Алматы, Казахстан
Алматы, Казахстан
Иркутск, Россия
Представлены результаты исследования физических характеристик плазмы при различных проявлениях солнечной активности и ее отсутствии с помощью количественных оценок относительного содержания примесных ионов Fe и O в разных интервалах энергий. Показано, что максимальные значения отношения Fe/O соответствуют потокам частиц от импульсных вспышек для ионов с энергиями <2 МэВ/н (наиболее существенное проявление FIP-эффекта). В потоках частиц от длительных вспышек значение Fe/O плавно спадает с энергией ионов и заметно меньше значений потоков в импульсных событиях. Было установлено, что свойства вспышек солнечных космических лучей (СКЛ) указывают на их принадлежность к отдельному подклассу (GLE, ground level events) в общей совокупности длительных событий. На основе динамики Fe/O предложено объяснение поведения солнечной плазмы при развитии вспышек обоих классов. Магнитные облака, как отдельный вид корональных выбросов массы (КВМ), имеющие области турбулентного сжатия и являющиеся источниками сильных геомагнитных бурь, демонстрируют относительное содержание ионов Fe, сопоставимое с обилием Fe в потоках ионов от длительных вспышек. Установлено, что по величине отношения Fe/O можно выявить проникновение энергичной вспышечной плазмы в тело КВМ на начальной фазе его развития, а также оценить ее относительный вклад. В период минимума цикла активности с полным отсутствием пятен на Солнце отношение Fe/O на расстоянии 1 а. е. показывает абсолютно низкие значения Fe/O=0.004÷0.010 в интервале энергий от 2–5 до 30 МэВ/н. Это связано с проявлением аномальной компоненты КЛ (АКЛ), что приводит к усилению потоков ионов с высоким первым потенциалом ионизации (FIP — first ionization potential), в том числе кислорода (О), а элементы с низким FIP (Fe) демонстрируют ослабление потоков. Что касается частиц с более высокой кинетической энергией (Ek>30 МэВ/н), рост значений Fе/O связан с определяющим влиянием галактических космических лучей КЛ (ГКЛ) на состав примесных элементов в условиях минимума активности. При этом относительное содержание тяжелых элементов в ГКЛ 30–500 МэВ/н подобно значениям в потоках длительных вспышечных событий при высокой активности Солнца. В период минимума активности с отсутствием пятен на Солнце поведение Fe/O для разных интервалов энергий ионов в течениях плазмы из корональных дыр (КД) и в солнечном ветре (СВ) показывает лишь незначительные отклонения. В то же время потоки плазмы, связанные с возмущенной передней областью КД, могут быть источниками возникновения умеренных геомагнитных бурь.
солнечная активность, энергетические спектры, FIP-эффект, отношение Fe/O
ВВЕДЕНИЕ
Солнце обладает обширным по своим характеристикам диапазоном активных явлений. Наиболее мощными являются солнечные вспышки, которые часто сопровождаются корональными выбросами массы (КВМ). Эти процессы в основном и определяют состояние космической погоды. По целому ряду параметров вспышки разделяются на два класса. Относительно компактные и кратковременные вспышки относятся к импульсным событиям, а занимающие больший объем солнечной атмосферы продолжительные явления — к длительным вспышкам. Импульсные вспышки приводят к сильному возрастанию отношения изотопов 3He/4He (относительно корональных значений усиление в 103 раз), а также к высокому отношению Fe/O~1.3 и большим зарядовым состояниям ионов (например, Q(Fe)>16), что свидетельствует о высокой температуре в области их источников.
Основным процессом ускорения солнечных энергичных частиц непосредственно в области вспышек является прямое ускорение электрическим полем при диссипации магнитных полей в токовых слоях активной области в зоне магнитного пересоединения с последующим стохастическим ускорением вследствие развития различных плазменных неустойчивостей [Алтынцев и др., 1982; Прист, Форбс, 2005; Somov, 2013].
