Теорія спалахів

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Рассмотрим сначала фактические данные, существен­ные для понимания физических процессов в солнечных вспышках и их причин.

Во-первых, большие вспышки возникают в больших, сложных в магнитном отношении группах солнечных пя­тен, в фазе сильных изменений характеристик магнит­ного поля, в частности изменений магнитного потока. Это наводит на мысль, что причиной вспышки должны быть какие-то электромагнитные процессы.

Во-вторых, вспышка начинается с усиления на про­тяжении характерного времени ~ 100 с эмиссии в ви­димой области, а также мягкого рентгеновского излуче­ния. Затем следует фаза взрыва, во время которой в межпланетное пространство выбрасываются облака плазмы и частицы высокой энергии, происходит импуль­сивный всплеск жесткого рентгеновского излучения.

Во взрывной фазе иногда появляется излучение вспышки в «белом» (интегральном) свете — непрерыв­ная эмиссия. Остается до сих пор неясным, имеет ли непрерывная оптическая эмиссия вспышек в «белом» свете тепловое происхождение или она обусловлена син­хротронным излучением. Вся атмосфера вокруг вспыш­ки продолжает активизироваться на протяжении харак­терного времена около 1 ч.

Очень важна энергетика всего процесса. Оценки ве­личины энергии, сделанные различными способами, для взрывной фазы дают величину порядка 10³² эрг, причем в основном эта энергия освобождается в виде кинетиче­ской энергии плазмы с массой порядка 10¹⁶ г, выбро­шенной со скоростями до 1500 км/с. Примерно такая же энергия освобождается в фазе затухания в оптическом диапазоне и в основном в космических лучах. Оценки числа и распределения быстрых частиц, выброшенных вспышкой, довольно сильно отличаются друг от друга. Для электронов получается около 10³⁶—10³⁷ электронов, в интервале энергий от 10 кэВ до 0,1 МэВ (это следу­ет из анализа радиовсплесков типа III, которыми сопровождаются вспышки, а также из импульсивных вспле­сков рентгеновского излучения во взрывной фазе). Точно так же, около 10³¹—10³³ электронов в диапазоне от 0,1 до 3 МэВ должны ускоряться в течение фазы затуха­ния, для того чтобы можно было объяснить всплески радиоизлучения типа IV при вспышках. По-видимому, необходимо также, чтобы в течение первых 10 мин в объеме, занятом излучением вспышки в линии На, суще­ствовали электроны в диапазоне энергии около 1 кэВ (эти электроны, по-видимому, не теплового происхож­дения).

Что (касается энергии жесткого излучения в виде ядер высокой энергии, то от большой вспышки можно ожи­дать величину энергии порядка 10³² эрг в спектральном диапазоне 0,5 МэВ —30 ГэВ.

Пр,и условии распространения частиц высокой энер­гии непосредственно в направлении к Земле их поток самое быстрое через 20 мин достигает внешней границы атмосферы Земли и составляет здесь около 10⁹ частиц •(см²)^-1. Такая величина фактически наблюдалась у ряда сильных вспышек во время Международного Гео­физического Года с помощью искусственных спутников Земли.

Отметим еще некоторые отдельные специфические свойства вспышек, которые должна объяснить теория.

1. Тонкая структура видимого излучения солнечных вспышек, отдельные элементы которой составляют ве­личину от 0,3 до 0,5″ (200—300 км). Энергия, выделяе­мая в этих элементах, может составлять величину око­ло 10⁶ эрг/ом³, что никак нельзя объяснить появлением в элементах вспышки обычного теплового источника за счет перераспределения тепла в атмосфере Солнца. По­добная тонкая структура, по-видимому, имеется и в рентгеновском излучении, как следует из рентгеновских «фотографий» Солнца.

2. Турбулентные движения в области вспышки со ско­ростями до 250—300 км/с, как это следует из анализа уширения контуров эмиссии спектральных линий.

3. «Красная» асимметрия спектральных линий — пре­обладание яркости с красной стороны от центра спект­ральной линии у большинства вспышек во взрывной и последующих фазах.

