, 264, 317, Еселевич М., Еселевич В. Фрактальная структура гелиосферного плазменного слоя на орбите Земли. Геомагнетизм и аэрономия, 45, N3, 347, 2005.

Механизм возникновения фрактальной структуры СВ до конца не ясен. Необходимы совместные усилия теоретиков и экспериментаторов.

9. ЗАКОН О структуре СМЕ Магнитная структура коронального выброса массы (СМЕ) представляет собой винтовой магнитный жгут (flux-rope). В белом свете при определенной ориентации относительно картинной плоскости он виден как яркая фронтальная структура, охватывающая полость, внутри которой может находиться яркое ядро (протуберанец). Illing, R.M. and Hundhausen, A.J. Disruption of a coronal streamer by an eruptive prominence and coronal mass ejection. JGR, 91, 10,951, Thernisien A., A. Vourlidas and R.A. Howard. Forward modeling STEREO/SECCHI data. Sol. Phys., 256, 111, 2009.

10. ЗАКОН О механизме формирования постепенных СМЕ Механизм формирования постепенных СМЕ связан с развитием неустойчивости жгута магнитного потока, вершина которого расположена в короне, а два основания – в фотосфере. J. Krall and J. Chen. Drive mechanisms of erupting solar magnetic flux ropes. Ap. J., 599, 964, V. Kuznetsov and A. Hood, A phenomenological model of coronal mass ejection. Adv. Space Sci., 26, N3, 539, 2000.

Механизм неустойчивости жгута магнитного потока не ясен. В будущем, возможно объединение 8-го и 9- го Законов в один Закон.

11. ЗАКОН О двух механизмах ускорения солнечных энергичных частиц Существует два различных класса, а значит два различных механизма ускорения солнечных энергичных частиц: Импульсные – ускоряются во вспышках и регистрируются на 1а.е. в узком диапазоне солнечных долготных углов. Постепенные – ускоряются ударными волнами, возбуждаемыми СМЕ, и регистрируются в широком диапазоне солнечных долгот (более 200°). Reems, D.V., The relationship between energetic particles and flare Properties for impulsive solar flares, Ap. J., 73, 235, Reems, D.V., Particle acceleration at the Sun and the heliosphere. Space Sci. Rev., 90, 413, Podgorny, I.M. et al., Spectrum of flare protons, JASTP, 72, 988, 2010

ЗАКОН 11 О двух механизмах.. –Закон Reems - является наиболее продвинутым в смысле понимания механизма ускорения частиц ударными волнами. Но остается не ясным механизм ускорения частиц во вспышках. В реальной ситуации, обычно, имеет место одновременное действие обоих механизмов этого закона. Поэтому существование этого закона очень важно при изучении таких сложных ситуаций

12. ЗАКОН О месте возникновения СМЕ CME возникают в основаниях пояса или цепочек стримеров. Hundhausen, A.J. Sizes and locations of coronal mass ejections: SMM observations from 1980 and 1984 – JGR, 98, 13,177, Eselevich, V. G., New results on the site initiations of CMEs. GRL, 22 (20), 2681, 1995.

U 150 км/с Профиль разностной яркости плавно спадает c расстоянием. Разностная яркость вытянута в направлении распространения CME. 13. ЗАКОН О возмущенной зоне перед СМЕ В результате взаимодействия с корональной плазмой впереди СМЕ существует возмущенная зона. Еселевич М. и Еселевич В. Первые экспериментальные исследования возмущенной зоны перед фронтом коронального выброса массы. АЖ, 84, N11, 1046, 2007.

В передней части профиля наблюдается фронт (разрыв) на масштабе 0.25R 0. Разностная яркость близка по форме к окружности ЗАКОН О формировнии ударной волны перед СМЕ Формирование ударной волны перед СМЕ происходит, когда его скорость относительно окружающей корональной плазмы становиться больше локальной альвеновской скорости. (Это явлениеперехода через скорость звука) Eselevich, M. and V. On formation of a shock wave in front of a coronal mass ejection with velocity exceeding the critical one, GRL, 35, L22105, 2008.

15. ЗАКОН О механизме диссипации в ударной волне, возбуждаемой перед СМЕ Механизм диссипации энергии во фронте ударной волны, возбуждаемой перед СМЕ, на расстояниях R 6R 0 от центра Солнца - столкновительный (R 0 – радиус Солнца). На расстояниях R 10R 0 происходит переход от столкновительной к бесстолкновительной ударной волне. Еселевич М. В. Об измерении ширины фронта ударной волны впереди коронального выброса массы. АЖ, 87, N2, 197, 2010.

Asbridge, J.R., S.J. Bame, and I.B. Strong, Outward flow of protons from the earths bow shock, J.G.R., 73, s777,1968. Lin, R.P., C.I. Meng, and K.A. Anderson, kev protons upstream from the earths bow shock, J.G.R., ,1974. Scholer, M, F.M. Ipavich,< G. Gloecker, D.Hovestadt, Acceleration of low-energy protons and alpha particles at interplanetary shock waves, J.G.R.,88, 1977, Lee, M.A. Coupled hydromagnetic wave excitation and ion acceleration upstream of the Earths bow shock, J.G.R., 87, 5063, Lee, M.A. Coupled hydromagnetic wave excitation and ion acceleration At interolanetary traveling shocks, J.G.R., 88, 61093, Pulupa, M and S.D.Bale, Structure on interplanetary shock fronts: Type II Radio burst sourse regions, ApJ., 676, 1330, ЗАКОН О существовании forshock перед фронтом бесстолкновительной ударной волны. Перед фронтами околоземной головной ударной волны и межпланетных ударных волн существует область с повышенной турбулентностью, названная forshock

Механизм формирования forshock во многом изучен. Ряд выводов квазилинейной теории прекрасно согласуются с экспериментом. Чрезвычайно богатая физика. Продолжение исследований в этом направлении очень перспективно для физики плазмы и астрофизики.

17. Закон О связи радиоизлучения II типа с бесстолкновительными ударными волнами. В.В. Железняков. О происхождении всплесков солнечного радиоизлучения в метровом диапазоне волн. АЖ, XLII, 244,1965 В.В. Зайцев. К теории всплесков II типа радиоизлучения Солнца. АЖ, XLII, 740, Всплески радиоизлучения II типа связаны с процессами Рэлеевского и комбинационного рассеяния хаотических плазменных электронных колебаний, возникающих во фронте и в forshock бесстолкновительных ударных волн. Физические механизмы Закона 17 (Железнякова - Зайцева) чрезвычайно разнообразны и сложны. В этом направлении исследования ведутся широким фронтом уже многие годы. Они очень важны для физики плазмы и астрофизики.

Заключение 1. Данный доклад – это первая попытка сформулировать физические законы СВ по результатам исследований последних 40 лет. Необходимость этого связана двумя причинами: Знание законов позволяет рассматривать СВ при дальнейших исследованиях не только как среду, хаотически меняющую свое состояние, (которую обычно изучают статистическими методами), а как квазирегулярную среду, удовлетворяющую определенным физическим законам. Это определяет выбор будущих методов исследований, которые должны быть преимущественно не статистическими. Опираясь на знание этих законов, можно изучать причины возможных отклонений от них в поведении СВ в более сложных ситуациях и осуществлять поиск новых, еще не открытых законов.

2. Предложенный список из 17 физических законов СВ не является полным и он еще будет проходить проверку временем. 3. Следует отметить особо три закона (14, 15, 16), касающихся возмущенной зоны и ударной волны: они не предсказывались и не исследовались теоретически, хотя качественно понятны и имеют исключительно глубокий физический смысл. Из всех перечисленных законов эти три являются наиболее универсальными. Механизмы их действия не ясны. В этом направлении видны наибольшие перспективы будущих исследований как для солнечно-земной физики, так и для физики плазмы. 4. Подобный анализ – обобщение следовало бы проделать и для Солнца (хотя для него частично это сделано во многих монографиях), а также отдельно для магнитосферы и ионосферы Земли. 5. И последнее. По крайней мере, в 13 из 17 перечисленных законов СВ одними из первооткрывателей являются Российские ученые.

Спасибо за внимание!