Длительные вспышки возникают в большом объеме солнечной короны вследствие динамической перестройки структуры магнитных полей и в течение нескольких часов демонстрируют повышенное излучение в наиболее энергичных диапазонах спектра. Дополнительным источником ускорения частиц, связанным с развитием высокоскоростных КВМ, может быть появление ударных волн в верхних слоях короны и в межпланетной среде. Потоки вспышечных ускоренных частиц в длительных событиях обеднены электронами и обогащены энергичными протонами. В таких явлениях наблюдается понижение отношения Fe/O~0.1 по сравнению с импульсными событиями и меньшие зарядовые состояния ионов Q(Fe)~14, соответствующие корональным температурам (2÷3)106 K [Li, Zank, 2005].
Приведенные характерные значения некоторых параметров позволяют установить принадлежность вспышек к тому или иному классу [Reames, 1995], хотя в настоящее время считается, что представление о делении вспышек и потоков частиц от них на два класса является несколько упрощенным [Klecker, 2013], поскольку в некоторых явлениях разных классов наблюдается ряд общих признаков.
Для солнечных вспышек представленных классов проведено исследование состава ускоренных частиц плазмы с помощью анализа энергетических спектров ионов Fe и O в широком интервале энергий и полученных с их помощью значений Fe/O.
Отношение Fe/O является хорошим индикатором физического состояния изучаемой среды и мерой проявления FIP-эффекта, суть которого состоит в следующем. Состав элементов в фотосфере, достаточно надежно определяемый спектроскопическими методами, является вполне однородным по всей видимой солнечной поверхности, однако обилие примесных элементов в структурных образованиях короны Солнца и в СВ оказывается в разной степени зависящим от величины FIP по отношению к их концентрациям в фотосфере. Установлено, что фракционирование примесных элементов по признаку FIP осуществляется в верхней области хромосферы Солнца. Элементы с низким FIP (<10 эВ — Fe, Mg, Si, K и др.) легко ионизуются и выносятся под действием пондеромоторной силы альвеновских волн в верхнюю атмосферу Солнца [Laming, 2004], где эти ионы способны накапливаться преимущественно в центральных частях замкнутых магнитных структур активных областей. Альфеновские волны генерируются в подножиях этих структур под влиянием случайных движений плазмы в фотосферных слоях. Элементы с высоким FIP (>10 эВ — C, N, O и др.) остаются нейтральными и их содержание не изменяется. Обилие ионов Fe как элемента с низким FIP (<10 эВ) в верхней атмосфере Солнца повышено в несколько раз, в то время как содержание О остается близким фотосферному, поскольку его FIP превышает 10 эВ [Томозов, 2012; 2013]. Ранее в работах [Reames et al., 1994; Reames, Ng, 2004; Tylka et al., 2005; Wang et al., 2006; Kahler et al., 2012] приводились результаты определений значений Fe/O в потоках ускоренных частиц от различных солнечных вспышек. Измерения отношения Fe/O выполнялись лишь в одном или двух интервалах энергий ионов, что оказывается недостаточным для выявления зависимости Fe/O от энергии. Вследствие этого представляется важным получение количественных оценок отношения Fe/O в целом ряде интервалов энергий для различных событий, что позволит выявить новые свойства потоков частиц.
Для построения спектров энергий ионов нами были использованы данные наблюдений Солнца на космических аппаратах (КА) ACE/(ULEIS, EPAM, SIS, CRIS), WIND/EPACT/LEMT. Общий диапазон энергий частиц составил 0.04–287.23 МэВ/н. Было выбрано семь отдельных диапазонов энергий со средними значениями 0.06, 0.23, 1.81, 5.30, 13.00, 30.90 и 75.69 МэВ/н. Энергетические спектры ионов O и Fe в потоках частиц с временным разрешением 1 ч были получены с помощью опции «Multi-source spectral plots of energetic particle fluxes» на сайте OMNI Web Plus Browser [https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ftpbrowser/flux_spectr_m.html]. Энергия ионов выражена в МэВ/н, потоков — в 1/(с·см2·стер·МэВ/н). С использованием значений потоков ионов Fe и O было рассчитано их относительное содержание в потоках частиц в семи интервалах энергий.