4. Массовые движения плазмы в области вспышки часто бывают «сверхзвуковыми», а ускорение движения отдельных частей потока плазмы превышает ускорение силы тяжести на Солнце.

5. Связь первых «поярчаний» вспышек с нейтраль­ной линией продольного магнитного поля и областями «бифуркации» магнитных силовых линий.

6. Возникновение мощных вспышек в областях, где градиент магнитного поля превышает критическую ве­личину 0,1 Гс/км, т. е. большие значения электрическо­го тока. Иначе говоря, места возникновения сильных вспышек в 75% случаев связаны с наличием сильных вертикальных токов, которые определяются уравнением Максвелла по результатам измерения магнитных полей (для областей с градиентом напряженности поля более 0,1 Гс/км полный электрический ток может достигать 5•10¹¹ А).

(В более общем виде «глобальные» требования к тео­рии вспышек можно сформулировать следующим обра­зом:

а) нужно знать источник энергии порядка 10³³ эрг, которая может быть освобождена в результате некото­рых физических процессов в течение вспышки, возмож­но, благодаря изменению конфигурации магнитного по­ля и изменению магнитного потока;

б) нужно знать «триггерный» (спусковой) механизм освобождения запасенной энергии;

в) нужно, чтобы во взрывной фазе преобразовалась по крайней мере половина запасенной энергии в энер­гию движения плазмы со скоростями до 1500 км/с за время менее чем 3•10² с, а также реализовалось уско­рение движения «вспышечной» материи, превосходящее гравитационное ускорение;

г) нужен для объяснения радиоизлучения вспышки механизм ускорения по крайней мере 10³⁶ электронов до энергии порядка 100 кэВ за 1 с, причем повторяю­щийся несколько раз в течение взрывной фазы вспыш­ки;

д) нужен также механизм ускорения 10³⁶ протонов в диапазоне от 0,5 МэВ и выше за время, меньшее чем 100 с.

Рассмотрим сперва вопрос о возможных источниках энергии солнечных вспышек. Нетрудно показать, что ни тепловой, ни гравитационной энергии недостаточно для того, чтобы объяснить наблюдаемое энерговыделе­ние при вспышках. Это следует хотя бы из того факта, что никакими гравитационными и тепловыми эффекта­ми нельзя объяснить выброс облака плазмы со скоро­стью, которая превосходит по крайней мере в 2 раза так называемую «скорость ускользания», а также с уско­рением, в несколько раз превосходящим гравитационное ускорение. Более того, если даже над некоторым уров­нем атмосферы Солнца, в некоторой массе газа обра­зовался избыток тепловой и гравитационной энергии, способный удерживаться на этом уровне благодаря «уп­ругости» поперечного магнитного поля нижележащих слоев, не позволяющего массе плазмы сдвинуться вер­тикально вниз (так как движение поперек силовых ли­ний у плазмы сильно затруднено), все равно эта масса соскользнет вдоль силовых линий и упадет на поверх­ность Солнца. Подобные движения часто наблюдаются в солнечных протуберанцах.

Нетрудно показать, что наиболее правдоподобным источником энергии вспышек является магнитная энер­гия, запасенная в группах солнечных пятен. Даже не­большого перемещения солнечных пятен друг относи­тельно друга (примерно на 30% их взаимного расстоя­ния) достаточно, чтобы изменить магнитную потенциаль­ную энергию группы на величину, сравнимую с той, ко­торая освобождается при вспышке. Кроме того, непо­средственные измерения изменения магнитной энергии активной области для больших вспышек показывают, что эти изменения энергии, в смысле разницы ее значения до вспышки и после вспышки, составляют величину по­рядка 10³³ эрг. Это имело место, например, для вспыш­ки 5 июля 1959 г.

Вообще медленные движения солнечной плазмы при развитии активной области в принципе в состоянии де­формировать магнитное поле в фотосфере так, чтобы дать необходимые изменения (увеличение) энергии по­ля, ибо очень высокая электропроводность плазмы в ак­тивной области, особенно в хромосфере и короне, обыч­но не допускает сколько-нибудь заметной джоулевой диссипации энергии за время жизни активной области.

