Струйные явления (джеты) над нулевыми точками коронального магнитного поля

Нулевые точки магнитного поля в солнечной ат мосфере привлекают особое внимание исследовате лей , потому что с ними связывают места преобразо вания магнитной энергии в другие виды вследствие перезамыкания силовых линий [1–13]. Структура трехмерного магнитного поля вблизи нулевой точки похожа на две кисточки , прижатые с двух сторон к плоской поверхности ( рис . 1). Отдельные силовые линии имеют форму гипербол , кроме линий , распо ложенных в плоскости F, разделяющей два семейст ва линий . Одна из простейших и , по - видимому , са мых распространенных ситуаций – появление нуле вой точки над вкраплением паразитной полярности внутри униполярной области ( рис . 2).

Магнитное поле в солнечной короне пока практи чески недоступно измерению , во всяком случае кар тографированию , поэтому обнаружить нулевые точки можно только благодаря характерной структуре ок ружающего поля , обрисовываемого корональными петлями . Действительно , иногда наблюдаются облас ти , наглядно демонстрирующие седловую структуру , весьма похожую на ту , что должна существовать в окрестностях нулевой точки ( рис . 3).

В таких структурах, если наблюдения выполняются с достаточно хорошим временным разрешением, можно видеть образование струи плазмы или джета. Хороший пример – наблюдения спутника TRACE 3 октября 2002 г. (фильм № 50 на сайте , см. также [14]). Вообще говоря, рентгеновские джеты были впервые обнаружены в 1991 г. по наблюдениям Yohkoh (Solar A) [15–17].

Исходя из возможностей рентгеновского телеско па этого спутника , доступны изучению были только

Рис . 1. Структура трехмерного магнитного поля вблизи нулевой точки .

Рис . 2. Нулевая точка над вкраплением паразитной полярности внутри крупномасштабной униполярной ячейки .

Рис . 3. Изображение активной области NOAA 8113 в ли нии FeXV 284 Å, полученное ультрафиолетовым телескопом EIT космического аппарата SOHO 6 декабря 1997 г . в 19:06 UT. Для лучшего выявления седловой структуры применен фильтр типа нерезкой маски ( с разрешения Консорциума SOHO EIT; SOHO – объединенная програм ма ESA–NASA.)

крупные продолжительно существующие джеты . Эпизодически корональные джеты регистрирова лись телескопом EIT на SOHO. Сложность обнару жения таких явлений заключалась в том , что интер вал между последовательными снимками EIT в ру тинных наблюдениях достаточно велик (12 мин ), а в поле зрения EUV- телескопа на TRACE попадает лишь небольшая часть Солнца .

Полярные корональные джеты

Второй в серии японский спутник , нацеленный на Солнце , – Solar B, или HINODE, с улучшенными характеристиками рентгеновского телескопа , от крыл множество мелких и короткоживущих джетов , особенно хорошо заметных в полярных областях . Они возникают довольно часто . Например , за семь часов наблюдений 23 ноября 2006 г . в северной по лярной корональной дыре было зарегистрировано 24 джета . Малые размеры джетов не всегда позволяют разглядеть детально магнитную структуру , в которой они возникают , но в тех случаях , когда она проявляет ся , структура подобна той , что характерна для конфи гурации с нулевой точкой над вкраплением паразит ной полярности ( рис . 4).

Нет сомнений , что движение плазмы в джете на правляется крупномасштабным магнитным полем . В тех случаях , когда джет расположен во внутренней части корональной дыры недалеко от полюса , его ось почти прямая в соответствии с радиальным на правлением магнитного поля . Когда же джет распо ложен вблизи границы дыры , его ось искривлена в соответствии со сверхрадиальной расходимостью корональных дыр ( рис . 5). Скорость перемещения видимой вершины джета достигает иногда 500 км / с при наиболее вероятной скорости 160 км / с . Часто все образование перемещается в поперечном оси направлении со скоростью до 40 км / с . Это попереч ное движение хорошо видно на разностных изобра жениях ( рис . 6).

Рис . 4. Негативные изображения развития джета в по лярной корональной дыре 9 января 2007 г . с интервалом 1 мин ( наблюдения с помощью телескопа XRT на спутни ке «Hinode»).

10 Мм

Рис . 5. Изогнутый полярный джет ( негативное изо бражение ) на границе корональной дыры 23 ноября 2006 г . 04:22 UT ( наблюдения с помощью телескопа XRT на спутнике HINODE).

