Огромный прогресс в космических исследованиях Солнца B. Fleck (ESA): Solar renaissance In two words by. - презентация

1 Огромный прогресс в космических исследованиях Солнца B. Fleck (ESA): Solar renaissance In two words by

2 B. Fleck … results produced by Yohkoh (Solar-A), SOHO, TRACE, RHESSI invigorated solar research and challenged existing models … results produced by Yohkoh (Solar-A), SOHO, TRACE, RHESSI invigorated solar research and challenged existing models The golden era of solar physics is coming with Hinode (Solar-B), STEREO and future solar space missions The golden era of solar physics is coming with Hinode (Solar-B), STEREO and future solar space missions Fleck B., Advanced Solar Science, 17, 2007

3 7 космических обсерваторий с солнечными телескопами => изображения, фильмы

4

5 Новые результаты и новые вопросы в физике больших солнечных вспышек Б.В. Сомов ГАИШ МГУ

6 и новые вопросы физики больших солнечных вспышек Наиболее существенные получены в Отделе физики Солнца ГАИШ МГУ новые результаты ( программа исследований )

7 Автор благодарит H. Hudson (SSL) ~tohban/wiki/index.php/Collapsing_Traps к.ф.-м.н. С.И. Безродных (ГАИШ). д.ф.-м.н. С.А. Богачева (ФИАН), д.ф.-м.н. В.И. Власова (ВЦ РАН), д.ф.-м.н. Н.С. Джалилова (ИЗМИРАН), к.ф.-м.н. А.В. Орешину (ГАИШ), к.ф.-м.н. И.В. Орешину (ГАИШ), д. Ю. Штауде (АИП)

8 Reconnection in the Earth magnetosphere

9 Large-scale Reconnection in the Solar Wind Large-scale Reconnection in the Solar Wind Phan T.D., Gosling J.T. et al., Nature 439, 2006 Jan. 12

10 Formation of a Large-Scale Reconnecting Current Layer (RCL) RHESSI HXRs show 1) Footpoints 2) Sources in corona

11 Temperature Distribution keV keV keV 8-10 keV keV keV footpoints Sui, Holman, 2003 Temperature gradient towards the super-hot turbulent- current layer (SHTCL, Somov, 2006) temperature increase

12 Conclusions from Observations and Theory Thermal and non-thermal HXR emissions from the corona can be interpreted involving a reconnecting super-hot turbulent-current layer as the source of flare energy Thermal and non-thermal HXR emissions from the corona can be interpreted involving a reconnecting super-hot turbulent-current layer as the source of flare energy Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part II, Reconnection and Flares, Springer, 2006 Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part II, Reconnection and Flares, Springer, 2006

13 Аналитические модели магнитного пересоединения С.И. Безродных, Б.В. Сомов

14 КЛАССИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯ Токовый слой Сыроватского: область прямого тока (DC) и две присоединенные области обратного тока Течение Петчека: диффузионная область D и 4 присоединенных МГД ударных волн

15 НОВАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ ПРИСОЕДИНЕННЫХ разрывных течений Токовая конфигурация: токовый слой Г и 4 присоединенные МГД разрыва конечной длины Постановка задачи Римана – Гильберта для Магнитное поле Аналитическая функция

16 Решение задачи Искомая функция дается формулой где

17 Параметр. Линии магнитного поля в предельном случае отсутствия обратных токов

18 Параметр Линии поля в общем случае

19 Новые результаты Получено решение задачи в аналитическом виде Решение позволяет анализировать структуру поля в области пересоединения Исследуются изменения поля при варьировании параметров модели

20 Программа исследований Мощность энерговыделения в зависимости от параметров Области неэволюционности решения Сравнение с результатами численных экспериментов Разработка более совершенных аналитических моделей

21 МОДЕЛЬ С РАЗРЫВОМ ТОКОВОГО СЛОЯ И УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ Токовый слой с разрывом содержит области прямого тока DC и присоединенные области обратного тока RC Магнитное поле Аналитическая функция Токовая конфигурация из распадающегося слоя Г и четырех присоединенных разрывных течений S k

22 Ускорение частиц в токовом слое Орешина А.В., Сомов Б.В., Письма в АЖ, 2009, 35, 221

23 Движение частиц внутри токового слоя Уравнение движения Токовый слой и система координат Электрическое и магнитное поля

24 НЕРЕЛЯТИВИСТСКОЕ ДВИЖЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПОДХОД: АДИАБАТИЧЕСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ Частица в токовом слое отражается между двумя «магнитными зеркалами». Граница токового слоя Устойчивая траектория Неустойчивая траектория

25 РАЗДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ В СЛОЕ При x > 0 электроны находятся преимущественно в верхней полуплоскости, протоны – в нижней. При x < 0 – наоборот. Степень разделения зарядов пропорциональна величине продольного магнитного поля. Наблюдения RHESSI: во вспышках источники рентгеновского и гамма-излучения пространственно разделены.

26 ОБЛАСТЬ УСТОЙЧИВЫХ ТРАЕКТОРИЙ Существует минимальная начальная скорость, ниже которой устойчивых траекторий нет. Для заданной величины начальной скорости устойчивые траектории реализуются в некотором диапазоне направлений. ******* ****** ****

27 КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ЧАСТИЦ Средняя кин. энергия электронаОтносительное приращение энергии Частица может приобретать или терять энергию в зависимости от начальных условий

28 РЕЛЯТИВИСТСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Пример расчета траектории электрона. Релятивистский фактор γ Устойчивый случай – красный цвет, неустойчивый – зелёный цвет.

29 Солнечные вспышки По наблюдениям в HXR и гамма- диапазонах ускоряются электроны с кинетическими энергиями 20 кэВ - 1 ГэВ и протоны с энергиями 10 МэВ – неск. ГэВ. Наша модель: такие энергии приобретают электроны за время 1.1 E-6 – 1.2 E-3 сек на длине 3.4 E+2 – 3.6 E+7 см протоны за время 2.0 Е-3 – 1.0 Е-2 сек на длине 6.0 Е+7 – 3.6 Е+8 см Эти результаты не противоречат современным представлениям о характерных временах и масштабах вспышек

30 План исследований Учет редких кулоновских столкновений Типы и режимы плазменной турбулентности Состав и спектры ускоренных частиц

31 Ускорение частиц в коллапсирующих магнитных ловушках Богачев С.А., Сомов Б.В., Письма в АЖ, 2009, 35, 63 B.V. Somov, H.S. Hudson, 2009, tohban/wiki/index.php/Collapsing_Traps

32 Распределение температуры keV keV keV 8-10 keV keV keV footpoints Sui, Holman, 2003 Градиент температуры направлен к сверх- горячему турбулентному токовому слою (super- hot turbulent-current layer, SHTCL) temperature increase

33 Магнитная ловушка между сверх-горячим турбулентным токовым слоем (SHTCL) и быстрой наклонной бесстолкновительной ударной волной (FOCS) Somov B.V., Kosugi T., ApJ, 485, 859, 1997

34 Ускорение Ферми первого порядка - механизм второй стадии Уменьшение длины линий магнитного поля (коллапс) вызывает увеличение продольного импульса частицы Somov B.V., Kosugi,T., ApJ 485, 859, 1997

35 Из токового слоя поступают электроны с тепловым и нетепловым (степенным) спектром. Какую форму принимает спектр электронов внутри коллапсирующей ловушки? ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

36 Два эффекта Уменьшение длины ловушки порождает ускорение Ферми первого порядка Сжатие ловушки приводит к бетатронному ускорению

37 Спектры электронов внутри ловушки в бесстолкновительном приближении

38 Спектры электронов внутри ловушки

39 Бетатронное ускорение

40 Спектры электронов внутри ловушки Ускорение Ферми

41 Схема преобразований спектра в коллапсирующей ловушке

42 Формирование двухстепенных спектров за счет кулоновских столкновений

43 Двухстепенной спектр коронального источника HXR-излучения во вспышке 23 июля 2002 г. по данным RHESSI

44 Влияние торможения в плазме на ускорение электронов Коллапсирующие ловушки в короне не могут ускорять электроны с начальной энергией меньше 1 кэВ Нужен ВТТТС !!!

45 Формирование двухстепенных спектров

46

47 Модельные спектры дают новые возможности диагностики двухступенчатого механизма ускорения электронов и ионов в солнечных вспышках tohban/wiki/index.php/Collapsing_Traps

48 Программа Учет электростатических полей Неадиабатические эффекты Возбуждение плазменных волн Расчеты радиоизлучения коллапсирующих ловушек (NJIT: Fleishman et al.)

