Shock acceleration in the solar corona

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-697-716-7
Julkaisun nimi: Shock acceleration in the solar corona
Tekijä: Sandroos, Arto
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, fysiikan laitos
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Tiivistelmä: In this thesis acceleration of energetic particles at collisionless shock waves in space plasmas is studied using numerical simulations, with an emphasis on physical conditions applicable to the solar corona. The thesis consists of four research articles and an introductory part that summarises the main findings reached in the articles and discusses them with respect to theory of diffusive shock acceleration and observations. This thesis gives a brief review of observational properties of solar energetic particles and discusses a few open questions that are currently under active research. For example, in a few large gradual solar energetic particle events the heavy ion abundance ratios and average charge states show characteristics at high energies that are typically associated with flare-accelerated particles, i.e. impulsive events. The role of flare-accelerated particles in these and other gradual events has been discussed a lot in the scientific community, and it has been questioned if and how the observed features can be explained in terms of diffusive shock acceleration at shock waves driven by coronal mass ejections. The most extreme solar energetic particle events are the so-called ground level enhancements where particle receive so high energies that they can penetrate all the way through Earth's atmosphere and increase radiation levels at the surface. It is not known what conditions are required for acceleration into GeV/nuc energies, and the presence of both very fast coronal mass ejections and X-class solar flares makes it difficult to determine what is the role of these two accelerators in ground level enhancements. The theory of diffusive shock acceleration is reviewed and its predictions discussed with respect to the observed particle characteristics. We discuss how shock waves can be modeled and describe in detail the numerical model developed by the author. The main part of this thesis consists of the four scientific articles that are based on results of the numerical shock acceleration model developed by the author. The novel feature of this model is that it can handle complex magnetic geometries which are found, for example, near active regions in the solar corona. We show that, according to our simulations, diffusive shock acceleration can explain the observed variations in abundance ratios and average charge states, provided that suitable seed particles and magnetic geometry are available for the acceleration process in the solar corona. We also derive an injection threshold for diffusive shock acceleration that agrees with our simulation results very well, and which is valid under weakly turbulent conditions. Finally, we show that diffusive shock acceleration can produce GeV/nuc energies under suitable coronal conditions, which include the presence of energetic seed particles, a favourable magnetic geometry, and an enhanced level of ambient turbulence.Väitöskirjassa tarkastellaan korkeaenergiaisten hiukkasten kiihdytystä avaruusplasmojen törmäyksettömissä shokkiaalloissa. Erityisesti keskitytään olosuhteisiin, jotka vastaavat massapurkausten ajamia shokkiaaltoja auringon koronassa eli niin sanottuihin pitkäkestoisiin hiukkastapahtumiin. Tutkimusmenetelmänä on käytetty väittelijän kehittämää numeerista mallia. Väitöskirja koostu neljästä vertaisarvioidusta tieteellisestä artikkelista ja johdanto-osasta, jossa artikkelien tärkeimmät tulokset esitetään osana laajempaa kokonaisuutta. Väitöskirjassa esitetään tiivistelmä korkeaenergiaisten hiukkasten kokeellisesti havaituista ominaisuuksista. Samalla tuodaan esille joitakin tämän työn kannalta olennaisia aktiivisen tutkimuksen kohteena olevia ongelmia. Esimerkiksi joissakin pitkäkestoisissa hiukkastapahtumissa raskaiden alkuaineiden pitoisuussuhteilla ja keskimääräisillä varausasteilla on havaittu olevan ominaisuuksia, jotka ovat tyypillisiä roihupurkauksissa kiihdytetyille hiukkasille. Roihupurkauksissa kiihdytettyjen hiukkasten merkityksestä pitkäkestoisissa hiukkastapahtumissa on keskusteltu paljon tiedeyhteisössä, ja on kyseenalaista voidaanko kaikki hiukkasten havaitut ominaisuudet selittää shokkikiihdytyksen avulla. Äärimmäisissa tapauksissa hiukkaset kiihdytetään koronassa niin suuriin energioihin (eli GeV/nuc), että ne voivat tunkeutua Maan ilmakehän läpi aina maanpinnalle asti missä ne voidaan havaita. Nykyisin ei ole tunnettua, millaisia olosuhteita tai mikä mekanismi vaaditaan kiihdytykselle näihin energioihin. Yleensä suurimmissa Auringon purkauksissa on läsnä sekä nopea koronan massapurkaus että voimakas roihupurkausten läsnäolo, mikä vaikeuttaa näiden kahden eri kiihdytysmekanismin osuuden tutkimista. Väitöskirjassa kerrataan diffusiivisen shokkikiihdytyksen teoria ja sen ennustukset hiukkasjakaumien ominaisuuksille. Teorian ennustuksia verrataan havaintoihin ja työssä käytetyn numeerisen mallin tuloksiin. Lisäksi tarkastellaan kuinka shokkiaaltoja voidaan mallintaa, ja numeerinen malli esitetään yksityiskohtaisesti. Pääosan väitöskirjasta muodostaa väittelijän kehittämällä numeerisella mallilla saaduista tuloksista julkaistut artikkelit. Mallin omintakeinen piirre on se, että se kykenee käsittelemään monimutkaisia magneettisia geometrioita joita tyypillisesti esiintyy Auringon aktiivisten alueiden lähistöllä. Mallilla saadut tulokset osoittavat, että shokkikiihdytys voi tietyissä rajoissa selittää pitoisuussuhteissa ja varausasteissa havaitut muutokset. Koronassa tulee olla termisen plasman lisäksi läsnä korkeaenergiainen hiukkaspopulaatio. Massapurkauksen ajama shokkiaalto injektoi valikoivasti hiukkasia kiihdytysprosessiin näistä populaatioista, kunhan magneettinen geometria on suotuisa. Shokkikiihdytyksen valikoiva injektio riippuu kynnysnopeudesta, jolle johdetaan heikossa turbulenssissa pätevä yhtälö joka sopii hyvin yhteen numeerisen mallin kanssa. Lopuksi osoitetaan, että shokkikiihdytys pystyy tuottamaan yli GeV/nuc energioita noin kymmenen minuutin sisällä massapurkauksen käynnistymisestä olettaen, että koronassa on läsnä korkeaenergiaisia hiukkasia, magneettinen geometria on suotuisa, ja että koronan turbulenssi on voimistunut esimerkiksi edeltävästä massapurkauksesta johtuen.
URI: URN:ISBN:978-951-697-716-7
http://hdl.handle.net/10138/23279
Päiväys: 2010-04-16
Avainsanat: teoreettinen fysiikka
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
shockacc.pdf 1.199MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot