Результаты радиофизических исследований процессов, предшествующих явлениям солнечной активности

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................................
Развитее методов анализа микроволнового солнечного излучения............
1.1. Развитие спектральных методов наблюдений и обработки
данных в сантиметровом диапазоне длин волн........................
1.1.1. Способ обнаружения узкополосной компоненты излучения на предвсплесковой и импульсной фазах микроволнового всплеска........................................................
1.1.2. Выделение узкополосной компоненты в поляризованном излучении.......................................................
1.2. Совершенствование спектрально-временнбй обработки данных микроволнового излучения.............................................
1.3. Метод изучения временной и тонкой пространственной структуры солнечных образований на основе спектральных данных наблюдений солнечных затмений........................................
1.3.1. Методика определения спектрального индекса радиоизлучения..................................................
1.3.2. Развитие методики определения магнитных полей солнечного флоккула.............................................
1.4. Расширение возможностей использования данных мониторинга радиоизлучения Солнца в широком диапазоне длин волн для изучения динамики солнечной активности в периоды, предшествующие мощным энерговыделениям (корональным выбросам массы и вспышкам).............
1.5. Выводы..........................................................
Микроволновое солнечное излучение, предшествующее мощным явлениям солнечной активности....................................................
2.1. Спектрально-временные характеристики предвестников солнечных микроволновых всплесков....................................
2.1.1. Наблюдения предвестников солнечных вспышек
на дискретных частотах....................................
2.1.2. Исследование спектрально-временных характеристик микроволновых предвестников в спектрографических наблюдениях.....................................................
2.1.3. Исследование предвсплесковых ситуаций по наблюдениям радиоизлучения Солнца в широком диапазоне длин волн.............
2.2. Спектрально-временные характеристики микроволнового излучения, предшествующего регистрации корональных выбросов массы...............
2.2.1. Связь КВМ с явлениями, наблюдающимися в нижней короне Солнца...................................................
2.2.2. Связь КВМ с явлениями, наблюдающимися в микроволновом
диапазоне излучения Солнца................................
2.2.2.1.Связь КВМ с явлениями, наблюдающимися
в микроволновом диапазоне излучения Солнца за несколько суток.................................
?
І
• /
*
*
4
"І
2.2.2.2.Связь КВМ с явлениями, наблюдающимися
в микроволновом диапазоне излучения Солнца
за несколько часов...................................... 93
2.2.2.3.Связь КВМ с явлениями, наблюдающимися
«
в радиоизлучении Солнца за 1-2 часа - по наблюдениям отдельных событий на станции Службы Солнца в радиодиапазоне «Зименки»................................ 96
2.2.2.4.Статистические исследования связи КВМ с явлениями, наблюдающимися в радиоизлучении Солнца, по данным станции Службы Солнца в радиодиапазоне «Зименки»
* * за 1-2 часа до регистрации КВМ................\....... 112
2.2.2.5.Статистические исследования связи КВМ с явлениями,
1 наблюдающимися в радиоизлучении Солнца,
на основе данных мировой службы Солнца................. 123
2.2.2.6.Статистичсское исследование связи между спектрально-временными характеристиками явлений
;г в микроволновом диапазоне и наблюдаемыми
2 параметрами корональных выбросов массы
л,' на двухчасовом временном интервале, непосредственно
^ предшествующем регистрации рассматриваемых
5' корональных выбросов массы........................... 125
2.2.2.7.Способ определения времени отрыва
корональных выбросов массы по радиоданным.............. 142
2.2.2.8.КВМ типа гало......................................... 145
? 2.2.2.9.Короткопериодные компоненты радиоизлучения 150
V, 2.3.Выводы................................................................ 162
і у
* 3. Развитие физических представлений о параметрах и динамике явлений
' солнечной активности в микроволновом диапазоне........................... 165
3.1.0 механизмах возникновения флуктуаций сантиметрового
• излучения локальных источников на Солнце.............................. 165
1\ 3.1.1. Расчет дифференциальных характеристик сантиметрового
' излучения локальных источников на Солнце..................... 165
< > 3.1.2. О возможных причинах увеличения амплитуды
* % флуктуаций наклона спектра сантиметрового излучения
локальных источников...................................... 169
4 у ' 3.2. Тепловое циклотронное излучение горячих корональных петель
- как механизм возникновения узкополосных спектральных
особенностей излучения.............................................. 172
* 3.2.1. Спектрально-поляризационные особенности теплового
; циклотронного излучения петель (горизонтальный участок)... 173
5 3.2.2. Спектрально-поляризационные особенности теплового
циклотронного излучения петель со спиральным магнитным
^ полем (горизонтальный участок)............................... 178
3.3. Тепловое циклотронное излучение горячих корональных петель (тор) и особенности поляризационной структуры источников солнечного
микроволнового излучения............................................ 184
3.3.1. Модель горячего тора...................................... 185
3
3.3.2. Характеристики теплового циклотронного излучения горячей корональной петли в модели тора.................................
3.3.2.1. Распределения яркостной температуры..............
3.3.2.2. Спектр яркостной температуры.....................
3.3.2.3. Интегральные характеристики теплового циклотронного излучения горячей ‘
корональной петли..................................
3.3.3. Обсуждение модели петли..................................
3.3.4. Обсуждение особенностей распределения яркостных температур и спектра излучения петли............................
3.4. Механизм возникновения элементарных вспышечных событий
в солнечном микроволновом излучении................................
3.4.1. Гиросинхротронное излучение..............................
3.4.2. Радиоизлучение плазменной турбулентности.................
3.5. Выводы...........................................................
4. Развитие методов диагностики параметров солнечной плазмы..................
4.1. Разработка основ методов диагностики параметров вспышечных петель на основе спектральных данных радиоизлучения...................
4.2. Оценка ряда параметров плазмы вспышечной петли
по характеристикам тонкой структуры микроволнового излучения.......
4.3. Оценка ряда параметров плазмы вспышечной петли
по характеристикам радиоизлучения предвестников....................
4.4. Оценка ряда параметров плазмы вспышечной петли
по совместным спектральным наблюдениям вспышек в радио и рентгеновском диапазонах излучения...............................
4.5. Возможности диагностики параметров плазмы корональной петли
на основе наблюдений циклотронных линий............................
4.6. Диагностика источников импульсных солнечных электронных событий...............................................................
4.7. Выводы...........................................................
5. Создание основ методов прогноза мощных явлений солнечной активности
и их геоэффективных проявлений............................................
5.1. Развитие метода краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек на основе динамики долгопериодных пульсаций солнечного микроволнового излучения..............................................
5.2. Возможное направление краткосрочного на интервале 1-3 суток прогнозирования корональных выбросов массы............................
5.3. Использование параметров солнечного микроволнового излучения для прогноза геоэффективных проявлений солнечной активности...........
5.4. Связь явлений солнечной активности с характеристиками естественных ионосферных возмущений................................................
5.5. Отражение нестационарных солнечных процессов во флуктуациях магнитного поля Земли.................................................
5.6. Выводы...........................................................
Заключение..................................................................
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................
Список использованной литературы
I
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена исследованию вызывающих большой научный и прикладной интерес проявлений солнечной активности. Основу диссертации составили экспериментальные и статистические исследования микроволнового излучения Солнца, наблюдаемого на предвспышечиой стадии и во время вспышек, явлений в радиоизлучении, предшествующих корональным выбросам массы. В значительной мере прогресс в результатах исследований определялся проведенными усовершенствованиями методов получения данных о характеристиках различных компонент радиоизлучения, использованием и обоснованием моделей солнечных структур и механизмов радиоизлучения в них, объясняющих наблюдаемые характеристики, а также современных сценариев развития солнечных явлений.
Результаты проведенных исследований использованы для развития на этой основе методов определения физических параметров в областях генерации радиоизлучения, методов диагностики и прогнозирования мощных солнечных вспышек и корональньтх выбросов массы по результатам наблюдений микроволнового излучения Солнца.
Актуальность темы и предмет исследования
Солнце является постоянным объектом научных исследований. Это связано как с тем, что Солнце - ближайшая к Земле звезда и на нем реализуются многие физические процессы, характерные для других плазменных сред и астрофизических объектов, так и с тем, что Солнце оказывает определяющее воздействие на многие околоземные и земные процессы. С описанием явлений на Солнце во многом связаны такие динамично развивающиеся области физики, как физика плазмы и магнитная гидродинамика, что стимулирует интерес исследователей к изучению процессов на Солнце.
