Всплывание метеороидного термика в атмосфере Земли
| 1Черногор, ЛФ, 1Милованов, ЮБ 1Харьковский национальный университет имени В.Н.Каразина, Харьков, Украина |
| Kinemat. fiz. nebesnyh tel (Online) 2018, 34(4):53-66 |
| Start Page: Динамика и физика тел Солнечной системы |
| Язык: русский |
Аннотация: Получено численное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих скорость подъема, радиус термика и избыток температуры в нем как функции высоты и времени подъема термика. Установлено, что скорость подъема изменяется немонотонно: сначала она быстро увеличивается, скорость ее увеличения по мере роста силы сопротивления набегающего воздуха уменьшается; в течение продолжительного времени (десятки — тысячи секунд) эта скорость близка к максимальной (около 10...180 м/с), а затем она сравнительно медленно (за сотни — тысячи секунд) убывает к нулю. Показано, что чем больше нагрет термик и чем больше его размер, тем быстрее он поднимается и достигает больших высот за большее время. В процессе подъема радиус термика увеличивается в 6...25 раз в зависимости от его первоначального размера и первоначальной температуры за счет присоединения холодного воздуха. Скорость роста радиуса термика тем больше, чем больше текущее значение радиуса. Малоразмерный термик в большее число раз увеличивает свой размер, чем крупный термик. Увеличение радиуса термика происходит до полной его остановки. Менее нагретые термики, медленнее поднимаясь, присоединяют меньшую массу холодного воздуха и меньше увеличиваются в размерах. Показано, что скорость охлаждения пропорциональна скорости подъема термика и максимальна при достижении максимального значения этой скорости. Более нагретый термик охлаждается быстрее, чем менее нагретый. Скорость охлаждения термика сравнительно слабо зависит от его первоначального размера. Обсуждаются ограничения используемой модели: однородность и изотермичность атмосферы, пренебрежение влиянием на охлаждение термика теплового излучения, ветров и турбулентности. Несмотря на ограничения, в целом модель подтверждается результатами наблюдений за подъемом термика, образованного при взрыве Челябинского метеороида. |
| Ключевые слова: время и высота подъема, метеороид, охлаждение термика, радиус термика, скорость подъема, термик |
References:
1. Bernasconi P. N., Keller C. U., Solanki S. K., Stenflo J. O. Complex magnetic fields in an active region. Astron. and Astrophys. 1998. 329. P. 704—720.
2. Brants J. J. High-resolution spectroscopy of active regions. III — Relations between the intensity, velocity, and magnetic structure in an emerging flux region. Solar Phys. 1985. 98. P. 197—217.
3. Buöhler D., Lagg A., Solanki S. K., van Noort M. Properties of solar plage from a spatially coupled inversion of Hinode SP data. Astron. and Astrophys. 2015. 576. id. A27. 19 p.
4. Carroll T. A., Kopf M. The meso-structured magnetic atmosphere. A stochastic polarized radiative transfer approach. Astron. and Astrophys. 2007. 468. N 1. P. 323—339.
5. Centeno R., Blanco Rodriguez J., Del Toro Iniesta, et al. A tale of two emergences: Sunrise II observations of emergence sites in a solar active region. Astrophys. J. Suppl. Ser. 2017. 229. N 1. article id. 3. 12 p.
6. Centeno R., Socas-Navarro H., Lites B., et al. Emergence of small-scale magnetic loops in the quiet-Sun internetwork. Astrophys. J. 2007. 666. N 2. P. L137—L140.
7. Choudhary D. P., Balasubramaniam K. S. Multiheight properties of moving magnetic features. Astrophys J. 2007. 664, N 2. P. 1228—1233.
8. Danilovic S., Beeck B., Pietarila A., et al. Transverse component of the magnetic field in the solar photosphere observed by SUNRISE. Astrophys. J. Lett. 2010. 723. N 2. P. L149—L153.
9. Degenhardt D. Stationary siphon flows in thin magnetic flux tubes. II — Radiative heat exchange with the surroundings. Astron. and Astrophys. 1991. 248. N. 2. P. 637—646.