Целью настоящей работы является исследование характеристик активных процессов на Солнце, включая вспышки и КВМ, а также особенностей состава солнечной плазмы при отсутствии активных областей по динамике отношения Fe/O с использованием данных наблюдений КА вблизи орбиты Земли.
1. Алтынцев А.Т., Банин В.Г., Куклин Г.В., Томозов В.М. Солнечные вспышки. М.: Наука, 1982. 246 с.
2. Базилевская Г.А., Стожков Ю.И. Энергичные частицы и космические лучи: галактические, гелиосферные и солнечные космические лучи. Плазменная гелиогеофизика / под ред. Зеленого Л.М., Веселовского И.С. В 2 т. Т. 1. М., 2008. С. 345–357.
3. Бархатов Н.А., Ревунова Е.А., Виноградов А.Б. Эволюция ориентации магнитных облаков солнечного ветра и проявление сезонной зависимости в их геомагнитной активности // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2014. № 4 (1). С. 106–113.
4. Ермолаев Ю.И., Ермолаев М.Ю. Солнечные и межпланетные источники геомагнитных бурь: аспекты космической погоды // Геофизические процессы и биосфера. 2009. Т. 8, № 1. С. 5–35.
5. Зельдович М.А., Ишков В.Н., Логачев Ю.И., Кечкемети К. Ионный состав потоков малоэнергичных частиц на 1 а.е. в спокойное время солнечной активности // 31-я Всероссийская конференция по космическим лучам. Москва, МГУ, 2010. С. 1–7.
6. Касинский В.В., Томозов В.М. Сравнение корональных структур в рентгеновских лучах с динамикой и морфологией фотосферной активности // Астрон. циркуляр. 1974. № 806. С. 1–3.
7. Минасянц Г.С., Минасянц Т.М. Свойства развития потоков частиц солнечных космических лучей // XVIII Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца «Солнечная и солнечно-земная физика – 2014». Санкт-Петербург, Пулково, 2014: Труды. C. 287−290.
8. Минасянц Г.С., Минасянц Т.М., Томозов В.М. Об особенностях изменений спектров энергии во вспышечных потоках солнечных космических лучей // Изв. КрАО. 2016а. Т. 112, № 1. С. 71–77.
9. Минасянц Г.С., Минасянц Т.М., Томозов В.М. Изменение отношения Fe/O в период возмущенной стадии развития потоков СКЛ. Проявления FIP эффекта в составе СКЛ // Геомагнетизм и аэрономия. 2016б. Т. 56, № 2. С. 217–227. DOI: 10.7868/S0016794016020115.
10. Минасянц Г.С., Минасянц Т.М., Томозов В.М. Вариации отношения Fe/O при изменении энергии ионов в потоках ускоренных солнечных частиц // Геомагнетизм и аэрономия. 2016в. Т. 56, № 6. С. 690–699.
11. Мордвинов А.В., Томозов В.М., Файнштейн В.Г. Влияние функции распределения электронов на динамику расширения бесстолкновительной плазмы в фоновую плазму меньшей плотности // Прикладная механика и техническая физика. 1985. № 6. С. 10–15.
12. Обридко В.Н., Шельтинг Б.Д., Лившиц И.М., Аскеров А.Б. Связь контраста корональных дыр с характеристиками солнечного ветра // Астрономический журнал. 2009. Т. 86, № 11. С. 1125–1132.
13. Прист Э.Р., Форбс Т. Магнитное пересоединение. Магнитогидродинамическая теория и приложения. М.: Физматлит, 2005. 591 с.
14. Томозов В.М. FIP-эффект как индикатор динамических процессов в солнечной атмосфере и межпланетной среде // Солнечно-земная физика. 2012. Вып. 19. С. 19−35.
15. Томозов В.М. О некоторых закономерностях распределения химического состава в атмосферах звезд // Солнечно-земная физика. 2013. Вып. 23. С. 23−32.
16. Томозов В.М., Строкин Н.А. Сравнительный анализ эффективности ускорения протонов и электронов в лабораторной и солнечной плазме // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55, № 2. С. 161−167. DOI: 10.7868/S0016794015020169.