Далее, механические силы в хромосфере Солнца су­щественно меньше, чем электромагнитные, поэтому кон­фигурация поля формируется здесь только под дейст­вием этих последних сил, т. е. поле является, как гово­рят, «бессиловым» полем. Т. Голд и Ф. Хойл предпо­ложили, что могут возникать скрученные цилиндрические трубки силовых линий такого поля, упирающиеся своими основаниями в солнечную атмосферу. В них мо­жет запасаться магнитная энергия, доходящая да 10³⁰ эрг. Однако эта величина недостаточна для объяс­нения сильных вспышек. Более того, сами по себе, т. е. без наличия «твердых» стенок, такие трубки оказывают­ся неустойчивыми в том смысле, что ось трубки изги­бается, а сама трубка распадается.

В теории, развитой X. Эллиотом, предполагается, что значительное количество энергии может быть запасено в «магнитных ловушках» — образованиях типа радиа­ционных поясов Земли, но значительно большего мас­штаба. Полный запас энергии электронов и протонов в таком поясе может достигать 10³² эрг, что достаточна для объяснения энергии быстрых частиц во вспышках. При наличии некоторых видов возмущений «магнитные ловушки», которые содержат эти частицы больших энер­гий, «открываются» — частицы могут уйти из ловушек и обусловить наблюдаемые потоки от вспышки. Однако поскольку энергия частиц в ловушке накапливается в результате довольно длительного процесса последова­тельных отражений частиц от «магнитных пробок» — концов радиационного пояса, где сильно сгущаются си­ловые линии поля, остается непонятным, как может не­обходимая энергия частиц накапливаться за время, сравнимое с интервалами времени между последова­тельными вспышками (иногда несколько часов).

Дж. Пнейманом высказывалось предположение а том, что магнитно-звуковые волны, вызванные конвек­тивными движения-ми в фотосфере, не проникают в ко­рону в областях сильного поперечного поля, соединяю­щего две полярности. Поток таких волн преобразуется в тепловые или звуковые волны, которые распространя­ются вдоль магнитных силовых линий в той области хро­мосферы, где магнитная энергия существенно больше, чем тепловая. На этой основе было развито представ­ление, согласно которому между противоположными по­люсами двух пятен образуется подобие стоячих волн, и магнитное поле разрушается, когда накопленная таким образом энергия волн станет превосходить энергию маг­нитного поля. Процесс даст довольно быстрый рост и медленное затухание энергии оптического излучения. Разрушение магнитного поля будет сопровождаться тур­булентными макроскопическими движениями со скоростями до 200 км/с и энергиями порядка 2•10¹⁴ эрг/с. Это совместимо с тем, что показывают контуры спект­ральных линий во вспышках. Однако расчет показыва­ет, что время накопления значительной энергии в таких стоячих волнах также оказывается достаточно большим (~10⁴ с) для того, чтобы объяснить появление солнеч­ных вспышек.

Таким образом, наиболее правдоподобно, что вспыш­ки черпают всю свою энергию из магнитного поля ак­тивной области. Основным вопросом является — каким образом магнитная энергия, запасенная в магнитной конфигурации групп солнечных пятен может преобразо­ваться в разные виды энергии вспышки: тепловую, све­товую, энергию массового движения плазмы, энергию потоков ядер и электронов.

Мы уже указывали, что перемещения солнечной плазмы поперек силовых линий, при которых возникает электрический ток и связанный с ним переход электро­магнитной энергии в тепловую, так называемые джоуле­вы потери, крайне затруднены, плазма может только скользить вдоль силовых линий магнитного поля. Но в магнитных конфигурациях могут возникать такие обла­сти, где эти ограничения снижаются. Это «нейтральные» точки, или слои, зоны, где магнитное поле исчезает бла­годаря, например, смыканию противоположно направ­ленных силовых линий. Возле них возможны движения плазмы поперек слабого окружающего их поля, могут возникать токи и джоулевы потери, пропорциональные квадрату величины тока. Поэтому нейтральные точки давно привлекают внимание теоретиков как места, где возможно возникновение вспышек. Пример такой кон­фигурации показан на рис. 10.

