The beauty of the corona

2006 March 29, Turkey Permission by Hanna Druckmullerova and Miloslav Druckmuller

Некоторые новые аспектыНекоторые новые аспектыфизики солнечной короныфизики солнечной короны

Б.В.Б.В. СомовСомов

Boris V. SomovBoris V. SomovAstronomical InstituteAstronomical Institute

Moscow State UniversityMoscow State University ИКИ 2013-02-04

Красота короны

The beauty of the corona

2006 March 29, Turkey Permission by Hanna Druckmullerova and Miloslav Druckmuller

Корона украшает… Корона украшает… СолнцеСолнце

Courtesy of Jean Mouette

Courtesy of Miloslav Druckmuller

Загадки солнечной короныНЛО ?

Все ли мы знаем о солнечной короне ?Все ли мы знаем о солнечной короне ?

Написал стихи…,Исчерпал тему.

2010 July 11, French Polynesia, White-light image and simultaneous AIA (SDO)

Courtesy of CNRS France and AIA (SDO) from NASA

Почему солнечная Почему солнечная корона – часть корона – часть современной современной плазменной плазменной астрофизики ?астрофизики ?

План докладаПлан доклада

►Сильное магнитное полеСильное магнитное поле►Магнитное пересоединение и Магнитное пересоединение и

вспышки как источник энергии для вспышки как источник энергии для нагрева коронынагрева короны

►Особенности МНГ волн, связанные Особенности МНГ волн, связанные с потерями энергии на излучениес потерями энергии на излучение

Плазма в сильном Плазма в сильном магнитном полемагнитном поле

Somov B.V., Syrovatskii S.I.,

Appearance of a current layer in a plasma moving in the field Appearance of a current layer in a plasma moving in the field of a magnetic dipoleof a magnetic dipole. Soviet Physics – JETP, 34, 992, 1972

Solarwind

Вагнер С.А., Сомов Б.В., Крупномасштабные структуры солнечной короныв приближении сильного поля. В сб. «Космические исследования», Ст.Петербург,

ФТИ РАН, 1991, с. 79-93.

(a) Disruption of RCL due to reconnection and magnetic tension forces

(b) Recovery of RCL via a secondary RCL

Non-stationary processes in a coronal streamer

Вагнер С.А., Сомов Б.В., Крупномасштабные структуры солнечной короныв приближении сильного поля. В сб. «Космические исследования», Ст.Петербург,

ФТИ РАН, 1991, с. 79-93.

(a) Disruption of a coronal streamer due to reconnection and magnetic tension forces

(b) Recovery of a disrupted coronal streamer via a secondary RCL

Движущийся магнитный остров в пересоединяющем токовом слое

коронального стримера

Понимание условий формирования Понимание условий формирования «магнитных островов» «магнитных островов»

в пересоединяющем токовом слое в пересоединяющем токовом слое позволит лучше изучить позволит лучше изучить

физические условия физические условия в корональном стримерев корональном стримере

Умеренные температуры в коронеУмеренные температуры в короне

► Широкий диапазон температурШирокий диапазон температур ► Сильное магнитное поле определяет Сильное магнитное поле определяет

распределение температурраспределение температур

The soft X-ray emission is thermal The soft X-ray emission is thermal bremsstrahlung, bremsstrahlung, up to ~ 10 E7 up to ~ 10 E7 ergs / cm E2 sec, ergs / cm E2 sec, is a direct is a direct measure of the measure of the heat input heat input to to maintain the maintain the soft X-ray coronasoft X-ray corona

Самые высокие температуры в короне Самые высокие температуры в короне T > 10 keV ! T > 10 keV !

14-16 keV 12-14 keV10-12 keV

8-10 keV

12-14 keV 16-20 keV

footpoints

Sui, Holman, 2003

Градиент температуры направлен к высокотемпературному турбулентному токовому слою (super-hot turbulent-current layer, SHTCL)

temperature increase

Сверх-горячий турбулентный токовый слойСверх-горячий турбулентный токовый слой (SHTCL)(SHTCL)

► Мощный нагревМощный нагрев электронов и ионов за электронов и ионов за счет взаимодействия частица волнасчет взаимодействия частица волна

Somov, 2012, Plasma Astrophysics, Part II, Reconnection and Flares, Springer

Механизмы нагрева короныМеханизмы нагрева короны

► МГД волныМГД волны:: быстрые, медленные, альвеновские, быстрые, медленные, альвеновские, энтропийные, поверхностные и энтропийные, поверхностные и объемные, изгибные в тонких магнитных объемные, изгибные в тонких магнитных трубках, ударные волнытрубках, ударные волны

► Нановспышки Паркера: Нановспышки Паркера: ««The magnetic energy is converted to heat The magnetic energy is converted to heat in small transient bursts which are called in small transient bursts which are called nanoflaresnanoflares»» ~ 10 E23 ergs ~ 10 E23 ergs

► Аннигиляция магнитного поля в Аннигиляция магнитного поля в пересоединяющих токовых слоях пересоединяющих токовых слоях ((во во вспышках любого масштаба (вспышках любого масштаба (Sweet, Sweet, Parker, SyrovatskiiParker, Syrovatskii)) во всех масштабахво всех масштабах

Крупномасштабное пересоединение в короне Крупномасштабное пересоединение в короне