17. Barkhatov N.A., Vinogradov A.B., Levitin A.E., Revu- nova E.A. Geomagnetic substorm activity associated with magnetic clouds // Geomagnetism and Aeronomy. 2015. V. 55. N 5. Р. 596–602. DOI: 10.1134/S0016793215050023.
18. Cliver E.W., Gopalswamy E., Webb D.F. History of research on solar energetic particle (SEP) events: The evolving paradigm // Proc. the 2008 IAU Symposium. No. 257. Universal Heliophysical Processes. 2009. Р. 401–412.
19. Desai, M. I., Mason G. M., Mazur J.E., Dwyer J.R. Solar cycle variations in the composition of the suprathermal heavy-ion population near 1 AU // Astrophys. J. 2006. V. 645. P. L81–L84.
20. Dierckxsens M., Tziotziou K., Dalla S., Patsou I., Marsh M.S., Crosby N.B., Malandraki O., Tsiropoula G. Relationship between solar energetic particles and properties of flares and CME: statistical analysis of solar cycle 23 events // Solar Phys. 2015. V. 290, N 3. P. 841−874. DOI: 10.1007/s11207-014-0641-4.
21. Driel-Gesztelyi L. van, Culhane J.L. Magnetic flux emergence, activity, eruptions and magnetic clouds: following magnetic field from the Sun to the heliosphere // Space Sci. Rev. 2009. V. 144, iss. 1. P. 351–381. DOI: 10.1007/s11214-008-9461-x.
22. Fisk L.A., Kozlovsky B., Ramaty R. An interpretation of the observed oxygen and nitrogen enhancement in low energy cosmic rays // Astrophys. J. Let. 1974. V. 190. P. 35–38.
23. Garrard T.L., Christian E.R., Mewaldt R.A., et al. The advanced composition explorer mission. // Proc. 25th International Cosmic Ray Conference. Durban, South Africa, 30 July – 6 August, 1997. 1997. V. 1. P. 105–108.
24. Gonzalez W.D., Tsurutani B.T., Clua de Gonzalez A.L. Interplanetary origin of geomagnetic storms // Space Sci. Rev. 1999. V. 88. P. 529–562. DOI: 10.1023/A:1005160129098.
25. Gosling J.T., Pizzo V.J. Formation and evolution of corotating interaction regions and their three-dimensional structure // Space Sci. Rev. 1999. V. 89. P. 21–52. DOI: 10.1023/A:1005291711900.
26. Kahler S.W., Cliver E.W., Tylka A.J., Dietrich W.F. A comparison of ground level event e/p and Fe/O ratios with associated solar flare and CME characteristics // Space Sci. Rev. 2012. V. 171, N 1–4. P.121−139. DOI: 10.1007/s11214-011-9768-x.
27. Kallenrode M. B. Current views on impulsive and gradual solar energetic particle events // J. Phys. G: Nuclear and Particle Phys. 2003. V. 29. P. 965–981. DOI: 10.1088/0954-3899/29/5/316.
28. Klecker B. Current understanding of SEP acceleration and propagation // J. Phys.: Conf. Ser. 2013. V. 409, N 1. P. 1−15. DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012015.
29. Laming J.M. A unified picture of the first ionization potential and inverse first ionization potential effects // Astrophys. J. 2004. V. 614. P. 1063–1072. DOI: 10.1086/423780.
30. Li G., Zank G.P. Mixed particle acceleration at CME-driven shocks and flares // Geophys. Res. Let. 2005. V. 32, N 2. P. L02101. DOI: 10.1029/2004GL021250.
31. Minasyants G.S., Minasyants T.M., Tomozov V.M. Fe/O ratio variations during the disturbed stage in the development of the solar cosmic ray fluxes. Manifestations of the first ionization potential effect in the solar cosmic ray composition // Geomagnetism and Aeronomy. 2016. V. 56, N 2. P. 203–212. DOI: 10.1134/S0016793216020110.
