Эффекты сильной регулярной рефракции в структуре радиоизлучения, рассеянного солнечной короной

2
Содержание
стр.
Введение................................................................5
Глава 1. Рефракционные эффекты при рассеянии в солнечной
короне радиоизлучение внешнего монохроматического источника............21
1.1. Метод просвечивания околосолнечной плазмы радиоизлучением
с борта космического аппарата...................................21
1.2. Развитие метода просвечивания короны на случай формирования регулярных каустик :.................................................29
1.2.1. Лучевая картина распространения радиоизлучения в солнечной короне.................................................29
1.2.2. Применение интегральных представлений для расчета статистических моментов радиоизлучения, рассеянного корональной турбулентностью......................................35
1.2.3. Энергетический спектр радиоизлучения в окрестности границы каустической тени Солнца.................................41
1.3. Численное моделирование энергетического спектра в области каустической тени............................................ 44
1.3.1. Математическая модель турбулентных неоднородностей электронной концентрации короны..................................44
1.3.2. Результаты расчета энергетического спектра для различных положений наблюдателя в области каустической тени. ............................................ 46
1.3.3. Исследование структуры энергетического спектра
в области тени для различных параметров турбулентных неоднородностей короны....................................50
1.3.4. Исследование влияния ориентации корональиых неоднородностей на структуру энергетического
спектра в зоне тени...................................... 50
1.4. Структура энергетического спектра при просвечивании солнечной короны в присутствии транзиента.....................56
1.5. Выводы..........................................................64
Глава 2. Просвечивание корональной плазмы импульсным радиоизлучением пульсаров..............................................66
2.1. Использование дискретных радиоисточников для диагностики неоднородностей околосолнечной плазмы.........................66
2.2. Просвечивание короны импульсом пульсара при малых элонгациях..........................................................69
2.2.1. Лучевая картина распространения радиоизлучения пульсара.........................;...............................69
2.2.2. Средняя интенсивность импульса пульсара..................74
2.2.3. Асимптотические разложения для средней формы импульса пульсара. .............................................83
2.3. Возможности диагностики турбулентных неоднородностей короны по характеристикам радиоизлучения пульсара
в области каустической тени.....................................86
2.4. Выводы........................................................ 90
Глава 3. Эффекты сильной регулярной рефракции в структуре солнечного радиоизлучения в событиях со спайками.......................91
3.1. Влияние неоднородностей короны на характеристики
излучения солнечных радиоисточников.............................91
3.2. Метод расчета среднего временного профиля импульса радиоисточника, находящегося в корональной арке............. 95
3.2.1. Функция отклика на излученный 5-импульс..................95
3.2.2. Лучевая картина распространения радиоизлучения...........98
3.2.3. Статистические траекторные характеристики парциальных волн. .............................................101
3.3. Результаты расчетов среднего временного профиля отдельного радиоспайка................................................103
3.4. Сравнение результатов расчетов профилей радиоспайков
с данными наблюдений.........................................107
3.5. Выводы..................................................... 109
Глава 4. Рефракционный механизм формирования структуры солнечных декаметровых радиовсплесков ПИ типа с эхо-компонентами..............111
4.1. Особенности радиовсплесков 1Ш типа...........................111
4.2. Модель формирования всплесков ПИ типа с эхо-компонентами 113
4.3. Методика расчетов характеристик радиовсплесков, распространяющихся в короне................................116
4.4. Результаты численного моделирования характеристик радиовсплесков и их сравнение с экспериментальными данными..........................................................121
4.4.1. Параметры наблюдаемых сложных амплитудно-временных профилей декаметровых радиовсплесков ПИ типа.................121
4.4.2. Анализ результатов расчетов амплитудно-временных профилей радиовсплесков.............................................................123
4.4.3. Анализ изменений видимого положения источника радиовсплеска ..............................................135
4.5. Выводы...................................................... 137
Заключение..........................:...............................139
Литература........................................................ 142
Введение
Эффекты рассеяния радиоизлучения солнечных и удаленных космических источников в корональной плазме близки по своей природе и вызывают особый интерес у исследователей физики Солнца. Это объясняется тем, что, с одной стороны, анализируя структуру рассеянного радиоизлучения источника с известными характеристиками, можно получить информацию о свойствах и параметрах околосолнечной плазмы [1-6]. С другой стороны, полученные сведения о неоднородной структуре короны позволяют корректно и более надежно исследовать механизмы генерации и статистические характеристики собственного радиоизлучения Солнца [7-9].