Исследования Солнца ведутся во всем спектре электромагнитных волн, при этом исследования солнечного радиоизлучения занимают значительное и важное место. Отметим, что, поскольку энергия, выделяющаяся при радиоизлучении (около ДО25 эрг/сутки спокойным Солнцем без учета всплесков) существенно меньше потока излучения в видимой области спектра (~ 1038 эрг/сутки), то ценность изучения радиоизлучения состоит, в первую очередь, не в оценке переносимой им энергии, а в возможности получения информации об условиях в источниках излучения и динамике происходящих в них процессов.
Проводя такие исследования, можно получить информацию из слоев солнечной атмосферы, зачастую недоступных другим методам наблюдений, в радиоизлучении находят отражение многие процессы, происходящие на всех высотах хромосферы и короны
5
Солнца. Таким образом, радиоастрономические исследования дают возможность проводить комплексное изучение структур атмосферы Солнца и процессов, охватывающих все ее слои. Решение подобных задач связано с такими проблемами как генерация, распространение, взаимодействие и трансформация электромагнитных волн, то есть рассматривается общность радиофизических закономерностей плазменной среды солнечных структур и происходящих в них процессов.
Экспериментальные результаты и теория радиоизлучения Солнца в настоящее время достигли уровня, при котором компоненты излучения получили не только качественное, но и количественное объяснение (например, см. монографии [1-6], обзоры [7-12] и публикации трудов конференций [13-16]).
Для современного этапа экспериментальных исследований радиоизлучения Солнца характерно использование имеющихся новых данных для получения информации о более тонких структурах солнечной атмосферы и связанных с ними явлениях активности (отдельных солнечных пятен, протуберанцев, петель, пор), происходящих в них процессах и физических параметрах областей излучения. При этом основное внимание до недавнего времени уделялось самим событиям, связанным с мощным энерговыделением (вспышкам и корональным выбросам массы), и структурам, охватывающим центры активности в целом.
В то же время изучение процессов, связанных с формированием условий, приводящих к последующим мощным солнечным событиям, является важным направлением современных исследований Солнца. в
В настоящее время общепринятым считается, что корональные выбросы массы, эрупция волокон, вспышки - все это различные проявления одного физического процесса, который включает в себя разрушение коронального магнитного поля (например, см. [17]. Очевидно, что процессы, отражающие эволюцию корональной магнитной топологии перед дестабилизацией, должны проявляться в различных диапазонах излучения, что и наблюдается как в фотосферной магнитной эволюции, эволюции волокон и протуберанцев, так и в Н-альфа, рентгеновском и радио излучении [18-28].
Отражением таких процессов в радиоизлучении являются временные, спектральные и поляризационные особенности, возникающие в периоды активизации центров солнечной активности, на предвсиышечных стадиях и стадиях формирования и начального распространения корональных выбросов массы.
Особенностью таких подготовительных процессов является то, что большинство из них связано с небольшими, относительно последующих событий, энергиями и, таким образом, обладает в радиоизлучении малыми но величине сигналами на фоне больших сигналов от общего радиоизлучения Солнца. Это приводит к необходимости постановки наблюдений с реализацией предельных чувствительностей и точностей измерений, созданию специальных методик получения и обработки данных и их анализа.
Актуальными являются и вопросы геоэффективности происходящих на Солнце со-
6
бытий с мощным энерговыделением и прогноз наиболее важных из них.
Создание прогнозов геоэффективных явлений на Солнце, в том числе и на основе эффектов в радиоизлучении, также лежит в сфере изучения условий и физических процессов в различных структурах солнечной атмосферы на стадиях, предшествующих мощным солнечным событиям. Поскольку солнечные вспышки и корональные выбросы массы - энергетически наиболее мощные явления на Солнце, воздействия тех и других ассоциируются с геомагнитной активностью: авроральными явлениями, геомагнитными бурями, вызванными большими токами, текущими в земной магнитосфере. Мощные вспышки и корональные выбросы массы ассоциируются и с высокими потоками энергичных частиц (протонные события) в околоземном пространстве.
Таким образом, исследование явлений, предшествующих возникновению солнечных вспышек и корональиых выбросов массы, направленное на понимание условий их возникновения, представляет важную актуарную задачу современных солнечных исследований.
Цель работы
Развитие радиофизических методов и определение параметров структур солнечной атмосферы и происходящих в них процессов на основе экспериментальных и теоретических исследований радиоизлучения Солнца в периоды, предшествующие событиям с мощным энерговыделением, развитие методов диагностики физических параметров областей излучения.
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем.
1. Выполнен значительный объем работ по исследованию радиоастрономическими методами процессов на Солнце, предшествующих мощным событиям на Солнце -вспышкам и корональным выбросам массы:
— найдены проявления этих событий в радиодиапазоне в широком спектре микроволнового излучения, которые интерпретированы и классифицированы как микроволновые предвестники солнечных вспышек и корональиых выбросов массы;
— проведены широкие экспериментальные исследования с использованием созданной к началу этих работ аппаратуры - спектрографов последовательного анализа в диапазоне 8-17 ГГц;
проведены статистические исследования с использованием данных радиоастрономической станции НИРФИ «Зименки» и данных станций Мировой службы Солнца в радиодиапазоне, охватывающих сантиметровый и дециметровый диапазоны, в различные периоды трёх одиннадцатилетних циклов солнечной активности;
— исследованы спектрально-временные характеристики спорадической компоненты радиоизлучения на предшествующей мощным солнечным событиям стадии.
2. Разработаны новые методы диагностики параметров плазмы в областях слабого энерговыделения на основе спектральных данных радиоизлучения с высоким частот-
7
иым разрешением и определения характеристик плазмы солнечных вспышек на основе совместных спектральных наблюдений с высоким временным разрешением в радио и рентгеновском диапазонах излучений.
3. Предложены на основании проведенных расчетов и имеющихся новых экспериментальных результатов усовершенствованные модели вспышечных петель.
4. Показано на основании модельных расчётов спектрально-поляризационных характеристик теплового циклотронного излучения короналыюй магнитной петли, что спектр излучения тонкой петли содержит циклотронные линии на длинах волн, соответствующих гармоникам электронной гирочастоты, отвечающих магнитному полю в горячей петле.
5. Развит метод прогноза мощных солнечных вспышек, использующий динамику изменений характера солнечного радиоизлучения за 1-3 дня до события - рост амплитуды долгопериодных (Т>30минут) пульсаций радиоизлучения. Получен патент на изобретение этого метода, свидетельствующий о возможной практической реализации данного метода.
6. Разработан и развит ряд методов обработки и анализа экспериментальных спектрографических данных, позволивший обнаружить узкополосную компоненту радиоизлучения на стадиях предвестников и импульсной фазе всплесков, определять двухкомпонентный состав излучения и относительный вклад этих компонент.
Методы и подходы, используемые в диссертации
Использование экспериментальных данных в широком спектре микроволнового излучения, включая спектрографические данные на отдельных участках спектра. Проведение статистических исследований, использующих данные Мировой Службы Солнца в радиодиапазоне, охватывающих значительные временные периоды (до 3-х циклов солнечной активности). Использование современных методов обработки и анализа данных, их развитие и применение специально разработанных программ для решения задач поставленных исследований. Применение современных компьютерных методов расчета для развитая модельных представлений и их согласования с имеющимися экспериментальными данными. Привлечение развитых другими авторами современных моделей солнечных структур и сценариев развития солнечных событий. Верификация полученных результатов с имеющимися данными в научной литературе и каталогах во всем спектре электромагнитного излучения.
Научное и практическое значение диссертационной работы.
Для понимания природы таких сложных явлений, как солнечные вспышки и коро-нальиые выбросы массы с многообразием условий их реализации, необходимо накопление информации о физических условиях, происходящих в солнечной атмосфере, как во время самой вспышки и регистрации выбросов, так и в периоды, предшествующие указанным явлениям. Задачи, рассмотренные в диссертации, являются вкладом в решение этой проблемы. В частности, по данным микроволнового излучения Солнца, имеюще-
го характерные времена жизни порядка единиц и десятков секунд, определены параметры вспышечной петли, на больших временных интервалах (от суток до десятков минут) выявлены свойства и параметры нестационарных явлений в радиодиапазоне, предшествующих регистрации корональных выбросов массы и вспышек, предложены и рассчитаны модели микроволнового излучения на предвспышечиой стадии.
Показана перспективность использования выявленных спектрально-временных характеристик отчетливых предвспышечных явлений с характерными временами несколько десятков минут до начала импульсной фазы всплеска для выяснения механизмов накопления и выделения энергии во вспышке и задач оперативного прогноза и диагностики параметров вспышек.