Пример нейтральной точки N в магнитном поле

В первом приближении наблюдения показывают, что развитие магнитных свойств активной области (протя­женность поля, поток), происходящее при выносе из подфотосферных слоев групп пятен, и взаимные пере­мещения пятен происходят достаточно медленно (дни, недели): эти изменения «квазистационарные». Поэтому в области нейтральной точки может установиться ква­зистационарная джоулева диссипация в токовом слое, окружающем нейтральную точку, как было показано П. Свитом.

Однако более тщательные расчеты Е. Паркера показали, что процесс на­грева очень медленный, если учесть неполную ионизацию солнечной плазмы.

Более того, X. Ягги бы­ло доказано, что прежде чем установится стацио­нарный токовый слой, возникает особого рода неустойчивость, так назы­ваемая «тиринг»-неустойчивость: токовый слой ра­спадается на отдельные слои, трубки, параллельные направлению тока. Но даже до наступления этой неустойчивости, когда слой еще не достиг усло­вий, при которых возникают заметные токи, мас­са газа «выжимается» под действием силы — гра­диента магнитного поля, направленного к нейтральной точке (плоскости), и растекается в направлении наи­меньшего сопротивления с магнитозвуковой скоростью. Поэтому квазистационарная теория нейтрального слоя в таком виде не может быть принята. Она была пере­смотрена X. Петчеком, который учел то обстоятельство, что в нейтральной плоскости рассеяние магнитной энер­гии происходит быстрее (за 30—100 с) не только бла­годаря джоулевым потерям, но и благодаря процессу «встречи» и переналожения волн Альвена (магнитно-звуковые волны). Этот процесс, равносильный пересече­нию двух слабых ударных магнитогидродинамических волн, приводит к тому, что джоулев нагрев происходит в малой зоне пересечения фронтов, а в остальной части происходит перезамыкание силовых линий (рис. 11). В этой модификации имеется тот недостаток, что зона на­грева оказывается очень небольшой и тонкой, ток воз­никает несильный, дающий электроны со скоростями порядка тепловых при температуре 10 000°К.

Механизм пересечения двух слабых магнит гидродинамических волн; Механизм быстро возникающего контакта силовых линий противоположного направления

А. Б, Северным и В. П. Шабанским была предло­жена другая теория нейтрального слоя, в которой воз­ле нейтрального слоя «схлопываются» идущие парал­лельно друг к другу две сильные магнитогидродинами­ческие ударные волны с полями противоположного на­правления, возникшие некоторым образом под влиянием быстро растущего магнитного поля. В отличие от пре­дыдущей теории здесь предполагается, что кинетическая энергия волн довольно быстро (примерно 10 с) расходуется на непосредственный нагрев слоя возле нейтральной обла­сти. В этой области нагрев может быть столь сильным, что возникают термоядерные реакции, фрагменты кото­рых имеют энергию, достаточную для их дальнейшего ускорения до фактически измеряемой энергии космиче­ских лучей. Ускорения частиц в области нейтрального слоя в этом случае непосредственно не происходит, оно является лишь побочным продуктом процесса и возни­кает в результате последовательных отражений частиц от сближающихся магнитных полей — «стенок», за фронтами ударных волн. В этой теории, однако, оста­ется неясным механизм «спуска», приводящий к обра­зованию таких сильных ударных волн.

В более поздней разновидности теории нейтрального слоя, разработанной С. И. Сыроватским, допускается столь быстрое перемещение силовых линий к нейтраль­ной точке, что скорость плазмы в соседстве с нею пре­вышает тепловую скорость звука, и поэтому вне возни­кающего токового слоя газ не успевает растечься вдоль силовых линий (рис. 12). В малой области возле ней­тральной точки условие «вмороженности» магнитного поля нарушается и наступает так называемый «эффект динамической диссипации», когда в середине, у нейт­ральной точки, возникает уплотнение, а выше и ниже ее — разрежение, где скорость частиц может достигать очень больших значений — порядка скорости света. Здесь энергия поля непосредственно переходит в кине­тическую энергию заряженных частиц — в ускорение частиц до энергии космических лучей. Условие наступ­ления такого эффекта есть:

где l — характерный размер токового слоя, v — относи­тельная скорость движения электронов и ионов, п — плотность плазмы, с — cкорость света, Н — напряжен­ность поля, е — заряд электрона.