Рис . 6. Разностные изображения джетов : а – 3 октября 2001 г . 03:04 – 02:57 UT (TRACE); б – 23 ноября 2006 г . 01:58 UT – 01:56 UT (HINODE). Детали , имеющиеся толь ко на более раннем снимке , выглядят темными , а появив шиеся на более позднем – светлыми .

Механизм формирования джета

Наиболее известная модель образования рентгеновских джетов была разработана в 90-е гг. Шиба-той и его коллегами [18]. Она основана на идее энерговыделения вблизи точки пересоединения ранее присутствовавшего магнитного потока с вновь всплывающим. Было выполнено двумерное моделирование с использованием уравнений резистивной МГД, дающее в общем п охожую картину явления. Однако более детальное сравнение ставит немало вопросов. Во-первых, картина смещений, где ее можно хорошо различить, не соответствует втеканию плазмы в область пересоединения с противоположных сторон и растеканию в перпендикулярном направлении. На рис. 6, представляющем разност- ные изображения, детали, имевшиеся только на более раннем снимке, выглядят темными, а появившиеся позднее – светлыми. Хорошо видно, что прямые и слегка изогнутые структуры перемещаются слева направо: их левый край темный, а правый светлый. Самые заметные петли (маленькая замкнутая и большая разомкнутая), которые находятся в противоположных квадрантах гиперболической конфигурации, перемещаются в одном направлении. Маленькая петля поднимается и приближается к нулевой точке, а большая – тоже поднимается и отходит от нее. Согласно же представлениям о пересоединении в нулевой точке, силовые линии в противоположных квадрантах должны перемещаться навстречу друг другу или в противоположные стороны. Во-вторых, яркие петли появляются не вблизи нулевой точки, а внизу – там, где, вероятно, происходит всплывание потока. В-третьих, в нулевой точке не наблюдается проявление энерговыделения, не видно исходящих из нее возмущений .

Скорее возмущения зарождаются где - то внизу и поднимаются в виде отдельных петель , распростра няясь внутри луковичной магнитной структуры , которая коллимирует их и сжимает в узкую струю , направленную вдоль окружающего магнитного по ля . Магнитное поле играет , таким образом , роль гидродинамического сопла . Феноменологическая схема , по нашим представлениям , выглядит сле дующим образом ( рис . 7). Внутри луковичной маг нитной структуры , содержащей нулевую точку , возни кает небольшая яркая петля . Возможно , она достаточ но сильно скручена , т . е . несет в себе значительный электрический ток . Может быть , наличие этого тока обусловливает ее разогрев . Так же как крупномас штабные магнитные жгуты , которые связывают с эруптивными волокнами и корональными выбросами [19–21], маленький жгут нашей петли может тоже по терять равновесие и начать подниматься . Попав в об ласть слабого поля вблизи нулевой точки , плазма пет ли получает возможность почти беспрепятственно расширяться , и это может быть причиной образования струи вдоль вертикального уса седла . Возможно и пе резамыкание в нулевой точке с открыванием петли и выталкиванием горячей плазмы вдоль открытых сило вых линий . Эта предварительная качественная картина требует , конечно , расчетов , подтверждающих или опровергающих данную концепцию .

Рис . 7. Схема развития джета в магнитной конфигурации с нулевой точкой в результате подъема скрученной петли .

Заключение

Изучение процессов , происходящих вблизи нуле вых точек коронального магнитного поля , имеет большое значение для решения проблем нагрева коро ны и ускорения солнечного ветра . Один из достовер ных наблюдательных фактов – появление кратковре менных плазменных струй ( джетов ) в магнитных кон фигурациях , содержащих нулевую точку . Небольшие рентгеновские джеты – очень частое явление , напри мер , в полярной короне , и они , возможно , играют су щественную роль в формировании солнечного ветра , по крайней мере , в снабжении его веществом .

Широко известная модель образования рентге новских джетов Шибаты и его коллег [18] не вполне соответствует наблюдениям с улучшенным времен ным и пространственным разрешением . Мы предла гаем простую феноменологическую модель форми рования джетов внутри магнитных конфигураций с нулевой точкой , в которой источником энергии служит не процесс пересоединения в нулевой точке , а свободная магнитная энергия небольшого магнит ного жгута . Эта концептуальная модель требует , конечно , детальных расчетов .

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований ( код проекта 06-02-16424).