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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/10.1086/191887.
35. Reames D.V. Solar energetic particles: A paradigm shift // Rev. Geophys. 1995. V. 33, N S1. P. 585−589. DOI:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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:https://doi.org/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).
