Геомагнетизм и аэрономия, 2023, T. 63, № 2, стр. 181-189

1. ВВЕДЕНИЕ

Из всех типов солнечных радиовсплесков континуальные радиовсплески IV типа характеризуются наиболее разнообразной и сложной тонкой структурой динамических спектров. Большинство таких всплесков связаны с мощными вспышками и корональными выбросами массы (КВМ). Тонкая структура континуального радиоизлучения изучается начиная с 1959 г. после наблюдений Elgarøy [1959]. Многообразие видов тонкой структуры затрудняет ее классификацию, и это, в свою очередь, затрудняет ее интерпретацию. Тем не менее, можно выделить основные элементы тонкой структуры, а также наиболее характерные сочетания этих элементов. При этом, согласно данным наблюдений на радиоинтерферометрах и радиогелиографах, источники радиовсплесков IV типа могут быть как неподвижными, так и обнаруживать движение. Соответственно источники радиоизлучения в таких случаях называют “стационарные источники” и “движущиеся источники. Поэтому при теоретической интерпретации тонкой структуры радиовсплесков необходимо учитывать тип источника и физические условия, в которых реализуется тот или иной механизм генерации.

В данной статье на базе имеющихся экспериментальных данных предпринята попытка провести классификацию тонкой структуры радиовсплесков IV типа с учетом типа источника.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О ДВИЖУЩИХСЯ РАДИОВСПЛЕСКАХ IV ТИПА

Динамические спектры движущихся источников представляют собой равномерный континуум, дрейфующий к низким частотам в метровом диапазоне волн (обычно <200 МГц) в течение десятков минут, одновременные стационарные всплески более длительны (часы), чем движущиеся. Большой прогресс в наблюдениях движущихся всплесков IV типа был достигнут благодаря вводу в действие Кулгуровского радиогелиографа сначала на частоте 80 МГц, затем на частотах 40, 160 и 320 МГц [Wild, 1967]. На рис. 1 приведен пример движущегося источника всплеска IV типа (“изолированное плазменное облако”), когда источник излучения на фиксированной частоте 80 МГц двигался радиально до очень больших высот. Такие свойства источника согласуются с магнитотормозной природой излучения умеренно релятивистских электронов в магнитном поле облака. Gary et al. [1985] рассматривали движущийся радиовсплеск IV типа 29 июня 1980 г. в 02:33 UT на трех частотах Кулгуровского радиогелиографа, 40, 80 и 160 МГц с одновременными наблюдениями на коронографе SMM. Авторы проверили уже известные наблюдения [Riddle, 1970] (см. рис. 1) и показали, что излучение движущегося всплеска было на второй гармонике плазменной частоты. Источник на 80 МГц двигался вдоль плотной части КВМ на плазменном уровне 40 МГц (плазменный механизм).

Рис. 1.

Пространственная связь между поднимающимся протуберанцем, наблюдавшимся в Hα (эскиз с фотографии), и радиогелиограмма источников на 80 МГц (показанная положениями центров со временем). (Фрагмент рис. 3 из работы [Riddle, 1970]).

Другой разновидностью движущихся источников всплесков IV типа является поднимающийся ударный фронт (рис. 2а), где появление радиоизлучения связывается с синхротронным излучением электронов, ускоренных на ударной волне [Boischot, 1957; Gopalswami, 2016].

Рис. 2.

Два типа возможных источников движущихся радиовсплесков IV типа: (а) – передвигающийся фронт и (б) – магнитное облако [Gopalswami, 2016].

Получение изображений источников радиовсплесков IV типа привело к гораздо лучшему пониманию развития источников и процессов генерации излучения [Pick and Vilmer, 2008]. Было установлено, что наиболее вероятным является плазменный механизм излучения на основной плазменной частоте или на ее второй гармонике. Подобное заключение было сделано в работе [Trottet et al., 1981] для объяснения кратковременных модуляций излучения движущегося источника радиовсплеска IV типа. Движущиеся радиовсплески связывались с электронами с энергиями порядка нескольких МэВ, инжектированными в расширяющиеся магнитные арки позади переднего края КВМ. Некоторые узкополосные всплески связывались с взрывными выбросами [Pick et al., 2006].

С развитием оптических наблюдений на коронографах (SOHO/LASCO) движущиеся радиовсплески IV типа стали использовать для понимания природы КВМ из-за их тесной пространственно-временнóй связи. Континуум обычно не содержит тонкой структуры, за исключением пульсаций с секундными или минутными периодами. Примеры можно видеть на спектрах нового радиоспектрографа в диапазоне 85–35 МГц (Gauribidanur Low Frequency Solar Spectrograph близ Бангалора, Индия) [Ramesh et al., 2013].