Дальнейшее развитие этой модели привело к разде­лению процесса на две стадии. Первая из них — фаза возникновения и квазистационарного существования то­кового слоя на месте нулевой линии исходного магнит­ного поля. С токовым слоем связан избыток магнитной энергии по сравнению с энергией потенциального поля, который освобождается на следующей — взрывной фа­зе. На этой фазе происходит разрыв (расщепление) токового слоя, при котором возникают указанные выше быстрые движения плазмы и импульсные электрические поля, ускоряющие заряженные частицы.

Причиной разрыва токового слоя в этой модели слу­жит тепловая неустойчивость при достижении некоторой критической плотности тока и последующая турбулиза­ция плазмы, ведущая к резкому уменьшению проводи­мости слоя.

В этой теории имеются, однако, два серьезных недо­статка. Во-первых, фактические градиенты поля возле нейтральных точек в примерно 10⁶ раз меньше необходимых для наступления рассматриваемого эффекта. Во-вторых, если даже игнорировать это возражение, то задолго до наступления эффекта динамической диссипации, когда токовая скорость v сравнится со скоростью плазменных (магнито-звуковых) волн, наступит плазменная турбу­лентность и, кроме того, сам токовый слой может раз­рушиться под влиянием «тиринг»-неустойчивости (см. выше). Развитие этой неустойчивости и развитие турбу­лентности приведет к тому, что сопротивление току силь­но возрастет из-за рассеяния частиц на элементах тур­булентности и они быстро потеряют энергию; при этом магнитные поля будут диффундировать относительно плазмы и картина будет сильно отличаться от приведен­ной на рис. 12.

Общей трудностью всех упомянутых теорий нейт­рального слоя является отправная фаза процесса, или «триггерный» механизм. Он может представляться в ви­де некоторого состояния неустойчивого равновесия, пос­ле потери которого система неспособна из-за возмуще­ния найти новое стационарное состояние, что приводит к процессу сжатия возле нейтрального слоя. Возмуще­ния всегда могут возникнуть либо при перемещении источников поля — полюсов, либо в результате роста их напряженности, либо других каких-либо причин.

Найденное в основном благодаря работам Крымской астрофизической обсерватории расположение вспышек вблизи нейтральной линии продольного магнитного по­ля, между холмами-полюсами (пятнами) противополож­ной полярности (что приводит к высокому градиенту магнитного поля в районе вспышки) вызвало к жизни ряд попыток объяснения вспышек в результате неустой­чивости плазмы в области нейтральных точек. Однако главное возражение против этого объяснения приходит опять-таки со стороны наблюдательных фактов. Оказа­лось, что в области возникновения вспышек, если они даже лежат на нейтральной линии продольного магнит­ного поля, могут существовать сильные поперечные по­ля. Правда, эти поперечные поля в областях вспышек имеют особенный характер типа «скрещения» силовых линий, или смыкания силовых линий противоположных направлений, или разветвления силовых линий, идущих в одном направлении (так называемые «бифуркации» поля). Более того, было найдено, что часть узлов воз­никает вдали от нейтральной линии продольного маг­нитного поля, в области сильного продольного поля — на границе ядра и полутени пятна. Не обнаруживается связи не только с реальными нейтральными точками, где полный вектор поля должен быть равен нулю, но даже связи с относительными минимумами поля. Нако­нец, для объяснения появления вспышек в нейтральных точках нужно было бы, чтобы наблюдения показывали значительно большее их число, чем их фактически име­ется. Главное, что оставляют наблюдения и измерения для теории с точки зрения магнетизма активных обла­стей, — это связь вспышек с сильными градиентами маг­нитного поля (более 0,1 Гс/км), или, что то же, связь с сильными продольными электрическими токами, а так­же появление вспышек при значительных изменениях магнитного потока через активную область.