Разработанный метод диагностики физических параметров вспышечных петель может быть применен для получения новой информации о существующих вариациях основных параметров петель, а также при исследованиях конкретных вспышечных событий и условий их возникновения и развития.
Разработанный метод краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек по долгопериодным пульсациям радиоизлучения может быть внедрен и использован в задачах информационного обеспечения безопасности космических полетов и функционирования аппаратуры космических и летательных аппаратов, работы энергетических сетей, профилактической медицины и др.
Обоснованность научных положений и выводов, достоверность полученных результатов обусловлены:
- применением современных методик регистрации и обработки экспериментальных данных;
- сопоставлением результатов экспериментальных и статистических исследований с теоретическими представлениями и результатами других авторов, а также собственными проведёнными теоретическими обоснованиями и расчетами;
- использованием апробированных методов исследования;
- экспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных и наблюдательных исследований, разработки и усовершенствования радиофизических методов анализа спорадической компоненты микроволнового излучения Солнца, позволившие:
• обнаружить узкополосную компоненту излучения на предвсплесковой и импульсной фазах микроволновых всплесков;
• показать на основе предложенной методики использования временных рядов наблюдений на многих частотах соотношение компонент, обусловленных различны-
9
ми механизмами излучения, во всплесках;
• определить по разработанной методике распределение спектрального индекса радиоизлучения и слабых магнитных полей на Солнце при использовании данных интегральных, поляризационных и дифференциальных параметров радиоизлучения при наблюдении затмений.
2. Результаты статистических исследований микроволнового излучения:
• предшествующего солнечным вспышкам, приведшие к установлению временного интервала возникновения предвестников и особенностей динамики спектра излучения предвестника по мере его развития;
• предшествующего корональным выбросам массы, приведшие к установлению неизвестных ранее соотношений между характеристиками такого излучения, параметрами последующих выбросов и их типами.
3. Результаты теоретических исследований физических процессов, связанных с генерацией электромагнитных волн, содержащие:
• разработку модели возникновения эффекта увеличения амплитуд флуктуаций сантиметрового радиоизлучения локальных источников на Солнце, обусловленного изменяющимися физическими условиями в источнике при совместном действии тормозного и магнитотормозного механизмов излучения;
• расчет и анализ спектрально-поляризационных характеристик теплового циклотронного излучения предвспышечных корональных петель при разных моделях магнитного поля;
• усовершенствование модели структуры солнечной петли, обеспечивающей сценарий формирования и развития узкополосной компоненты излучения микроволновых предвестников.
4. Результаты развития методов диагностики параметров предвспышечной и вспы-шечной плазмы, позволившие:
• разработать и применить метод диагностики параметров плазмы в областях слабого энерговыделения на основе спектральных данных радиоизлучения с высоким частотным разрешением;
• реализовать метод определения характеристик плазмы солнечных вспышек на основе совместных спектральных наблюдений с высоким временным разрешением в радио и рентгеновском диапазонах излучений;
10
• определить параметры энергичных электронов на Солнце по наблюдаемому радиоизлучению в децимстровом-метровом диапазонах и выдвинуть предположения об их источниках.
5. Результаты создания основ методов прогнозирования мощных явлений солнечной активности, заключающиеся:
• в развитии метода краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек на основе динамики долгопериодных пульсаций солнечного микроволнового радиоизлучения;
• в предложениях по возможному направлению краткосрочного на интервале 1-3 суток прогнозирования корональных выбросов массы на основе совокупности особенностей спектрально-временной динамики микроволнового излучения; '
• в предложении метода оценки времени отрыва корональных выбросов массы от поверхности Солнца на основе использования совокупности данных микроволнового радиоизлучения предвестников;
• в экспериментальном обосновании метода сверхкраткосрочного прогноза (на интервале 120 минут) геоэффектнвных корональных выбросов массы на основе временной динамики интенсивности микроволнового излучения в широком спектральном интервале;
• в прогностических оценках геоэффектнвных проявлений солнечной активности по изучению взаимосвязей между различными геоэффективными возмущениями (естественными ионосферными возмущениями, возмущениями в параметрах околоземной плазмы) и характеристиками явлений солнечной активности.
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлялись на ежегодных научных семинарах секции “Радиофизические исследования солнечной системы” научных советов РАН по проблемам “Радиоастрономия "и “Физика солнечно-земных связей "в период с 1981 по 1998 годы, докладывались на симпозиумах и совещаниях КАПГ (Рига, 1982; Самарканд, 1989), Рижских школах по физике космической плазмы (1980; 1982; 1984), Всесоюзных конференциях по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы (Звенигород, 1984; Одесса, 1985; Симферополь, 1988; Пущиио, 1993; Н. Новгород, 1994), международных Волжских школах по физике космической плазмы (Н. Новгород, 1993; 1995; 1997), Международной научной конференции “Структура и динамика солнечной короны”, посвященной памяти проф. Г.М.Никольского (Троицк, 1999), международной конференции "Солнце в максимуме активности и солнечно-звездные аналогии11 (Санкт-Петербург, 2000), Конференции стран СНГ и Прибалтики "Активные процессы на Солнце и звездах"(Санкт-Петербург, 2002), конференциях по физике
11
солнечноземных связей (Иркутск, 2001, 2004), конференции стран СНГ и Прибалтики «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности» (Н.Новгород, 2003), Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 «Горизонты Вселенной» (Москва, 2004), Всероссийской конференции «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности» (Троицк, 2005), 1 и II международных симпозиумах «Солнечные экстремальные события» (Москва, 2003; Нор Амберд, 2005), Международном симпозиуме «Международный гелиофизический год 2007. «Новый взгляд на солнечно-земную физику» (Звенигород, 2007), Всероссийских конференциях «Физика плазмы в солнечной системе» (Москва, 2008, 2009, 2010, 2012); Всероссийских ежегодных конференциях по физике Солнца (С-Петербург, 2009, 2010), научных конференциях по радиофизике (Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2009, 2010), конференциях Сообщества европейских солнечных радиоастрономов (Утрехт, 1993; Потсдам, 1994; Эспу-Хельсинки, 1998; Саб-хал Мор Остайг, 2004; Иоаннина, 2007), Европейских конференциях по Солнечной физике (Дебрецен, 1990; Катания, 1993; Салоники, 1996; Флоренция, 1999; Прага, 2002), совещаниях международной рабочей группы по Космической погоде (Ноордвийк, 1999; Триест, 2004), 8-ом Международном симпозиуме по Солнечно-земной физике (Сендай, 1994), 24-ой конференции Международного астрономического союза «Солнце и Космическая погода» (Манчестер, 2000), 1-ой S-RAMP конференции (Саппоро, 2000), Международных конференциях по космическим лучам (Гамбург, 2001; Пекин, 2011), Второй европейской конференции «Солнечный цикл и Космическая погода» (Неаполь, 2001), 23 Генеральной ассамблее Международного союза по геодезии и геофизике (Саппоро, 2003), Второй европейской неделе по Космической погоде (Ноордвийк, 2005), Симпозиуме международного астрономического союза №226 «Корональные и звездные выбросы массы» (Пекин, 2004); на Генеральных ассамблеях COSPAR (Хьюстон, 2002; Париж, 2004; Монреаль, 2008), на Генеральных ассамблеях EGU (Ница, 2004; Вена, 2005; Вена, 2010), научной ассамблее Международной ассоциации по геомагнетизму и аэрономии (Тулуза, 2005), Астрофизическом коллоквиуме «Динамические процессы в солнечной атмосфере» (Хвар, 2006), а также регулярно докладывались на семинарах ФГБНУ НИРФИ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, 5 глав, Заключения, Приложения и Списка использованной литературы из 528 наименований. Объем текста диссертации составляет 330 страниц, включая 145 рисунков и 20 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во Введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы, кратко изложены основные результаты, отмечена их новизна, научная и практическая значимость. Дано краткое содержание диссертации.