Разнообразные виды тонкой структуры радиовсплесков описаны во многих статьях (см., например, [Chernov, 2011] и цитированную там литературу). Наиболее характерными элементами являются: а) волокно (fiber burst) – выглядит на динамическом спектре как узкополосное дрейфующее уярчение континуума, сопровождаемое с низкочастотной стороны аналогичной полосой в поглощении; б) пульсации – квазирегулярная последовательность широкополосных усилений и ослаблений континуума, обычно без заметного частотного дрейфа; в) зебра-структура – система чередующихся по частоте многочисленных полос в излучении и поглощении. Наблюдаются как регулярные зебра-структуры, когда полосы характеризуются почти постоянным или плавно меняющимся частотным дрейфом, так и нерегулярные, или нестационарные, зебра-структуры с неоднократными и резкими изменениями величины и направления частотного дрейфа практически синхронно во всех полосах; г) спайки (spikes) – узкополосные и кратковременные всплески на фоне континуального излучения и др. Во время мощных солнечных вспышек различные типы тонкой структуры могут наблюдаться в различных сочетаниях.

2.1. Вспышка Бастилия 14 июля 2000 г.

Наглядным примером движущегося источника всплеска IV являются наблюдения динамических спектров в ходе знаменитой вспышки Бастилия 14 июля 2000 г. (X5.7/3B-class eruptive flare) [Reiner et al., 2001; Chertok et al., 2001]. Подробный анализ тонкой структуры радиовсплеска в метровом диапазоне представлен в работах [Chertok et al., 2001 и Caroubalos et al., 2001]. На спадающей фазе вспышки в диапазоне 270‒180 МГц спектра по спектрографу ИЗМИРАН на рис. 3 отмечен дрейфующий континуум без каких-либо четких признаков тонкой структуры. По данным радиоспектрографа ARTEMIS–IV отсутствие тонкой структуры в дрейфующем континууме подтверждается и на более высоких частотах, до 600 МГц (рис. 4).

Рис. 3.

Вспышка Бастилия 14 июля 2000 г. По данным ИЗМИРАН: (а) – динамический спектр в диапазоне 25‒270 МГц; (б) и (в) – временны́е профили на 204 и 3000 МГц. По вертикальным осям на частях (б) и (в) 1 с.е.п. = 10^–22 Вт/м² Гц. На спектре (а) выделяются несколько всплесков II типа (аа, bb, cc) и медленно дрейфующий дециметровый континуум (ее) (рис. 3 в работе [Chertok et al., 2001].

Рис. 4.

По данным радиоспектрографа ARTEMIS – IV отсутствие тонкой структуры в дрейфующем континууме подтверждается и на более высоких частотах, до 600 МГц ARTEMIS – IV (фрагмент рис. 2 в работе [Caroubalos et al., 2001]).

Важно, что этот континуум сопровождал радиовсплеск II типа на более низких частотах. И только позднее появились пульсации с периодами десятки секунд, но относящиеся, скорее всего, к возникшему стационарному радиоисточнику IV типа (рис. 5d в работе [Chertok et al., 2001]). Богатая тонкая структура наблюдалась в стационарном континууме с 10:38 UT до 10:50 UT в диапазоне 250–430 МГц в виде многочисленных волокон (fiber bursts) на фоне секундных пульсаций. Наглядный пример такой тонкой структуры представлен в работе [Caroubalos et al., 2001]. Фрагмент рис. 6 из этой работы показан на рис. 5.

Рис. 5.

Поведение производной сигнала спектра вспышки Бастилия спектрографа в течение одной минуты в диапазоне 265–241 МГц. Тонкая структура стационарного источника впечатляет своей сложностью: два семейства волокон (fiber bursts) с разным частотным дрейфом и накладывающихся друг на друга наблюдались на фоне быстрых широкополосных пульсаций излучения. На высокочастотном краю спектра видна развитая зебра-структура. (Фрагмент рис. 6 из работы [Caroubalos et al., 2001]).

Рис. 6.

Продолжение волокнистой структуры в континуальном излучении из метрового диапазона в декаметровый и фрагменты U-всплеска и волокон во всплеске II типа в низкочастотной части спектра: (а) спектр спектрографа ИЗМИРАН в диапазоне 90–25 МГц, (б) Спектр RAD2, WIND/WAVE 14–1 МГц (рис. 6 в работе [Chernov et al., 2007а]).

Принимая возможную модель радиоисточников, показанную на рис. 2, можно сказать, что богатая тонкая структура на высоких частотах метрового диапазона возбуждалась в источнике типа замкнутых петель (магнитной ловушки), а источник дрейфующего континуума находился выше в магнитном облаке над продвигающимся фронтом.