Анализ энергетических спектров космических лучей от вспышек свидетельствует о том, что происхождение этих частиц может быть обусловлено только импульсны­ми электрическими полями. Возникновение таких полей также должна объяснить теория вспышек. С этой точки зрения внимания заслуживают теории, в которых про­цесс типа вспышки возникает более или менее самопро­извольно при больших электрических токах. Так, X. Альвен и П. Карлквист обратили внимание на тот факт, что в разрядной трубке при возрастании силы то­ка выше некоторого предела возникает разрыв токового канала. При возникновении большой внешней индуктив­ности (большая длина канала, применительно к Солн­цу) может развиться высокое напряжение на краях та­кого двойного слоя с нулевым током. Если возникают скрученные магнитные силовые трубки в короне, то можно показать, что критерии устойчивости нарушают­ся при плотностях, которые имеются в короне (10⁸ см^-3) для токов того -порядка, которые фактически наблюда­лись на магнитограммах поперечного магнитного поля Солнца, полученных в Крымской астрофизической об­серватории. Можно показать, что время процесса состав­ляет всего около 100 с; в течение этого времени боль­шая трубка тока, содержащая 10³² эрг магнитной энер­гии, может освободить эту энергию в виде выброса око­ло 10³³ протонов и электронов с энергией 80 ГэВ. Меха­низм привлекателен, однако он дает заметно меньшее число быстрых частиц, чем требуется. Более вниматель­ное рассмотрение критерия устойчивости такого токово­го канала и результаты лабораторных экспериментов по­казывают, что эффект в основном сводится к нагреву газа турбулентностью, хотя при этом и могут возникать некоторые ча­стицы большой энер­гии. Во-вторых, ра­скручивание силовой трубки будет стре­миться устранить не­устойчивость и не ясно, будет ли такая трубка действитель­но существовать, притом на пороге устойчивости. (Ток здесь появляется как результат за­кручивания силовой трубки магнитного поля.)

Следует также упомянуть попытку П. Стурока объясне­ния появления силь­ных вспышек в обла­стях сильного маг­нитного поля, как над самим пятном, так и в промежутке между пятнами. Известно, что силь­ный поток плазмы из Солнца может увлечь кверху вслед за собой силовые линии магнитного поля. При этом мо­жет возникнуть явление, называемое «перезамыканием магнитных силовых линий». В области между двумя пят­нами, на некоторой высоте над ними, возникнет слой с противоположно направленными силовыми линиями, близко прилегающими друг к другу. В нем образуется токовый слой (рис. 13). Можно убедиться, что «перезамыкаиие» и частичное исчезновение силовых линий маг­нитного поля уменьшает его энергию в такой мере, как это требуется. В пользу такого представления говорит возможность объяснения наблюдаемого смещения Н_а-эмиссии сильных вспышек относительно области самого пятна; кроме того, на известной стадии вытягивания си­ловых линий сами собой создаются условия для появ­ления вспышки («триггерный» механизм). В этом пред­ставлении, однако, необходимо, чтобы существовал ка­кой-то агент, приводящий в движение массу плазмы, способную вытянуть силовые линии. Энергии движения обычного солнечного ветра при этом недостаточно, а сильные движения плазмы появляются не в начале, а во взрывной фазе вспышки.

Механизм выталкивания плазмы вместе с магнитными силовыми линиями

Совершенно отличным от рассмотренных механиз­мов является указанный выше механизм X. Эллиота, согласно которому изменение магнитного поля радиа­ционного пояса в короне (ослабление поля у основания пояса) может привести к «вытряхиванию» частиц высо­кой энергии, накопленных предварительно в этом поясе, и к их падению в нижние слои солнечной атмосферы. Возбуждение оптической эмиссии под воздействием по­токов таких быстрых частиц, как показал Э. В. Дубов, может, по-видимому, обеспечить наблюдаемую энергию в видимом диапазоне. Однако этот механизм не в со­стоянии объяснить высокоэнергичных выбросов плазмы и большой турбулентности, наблюдаемой во вспышках.