10. Deinzer W., Hensler G., Schüssler M., Weisshaar E. Model calculations of magnetic flux tubes. I. Equations and method. Astron. and Astrophys. 1984. 139. N. 2. P. 426—434.
11. Deinzer W., Hensler G., Schüssler M., Weisshaar E. Model calculations of magnetic flux tubes. II. Stationary results for solar magnetic elements. Astron. and Astrophys. 1984. 139. N. 2. P. 435—449.
12. Dominguez Cerdeña I., Sánchez Almeida J., Kneer F. Quiet Sun magnetic fields from simultaneous inversions of visible and infrared spectropolarimetric observations. Astrophys. J. 2006. 646. N 2. P. 1421—1435.
13. Fischer C. E., Keller C. U., Snik F., et al. Unusual Stokes V profiles during flaring activity of a delta sunspot. Astron. and Astrophys. 2012. 547. id. A34. 12 p.
14. Franz M., Collados M., Bethge C., et al. Magnetic fields of opposite polarity in sunspot penumbrae. Astron. and Astrophys. 2016. 596. id. A4. 13 p.
15. Franz M., Schlichenmaier R. The velocity field of sunspot penumbrae. II. Return flow and magnetic fields of opposite polarity. Astron. and Astrophys. 2013. 550. id. A97. 10 p.
16. Frazier E. N., Stenflo J. O. On the small-scale structure of solar magnetic fields. Solar Phys. 1972. 27. N 2. P. 330—346.
17. Gadun A. S., Solanki S. K., Sheminova V. A., Ploner S. R. O. A formation mechanism of magnetic elements in regions of mixed polarity. Solar Phys. 2001. 203. N 1. P. 1—7.
18. Gingerich O., Noyes R. W., Kalkofen W., Cuny Y. The Harvard-Smithsonian Reference Atmosphere. Solar Phys. 1971. 18. N 3. P. 347—365.
19. Gomory P., Beck C., Balthasar H., et al. Magnetic loop emergence within a granule. Astron. and Astrophys. 2010. 511. id. A14, 10 p.
20. Grossmann-Doerth U., Schüssler M., Sigwarth M., Steiner O. Strong Stokes V asymmetries of photospheric spectral lines: What can they tell us about the magnetic field structure? Astron. and Astrophys. 2000. 357. P. 351-358.
21. Guglielmino S. L., Martinez Pillet V., Bonet J. A., et al. The frontier between small-scale bipoles and ephemeral regions in the solar photosphere: emergence and decay of an intermediate-scale bipole observed with SUNRISE/IMaX. Astrophys. J. 2012. 745. N 2, article id. 160, 12 p.
22. Hasan S. S. Convective instability in a solar flux tube. II. Nonlinear calculations with horizontal radiative heat transport and finite viscosity. Astron. and Astrophys. 1985. 143. N. 1. P. 39—45.
23. Ishikawa R., Tsuneta S. Comparison of transient horizontal magnetic fields in a plage region and in the quiet Sun. Astron. and Astrophys. 2009. 495. P. 607—612.
24. Ishikawa R., Tsuneta S., Ichimoto K., et al. Transient horizontal magnetic fields in solar plage regions. Astron. and Astrophys. 2008. 481. P. 25—28.
25. Khomenko E. V., Collados M., Solanki S. K., et al. Quiet-Sun inter-network magnetic fields observed in the infrared. Astron. and Astrophys. 2003. 408. N 2. P. 1115— 1135.
26. Khomenko E. V., Shelyag S., Solanki S. K., Vögler A. Stokes diagnostics of simulations of magnetoconvection of mixed-polarity quiet-Sun regions. Astron. and Astrophys. 2005. 442. N 3. P. 1059—1078.
27. Kondrashova N. N. Abnormal Stokes profiles of the photospheric lines in the region of chromospheric dual flows in the surroundings of a solar pore. Kinematics and Physics of Celestial Bodies. 2018. 34. N 2. P. 53—67.