Анализ одновременных динамических спектров ИЗМИРАН и китайских спектрографов в диапазоне 1‒7.5 ГГц показал, что дрейфующий континуум появился еще на частотах около 1.5 ГГц, как и не дрейфующий, после 10:45 UT. В работе [Wang et al., 2001] спектр, полученный на спектрографе ИЗМИРАН, совмещен со спектрами китайских спектрографов в диапазоне 1–7.5 ГГц, а тонкая структура в виде дрейфующих волокон в диапазоне частот 5.2–7.0 ГГц зарегистрирована в начале явления и в диапазоне частот 1.0–1.3 ГГц в самом конце явления.

Существенная особенность вспышки Бастилия выявляется при совместном анализе динамических спектров спектрографов ИЗМИРАН, данных коронографа в белом свете SOHO/LASCO и детальных изображений в ультрафиолетовом диапазоне TRACE EUV [Chertok et al., 2001; Aschwanden and Alexander, 2001; Masuda et al., 2001]. Оказалось, что наблюдаемые на разных фазах вспышки пульсации радиоизлучения совпадали с формированием магнитных петельных аркад, причем временны́е характеристики отдельных пульсаций практически совпадали с временем формирования отдельных петель и временны́ми интервалами между ними.

3. МОДЕЛИ ИСТОЧНИКОВ И ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

На основании совокупности экспериментальных данных можно отметить следующие характеристики источников континуальных всплесков IV типа.

1. Стационарные источники – широкий диапазон частот (от микроволнового до метрового диапазона длин волн), большое разнообразие тонкой структуры (зебра-структура, пульсации, волокна, спайки, точки в излучении и поглощении, “головастики” и др., а также их сочетания).

2. Движущиеся источники – диапазон частот от дециметрового до декаметрового диапазона, тонкая структура – пульсации, волокна.

В большинстве работ теоретическая интерпретация тонкой структуры радиовсплесков IV типа, связанных со стационарными источниками, основана на анализе физических процессов в отдельной арке – магнитной петле, в которой естественным образом формируются распределения быстрых частиц с конусом потерь. Так, в рамках такой модели источника была развита наиболее распространенная теория генерации зебра-структуры – излучение на различных уровнях двойного плазменного резонанса (ДПР), где верхняя гибридная частота (ω_UH) становится равной целому числу электронных циклотронных гармоник sω_Be: ω_UH = ($\omega _{{Pe}}^{2}$ + $\omega _{{Be}}^{2}$)^1/2= sω_Be [Железняков и др., 2016]. В качестве альтернативного механизма обсуждается механизм нелинейного взаимодействия ленгмюровских плазмонов с вистлерами l + wΔt в источнике типа магнитной ловушки. В рамках таких же представлений можно объяснить генерацию волокон в излучении и поглощении [Chernov, 2011].

При инжекции в ловушку ускоренных электронов с неравновесным распределением по моментам возможно развитие циклотронной неустойчивости мод Бернштейна с их нелинейной конверсией (слиянием) в электромагнитные волны. Такая модель позволяет объяснить генерацию “головастиков” и их различные разновидности [Zheleznyakov and Zlotnik, 1975].

Ряд моделей предложен для объяснения пульсаций радиоизлучения, обусловленных вариациями параметров среды (плотности, магнитного поля), связанными с быстрыми магнитозвуковыми волнами, возбуждаемыми в магнитных трубках. При интерпретации пульсаций при плазменном механизме генерации континуума периодическая модуляция радиоизлучения может быть также следствием пульсирующих режимов пучковой и конусной неустойчивостей [Зайцев и Степанов, 1975].

Другой подход к объяснению пульсаций основан на анализе вспышек со сложной пространственно-временнóй структурой. В таких вспышках процесс длительного энерговыделения происходит последовательно в разных местах в активной области [Ishkov et al., 1985]. Так, в известной вспышке Бастилия была установлена тесная корреляция появления последовательности отдельных кратковременных широкополосных всплесков радиоизлучения (которые могут классифицироваться как пульсации) и образования отдельных магнитных петель. Поскольку в сложных вспышках такие структуры наблюдаются на постэруптивной фазе, общая картина может включать распространение крупномасштабного возмущения в солнечной атмосфере, инициирующее последовательные процессы пересоединения магнитных силовых линий (например, в шлемовидных конфигурациях магнитного поля), и одновременное ускорение частиц, образование магнитных петель (в совокупности формирующих магнитную аркаду) и генерацию отдельных всплесков радиоизлучения при инжекции ускоренных частиц в отдельные петли (примером такой ситуации может служить вспышка Бастилия [Reiner et al., 2001; Chertok et al., 2001]).