32. Nitta N.V., Reames D.V., De Rosa M.L., Liu Y. Solar sources of impulsive solar energetic particle events and their magnetic field connection to the Earth // Astrophys. J. 2006. V. 650. P. 438–450. DOI: 10.1086/507442.
33. Pallavicini R., Serio S., Vaiana G. A survey of soft X-ray limb flare images — The relation between their structure in the corona and other physical parameters // Astrophys. J. P1. 1977. V. 216. P. 108–122.
34. Reames D.V., Meyer J.P., von Rosenvinge T.T. Energetic particle abundances in impulsive solar flare events // Astrophys. J. Suppl. Ser. 1994. V. 90. P. 649−667. DOI: 10.1086/191887.
35. Reames D.V. Solar energetic particles: A paradigm shift // Rev. Geophys. 1995. V. 33, N S1. P. 585−589. DOI: 10.1029/95RG00188.
36. Reames D.E. Energetic particles composition // Solar and galactic composition: A Joint SOHO/ACE Workshop. AIP Conf. Proc. 2001. V. 598. P. 153–164.
37. Reames D.V. The two sources of solar energetic particles // Space Sci. Rev. 2013. V. 175, N 1. P. 53−92. DOI: 10.1007/s11214-013-9958-9.
38. Reames D.V. Element abundances in solar energetic particles and the solar corona // Solar Phys. 2014. V. 289, N 3. P. 977−993. DOI: 10.1007/s11207-013-0350-4.
39. Reames D.V., Ng C.K. Heavy-element abundances in solar energetic particle events // Astrophys. J. 2004. V. 610, N 1. P. 510–522. DOI: 10.1086/421518.
40. Richardson I.G., Cane H.V. Near-Earth interplanetary coronal mass ejections during solar cycle 23 (1996–2009): Catalog and summary of properties // Solar Phys. 2010. V. 264. P. 189–237. DOI: 10.1007/s11207-010-9568-6.
41. Roth I., Temerin M. Selective ion acceleration in impulsive solar flares // Adv. Space Res. 1998. V. 21. Р. 591–595.
42. Somov B.V. Plasma Astrophys.: Reconnection and Flares // Springer: New York. 2013. 504 p. DOI: 10.1016/S0273-1177(97)00968-X.
43. Torsti J., Kocharov L., Innes D.E., et al. Injection of energetic protons during solar eruption on 1999 May 9: Effect of flare and coronal mass ejection // Astron. Astrophys. 2001. V. 365. Р. 198–203. DOI: 10.1051/0004-6361:20000148.
44. Tylka A.J., Cohen C.M.S., Dietrich W.F., et al. Shock geometry, seed populations and the origin of variable elemental composition at high energies in large gradual solar particle events // Astrophys. J. 2005. V. 625, N 1. P. 474−495. DOI: 10.1086/429384.
45. Wang Y.-M, Pick M., Mason G.M. Сoronal holes, jets and the origin of 3He-rich particle events // Astrophys. J. 2006. V. 639, N 1. P. 495–509. DOI: 10.1086/499355.
46. Yutian Chi, Chenglong Shen, Yuming Wang, et al. Statistical Study of the Interplanetary Coronal Mass Ejections from 1996 to 2014 // arXiv: 1504.07849v1 [astro-ph.SR] 29 Apr 2015. P. 1–9.
47. Zhang J., Dere K.P., Howard R.A., Kundu M.R., White S.M. On the temporal relationship between coronal mass ejections and flares // Astrophys. J. 2001. V. 559, N 1. Р. 452–462. DOI: 10.1086/322405.
48. Zurbuchen T.H., Weberg M., von Steiger R., et al. Composition of coronal mass ejections // Astrophys. J. 2016. V. 826, N 10. 8 p. DOI: 10.3847/0004-637X/826/1/10.
49. URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ftpbrowser/flux_spectr_m.html(accessed 18.10.2017).
50. URL: http://www.srl.caltech.edu/sampex/Data-Center/DA-TA/EventSpectra (accessed 18.10.2017).
51. URL: https://wind.nasa.gov/fullcatalogue.php (accessed 18.10.2017).