12
В главе 1 описано развитие методов обработки и анализа данных наблюдений в широком спектральном интервале микроволнового излучения. Материал изложен в нескольких разделах. В разделе 1.1 приводятся принципы методики наблюдений особенностей в радиоизлучении, обладающих небольшими на фоне мощной континуальной составляющей интенсивностями, и требования к приемной аппаратуре. В 1.1.1 изложен способ обнаружения узкополосной компоненты излучения на предосплесковой и импульсной фазах микроволнового всплеска, основанный на последовательном вычитании текущих спектров радиоизлучения. В 1.1.2 приведены условия применения способа в наблюдениях поляризованного излучения, основанные на отличии в степенях поляризации узкополосной компоненты и континуума: предполагается, что узкополосная компонента имеет пучковое происхождение, а континуум связан с излучением плазменной турбулентности вследствие развития конусной неустойчивости в области энерговыделения. С использованием предложенного в 1.1.1 способа выделения узкополосного излучения обнаружена поляризованная узкополосная компонента излучения. Раздел 1.2 посвящен совершенствованию спектралыго-врсмешюй обработки данных микроволнового излучения. В 1.2.1. проведен анализ общей динамики и поведения спектрального индекса радиоизлучения во всплесках, на основе которою обнаружен двухкомпонентный состав излучения. Характер изменения спектрального индекса в компонентах позволяет отнести первую из них к тепловому излучению вспышечной плазмы, а вторая может быть связана с излучением ускоренных во вспышке электронов. На основе решения согласованной задачи о выделении второй компоненты излучения и в предположении гиросинхротронного механизма излучения ускоренных на импульсной фазе электронов оценено их количество, хорошо согласующееся со значением, полученным по рентгеновским данным. Раздел 1.3 посвящен разработке метода исследования временной и тонкой пространственной структуры солнечных образований на основе применения спектральных данных наблюдений солнечных затмений. Предложен метод определения спектрального индекса радиоизлучения и развит метод определения магнитных полей солнечного флоккула. Раздел 1.4. посвящен расширению возможностей использования данных мониторинга радиоизлучения Солнца в широком диапазоне длин волн для изучения динамики солнечной активности в периоды, предшествующие мощным энерговыделениям (корональным выбросам массы и вспышкам). Целью являлось рассмотрение методических особенностей обработки результатов наблюдений слабых проявлений солнечной активности и получение информации о предвсплесковой активности и её динамике в широком диапазоне радиоволн. Для этого предложен и развит спектральный подход к исследованиям предвсплесковых ситуаций, характеризующий развитие активности на большом масштабе высот солнечной атмосферы и позволяющий получать более полную информацию о динамике развития активности. Раздел 1.5. содержит Выводы по главе 1.
В главе 2 приведены результаты экспериментальных исследований динамики мощ-
13
ных явлений солнечной активности, наблюдаемой в микроволновом диапазоне. Раздел
2.1 посвящен исследованию предвестников микроволновых всплесков. Согласно определению [27] предвестниками (precursors) часто называют группу явлений солнечной активности, происходящих на интервалах времени, более длинных, чем импульсная (flash) фаза, но более коротких, чем процесс эволюции активной области, и представляющих собой непрерывные изменения, переходящие во вспышку. Их относят к категории отчётливых (distinct) событий. В данном исследовании термин «предвестник» используется для описания явлений в радиоизлучении Солнца, предшествующих импульсной фазе микроволновых всплесков. В 2.1.1 дано состояние проблемы по изучению предвспышеч-ных явлений на дискретных частотах, приводится их классификация и основные параметры. В 2.1.2. приведен анализ данных наблюдений микроволновых предвестников, полученных на спектрографе 8-12 ГГц в экспериментах на РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории. Показано, что не менее 30% всплесков средней интенсивности связаны с предвестниками типа ступенчатого подъема излучения. По экспериментальным данным рассмотрена динамика формы спектра предвестников и характеристики волновых движений, существующих в солнечной атмосфере на стадии излучения континуума предвестника. Показано с применением спектрально-корреляционного анализа, что такие волновые движения соответствуют распространению возмущения из верхних слоев атмосферы Солнца в нижние в периоды, предшествующие взрывной фазе. В статистическое исследование предвестников, результаты которого приведены в 2.1.3, вошли данные радиослужбы Солнца станции «Зименки» за более, чем два одиннадцатилетних цикла солнечной активности (1970-1994 гг.). Проведено сравнение предвестников мощных солнечных всплесков, связанных и не связанных с солнечными протонными событиями. Построены распределения числа предвестников в зависимости от времени их появления до начала импульсной фазы микроволновых всплесков. Показано, что протонным событиям соответствуют предвспышечные явления в более широком диапазоне длин волн - они регистрируются не менее, чем на трех частотах сантиметрового и дециметрового диапазонов, т.н. широкополосные предвестники. Наблюдается также существенное различие в среднем времени существования предвестников, составляющее 30 и более минут для протонных событий в 80% случаев и не превышающее 29-ти минут для непротонных событий в 75% случаев. При этом прослеживается зависимость времени существования микроволновых предвестников от балла протонности вспышечных событий. Приведены результаты статистических исследований зависимости характеристик предвестников от положения источника излучения на диске Солнца. Обнаружено снижение времени появления широкополосных предвестников для событий, происходящих близко к краю солнечного диска и за его лимбом - эффект «направленности» в излучении предвестников. Раздел 2.2 посвящен исследованию спектрально-временных характеристик микроволнового излучения перед регистрацией корональных выбросов массы (КВМ). В 2.2.1 дано краткое описание экспериментальных данных о связи яв-
14
лений, наблюдающихся в нижней короне, с корональными выбросами массы, впоследствии регистрируемыми на коронографах. Подраздел 2.2.2 посвящен результатам исследования связи явлений, наблюдающихся в микроволновом диапазоне излучения Солнца с корональными выбросами. При этом анализ проведен на временной шкале от нескольких суток до нескольких минут до регистрации корональиых выбросов на коронографе БОНО ЬАЭСО. Исследование эволюции потока радиоизлучения в сантиметровом диапазоне, результаты которого приведены в 2.2.2.1, показало, что в течение нескольких дней перед регистрацией корональиых выбросов массы во время экстремальных событий января 2005 года обнаруживается рост амплитуды долгопериодных (Т >20 мин) пульсаций микроволнового излучения. Связь КВМ с явлениями, наблюдающимися в микроволновом диапазоне излучения Солнца за несколько часов до регистрации на ЬА8СО/С2, рассмотрена в 2.2.2.2. По аналогии с определением явлений в радиоизлучении Солнца, предшествующих импульсной фазе микроволновых всплесков, как предвестников, для описания явлений в радиоизлучении Солнца, предшествующих значительному числу регистраций коронографами корональиых выбросов массы, введён термин «радиопредвестники корональиых выбросов массы», далее предвестники КВМ. Зачастую - это более мощные, уже всплесковые события, наблюдающиеся не только на фазе распространения корональиых выбросов массы в солнечной атмосфере, но и на фазе их формирования, поскольку временной интервал анализа явлений в радиоизлучении больше оценки времени распространения корональиых выбросов массы от поверхности Солнца до расстояния < 2 солнечных радиусов, на котором корональные выбросы и регистрируются коронографом ЬА8СО/С2. Анализ данных радиоизлучения Солнца за 1-2 часа до регистрации выбросов по наблюдениям отдельных событий на станции Службы Солнца в радиодиапазоне «Знмёнки» приведен в 2.2.2.3 и показано, что наиболее характерные времена отставания регистрации КВМ от наблюдений спорадической компоненты составляют от 20-ти до б0-ти минут. Результаты статистических исследований, проведенных по данным мониторинга солнечной активности в радиоди-апазоне на станции Службы Солнца «Зимёнки», обсуждаются в 2.2.2.4. В частности, показано, что большинство событий формирования корональиых выбросов массы сопровождается нестационарными явлениями в радиодиапазоне (около 80% в 1998 и 88% в 1999 гг. от общего числа случаев в выборке), а частота появления событий спорадического радиоизлучения примерно в 4 раза выше для интервалов времени, связанных с существованием КВМ, чем при их отсутствии. Приведенные в 2.2.2.5 результаты статистических исследований связи всплесков микроволнового излучения и корональиых выбросов массы на основе данных мировой службы Солнца подтверждают выводы о существовании предвестников КВМ на двухчасовом интервале перед регистрацией выбросов на коронографе. В 2.2.2.0 статистическими исследованиями выявлено, что на выбранном для исследований временном интервале до регистрации корональиых выбросов на коронографе ЬА8СО/С2 (не более 120 мин) в значительном числе случаев
15
(до 60%) наблюдаются микроволновые предвестники различных типов (в соответствии с международной классификацией радиовсплесков), которые могут содержать как импульсную, так и постепенную компоненты излучения или их сочетание, установлены соотношения между характеристиками микроволновых предвестников и наблюдаемыми параметрами последующих корональных выбросов массы, существует статистическая зависимость между спектральными характеристиками предвестников и угловым раскрывом, а также начальной скоростью последующих корональных выбросов массы, ’ возникающих на видимой части солнечного диска. На основании проведенных исследований в 2.2.2.7 предложен экспериментальный способ определения времени отрыва корональных выбросов массы по радиоданным, связанный с наличием широкополосных импульсных предвестников. В 2.2.2.8 отдельно подробно рассмотрены микроволновые предвестники корональных выбросов массы типа гало. Показано, что перед такими выбросами, возникшими на видимой стороне солнечного диска, наблюдаются постепенные (типов GRF или R) широкополосные микроволновые предвестники КВМ, которые появляются во всём диапазоне частот на врсменнбм интервале от 60 до 20 мин до регистрации корональных выбросов массы на коронографе; микроволновые предвестники демонстрируют быстрое увеличение интенсивности с последующим плавным её уменьшением, которое не завершается с началом регистрации выброса на LACSO/C2. Особенности в микроволновом излучении на интервалах времени меньше 25 мин до регистрации корональных выбросов обсуждаются в 2.2.2.8: на длинах волн 3 и 10 см наблюдаются периодические колебания интенсивности с периодами 6-22 сек. Кроме того, после регистрации коронального выброса на коронографе (т.е. после прохождения им высот солнечной атмосферы, где радиоизлучение на этих длинах волн формируется) в большинстве рассмотренных случаев такие колебания в излучении Л 3 см, исчезают, и значительно ослабляются в излучении Л 10 см. Раздел 2.3. содержит Выводы по главе 2.