В первых работах по рассеянию в солнечной короне радиоизлучения дискретных космических источников предполагалось, что эффект регулярной рефракции незначителен и маскируется более сильным - рассеянием [10], либо считалось, что регулярная рефракция приводит лишь к смещению эффективного центра излучения источника [11]. Дальнейшие исследования показали [12, 13], что при просвечивании короны в случае, когда источник находится на малых угловых расстояниях от Солнца (при малых элонгациях), наблюдатель может оказаться вблизи регулярной каустики, возникающей вследствие сильной регулярной рефракции радиоизлучения в короне. В этих условиях возможны не только значительные количественные изменения характеристик рассеянного радиоизлучения, но и качественные искажения его структуры. Всесторонний анализ структуры рассеянного радиоизлучения в окрестности регулярной каустики представляется важным, так как эффект разрушения каустики под влиянием турбулентных неоднородностей короны содержит необходимую информацию об их параметрах. Вместе с тем, при использовании дискретных космических радиоисточников для диагностики корональной турбулентности возникают существенные ограничения, связанные с низкой когерентностью и с пространственной протяженностью этих
источников. Вследствие частичного усреднения флуктуаций радиоизлучения теряется его информативность, что затрудняет решение обратной задачи по определению параметров корональных неоднородностей. В связи с этим, для диагностики неоднородной структуры короны в присутствии регулярной каустики могут оказаться полезными когерентное радиоизлучение с борта космического аппарата и радиоизлучение пульсаров, которые являются практически точечными импульсными источниками.
Значительный интерес представляет исследование влияния эффектов сильной регулярной рефракции на рассеяние в короне радиоизлучения солнечных источников. В окрестности таких источников могут существовать различные крупномасштабные регулярные неоднородности электронной плотности (корональные арки, стримеры и др.), которые могут приводить к образованию регулярных каустик и множественности путей распространения радиоволн. Возникающие рефракционные эффекты необходимо учитывать при анализе структуры наблюдаемых всплесков радиоизлучения, что дает возможность более надежно изучить механизм их генерации в источнике.
Одним из типов всплесков радиоизлучения Солнца, механизм генерации которых окончательно не установлен, являются солнечные миллисекундные спайки. Спайки представляют собой узкополосные всплески интенсивности радиоизлучения с длительностью менее 1 с и наблюдаются в различных диапазонах длин волн: от сантиметрового до декаметрового [14, 15]. Значительный интерес исследователей к явлению радиоспайков связан, прежде всего, с представлением о фрагментации энерговыделения во время солнечной вспышки. При этом отдельный спайк рассматривается как элементарная солнечная микровсиышка. В последние годы по спайкам накоплен богатый экспериментальный материал и достигнут значительный прогресс в теории спайков [15]. Тем не менее, вопрос о происхождении спайков окончательно не решен. Одна из трудностей состоит в том, что в полной мере не ясно какое влияние может оказать неоднородная среда распространения, т.е.
солнечная корона, на наблюдаемые характеристики радиоспайков. При теоретическом рассмотрении эффектов распространения обычно предполагается, что солнечная корона сферически-симметрична, влияние регулярной рефракции пренебрежимо мало, а характеристики спайков определяются рассеянием и дифракцией радиоизлучения на турбулентных корональных неоднородностях [8, 9]. С другой стороны, генерация радиоспайков может происходить на локальной ленгмюровской частоте и ее гармониках. При таком механизме генерации, во избежание сильного поглощения радиоизлучения, необходимо полагать наличие значительных градиентов электронной плотности в окрестности источников [16]. В частности, радиоспайки могут генерироваться в высоких корональных арках [17]. В этом случае существенным может оказаться не только рассеяние, но и сильная регулярная рефракция радиоизлучения в арочной структуре.
