Физические отличия в начальной фазе формирования двух типов корональных выбросов массы В.Г. Еселевич, М.В. Еселевич ИСЗФ СО РАН (г. Иркутск) Февраль 2014 г.

К настоящему времени установлено, что магнитные трубки (магнитные жгуты) играют центральную роль в формировании корональных выбросов массы (английская аббревиатура СМЕ). Однако, до сих пор, экспериментально не разрешен вопрос который является принципиальным для понимания механизма формирования СМЕ, а именно: магнитная трубка существует и располагается в короне до начала эрупции (постепенный СМЕ) или же она выбрасывается из конвективной зоны (импульсный СМЕ)? От ответа на этот вопрос зависит возможность существования, как минимум, двух совершенно, различных механизмов возникновения СМЕ. Именно, этот вопрос, в настоящее время, вызывает наиболее резкие противоречия у специалистов. Существование постепенных СМЕ не вызывает сомнений. Картина их возникновения представляется следующей. В короне существует магнитная трубка (жгут), заполненная плазмой, два основания которой укоренены на фотосфере. В результате развития неустойчивости она может эруптировать. Ниже приведен экспериментальный пример такого процесса на очень малой высоте h

Поперечное сечение постепенного СМЕ ( ) представляет собой вложенные в друг друга арочные структуры 1, 2, 3. Это типичное поперечное сечение магнитного жгута. Перед эрупцией (в течение десятков минут) толщина и яркость структур увеличивается, но при этом они остаются неподвижными. Эрупция начинается с движения внешней структуры (3 и 3а), но внутренние структуры на этом этапе, остаются, практически, неподвижными. Это видно из их кинематических кривых.

Видно, что в первые моменты времени движение начинает только внешняя сдвоенная структура 3 и 3а, а внутренние структуры 1 и 2 испытывают лишь некоторые колебания вблизи положения равновесия.

Возможной альтернативой постепенных СМЕ являются импульсные СМЕ. Их формирование может быть связано со всплывающими из конвективной зоны с большой (сверхзвуковой) скоростью магнитными трубками, существование которых предсказывается теоретически [Романов и др., 1993]. Экспериментальное доказательство существования импульсных СМЕ является очень не простой задачей. Для этого необходимы измерения магнитного поля Солнца с временным разрешением порядка 1-10 секунд. На данном этапе исследований это невозможно сделать современными магнитографами (например, SOHO/MDI имеет разрешение порядка 1 мин.). И, тем не менее, недавние прямые измерения по допплеровскому смещению поляризованного сигнала вблизи линии FeI A на инструменте IMaX на стратосферном баллонном телескопе Sunrise зарегистрировали значение скорости подъема магнитной трубки на уровне фотосферы 12 км/с, которое, почти, в два раза превосходит локальную скорость звука на фотосфере [Borrero et al., 2010]. Причем, это было сделано на пределе временного разрешения инструмента. Однако, обнаружить всплывающую магнитную трубку можно и другими способами. Например, опираясь на ряд экспериментальных особкенностей этого процесса, которые предсказываются теорией всплывающей магнитной трубки. Этому и посвящена данная работа.

Для понимания природы импульсных СМЕ будем опираться на выводы теории всплывающей из конвективной зоны тонкой магнитной трубки, развитой в работах [Романов и др., АЖ, 70, 1237, 1993; Fan et al., Solar Phys., 6, 4, 2009]. Суть их подхода и результатов в следующем: 1) Трубка находится в равновесии и замкнута в кольцо с радиусом r 0 >> d (d - диаметр трубки) и центром в центре Солнца. 2) Вдоль трубки задается возмущение малой амплитуды с волновым числом m (длина волны λ). 3) Исследуется устойчивость медленной моды колебаний или устойчивость медленной волны.

Медленная волна характеризуется тем, что в ней вещество смещается в основном вдоль трубки, а давление изменяется в противофазе к напряженности магнитного поля. В результате, на участках с повышенным магнитным полем уменьшается плотность, т.к. вещество стекает в соседние участки. Возрастает подъемная сила Архимеда и участок начинает быстро подниматься вверх к фотосфере. Это сценарий развития неустойчивости медленной волны или неустойчивости Паркера.

Определяющим параметром в развитии этой неустойчивости является длина волны или волновое число m. См. Рис. 1) В диапазоне 0

Пример расчета параметров всплывающей магнитной трубки Т.о. на уровне фотосферы появится плотный сгусток холодной замагниченной плазмы, летящий со большой скоростью. Такой сгусток в свете УФ линий будет виден как движущая область пониженной яркости или полость.

Рассмотрим развитие полости на примере СМЕ 5 января 2013 г. Его отличительной особенностью является отсутствие эрупции каких- либо ярких структур. Событие сопровождается лишь слабой вспышкой рентгеновского балла < C1.4. Все это позволяет однозначно отождествить наблюдаемую полость с движущейся замагниченной плазмой, имеющей пониженную температуру. И однозначно исключить появление, так называемые, потемнения (Dimmings) как следствие эрупции ярких структур.

Изображения разностной яркости в 193A, SDO/AIA на диске Солнца в последовательные моменты времени для СМЕ 5 января Желтым пунктиром показаны Кэррингтоновские долготы и широты. Исследуемое явление происходит между двумя активными областями: АО и АО Начиная с t 16:25:43 в активной области АО появляется и увеличивается в размерах полость, западная граница которой движется с V Ф 50 km/s. Зеленым пунктирным эллипсом показана граница полости. При t 16:31 : 07 впереди движущейся границы полости формируется фронт сжатия, который затем становится основой фронтальной структуры СМЕ.

