Космические исследования, 2023, T. 61, № 1, стр. 3-9

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная корона состоит из горячей плазмы ≥10⁶ K, из которой вглубь Солнечной системы постоянно вытекают потоки частиц, унося с собой глобальное корональное магнитное поле Солнца. Этот поток солнечного ветра и определяет гелиосферу. Солнечный ветер (СВ) достаточно динамичен и наполнен ионами разного состава с разными энергетическими спектрами. Структуры потоков СВ имеют различные масштабы, на них могут накладываться или включать в себя различные образования, такие как корональные выбросы массы (КВМ), коротирующие области взаимодействия разноскоростных потоков (СIR), образующиеся из-за соседства регионов с более быстрым и более медленным ветром в сочетании с вращением Солнца, создавая области сжатия, где быстрый ветер нагоняет медленный, оставляя за собой разреженные регионы позади [1–4]. В настоящее время принято традиционное разделение СВ по скорости на “быстрый” и “медленный” ветер, которые являются эмпирически связанными с крупномасштабными солнечными структурами: корональными дырами (КД) и корональными стримерами, соответственно. Данные КА Ulysses показали, что высокоширотный СВ имеет гораздо большую скорость, чем экваториальный [5, 6].

Кроме крупномасштабных структур, которые всегда создаются Солнцем, существуют мелкомасштабные структуры, развивающиеся в пространстве с помощью различных механизмов. Разнообразные спектры флуктуаций магнитного поля в таких потоках могут ускорять несомые заряженные частицы [7, 8].

Потоки ускоренных частиц из КД в области СIR наблюдаются уже давно [9–10]. Механизмы ускорения надтепловых ионов He в области коротирующих областей взаимодействия разноскоростных потоков СВ изучались в [11–14]. Авторы обсуждают возможность существования длительного ускорения (доускорения) ионов в межпланетном пространстве при распространении ионов от Солнца в межпланетном пространстве и также в области сжатия на замыкающей кромке СIR.

Как дополнение к этим ускоренным энергичным частицам нами изучаются потоки надтепловых (0.04—2 МэВ/нуклон) ионов из КД, не связанные с областями взаимодействия СIR. Максимум интенсивности этих ионов наблюдался одновременно с максимумом скорости CВ из КД в замыкающей области СIR [15, 16]. В настоящее время нет четкого представления о природе и механизмах возникновения этих, как будет показано далее, долгоживущих потоков надтепловых частиц. В задачу данной статьи входит изучение потоков надтепловых ионов из КД, их некоторых детальных характеристик, наиболее важными из которых являются: состав ионов в потоках CВ и состав надтепловых ионов в потоках из КД, энергетические спектры этих ионов зависимость их интенсивности от скорости СВ.

Кроме того, задача изучения потоков из КД важна потому, что динамический солнечный ветер и встроенные разномасштабные структуры магнитного поля постоянно взаимодействуют со всеми планетами Солнечной системы и работающими там космическими аппаратами. Потоки из КД являются средой, через которую распространяются крупные магнитные структуры с энергичными частицами и обеспечивается фундаментальная передача энергии от Солнца в гелиосферу, что формирует реальную космическую погоду.

Одним из параметров радиационной обстановки в межпланетном пространстве является интенсивность потоков ионов надтепловых энергий в различные периоды солнечной активности (СА). Относительное содержание надтепловых ионов с энергиями 0.04–1 МэВ/нуклон в спокойные периоды солнечной активности в 23-ем цикле изучалось в [17–21], где было показано, что величины отношений C/O и Fe/O в спокойное время зависят от уровня солнечной активности. В максимуме цикла относительное содержание этих ионов было близко к содержанию во вспышках СКЛ, а в минимуме цикла – к значениям в солнечном ветре и/или в коротирующих областях взаимодействия разноскоростных потоков СВ.