28. Kubo M., Chye Low B., Lites B. W. Unresolved mixed polarity magnetic fields at flux cancellation site in solar photosphere at 0.3” spatial resolution. Astrophys. J. Lett. 2014. 793. N 1. article id. L9. 5 p.
29. Lagg A., Solanki S. K., Doerr H.-P., et al. Probing deep photospheric layers of the quiet Sun with high magnetic sensitivity. Astron. and Astrophys. 2016. 596. id A6. 13 p.
30. Leiko U. M., Kondrashova N. N. The chromospheric line-of-sight velocity variations in a solar microflare. Adv. Space Res. 2015. 55. N 3. P. 886—890.
31. Leiko U. M., Kondrashova N. N. Dual chromospheric flows in the vicinity of a small pore. Kinematics and Physics of Celestial Bodies. 2017. 33. N 3. P. 25—40.
32. Lites B. W., Skumanich A., Martinez Pillet V. Vector magnetic fields of emerging solar flux. I. Properties at the site of emergence. Astron. and Astrophys. 1998. 333. P. 1053—1068.
33. Martinez González M. J., Bellot Rubio L. R. Emergence of small-scale magnetic loops through the quiet solar atmosphere. Astrophys. J. 2009. 700. N 2. P. 1391—1403.
34. Martinez González M. J., Bellot Rubio L. R, Solanki S. K., et al. Resolving the internal magnetic structure of the solar network. Astrophys. J. Lett. 2012. 758: L40. 5 p.
35. Narayan G. Transient downflows associated with the intensification of small-scale magnetic features and bright point formation. Astron. and Astrophys. 2011. 529. id. A79. 12 p.
36. Osherovich V. A. A new magneto-hydrostatic theory of sunspots. Solar Phys. 1982. 77. P. 63—68.
37. Ploner S. R. O., Schüssler M., Solanki S. K., et al. The formation of one-lobed Stokes V profiles in an inhomogeneous atmosphere. Advanced Solar Polarimetry — Theory, Observation, and Instrumentation, ASP Conf. Proc. 2001. 236. / Ed M. Sigwarth. — San Francisco: Astronomical Society of the Pacific. 2001. P. 371—378.
38. Quintero Noda C., Borrero J. M., Orozco Suárez D., Ruiz Cobo B. High speed magnetized flows in the quiet Sun. Astron. and Astrophys. 2014. 569. id. A73. 13 p.
39. Rezaei R., Schlichenmaier R., Schmidt W., Steiner O. Opposite magnetic polarity of two photospheric lines in single spectrum of the quiet Sun. Astron. and Astrophys. 2007. 469. N 1. P. L9—L12.
40. Rüedi I., Solanki S. K., Livingston W., Stenflo J. O. Infrared lines as probes of solar magnetic features. III. Strong and weak magnetic fields in plages. Astron. and Astrophys. 1992. 263. N 1/2. P. 323—338.
41. Ruedi I., Solanki S. K., Rabin D. Infrared lines as probes of solar magnetic features. IV. Discovery of a sifon flows. Astron. and Astrophys. 1992. 261. N 2. P. L21—L24.
42. Ruiz Cobo B., del Toro Iniesta J. C. Inversion of Stokes profiles. Astrophys. J. 1992. 398. P. 375—385.
43. Sainz Dalda A., Martinez-Sykora J., Bellot Rubio L., Title A. Study of single-lobed circular polarization profiles in the quiet Sun. Astrophys. J. 2012.748:38. 23 p.
44. Sanchez Almeida J., Landi Degl’Innocenti E., Martinez Pillet V., Lites B. W. Line asymmetries and the microstructure of photospheric magnetic fields. Astrophys. J. 1996. 466. P. 537—548.
45. Sánchez Almeida J., Lites B. W. Physical properties of the solar magnetic photosphere under the MISMA hypothesis. II. Network and internetwork fields at the disk center. Astrophys. J. 2000. 532. P. 1215—1229.
46. Sankarasubramanian K., Rimmele T. Bisector analysis of Stokes profiles: effects due to gradients in the physical parameters. Astrophys. J. 2002. 576. N 2. P. 1048—1063.