Остановимся еще на одном процессе, который может приводить к возникновению вспышек, и объяснять неко­торые наблюдаемые их особенности. Обычное время эво­люции активной области перед вспышкой от 1 до 10 су­ток, время начальной фазы вспышки — около 100 с, а все время вспышки — около 1000 с. Таким образом, имеет место очень медленное, квазистационарное (в мас­штабе времени развития вспышки) изменение состояния некоторой зоны активной области, а затем взрыв без видимой внешней причины. Т. е. дело обстоит так, как если бы терялась устойчивость квазистатического состоя­ния плазмы в некоторой области. Возникает общий для всех теорий вспышек вопрос о том, какова физическая природа «триггерного» механизма, приводящего к взры­ву. Недавно было обнаружено, что в плазме, в которой напряженность магнитного поля растет со временем, мо­жет возникать так называемое «скинирование» поля, да­же если плазма неподвижна. «Скинирование» — это са­мопроизвольное образование токового слоя вследствие развития перегревной неустойчивости. Физическая сущ­ность этой неустойчивости состоит в том, что благодаря зависимости электропроводности от температуры, слу­чайное локальное увеличение плотности тока или темпе­ратуры должно сопровождаться их ростом в дальней­шем. Однако это изменение продолжается лишь до из­вестного предела, когда дальнейший рост приостанавли­вается и система достигает другого, отличного от исходного, состояния; т. е. перегревная неустойчивость — по­роговая. Образно говоря, это новое состояние есть токо­вый слой с сильными неоднородностями плотности тока в пространстве в виде «гармошки». Наиболее важным является то, что возникновение такого токового слоя возможно только при условии, что градиент поля пре­вышает некоторое критическое значение. По этой теории, развитой В. С. Соколовым, критический градиент по­рядка от 0,1 до 1 Гс/км, что очень близко к наблюдае­мым «критическим» значениям для вспышек. Интересна отметить, что такого рода неустойчивый слой возни­кает на самой границе солнечной плазмы, отделяющей ее от области нулевой плотности. Именно возникновение таких токовых слоев возможно в переходном слое от хромосферы к короне на высотах от 300 до 1000 км, где электропроводность хромосферы достигает макси­мального значения. Из области перегревной неустойчи­вости, где большая плотность тока и большое давление, начинает распространяться ударная волна вверх и вниз. Волна, идущая вниз, вызывает «ожог» хромосферы и затухает, идущая вверх или вбок — может распростра­няться в межпланетное пространство. Та, которая идет вбок, может также активизировать состояние соседней активной области и привести к нагреву, исчезновению лежащих по соседству от вспышки волокон и даже ини­циировать появление вспышки в соседней активной об­ласти. Наиболее привлекательной стороной этой моде­ли является простое и естественное решение очень труд­ного вопроса о «триггерном» механизме, приводящем к появлению вспышки. В качестве такового здесь высту­пает рост напряженности поля со временем и появление критического градиента поля, т. е. те эффекты, кото­рые фактически связаны с возникновением вспышек. Не­достатком этой модели является отсутствие в ней объяс­нения превращения магнитной энергии в энергию дви­жения плазмы: оно по меньшей мере остается неясным. Неясно, насколько такой механизм способен обеспечить выбросы больших масс плазмы с большой энергией дви­жения. Точно так же неясным, как и в прежних моде­лях, остается вопрос о возникновении плазменной тур­булентности на известной стадии рассмотренного про­цесса. Если она возникает, то метод анализа нужно из­менить, а такая турбулентность всегда появляется, если токовая скорость достигает скорости плазменных волн. На наличие плазменной турбулентности, как уже гово­рилось, указывают большие турбулентные скорости, по­лученные по спектральным линиям вспышек.