Значимыми источниками ионов являются корональные дыры (КД) на Солнце, состав потоков ионов из которых изучался нами ранее в [15, 16], где были получены величины относительных содержаний надтепловых ионов ⁴He/O, C/O и Fe/O в потоках частиц из КД в спокойные периоды 23 и 24-го солнечных циклов. Были проанализированы и сопоставлены относительные содержания тепловых и надтепловых ионов ⁴He/O, C/O и Fe/O в потоках солнечного ветра из приэкваториальных корональных дыр в 2006–2012 и 2015–2017 гг. Потоки ионов с энергиями ~0.04–2 МэВ/нуклон были изучены с использованием данных прибора ULEIS на борту КА ACE вместе с тепловыми ионами в быстром и медленном (максвелловском) солнечном ветре по данным прибора SWICS (КА ACE). Получено, что величины отношений C/O и Fe/O надтепловых ионов были равны их относительному содержанию в потоках СВ, в то время как величина надтепловых ⁴He/O в SC23 иногда превышала соответствующее значение в СВ более чем в два раза. В обоих циклах величины тепловых и надтепловых Fe/O демонстрировали одинаковый характер зависимостей от максимальной скорости солнечного ветра из КД. Результаты этого исследования свидетельствовали о том, что источниками надтепловых ионов из КД в периоды низкой СА являются ускоренные тепловые ионы СВ. Проведенное сравнение состава ионов в потоках CВ с составом надтепловых ионов из КД разных энергий позволило предположить, что ускорение ионов до надтепловых энергий происходит в процессе движения потоков частиц от Солнца на всем пути в межпланетном пространстве, согласно с результатами, полученными в [12–14], а не только в момент создания и выхода потоков из корональных дыр.

В настоящей работе изучались ионный состав и энергетические спектры ионов ⁴He, ³He, С, O и Fe в диапазоне энергий 0.04–2 МэВ/нуклон в рекуррентных потоках ионов на 1 а.е. из приэкваториальных КД на спаде СА в 23-ем и 24-ом циклах. Параметры солнечного ветра и информация по потокам ионов из КД определялись по данным приборов SWEPAM, ULEIS и SWICS (КА ACE в точке L1), также использовались данные сайта ‘Coronal Hole History’. Критериями определения потока ионов из корональной дыры служили условия: O⁷/O⁶ < 0.014 и Q(Fe) = 9–10 [23, 24] и одновременное возрастание скорости CВ из КД.

1. ДОЛГОЖИВУЩИЕ ПОТОКИ НАДТЕПЛОВЫХ ИОНОВ ИЗ КОРОНАЛЬНЫХ ДЫР

Свойства изучаемых здесь таких явлений, как энергичные потоки частиц из КД, зависят от уровня СА в разные периоды солнечного цикла. В минимумах СА в 2010 г. и в 2020 г. наблюдались как минимальное число КД, так и минимальная скорость солнечного ветра из КД (рис. 1). На спаде солнечной активности в 23-ем и 24-ом циклах (2006–2009 гг. и 2015–2018 гг.) число (N_кд) всех приэкваториальных КД в году и также величина максимальной скорости солнечного ветра в году V_SW из этих КД, изменялись в фазе с числом солнечных пятен Rz. Рисунок 1 демонстрирует число солнечных пятен в году Rz (сплошные ромбы), максимальную скорость солнечного ветра в году V_SW из КД (кружки) и число корональных дыр N_кд (треугольники). Данные по величинам V_SW и N_кд получены из сайта “Coronal Hole History”. Изучаемые здесь наиболее длительные рекуррентные потоки ионов CH1 и CH2, более чем 10 солнечных оборотов, были обнаружены на спаде 23-го цикла СА в 2006–2009 гг. Потоки солнечного ветра и малоэнергичных ионов из КД испытывали сильные вариации в течении существовования рекуррентных потоков ионов.

Рис. 1.

Число солнечных пятен в году Rz (сплошные ромбы), максимальная скорость солнечного ветра из КД в году V_SW (кружки) и число корональных дыр в году N_кд (треугольники). Данные по величинам V_SW и N_кд получены из сайта “Coronal hole history”.

Эволюция скорости солнечного ветра в потоках, одновременных с потоками ионов, показана на рис. 2. Как видно из рисунка, величины V_SW достигали максимума на серединных оборотах существования потока ионов. Одновременно с потоками солнечного ветра из КД регистрировалось повышение интенсивностей надтепловых ионов, также как наблюдалось в [12–16]. На спаде 23-го цикла наблюдались наиболее долгоживущие рекуррентные потоки малоэнергичных ионов – со временем жизни >10 солнечных оборотов. Одновременно регистрировалось повышение скорости CВ, которая достигала максимума к середине времени жизни потока ионов (рис. 2а). Такая же закономерность видна на рис. 2б для всех рекуррентных потоков ионов в 24-ом цикле, где самый длительный поток существовал 17 оборотов Солнца.