Глава 3 посвящена развитию физических представлений о параметрах и динамике явлений солнечной активности в микроволновом диапазоне. В разделе 3.1 на основе модельных представлений показана эффективность использования наблюдений дифференциальной спектральной характеристики потока микроволнового излучения Солнца (разности интенсивностей на двух близких длинах волн - наклона спектра) для исследований ряда динамических процессов на Солнце (3.1.1) и рассмотрен возможный механизм возникновения эффекта увеличения амплитуд флуктуаций сантиметрового излучения локальных источников на Солнце, обусловленный изменяющимися физическими условиями в источнике при совместном действии тормозного и магнитотормозного механизмов излучения (3.1.2). В разделе 3.2 обсуждаются спектрально-поляризационные особенности теплового циклотронного излучения солнечных корональных петель в предвспышечный период. В 3.2.1 приведены численные расчёты спектральных и поляризационных характеристик циклотронного излучения горизонтально-
16
го участка горячих корональных магнитных петель. Влияние спирального магнитного поля на ожидаемую тонкую структуру микроволнового излучения рассмотрено в 3.2.2. Расчётами подтверждена возможность смены знака круговой поляризации микроволнового излучения по диапазону и по гслиографической долготе в случае, если существенный вклад в излучение активных областей вносят корональные магнитные петли. В разделе 3.3 проведены модельные расчёты ожидаемых спектрально-поляризационных характеристик теплового циклотронного излучения корональиой магнитной петли, где в качестве приближения выбрана модель горячего тора. В 3.3.1 рассмотрена модель тора, когда магнитное поле активной области задаётся полем бесконечного тока, и силовые линии в атмосфере Солнца представляют собой полуокружности. В 3.3.2 приведены характеристики теплового циклотронного излучения малых (Ло = 8 • 108 см, а = 108 см) и больших (Ло = 5 • 109 см, а = 5 • 108 см) петель магнитного поля, расположенных на разных гелиографических долготах: распределения яркостной температуры вдоль петель (3.3.2.1), спектры яркостной температуры (3.3.2.2). Поскольку разрешающая способность существующих антенн невелика, для сравнения с реально наблюдаемыми источниками необходимо иметь интегральные характеристики, описывающие излучение всей петли или значительной ее части: результаты расчётов потоков излучения в зависимости от величины электронной концентрации в петле, магнитного поля, толщины петли и расположения петли на диске Солнца (гслиографической долготы) приведены в 3.3.2.3. Одним из наиболее интересных эффектов, который выявлен при расчётах, является изменение знака поляризации по диапазону. Для оценки возможности интерпретации реально наблюдаемых случаев инверсии поляризации микроволнового излучения локальных источников, связанных с активными областями, проведено сравнение ожидаемого распределения поляризации по источнику в зависимости от длины волны с результатами наблюдений на РАТАН-600 активной области А11 7962 12-14 мая 1996 года. В 3.3.3 и 3.3.4. обсуждаются модель петли и особенности спектра излучения петли. В разделе 3.4 рассмотрены возможные механизмы возникновения элементарных вспышечиых событий в солнечном микроволновом излучении. Развита модель генерации узкополосной компоненты радиоизлучения на основе известной модели вспы-шечной магнитной петли с распространяющимися тепловыми фронтами и плазменного квазилинейного механизма генерации вблизи фронтов. Предложена модель генерации микроволнового предвестника ступенчатого типа. Излучение обусловлено плазменной турбулентностью, вызванной малой высыпающейся порцией надтепловых электронов, продолжающих существовать в течение длительного времени в вершине короналыюй магнитной петли. Проведено сравнение эффективности генерации радиоизлучения в рамках предложенного плазменного и обычно применяемого гиросинхротронного механизма. Рассчитаны параметры обеих моделей для различных петель. Из приведенного анализа следует, что плазменный механизм излучения может рассматриваться как альтернативный для объяснения солнечного радиоизлучения, по крайней мере, до частот
17
I
10 ГГц. Наблюдаемая частотная зависимость длительности «ступенчатых» предвестников служит подтверждением гипотезы о плазменном механизме излучения. Раздел
3.5. содержит Выводы по главе 3.
»
Глава 4 посвящена вопросам развития методов диагностики параметров солнечной плазмы. В разделе 4.1 содержатся результаты оценки роли энергичных электронов на импульсной фазе микроволновых всплесков: количество релятивистских частиц хорошо согласуется с числом ускоренных электронов в слабых вспышечных событиях, полученным по рентгеновским данным. В Разделе 4.2 рассматриваются положения методики диагностики таких параметров вспышечных петель, как концентрация и масштабы неоднородности плазмы в области источника излучения, а также поперечный размер области энерговыделения по наблюдениям «плазменной линии» - узкополосной, дрейфующей по частоте компоненты излучения. В Разделе 4.3 поданным о поляризационной структуре слабых микроволновых событий типа ступеньки в рамках плазменной модели генерации оценена величина магнитного поля в области источника излучения, а также ширина углового спектра плазменных волн, связанных с развитием конусной неустойчивости. В Разделе 4.4 приведена реализация метода диагностики плазмы солнечных вспышек на основе совместных спектральных наблюдений мощной вспышки с высоким временным разрешением в радио и рентгеновском диапазонах излучений. Оценены плотность окружающей среды, показатель степени функции инжекции нетепло-вых электронов, общее число электронов в микроволновом источнике, магнитное поле в области источника. В Разделе 4.5 обсуждаются возможности диагностики физических условий в корональной петле по полной информации о спектре и поляризации микроволнового излучения источника и деталям распределений радиояркости, полученным в моделях (Раздел 3.3). В Разделе 4.6 рассмотрена возможность выявления источников энергичных электронов на Солнце и определения их параметров по наблюдаемому радиоизлучению в дециметровом-метровом диапазонах на основе использования радиопроявлений электронных пучков в виде всплесков III типа и излучения I типа и типа «сиайк», являющимися областями ускорения электронов. Раздел 4.7. содержит Выводы по главе 4.
Глава 5 посвящена созданию основ методов прогноза мощных явлений солнечной активности и их геоэффективных проявлений. Обсуждается современное состояние проблемы создания методов краткосрочного прогнозирования геоэффективных явлений на Солнце. Обращается внимание на возможность использования данных наблюдений долгопериодных с Т > 20 мин пульсаций солнечного радиоизлучения (ДПР) для целей прогнозирования протонных вспышек на Солнце, которые впервые были обнаружены перед мощными событиями августа 1972 года. В разделе 5.1 приведены научно-методические основы прогнозирования геоэффективных солнечных вспышек но наблюдениям динамики долгопериодных пульсаций солнечного микроволнового радиоизлучения и описана методика краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек.