49 Топологический триггер больших эруптивных вспышек Сомов Б.В., Письма в АЖ, 2008, 34, 702 Somov B.V., Asian Journal of Physics, 2008, 17, 421 Орешина И.В., Сомов Б.В., Письма в АЖ, 2009, 35, 234

50 Observed frequency of eruptive events in active regions with and without coronal magnetic nulls Barnes, G., ApJ, 670, L53, 2007 Active region type Eruptive Event No Event Coronal nulls No coronal nulls

51 The presence of a coronal null is an indication that an active region is more likely to produce an eruptive event

52 Topological Trigger Coronal null X c quickly moves along the separator and switches back the longitudinal field Slow evolution of magnetic sources leads to a rapid change of the coronal field topology Gorbachev, Kelner, Somov, Shvarts, Soviet Astron., 32, 308, 1988

53 Longitudinal Magnetic Field The work has to be done to compress the longitudinal field into current layer A tearing mode caused by compressibility becomes suppressed if the longitudinal field is strong The longitudinal field decreases reconnection rate …This is not the whole story…

54 Пересоединение и топологический триггер Reconnection changes a topology of field lines (step by step) but conserves the global topology of the field in an active region Topological trigger is a quick rearrangement of global topology Topological trigger Reconnection in action

55 M( r 0 ) – матрица с элементами φ – потенциал поля; λ 1, λ 2, λ 3 – собственные значения матрицы. Горбачёв, Кельнер, Сомов и др., АЖ, Классический поход к вопросу о топ. триггере Сомов, AJP, 2008, Более общие топологические инварианты

56 Структура поля в короне перед началом триггера λ z (X1) 0

57 Изменение структуры поля в начале триггера λ z (X1) >0 λ z (X2) >0

58 Завершение триггерного процесса в короне λ z (X1)

59 КРИТЕРИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ НУЛЕВОЙ ТОЧКИ НА СЕПАРАТОРЕ в короне I sep = sign ( λ z (X1) · λ z (X2) ) > 0, где X1 и X2 – нулевые точки в основаниях сепаратора. Орешина И.В., Сомов Б.В., Письма в АЖ, 35, 234, 2009

60 Метод позволяет находить нулевые точки в короне на сепараторах, т.е. там, где энергия поля накапливается перед вспышкой и быстро преобразуется в энергию частиц по время вспышки Орешина И.В., Сомов, 2009

61 Найден параметр, характеризующий величину продольного поля на сепараторе. Он позволяет оценить условия пересоединения в короне. Это необходимо для физически обоснованного прогноза больших вспышек.

62 Эволюция АО NOAA 9077 перед Бастильской вспышкой (14 июля 2000 г.)

63 Модельные магнитограммы АО перед Бастильской вспышкой

64 Топологический портрет АО перед Бастильской вспышкой

65 Расчет эволюции АО перед вспышкой 12 июля14 июля X1X X2X X3X Значения z в основаниях сепараторов

66 Расчет продольного поля на сепараторе в АО перед вспышкой Уменьшение продольного магнитного поля на восточном сепараторе 12 июля (синяя линия) и 14 июля ( красная линия ).

67 В эволюции АО 9077 перед Бастильской вспышкой нулевых точек в короне не обнаружено. Однако, с точки зрения пересоединения условия в короне улучшились на обоих сепараторах. Триггером данной вспышки была эрупция волокна.

68 Thanks for your attention 254 years

69

70 Reconnection of Electric Currents The initial state is mainly potential but contains a loop of new emerging flux with a current J The pre-reconnection (pre-flare) state The final state after reconnection of magnetic field lines and field-aligned currents J Somov, B.V., Plasma Astrophysics, Part II, Reconnection and Flares, Springer, 2006

71 Reconnection of Electric Currents In general, the reconnected currents are not equal among themselves Their topological disruption creates an electric field Henoux and Somov, 1987, Astron. Astrophys., 185, 306

72 Reconnection of Electric Currents Reconnection changes the inductive energy of a current system and its inductive time scale A part of flare energy can be attributed to a change in the current pattern but not to a current dissipation