Изображения разностной яркости в STEREO, 195A на лимбе Солнца в последовательные моменты времени для СМЕ 5 января Между двумя АО11645 и 11639, спроектированными на плоскость лимба, в момент t

На диске Солнца На лимбе Солнца 5 января 2013 Сравнение изображений на лимбе и диске в один и тот же момент времени. Е-лимб на STEREO-a соответствует 310º Кэр. Долготы. Видно, что центр полости (зеленый крестик) для обоих изображений по широте совпадает с точностью до градуса, а по долготе - с точностью до 10º. То же относится и к положениям АО и АО января 2013 На диске Солнца На лимбе Солнца

Принципиальное отличие развития начальной фазы постепенных иимпульсных СМЕ отчетливо видно на их кинематических кривых, построенных на лимбе Солнца. Процесс формирования постепенных СМЕ начинается с движения внешней оболочки расположенной в короне магнитной трубки (жгута) (светлые и черные кружки), при относительной неподвижности ее внутренних структур (ромбики и крестики). Именно она затем становится фронтальной структурой СМЕ. В то же время импульсный СМЕ начинается как выброс с уровня фотосферы полости (или магнитной трубки с холодной плазмой) (черные кружки), впереди которой формируется фронт сжатия (светлые кружки). Этот фронт сжатия затем становятся основой фронтальной структуры СМЕ.

По распределениям разностной яркости в двух взаимно – перпендикулярных плоскостях была построена трехмерная картина полости с началом координат на поверхности Солнца на лимбе (РА = 105º) для двух последовательных моментов времени: I) t=16:30:30, II) t=16:35:30. Приведенная на Рис. трехмерная динамика полости СМЕ характеризует ее как движущуюся магнитную трубку (жгут) c холодной плазмой: скорость движения границы полости в радиальном направлении примерно в два раза превосходит скорость в поперечном направлении. При этом основание полости остается, как и для магнитного жгута, закрепленным на поверхности Солнца.

ВЫВОДЫ 1)На примере события 5 января 2013 г., впервые, удалось показать, чтоимпульсный СМЕ может возникать как результате выброса с поверхности Солнца области пониженной яркости (полости) в свете УФ линий (193А, 211А), которая затем становится основой будущего СМЕ. 2) Анализ трехмерной структуры полости, ее динамики и кинематики, а также сопоставление результатов анализа с предсказаниями теории, позволяют отождествить полость с магнитной трубкой (жгутом), заполненной холодной плазмой, выброшенной с большой скоростью из конвективной зоны в атмосферу Солнца. 3) Причина выброса магнитной трубкой из конвективной зоны – развитие неустойчивости Паркера (медленной волны).

Спасибо за внимание!

В результате развития неустойчивости Паркера на уровень фотосферы всплывает часть от всей трубки длиной l ~λ m /6. Под действием силы гравитации создаётся поток вещества к основанию трубки, верхняя часть арочной структуры с оттоком плазмы нелинейно ускоряется к фотосферному уровню (рис.). Таким образом, развитие неустойчивости Паркера целиком определяется взаимодействием магнитной трубки с гравитационным полем Солнца.

Кинематические кривые на диске (а) и на лимбе (с) для передней границы полости (черные кружки) и фронта сжатия (светлые кружки). Пунктирной прямой до фотосферы показана траектория передней границы полости. Ее пересечение с фотосферой дает момент вылета полости (магнитной трубки с холодной плазмой), равный t 0 16:15. По мере движения полости модуль ее минимальной яркости непрерывно возрастает (черные кружки на (b) и (c)). Фронт сжатия формируется после t 16:20 и имеет, на ранней стадии, небольшой скачок яркости (светлые кружки на (b) и (c))

Полученное соотношение компонент скоростей с V R 2V Ф для границ полости во взаимно перпендикулярных направлениях характерно для СМЕ, который, согласно [Schwenn et al., 2005], представляет собой движущуюся магнитную трубку (жгут), с закрепленными на поверхности Солнца основаниями. Отличительной чертой в данном случае является то, что магнитная трубка с плазмой (полость) была выброшена из под фотосферы. Т.е она не является, как в случае постепенных СМЕ, результатом эрупции квазистационарной структуры (магнитного жгута с плазмой), расположенной в короне. Для подтверждения этого в нашем случае с использованием данных EUVI/STEREO-a и AIA/SDO была построена трехмерная картина полости для двух последовательных моментов времени 16:30:30 и 16:35:30. Центр полости располагался на фотосфере (отмечен зеленым крестиком).

Существование постепенных СМЕ не вызывает сомнений. Тем более, что авторам работы [Patsourakos et al., ApJ, 764, 125,2013] удалось наблюдать и исследовать развитие на лимбе сечения магнитной трубки (жгута) постепенного СМЕ (19 июля 2012г.), возникшего в активной области на очень малой высоте над лимбом h

На диске Солнца На лимбе Солнца 5 января 2013 Сравнение изображений на лимбе и диске в один и тот же момент времени. Е-лимб на STEREO-a соответствует 310º Кэр. Долготы. Видно, что центр полости (зеленый крестик) располагается на широте -14º и сдвинут по долготе за лимб на 12º. Яркие структуры АО 11645, расположены на широтах (-10º - -14º) и за лимбом на 12º,а структуры АО на широтах (-15º - -20º) на долготе 5º перед лимбом. Широтный размер полости 10º. Т. о. с точностью до широтного размера ( 10º) можно полагать, что центр полости расположен на лимбе (отмечен зеленым крестиком). 5 января 2013 На диске Солнца На лимбе Солнца