47. Scharmer G. B., de la Cruz Rodriguez J., Sütterlin P., Henriques V. M. J. Opposite polarity field with convective downflow and its relation to magnetic spines in a sunspot penumbra. Astron. and Astrophys. 2013. 553. id. A63. 15 p.
48. Shchukina N., Trujillo Bueno J. The iron line formation problem in three-dimensional hydrodynamic models of solar-like photospheres. Astrophys. J. 2001. 550. N 2. P. 970—990.
49. Sheminova V. A. On the origin of the extremely asymmetric Stokes V profiles in an inhomogeneous atmosphere. . 2005. P. 1—23. arXiv:0902.2940
50. Shimizu T., Lites B. W., Katsukawa Y., et al. Frequent occurrence of high-speed local mass downflows on the solar surface. Astrophys. J. 2008. 680. N 2. P. 1467—1476.
51. Sigwarth M. Properties and origin of asymmetric and unusual Stokes V profiles observed in solar magnetic fields. Astrophys. J. 2001. 563. N 2. P. 1031—1044.
52. Sigwarth M., Balasubramaniam K. S., Knölker M., Schmidt W. Dynamics of solar magnetic elements. Astron. and Astrophys. 1999. 349. P. 941—955.
53. Spruit H. C. Convective collapse of flux tubes. Solar Phys. 1979. 61. P. 363—378.
54. Steiner O., Pneuman G. W., Stenflo J. O. Numerical models for solar magnetic fluxtubes. Astron. and Astrophys. 1986. 170. N. 1. P. 126—137.
55. Stenflo J. O. Magnetic-field structure of the photospheric network. Solar Phys. 1973. 32. P. 41—63.
56. Stenflo J. O. Small-scale solar magnetic fields. / Basic Mechanisms of Solar Activity (Proceedings from IAU Symposium N. 71 held in Prague, Czechoslovakia, 25-29 August 1975) / Eds V. Bumba and J. Kleczek. International Astronomical Union. Symposium N. 71. Dordrecht — Holland. Boston: D. Reidel Pub. Co., 1976. P. 69—99.
57. Thomas J. H. Siphon flows in isolated magnetic flux tubes. Astrophys. J. 1988. 333. Part 1. P. 407—419.
58. Thomas J. H., Montesinos B. Siphon flows in isolated magnetic flux tubes. IV — Critical flows with standing tube shocks. Astrophys. J. 1991. 375. P. 404—413.
59. Valori G., Green L. M., Démoulin P., et al. Nonlinear force-free extrapolation of emerging flux with a global twist and serpentine fine structures. Solar Phys. 2012. 278. N 1. P. 73—97.
60. Vargas Dominguez S., van Driel-Gesztelyi L., Bellot Rubio L. R. Granular-scale elementary flux emergence episodes in a solar active region. Solar Phys. 2012. 278. N 1. P. 99—120.
61. Viticchié B. On the polarimetric signature of emerging magnetic loops in the quiet Sun. Astrophys. J. Lett. 2012. 747. N 2. article id. L36. 5 p.
62. Viticchié B., Sánchez Almeida J. Asymmetries of the Stokes V profiles observed by HINODE SOT/SP in the quiet Sun. Astron. and Astrophys. 2011. 530. id. A14. 10 p.
63. Viticchié B., Sánchez Almeida J., Del Moro D, Berrilli F. Interpretation of HINODE SOT/SP asymmetric Stokes profiles observed in the quiet Sun network and internetwork. Astron. and Astrophys. 2011. 526. id. A60. 13 p.
64. Xu Z., Lagg A., Solanki S. K. Magnetic structures of an emerging flux region in the solar photosphere and chromosphere. Astron. and Astrophys. 2010. 520. id. A77. 13 p.
65. Zayer I., Solanki S. K., Stenflo J. O. The internal magnetic field distribution and the diameters of solar magnetic elements. Astron. and Astrophys. 1989. 211. N. 2. P. 463—475.