Рис. 2.

(а) Максимальные скорости солнечного ветра из корональных дыр в южном полушарии (СН1) и вблизи экватора (СН2) на каждом обороте Солнца в 23-ем цикле СА, сопровождавшихся повышенными потоками надтепловых ионов в течении >10 оборотов Солнца (СН1 – сплошная кривая и СН2 – пунктирная кривая), (б) максимальные скорости CВ из КД с потоками ионов в 24-ом цикле СА.

2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ НАДТЕПЛОВЫХ ИОНОВ ИЗ ПРИЭКВАТОРИАЛЬНЫХ КОРОНАЛЬНЫХ ДЫР

Энергетические спектры надтепловых ионов в потоках частиц из КД характеризуют механизмы ускорения ионов непосредственно в КД и в процессе распространения в межпланетном пространстве. Спектры ионов ³He, ⁴He, C, O и Fe с энергиями 0.04–2 МэВ/нуклон были получены в 2006–2012 и в 2015–2018 гг. во время регистрации на 1 а.е. максимального потока частиц из КД. Спектры были аппроксимированы либо степенной функцией (J(E) ~ E^–γ с показателем γ), либо, при нарушении степенного закона (уменьшение потока при возрастании энергии ионов), комбинацией степенной и экспоненциальной функциями (J(E) ~ E^–γexp(–E/E₀)). На рис. 3 приведены спектры ионов ³He, ⁴He, C, O и Fe в потоках энергичных частиц из долгоживущего потока ионов CH1 в 2006–2007 гг. Спектры ⁴He были аппроксимированы степенной функцией (спектры а, б, е) и комбинацией двух функций – степенной и экспоненциальной (спектры в, д, г и ж). Видно, что спектры ионов в 2006 г. имели степенной вид J = = АЕ^–γ, а в 2007 г. спектры лучше аппроксимировались произведением экспоненциальной и степенной функций J(E) ~ E^–γexp(–E/E₀), величины Е₀ были взяты из [25–27]. При аппроксимации 98 спектров получены значения 2 < γ < 6, что означает наличие разных условиях в областях ускорения надтепловых ионов в потоках из КД. Величины γ, полученные при аппроксимациях, приведены на рис. 4. Фиск и Глеклер [27] в модели ускорения ионов до надтепловых энергий в турбулентной среде в спокойное время СА получили спектры вида J = А(E^–γ)exp(–E/E₀) с показателем γ = 1.5. В данной работе оценка величин γ степенной части спектров ⁴He показала их вариации в диапазоне 2–6, при этом только шесть спектров ионов O и Fe имели γ < 2 (см. рис. 4). Нужно отметить, что параметры спектров различного вида не зависели от скорости солнечного ветра из корональных дыр, при этом интенсивность ионов была наименьшей на первом обороте потока ионов CH1. Спектры ионов с наибольшей крутизной наблюдались в потоках частиц на первых оборотах долгоживущих потоков.

Рис. 3.

Спектры ионов ³He, ⁴He, С, O и Fe в потоках энергичных частиц из КД в 2006–2007 гг. в течение 7 следующих периодов регистрации ионов (а) 22–23.VIII.2006, (б) 18-19.IX.2006, (в) 29–31.I.2007, (г) 11–12.VII.2007, (д) 25–26.X.2007, (е) 23–24.XI.2007, (ж) 18–19.XII.2007. Спектры обозначены следующими символами: ⁴He – квадраты, ³He – треугольники, C – крестики, O – пустые кружки и Fe – черные кружки. Спектры были аппроксимированы степенной функцией (⁴He, спектры а, б и е), либо комбинацией двух функций – степенной и экспоненциальной (спектры в, г, д и ж). Интенсивность ионов J дана в част/(см² с ср МэВ/нуклон). Величины γ приведены на рис. 4.

Рис. 4.

Показатели γ энергетических спектров надтепловых ионов из корональных дыр в зависимости от скорости солнечного ветра, полученные при аппроксимации спектров степенной функцией J(E) ~ E^–γ (наиболее крутые спектры обозначены Ж) и также при аппроксимации комбинацией двух функций J(E) ~ E^–γ exp(–E/E₀).