Более сложная ситуация пока существует с интерпретацией тонкой структуры в движущихся источниках всплесков IV типа. Во-первых, экспериментальные данные не позволяют сделать окончательное заключение о природе механизма генерации самого континуального радиоизлучения, в разных случаях существуют аргументы как в пользу плазменного механизма генерации, так и в пользу магнитотормозного (синхротронного) механизма, или в их комбинации. Во-вторых, в отличие от стационарных источников, не ясна геометрическая структура источника – магнитное облако или вытягивающаяся область (возможно, магнитная трубка) вслед за крупномасштабным возмущением. В обоих случаях очевидна связь источников радиоизлучения с КВМ и ударными волнами (всплесками II типа).

Краткий обзор тонкой структуры в известных явлениях показывает, что в движущихся радиовсплесках лишь иногда появляются широкополосные пульсации с периодами в несколько секунд или десятков секунд. В нескольких явлениях со специфическими особенностями источников (обгоняющие фронты) наблюдались серии волокон с частотным дрейфом, характерным для всплесков II типа. При этом эти волокна иногда обнаруживают сверхтонкую структуру в виде жгутов волокон. Последние связывались с источником между ударными фронтами, в котором возможно возбуждение периодических пакетов вистлеров.

Магнитное облако, показанное на рис. 2 в виде источника континуального излучения движущегося всплеска IV типа, является ловушкой для вспышечных электронов и протонов. Магнитная петля с повышенной плотностью является резонатором для быстрых магнитозвуковых волн, возбуждаемых ускоренными протонами [Rosenberg, 1970]. Период колебаний быстрой МГД-моды в петле с радиусом R много меньше длины L, примерно равен величине T ≈ R(C_A + C_s)^–1/2, где С_А – альвеновская скорость, C_s – скорость звука. Для реальных значений в короне величины (C_A + C_s)^1/2 ≈ ≈ 10⁸ см с^–1 и R ≈ 10⁸–10⁹ см период колебаний может меняться от 1 до 10 с. Быстрая МГД-мода колебаний меняет пробочное отношение в петле с таким периодом. В рамках плазменного механизма континуальное излучение возбуждается энергичными электронами с конусной неустойчивостью, поэтому МГД-колебания могут привести как к периодической модуляции высыпающихся из ловушки энергичных электронов, так и к изменению параметров плазмы в источнике, и в итоге – к пульсации радиоизлучения с таким же периодом [Zaitsev et al., 1984]. В источниках, представляющих собой магнитную ловушку для энергичных электронов, могут также возбуждаться одновременно вистлеры и ленгмюровские волны, слияние которых будет приводить к генерации волокон в составе всплесков IV типа.

Но надо еще понять, почему другие виды тонкой структуры (волокна, спайки, зебра-структура) обычно не наблюдаются и появляются лишь в специфических условиях, когда источник располагается, например, между двумя ударными фронтами [Chernov et al., 2007а].

Такая причина может быть связана с критическим углом конуса потерь для возбуждения вистлеров. Согласно оценкам [Mann et al., 1989] для условий солнечной короны этот угол составляет ~3.58° и увеличивается с ростом напряженности магнитного поля. Попытки связать увеличение поля с прохождением быстрой МГД-моды дают слишком малый рост ~10^–2, что недостаточно для заметного роста питч-угла [Mann et al., 1989]. Однако, если возмущающим агентом является ударный фронт, в котором поле повышается в несколько раз, конусная неустойчивость резко усиливается.

4. ВЫВОДЫ

Большое разнообразие тонкой структуры динамических спектров (временны́х и спектральных параметров) солнечных континуальных радиовсплесков IV типа свидетельствует с одной стороны большом разнообразии физических параметров источников радиоизлучения (магнитные петли, аркады петель, магнитные облака, области за КВМ и ударными волнами), с другой – о возможной связи с различными механизмами генерации радиоизлучения (магнитотормозной, плазменный). Тесная связь радиовсплесков IV типа с распространением КВМ в солнечной атмосфере свидетельствует также о тесной связи характеристик радиоизлучения с физическими процессами, сопровождающими крупномасштабные возмущения, в частности с перестройкой магнитной структуры активных областей, процессами магнитного пересоединения, ускорения частиц и генерации турбулентности различного типа. Для выяснения связи всех этих процессов с тонкой структурой радиовсплесков необходимы дальнейшие наблюдения и исследования радиовсплесков с высоким временны́м, пространственным и спектральным разрешением. В частности, важным является исследование параметров источников отдельных импульсов и их вариаций в составе длительных квазипериодических структур континуальных радиовсплесков IV типа. Отсутствие прочей тонкой структуры в континууме движущихся всплесков IV типа может быть связано с критическим углом конуса потерь для возбуждения вистлеров.