18
Исследования проведены на основе использования данных наблюдений на специально разработанном комплексе радиотелескопов трехсантиметрового диапазона, регистрирующем интенсивность и наклон спектра излучения. При проведении анализа статистических характеристик распределений долгопериодных пульсаций радиоизлучения рассматривались данные интервалов наблюдений 1977-1980 гг., проводившихся на радиотелескопе РТ-2Ф НИРФИ в ГАС ГАО АН СССР. Для создания алгоритма прогноза мощных солнечных вспышек определены основные исходные параметры: указан исходный уровень амплитуда ДПР, доказана достоверность обнаруженного эффекта и задано пороговое значение амплитуды ДПР. Установлено, что с 5-процентным уровнем значимости исходный уровень амплитуд не зависит от погодных условий и слабой вспышечной активности. Доказана с 10-процентным уровнем значимости статистическая достоверность факта увеличения амплитуды долгопериодных пульсаций радиоизлучения Солнца перед протонной вспышкой и спад после нее. В 5.1.3 предлагается правило, позволяющее прогнозировать факт протонной вспышки но характеристикам ДПР. Проведен анализ имеющихся наблюдений с использованием таблиц сопряженности. Показано, что предложенное прогностическое правило имеет статистически значимое превышение оправдываемости над 4слепым» прогнозом. Проведены экзаменационные испытания и проверка эффективности предложенной методики прогнозирования по данным долгопериодных пульсаций наклона спектра потока солнечного радиоизлучения за 1977-1980 годы. Показано, что возможности применения метода краткосрочного прогнозирования могут быть расширены при использовании наблюдений на станции Службы Солнца в радиодиапазоне без изменения методики ежедневных наблюдений потоков радиоизлучения Солнца (по данным РАС НИРФИ «Зименки»). В разделе 5.2 предложено развитие возможного направления краткосрочного на интервале от 1 до 3 суток прогноза корональных выбросов массы - мощных энерговыделений на Солнце. Основой послужила совокупность полученных результатов исследования особенностей спектрально-временной динамики микроволнового излучения, наблюдаемых на этом интервале перед регистрацией корональных выбросов (Раздел 2.2). В разделе 5.3 даны основные сведения об использовании параметров солнечною микроволнового излучения для прогноза геоэффективных проявлений солнечной активности. Наряду с указанием на выявленное отличие во временах существования широкополосных предвестников протонных и нспротонных всплесков в микроволновом диапазоне, что предполагает возможность использования данных радиоизлучения слабой солнечной активности для целей сверхкраткосрочного прогнозирования, дано экспериментальное обоснование метода сверхкраткосрочного (на интервале 120 минут) прогноза неэффективности корональных выбросов массы на основе временнбй динамики интенсивности микроволнового излучения в широком спектральном интервале. В Разделе 5.4 обсуждается связь явлений солнечной активности с характеристиками естественных ионосферных возмущений. Установлено наличие синхронных характерных периодов 2-4 года параметров
19
Г-расссяния и потоков солнечного радиоизлучения на 10,7 см по результатам анализа материалов тридцатилетних наблюдений. Анализируется связь между корональными выбросами массы и критической частотой отражения радиосигнала при зондировании ионосферы /оР2. Выявлена корреляция во времени периодов существования корональ-ных выбросов массы и отрицательных «выбросов» в значениях второй производной Д/оР2. Раздел 5.5 посвящен анализу проявления в магнитном поле Земли явлений солнечной активности. На примере вспышки 14 июля 2000 года по данным Н-компоненты магнитного поля Земли (станция Москва) показан рост за 2 дня до протонной вспышки на Солнце амплитуд спектральных составляющих долгопериодных (Т>20 мин) пульсаций, а затем и общий подъем уровня всех спектральных составляющих. Раздел 5.6. содержит Выводы по главе 5.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.
В Приложении приведено описание автоматизированной системы сбора и обработки больших массивов данных, полученных на спектрографах последовательного анализа с высоким временным разрешением за длительные периоды, позволяющая решать задачи ввода, накопления информации, проводить анализ временных и частотных характеристик наблюдаемых сигналов. Система, разработанная с участием автора, обеспечивает обработку большого объема информации, полученной на спектрографах и использованной в проведенных исследованиях.
20
1. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА МИКРОВОЛНОВОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1. Развитие спектральных методов наблюдений и обработки данных в
сантиметровом диапазоне длин волн
Применение радиоастрономических данных для исследований явлений солнечной активности, предшествующих мощным явлениям солнечной активности, остается актуальным и важным. Мы можем утверждать гак, поскольку большинство эволюционных процессов, как правило, находят своё отражение в радиоизлучении, спектральный диапазон которого перекрывает все высоты солнечной атмосферы (включая корону), а чувствительность и точность измерений позволяет регистрировать небольшие изменения энергии.
Характерными особенностями радиоизлучения при изучении различных явлений, предшествующих мощным проявлениям солнечной активности, являются: измерение малых амплитудных изменений сигналов и, скорее всего, небольшой пространственный масштаб связанных с ним явлений; измерение узкополосных компонент и быстроизме-няющихся спектральных структур, имеющих сравнительно небольшие интенсивности излучения на фоне мощной континуальной составляющей.
Эти разнообразные особенности исследований обусловили, с одной стороны, необходимость создания специальной измерительной радиоастрономической аппаратуры, а с другой стороны, необходимость в значительном числе случаев постановки специальных экспериментов (наблюдений) набольших радиотелескопах и применения новых методов обработки результатов.
Выбор радиоастрономических инструментов обусловлен как необходимостью повышения чувствительности и обеспечения достаточно высокого пространственного разрешения, так и необходимостью охвата активной области в целом, с целью выявления динамики спектральных и временных особенностей излучения всего центра активности Для ряда экспериментов этим условиям удовлетворял РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) [29].
Для проведения спектральных исследований микроволнового излучения Солнца в широком диапазоне частот с высоким спектральным и временным разрешением в НИРФИ была создана спектрографическая аппаратура. Особые требования к аппаратуре и методике наблюдений были обусловлены быстроиеременностью и большим диапазоном изменений амплитуд входного сигнала при различных явлениях, относительно малой величиной ожидаемых спектральных особенностей и отсутствием априорной информации о времени и характере протекания явлений. Это накладывало требования на основные параметры используемой аппаратуры и методики наблюдений.
21
Известно, что характерные времена изменений В и 5 компонентов солнечного радиоизлучения составляют десятки минут и более, в то время как во всплесках существенное изменение сигналов происходит за доли секунд. При этом, например, на предвсплес-ковой фазе, на импульсной фазе всплесков средней интенсивности (до 70 солнечных единиц потока) изменение антенной температуры при наблюдениях в сантиметровом диапазоне на таком инструменте, как РТ-22, уже за одну секунду может превышать величину антенной температуры при наблюдениях областей спокойного Солнца. Это определило выбор характерного времени регистрации спектра: ~ секунды для спектрографов последовательного анализа. Оценка изменений сигналов во время наблюдений спокойного Солнца, активных областей и всплесков при работе на РТ-22 указывает на необходимость при создании спектрографов иметь динамический диапазон регистрации сигналов до 604-70 дБ. Реализация такого динамического диапазона как для СВЧ-части спектрографа, так и для системы регистрации представляло трудную задачу. На этапе создания в НИРФИ аппаратуры для проведения исследований был реализован динамический диапазон 45 дБ, что позволило совместить задачи по изучению динамики 5-компоненты радиоизлучения, иредвсплесковых изменений, слабых и всплесков с умеренной интенсивностью. Была выбрана коротковолновая часть сантиметрового диапазона длин волн, поскольку излучение в этом диапазоне формируется в переходной области солнечной атмосферы, характеризуемой наиболее высоким вертикальным пространственном масштабом изменения параметров (градиентами температуры и концентрации), а результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что именно на этих высотах наиболее часто происходят процессы первичного энерговыделения.
В сериях проведённых наблюдений на разных этапах использовались различные спектрографы 84-12 и 144-17 ГГц. Основные данные спектрографов [30) приведены ниже:
— диапазон перестройки — 84-12 ГГц (144-17 ГГц);
— дискретность перестройки но частоте — 504-40 МГц (604-50 МГц) — 804-100 точек на диапазон;
— частотное разрешение — 100 МГц;
— скорость свипирования — 1 спектр/с;
— флуктуационный порог чувствительности при < = 1 с — 1,54-2,0 К (2,04-2,5 К);
— динамический диапазон — 45 дБ.
В ряде экспериментов применялась усовершенствованная система спектрографа 8-12 ГГц, позволяющая измерять 2 компоненты поляризованного по кругу излучения [31]. Поляризованный спектр излучения регистрировался ежесекундно, причем, весь диапазон состоял из 34 опрашиваемых последовательно в течение секунды каналов с полосой 120 МГц, регистрирующих интенсивность левой и правой поляризованных по кругу компонент излучения.
В экспериментальный комплекс входил также радиометр КрАО, используемый в ка-
22
честве контрольного канала [32]. Флуктуационный порог чувствительности радиометра на 13,3 ГГц составлял 0,15 К.