Интенсивность надтепловых ионов из КД в среднем зависела от скорости СВ. На рис. 5 даны энергетические спектры ионов, усредненные по одновременно измеренной величине V_SW. Видно, что спектр каждого из ионов сдвигается в область больших энергий при увеличении скорости СВ. Спектры ионов, усредненные по скоростям солнечного ветра V_SW из КД, представленные на рис. 5, демонстрируют зависимость усредненной интенсивности ионов от скорости V_SW из КД. С увеличением скорости V_SW от <600 до >700 км/с, интенсивность всех надтепловых ионов возрастала. Этот эффект также указывает на то, что популяцией частиц, ускоренной до надтепловых энергий, могут служить тепловые (максвелловские) ионы солнечного ветра из КД.

Рис. 5.

Спектры надтепловых ионов ³He, ⁴He, C, O и Fe в потоках частиц из КД, усредненные по трем интервалам скорости солнечного ветра: <600 км/с (квадраты), 600–700 км/с (кружки) и >700 км/с (треугольники) из 25 корональных дыр в 2015–2017 гг.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Наблюдаемая картина распределения ионов по энергии свидетельствует о существовании высокотемпературного “хвоста” в солнечном ветре из КД. Причиной этого может быть как непосредственное ускорение ионов в источнике, в самой корональной дыре, так и ускорение ионов при распространении жгута частиц из КД в процессе многократного взаимодействия ионов с магнитным полем, несомого потоком движущейся турболизованной плазмы. Спектры частиц в результате этих механизмов ускорения могут отличаться, что сказывается на вариациях спектров в зависимости от вклада обоих источников в общий поток частиц, измеряемых на больших расстояниях от Солнца. Наблюдаемое увеличение интенсивности надтепловых ионов ³He, ⁴He, C, O и Fe в потоке из КД с увеличением скорости солнечного ветра подтверждает связь высокотемпературного “хвоста” в солнечном ветре с механизмом ускорения потоков ионов из КД. В проведенном ранее изучении химсостава 0.04–2 МэВ/нуклон ионов C, O и Fe в потоках частиц из КД в 23-ем и 24-ом циклах СА [16] было показано, что величины содержания ионов C/O и Fe/O соответствовали содержанию этих ионов в тепловом (максвелловском) СВ.

Полученные результаты изучения ионного состава и энергетических спектров ионов с энергиями 0.04–2 МэВ/нуклон из КД указывают на возможность того, что надтепловые ионы из КД являются высокотемпературным продолжением “максвелловского” энергетического распределения тепловых ионов солнечного ветра, т.е. представляют собой ускоренные тепловые ионы солнечного ветра. При этом проблемы определения области и механизма ускорения ионов остаются открытыми – тепловые ионы солнечного ветра с низкими и высокими значениями FIP могут быть ускорены до надтепловых энергий как в солнечной короне, так и в межпланетном пространстве разными механизмами ускорения ионов при разных условиях в короне Солнца в областях возникновения КД. Аппроксимация 98 спектров дала большой диапазон величины 2 < γ < 6, что подтверждает наличие разных условий в областях ускорения ионов в потоках из КД.

Наличие изломов и отклонения спектров от степенного при возрастании энергии ионов скорее всего являются следствием постепенного изменения механизма ускорения, вместо степенного спектра возникает экспоненциальный, что можно рассматривать как изменение процессов ускорения по мере распространения потоков частиц из КД в межпланетное пространство.

Изучение химсостава и энергетических спектров надтепловых ионов в потоках частиц из корональных дыр на Солнце в 23–24-ом циклах дает дополнительную информацию для исследования этих механизмов ускорения.

Обнаруженное Ulysses возрастание скорости потоков солнечного ветра с гелиоширотой провоцирует вопрос: существует ли такой же высокотемпературный “хвост” в потоках энергичных частиц из полярных корональных дыр?

Экспериментальные данные по потокам заряженных частиц с приборов ULEIS и SWICS на космическом аппарате ACE были получены со следующих сайтов: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ ASC/level2/lvl2DATA_ULEIS.html, http://www.srl. caltech.edu/ACE/ASC/level2/lvl2DATA_SWICS.html.

Данные о скорости CВ получены из сайта:

Coronal Hole History (CHH) site http://www. s-olen.info/solar/coronal_holes.html.

Конфликт интересов: Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.