и солнечном ветре хорошо наблюдается,и солнечном ветре хорошо наблюдается, исследуется и моделируется исследуется и моделируется

WavyReconnecting Current Layer

Copyright: Springer SBM, 2013Traditional view of the solar wind origins

Slow Wind

Fast Wind

Large-scale reconnection in the solar wind

Permission by NATURE Publishing Group

To the Sun

Reconnection in flares heats the corona in active regions

but the specific properties of a SHTCL

are important

► CollisionlessCollisionless reconnection with wave- reconnection with wave-particle interaction inside the SHTCLparticle interaction inside the SHTCL

► Particle acceleration in Particle acceleration in 3-component3-component magnetic field plus electric fieldmagnetic field plus electric field

► Non-classicNon-classic heat transfer heat transfer► Reverse-currentReverse-current electric field effect electric field effect

Золотой век МГД …

Open issuesOpen issues

► МГД волны в короне имеют весьма МГД волны в короне имеют весьма специфические свойства, которые специфические свойства, которые трудно, но необходимо учесть в трудно, но необходимо учесть в общей теории нагрева короны общей теории нагрева короны

Somov B.V., Dzhalilov N.S., Staude J.,

Peculiarities of entropy and magnetosonic waves in optically thin cosmic plasma,Astronomy Letters, 33, 309, 2007.

Somov B.V., Dzhalilov N.S., Staude J.,

Instability of entropy waves in cosmic plasma,Cosmic Research, 46, 393, 2008.

MHD small-amplitude wavesMHD small-amplitude waves

► in an in an optically thinoptically thin, perfectly conducting, , perfectly conducting, uniform plasma uniform plasma

► with a with a cosmic abundancecosmic abundance of elements of elements ► in a magnetic fieldin a magnetic field► with electron heat conduction with electron heat conduction alongalong

magnetic field magnetic field ► with proton heat conduction with proton heat conduction acrossacross

magnetic fieldmagnetic field

MHD equationsMHD equations

Radiative cooling of an optically thin plasma L=n2 q(T) [erg s-1 сm-3]

where

Radiative loss function vs. temperature T calculated at the PAI using the code and atomic database CHIANTI: NRL (USA), RAL (UK), MSSL (UK), Universities of Florence (Italy) andCambridge (UK), George Mason University (USA)

3910 смn

31110 смn

31010 смn

Function q strongly depends on temperature T but very weakly depends on plasma density n

Condition of the instability for entropy waves

0)( 2

2

KTTqn

T

Tq

ln

)(ln

)sincos( 22||

22 kK

- regions of maximal instability k

B0

> 0

The instability mechanismThe instability mechanism

In the regions of a rapid decrease in the radiative In the regions of a rapid decrease in the radiative loss function loss function qq with temperature with temperature TT, a , a small increasesmall increase in temperature is accompanied by a in temperature is accompanied by a large decreaselarge decrease in the rate of radiative coolingin the rate of radiative cooling

Entropy waves are becoming unstable Entropy waves are becoming unstable but but

they play important role inthey play important role in

►the problem of the problem of evolutionarityevolutionarity of shock waves and of shock waves and other MHD discontinuities other MHD discontinuities (RCL)

►the problem of the problem of coronal heatingcoronal heating

Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part I, Fundamentals and Practice, Springer, 2013

Evolutionarity of an ordinary shock waves

Small-amplitude waves in plasma moving through a shock wave without magnetic field

See Chap. 17 in Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part I, Fundamentals and Practice, Second Edition, New York, Springer SBM, 2013

Ew Sw

In contrast to the entropy waves,In contrast to the entropy waves,the magnetoacoustic waves are dampedthe magnetoacoustic waves are damped

The damping decreamentThe damping decreament

d = Im d = Im / Re / Re < 0 < 0

Somov B.V., Dzhalilov N.S., Staude J., Astronomy Letters, 33, 309, 2007

► Instead of the expected excitation of Instead of the expected excitation of magnetoacoustic waves magnetoacoustic waves (by analogy with (by analogy with ordinary sonic waves)ordinary sonic waves), the thermal , the thermal instability instability is stabilizedis stabilized (in a wide range of (in a wide range of conditions) conditions) by a strong magnetic fieldby a strong magnetic field

► However, magnetoacoustic waves However, magnetoacoustic waves are are dampeddamped due to radiative energy losses due to radiative energy losses

► Slow waves are damped Slow waves are damped as rapidly as as rapidly as observed oscillationsobserved oscillations of coronal loops of coronal loops

Прогресс в физике солнечной Прогресс в физике солнечной короныкороны

стабильный, эволюционный►Нагрев короны - сотрудничество Нагрев короны - сотрудничество

двух механизмовдвух механизмов►Хорошая теория нагрева короны Хорошая теория нагрева короны

ожидается ожидается (есть все предпосылки) Л. Кичатинов

►Новые технологии позволят Новые технологии позволят открыть новые свойства короныоткрыть новые свойства короны

►Интерес к солнечной короне Интерес к солнечной короне будет расти будет расти

Thanks for attention !

Подробный доклад Подробный доклад

в следующий понедельник, в следующий понедельник,

11 февраля в 15:20 11 февраля в 15:20

в конференц-зале ГАИШ МГУ в конференц-зале ГАИШ МГУ

на семинаре на семинаре

«Плазменная астрофизика и «Плазменная астрофизика и

физика Солнца»физика Солнца»