Антенная система радиотелескопа РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) позволяла реализовать весь диапазон спектрографов, а угловое разрешение (4ч-6 угл. мин) — наблюдать отдельные активные и спокойные участки Солнца. При этом величина углового разрешения была оптимальной и для исследования предвсплес-ковых и всплесковых явлений в той или иной активной области, поскольку для большинства наблюдаемых событий их координаты были близки к координатам максимума диаграммы направленности. Наведение на активные области и контроль их сопровождения осуществлялись с использованием оптического гида, ось которого совпадала с осью диаграммы направленности радиотелескопа РТ-22.
Использовались две системы регистрации данных, повышающие информативность экспериментов, и, в то же время, обладающие специфическими особенностями. Первая предназначена для слежения за качеством данных и оперативной оценки результатов с ограниченными и объёмом регистрации, и временным разрешением при помощи записи данных на кассеты КС-60. Вторая — специализированная система (устройство) регистрации цифровых данных (УРЦД), обладающая высокой скоростью регистрации и большим объёмом запоминаемой информации, осуществляла запись текущей информации на магнитную ленту с её последующей обработкой на БЭСМ-6 [33, 34]: 3-х канальная система регистрации УРЦД, используя аналого-цифровой преобразователь, переводила аналоговые сигналы с выходов спектрографа и контрольного канала в цифровой код с записями на магнитную ленту, последующая обработка которых проводилась на БЭСМ-6 по разработанным нами программам. Преимуществом системы УРЦД являлась возможность непрерывной параллельной регистрации данных по спектрографическому и радиометрическому каналам на протяжении нескольких десятков минут, что определялось дайной магнитной ленты (500 метров) и скоростью магнитофона.* В изложенных исследованиях использовались данные именно этой системы регистрации.
Методика наблюдений состояла из слежения за активными областями с записью на УРЦД текущих спектров со спектрографа и временных сигналов с радиометра с разрешением 100 точек за секунду.
При разработке методики наблюдений было обращено внимание на исключение возможных спектральных особенностей в регистрируемом сигнале, обусловленных антенными эффектами, интерференционными эффектами за счёт отражённого сигнала гетеродина, а также собственными входными тепловыми шумами. Для этого в течение наблюдательного сеанса проводились 2-3 цикла полных калибровок, включающих записи спектров радиоизлучения областей спокойного Солнца и спектров принимаемого радиоизлучения атмосферы при отведении антенны от Солнца на 5 градусов по азимуту.
* Более подробное описание системы приведено в Приложении.
23
;
I
Для осуществления абсолютных измерений потоков радиоизлучения в каждом цикле наблюдений были проведены измерения спектров радиоизлучения Луны.
1.1.1. Способ обнаружения узкополосной компоненты излучения на предвсплесковой и импульсной фазах микроволнового всплеска
Общая методика обработки данных со спектрографов предусматривала получение относительных спектров излучения всплеска делением значений антенной температуры в текущих спектрах на соответствующие усреднённые значения в опорном спектре радиоизлучения активной области, выбираемом в отсутствие всплеска.
Как упоминалось ранее, при изучении различных событий, предшествующих явлениям солнечной активности, связанным с динамикой процессов в отдельных активных областях Солнца, возникает необходимость исследования процессов длительностью до 1 с, и имеющих сравнительно небольшие интенсивности излучения на фоне мощной континуальной составляющей. Для выделения таких особенностей был предложен дифференциальный способ обработки данных, реализованный при использовании разработанного программного обеспечения.
Обработкой предусматривалось определение текущих ежесекундных # спектров всплесков радиоизлучения в солнечных единицах потока (сеп) с исключением коэффициентов передачи антенны и частотной характеристики приёмного устройства по методике, изложенной в (35]. Приведение к абсолютным потокам радиоизлучения осуществлялось по наблюдениям спектров активных областей и спокойного Солнца по методике, изложенной в [36]. Оценка максимальной ошибки, вычисленная исходя из параметров радиотелескопа и спектрографа (35), составила 1,04-1,5 сеп (дисперсия возможной ошибки о = 0,174-0,25 сеп). Это значение даже несколько превышает величину разброса, полученную из экспериментальных измерений.
Поскольку длительность измерения спектра (около 1 с) была сравнима с длительностью исследуемых процессов, то все спектры были приведены к моменту начала их регистрации.
Для выделения быстрых (~ 1 с) изменений из каждого последующего спектра излучения вычитался предыдущий, и, таким образом, рассматривались ежесекундные приращения излучения по спектру (дифференциальные спектры (ДС)). Подчеркнём, что по своему определению ДС не чувствительны к медленным (< 1 с) изменениям
спектра излучения. Получение дифференциальных спектров продемонстрировано на рис. 1.1 для наблюдений с использованием спектрографа 8-12 ГГц.
При наблюдении участков спокойного Солнца и локального источника в левспы-шечные периоды ДС остаются нулевыми (см., например, рис. 1.1, интервал "0"), что свидетельствует об отсутствии каких-либо быстрых спектральных изменений в диапазоне 84-12 ГГц. На иредымиульсной (ргеАавЬ) и импульсной фазах радиовсплеска
24
обнаружены отдельные интервалы длительностью Зч-5 с, внутри которых ДС уже не являются нулевыми. Спектральные изменения проявляются не во всём диапазоне одновременно: в большинстве случаев изменения имеют место сначала на низких частотах и постепенно перемещаются к высоким. Причём, таких спектральных событий по мере развития отдельного микроволнового всплеска может быть несколько (рис. 1.2, события А, Б, В).
На выбранных нами временных интервалах, суммируя ДС последовательно, мы, тем самым, восстанавливаем временную последовательность спектров той части излучения, которая имела быстрые спектрально-временные изменения. На рис. 1.3 приведено выделенное узкополосное дрейфующее импульсное излучение (событие А). * Наклон пунктирной линии (рис. 1.3), соединяющей максимумы излучения в последовательные моменты времени, характеризует частотный дрейф.
Восстановленные спектры элементарных событий (рис. 1.3) свидетельствуют об уз-кополосности излучения (Д/ ~ 2-гЗ ГГц) и положительном частотном дрейфе со скоростью Ццр ~ 1-г2 ГГц/с [37]. Элементарные вспышечные события с указанными характеристиками выделены в четырёх событиях из семи наблюдаемых [38] нами. В табл. 1.1 приведены параметры наблюдаемых событий, в табл. 1.2 — основные свойства указанного импульсного узкополосного дрейфующего излучения: количество элементарных событий, их интенсивность, скорость дрейфа (по максимуму интенсивности), ширина полосы.
Таблица 1.1
N Дата А.О. и ее координаты Время (11Т) радиовсплеска Поток радиоизлучения в шах всплеска (/ ~ 10 ГГц) в сеп
1 5.11.81 НИ. 17969 812\УП 08ь 35т 350
2 12.11.81 НИ. 17992 Ш7\У18 08ь10т 100
3 14.11.81 НИ 17992 М7\У44 07ь20т 30
4 14.11.81 НИ 17992 М7\У44 07ь25т 40
5 14.11.81 Ш 17992 М7\У44 08ь 01т 50
б 14.11.81 НЯ 17992 Ш7\У44 08ь 21т 100
7 14.11.81 НЯ 17992 Ш7\У44 10ь18т 180
В двух случаях изменения интенсивности на иредвсплесковой фазе (когда при быстром времени нарастания регистрируется медленный спад или практически постоянный уровень излучения вплоть до начала импульсной фазы всплеска) применение способа дифференциального анализа позволило также обнаружить импульсные узкополосные
*Мы называем полосу излучения узкой, поскольку её ширина Д/ меньше средней частоты спектрографа 10 ГГц в 3-5 раз.
25
В
Ал/Л—
Ь
"ЛЛл/ч/
_ЛУ
Рис. 1.1. Дифференциальные спектры излучения. Ось времени направлена вверх в каждом
из четырёх столбцов
26
Р, ссп
Рис. 1.2. Временной ход всплеска 14.11.81 в 10:18 иТ на / = 10,5 ГГц
Таблица 1.2
1 2 3 4 5 6 7
Количество элементарных событий 4 - 1 3 - - 3
Средняя интенсивность, сен 3-5-10 - 7 3-г5 - — 3-5-5
Скорость дрейфа, ГГц/с 1-5-4 — 2 1 - — 1-7-2
Ширина полосы, ГГц 2 - 2 2,6 - - 2-5-3,5
27
10:17:35 ит
10:17:37 ит
/, ГГц
Рис. 1.3. Выделенное узкополосное дрейфующее излучение. Спектры приведены к моменту
начала их регистрации
28
I
дрейфующие компоненты на растущей стадии излучения (см., например, рис. 1.4, В (39)).