Мы видим, что для всех теорий вспышек наступле­ние плазменной турбулентности является довольно гроз­ным препятствием, накладывающим к тому же сильные ограничения на возможности ускорения частиц. При низ­ком уровне турбулентности может работать механизм ускорения частиц электрическим током или электриче­ским полем. При высоко развитой турбулентности с присутствием в ней ударных волн, может работать ме­ханизм Ферми — ускорение частиц путем последова­тельных их отражений от магнитных «зеркал» — сгу­щений магнитного поля.

Все указанные выше теории страдают в той или иной степени от недостатков. В то же время каждая из них содержит достоинства, которые в известной мере дела­ют, их пригодными для объяснения отдельных физиче­ских свойств очень сложного процесса — солнечной вспышки. Кроме того, вспышки весьма разнообразны, и едва ли их всех можно описать одной моделью. Сум­мируя все теоретические и наблюдательные данные, можно, по-видимому, предложить следующую картину того, что происходит в связи со вспышкой.

Система более или менее стационарных токов, всплы­вающая вместе с группой солнечных пятен, существует до появления вспышки и наблюдается как система яр­ких точек и волоконец, образующих то, что называется яркими флоккулами. «Тиринг»-неустойчивость этих токов (см. с. 53) и обусловливает тонкую, волокнистую структуру. Благодаря тонкой структуре этих точек и во­локонец (размер может быть меньше 10⁷ см) в них эф­фективно работает механизм джоулева (омического) на­грева. Электрические токи текут вдоль некоторых ка­налов и областей, где проводимость наибольшая, а маг­нитные силовые линии концентрируются вдоль оси ка­налов. Эта система квазистационарна в том смысле, что эти каналы и области находятся в покое, пока об­щий магнитный поток через активную область не меня­ется. Затем благодаря всплыванию новых магнитных полей (новых пятен) из-под поверхностных слоев, маг­нитный поток начинает изменяться. Это ведет, согласно уравнению Максвелла, к возрастанию токов, возможно, выше критического значения, даваемого теорией Альвена и Карлквиста для перерыва токового канала и взры­ва токового шнура. С другой стороны, возникшие силь­ные электрические токи усиливают омический нагрев, вызывают рост проводимости, что ведет также к перегревной неустойчивости (Соколов). В этом, может быть, состоит «триггерный» механизм вспышки. Токовые во­локна благодаря усилению тока сжимаются под дейст­вием генерированного током азимутального поля (пинч-эффект), возникают цилиндрические, сходящиеся к оси волокна, ударные волны и выбросы плазмы в противо­положных направлениях, параллельных оси ствола, з местах, где имеются разрежения плазмы в канале, т. е. возникают вспучиваниями дуги — арки (благодаря так называемой «желобковой» неустойчивости). У оси ка­налов, под действием пинч-эффекта (сходящихся удар­ных волн) возникает сильный нагрев плазмы и гене­рируются быстрые частицы вдоль оси этих токовых ка­налов-волокон. Взаимодействие магнитных полей этих каналов с полем солнечных пятен, в частности с теми, что только что вышли наружу, ведет к появлению боль­ших пондеромоторных сил и к очень сильным, быстрым движениям отдельных волоконец и выбросу наружу не­которой части плазмы, в особенности расширяющейся после сжатия волокон (благодаря, например, диамаг­нитному эффекту). При этом вместе с плазмой выбра­сываются и частично «вмороженные» в нее магнитные поля. Этой стадии процесса, очевидно, должна сопутст­вовать также сильно развитая (благодаря сверхзвуко­вым движениям и различного рода неустойчивостям) турбулентность — контуры спектральных линий сильно расширяются. Благодаря изменению магнитных полей в целом по активной области и сильным движениям, су­ществовавшие до вспышки радиационные пояса (маг­нитные «бутылки») опускаются, поле магнитных «про­бок» может ослабляться, что ведет к освобождению пре­дварительно накопленных в них протонов и электронов большой энергии (процесс, указанный Эллиотом).

Конечно, предложенная сейчас картина явлений лишь чисто качественной, но, будучи основана на наблюде­ниях и основных достижениях многих теорий, она мо­жет быть недалека от истины.

• ← Прогноз спалахів