Например, перед всплеском 12.11.81 в 08:10 UT (рис. 1.5) нами было выделено несколько временных интервалов, содержащих быстрые спектрально-временные изменения и для каждого из них произведено суммирование дифференциальных спектров. Анализ восстановленных спектров излучения показал, что наблюдается временнбй интервал (например, на рис. 1.5 он отмечен буквой А), на котором возможно выделение узкополосного излучения.
Анализ спектров, полученных с использованием дифференциальной обработки, показал, что излучение, сначала появляясь на низких частотах, постепенно перемещается к высоким. Для иллюстрации спектральных изменений на рис. 1.6 приводятся относительные спектральные изменения, полученные на основе восстановленных спектров события. Они свидетельствуют об узкополосности излучения (/ & 4 ГГц) и о положительном частотном дрейфе со скоростью г;^ ^ 2 ГГц/с.
Аналогичным способом узкополосная дрейфующая компонента излучения была выделена и при наблюдениях других активных областей в диапазоне 14-j-17 ГГц (см. рис 1.7).
Подобные события, называемые «blip», с частотным дрейфом ~ 2 ГГц/с часто наблюдаются в дециметровом диапазоне |40-42] и более редко на частотах, близких к используемым нами [43-45].
1.1.2. Выделение узкополосной компоненты в поляризованном излучении
Как было показано в предыдущем параграфе, предложенный способ позволяет выделить узкополосную компоненту излучения на переднем фронте ступенчатого изменения интенсивности на предвсплесковой фазе (см., например, рис. 1.4, В), если характерное время существования узкополосной компоненты заметно меньше длительности предвсплесковой фазы (континуума).Если же эти характерные времена одного порядка, то можно предложить подобный способ выделения узкополосной компоненты из континуума, но в наблюдениях поляризованного излучения.
Способ основан на предсказаниях разной поляризации этих компонент. Если предположить, что узкополосная компонента имеет пучковое происхождение, т. е. плазменные волны в её источнике ориентированы вдоль магнитного поля Н в конусе углов с характерной полушириной [46] Д0 ~ 10°, и если в области источника присутствует «сильное» магнитное поле
Р = ~ ~ 0,5, (1.1)
ШР
то можно полагать, что из-за сильного циклотронного затухания излучения вблизи области источника обе наблюдаемые компоненты генерируются вблизи второй гармоники плазменной частоты. В этом случае узкополосная компонента должна быть слабо
29
F, сеп
ЗО
Д сеп
70
65
60
55
50
07:53 08:08 время(иТ), ч:мин
Рис. 1.5. Временнбй ход радиоизлучения в период всплеска 12.11.81 в 08:10 1ЛГ
отн. ед.
12
11
10
9 8 /. ГГц
Рис. 1.6. Относительные спектральные изменения, полученные на основе восстановленных спектров для случая А , приведенного на предыдущем рисунке.
31
I
/. ГГц
Рис. 1.7. Последовательная запись дифференциальных спектров радиоизлучения активной области ИОАА 5638 12 августа 1989 года. Вертикальными отрезками обозначены погрешности измерений
32
поляризована (р/р ~ 0,2) в обыкновенной моде [47) (здесь р — степень круговой поляризации). Тогда как излучение на фазе «конусной неустойчивости», согласно нашим оценкам, поляризовано много сильнее р/р «2ив необыкновенной моде.
С другой стороны, если величина магнитного поля относительно мала р с 1, то излучение обеих компонент может наблюдаться и на основном тоне плазменной частоты и, благодаря этому, иметь высокую степень поляризации (в обыкновенной моде). Так как спектры плазменной турбулентности в источниках этих двух компонент существенно отличаются друг от друга, то представляется маловероятным совпадение диаграмм направленности основного тона узкополосной компоненты и компоненты на фазе ступеньки. Источники же вблизи второй гармоники плазменной частоты обладают, как известно [48], широкой диаграммой направленности *. Поэтому для слабого магнитного поля представляется наиболее вероятным случай, когда две компоненты предвсплескового излучения имеют разное гармоническое происхождение и, благодаря этому, существенно разную степень круговой поляризации.
Это отличие в степенях поляризации, вероятное для любого соотношения р, даёт основание полагать, что в наблюдениях поляризованного излучения на переднем фронте предвсплескового излучения типа «ступенька» можно будет выделить узкополосную компоненту.
Последняя гипотеза подтверждается в результате анализа ряда наблюдений в поляризованном излучении, проведённых с помощью спектрографа-поляриметра [31), регистрирующего две поляризованные по кругу компоненты излучения.
Обсуждаемые события обнаружены во время наблюдений двух микроволновых всплесков: 16.10.83 в 10:50-г 10:59 иТ и 17.10.83 в 11:50-7-12:13 ИТ. На рис. 1.8 в качестве примера приведен времсннбй профиль предвсплескового излучения и всплеска 16.10.83 (*тах=Ю:58 11Т), по оси абсцисс отложено время в секундах от начала регистрации. Здесь же приведены спектры степени поляризации с указанием момента времени его регистрации.
Во время наблюдений каждого из рассматриваемых всплесков имеется несколько интервалов, на которых наблюдается повышение степени круговой поляризации излучения. Так, на интервале II рис. 1.8, который совпадает с первым быстрым ростом излучения на выбранной частоте, за ~ 1,5 минуты до начала импульсной фазы всплеска степень поляризации (левая круговая компонента) возрастает до 15% неравномерно по диапазону с опережением в высокочастотной части спектра. Далее степень поляризации излучения быстро снижается до предвсплескового уровня. ** Таким образом, поляризованным оказывается излучение в узкой части спектра (Д/ ~ 2 ГГц) на переднем фронте
* Напомним здесь же ещё раз, что излучению вблизи второй гармоники свойственна относительно низкая степень круговой поляризации.
“При обработке данных исключено влияние на результат измерений поляризации излучения локального источника путём вычитания интенсивности фонового излучения.
33
широкополосного излучения типа «ступенька». При следующем повышении интенсивности излучения степень поляризации ведет себя аналогичным образом (интервал III рис. 1.8).
Подобная картина в поведении степени поляризации выявлена и в наблюдениях всплеска 17.10.83, где величина степени поляризации достигает значений ~20% [40].
На рис. 1.8 представлен временной профиль предвестника и всплеска 16.10.83 (£тах=10:58 ИТ), по оси абсцисс которого отложено время в секундах от начала регистрации.
Представленные результаты свидетельствуют о правильности предположений и могут быть использованы для оценки величины магнитного поля в области источника предвсплескового излучения (см. Главу 4).
1.2. Совершенствование спектрально-временной обработки данных
микроволнового излучения
1.2.1. Общая динамика и двухкомпонентный состав излучения на импульсной фазе солнечных микроволновых всплесков
На динамических спектрах интенсивности всплесков в виде перспективных трёхмерных изображений (по материалам наблюдений всплесков в ноябре 1981 года на РТ-22 КрАО (рис. 1.9 и 1.10)), полученных с использованием системы регистрации данных УРЦД, легко прослеживаются общие изменения во всплесках и создаётся визуальная картина события в целом.
В то же время возможно выделение более тонких спектральных динамических эффектов в течение всплеска при исследовании поведения спектральных индексов радиоизлучения 7. Величина 7 определялась как отношение
\gPJP2 7 lg.fl//2
где Р\ и Р2 — потоки радноизлучешш на частотах /\ и /2, соответственно.
Нами было проанализировано 9 всплесков, из них 8 — средней интенсивности (20сеп < Р < 150 ссп) и один — мощный с потоком более 300 сеп (1 сеп = 10-22 Вт • м-2 • Гц-1). На рис. 1.11 и 1.12 приведены характерные кривые зависимости от времени потоков радиоизлучения и спектральных индексов во время всплесков 14.11.81 в 08:01ОТ и в 08:21 ОТ.
Однотипность изменений спектральных индексов рассматриваемого частотного диапазона в ходе довзрывной фазы и на завершающей, спадающей фазе всплеска свидетельствует об общности процессов, происходящих на разных уровнях солнечной атмосферы. Приведённые на этих же рисунках величины спектральных индексов излучения
сеп
Рис. 1.8. Временной профиль всплеска 16.10.83 на одной из частот спектрографа. Выше приведены сглаженные секундные спектры степени поляризации
р /_+/_
для характерных интервалов развития всплеска, отмеченных на временном профиле цифрами І, II и III (/«- и /_* — две круговые поляризации). Положительный знак степени поляризации соответствует превышению левополяризоваиной по кругу компоненты излучения. Начало и конец спектра отмечены линией, соответствующей нулевой степени поляризации
35