Сильная регулярная рефракция может играть важную роль и при формировании других типов солнечных радиовсплесков. В результате многолетних наблюдений, проведенных на радиотелескопе УТР-2, было установлено [18], что декаметровые радиовсплески ПИ типа генерируются на второй гармонике локальной плазменной частоты короны и могут сопровождаться формированием эхо-компонент с задержками более 3 с. При этом положения видимых источников первоначального всплеска и его эхо-компонент обычно не совпадали и могли быть разнесены на расстояния, соизмеримые с оптическим диаметром Солнца. На основе полученных экспериментальных данных было высказано предположение [19, 20], что эхо-сигнал формируется вследствие сильной регулярной рефракции радиоизлучения на крупномасштабных регулярных структурах электронной плотности, находящихся на высотах средней короны. Эти корональные образования препятствуют свободному выходу радиоизлучения стационарного компактного и изначально моноим-пульсного источника по направлению к Земле, способствуя тем самым возникновению всплеска с наблюдаемыми временными и пространственными
характеристиками. Для выяснения возможного рефракционного механизма формирования всплесков Hid типа с эхо-компонентами важно провести математическое моделирование среднего временного профиля декаметрового радиоимпульса, прошедшего через неоднородную солнечную корону, с учетом рассеяния на турбулентных неоднородностях и сильной регулярной рефракции на крупномасштабных неоднородностях электронной плотности.
Цель работы
Теоретическое исследование и математическое моделирование совместного влияния эффектов рассеяния и сильной регулярной рефракции на формирование структуры радиоизлучения солнечных и удаленных космических источников при просвечивании турбулентной корональной плазмы.
Научная новизна
1. Впервые получено интегральное представление для энергетического спектра монохроматического радиоизлучения, рассеянного солнечной короной, при ее просвечивании с борта космического аппарата при малых элонгациях. Данные измерений структуры энергетического спектра в области каустической тени, образующейся вследствие влияния регулярной составляющей электронной плотности короны, предложено использовать для диагностики корональной турбулентности.
2. Впервые для исследования турбулентной структуры околосолнечной плазмы предложено использовать радиоизлучение пульсаров при их затмении солнечной короной в присутствии каустической особенности. Получено асимптотическое выражение для средней интенсивности импульса пульсара в области каустической тени, где отсутствует интерференция прямого и отраженного от Солнца лучей. Предложена и разработана методика определения интенсивности турбулентных неоднородностей ко-
роны по изменению средней интенсивности импульса пульсара в области тени.
3. На основе интегрального представления поля в форме интерференционного интеграла впервые при интерпретации наблюдаемых многокомпонентных временных профилей солнечных спайков исследован механизм формирования структуры спайков за счет рассеяния радиоизлучения на корональной турбулентности и сильной регулярной рефракции на крупномасштабной арочной структуре в окрестности источника.
4. Впервые с помощью математического моделирования исследована совместная роль крупномасштабных регулярных неоднородностей электронной плотности короны и ее турбулентной составляющей при формировании солнечных радиовсплесков типа ПИ с эхо-компонентами.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обеспечивается адекватным использованием математического аппарата, совпадением аналитических результатов в предельных частных случаях с результатами, известными из литературы, использованием для численного моделирования хорошо апробированных методов и численных схем расчета.
Научная и практическая значимость
Проведенное теоретическое исследование показывает, что при анализе данных наблюдений структуры радиоизлучения солнечных источников необходим учет явления сильной регулярной рефракции, связанного с присутствием в короне крупномасштабных неоднородностей электронной плотности. Поэтому для правильной интерпретации структуры радиоизлучения необходимо проводить анализ данных наблюдений крупномасштабной структуры солнечной короны (стримеры, корональные арки, транзиенты и т.д.). Тем самым будут созданы условия для более корректного исследования механизмов генерации радиоизлучения, вызванного физическими процессами,
протекающими в самом радиоисточнике. Предложенный способ расширения диагностических возможностей классического метода просвечивания солнечной короны с использованием информации о статистических моментах радиоизлучения космических аппаратов и пульсаров в области каустической тени позволяет получить дополнительные сведения о турбулентной структуре нижней и средней короны. Полученные результаты могут быть использованы при изучении связей радиовсплесков, солнечных вспышек и тонкой структуры корональной плазмы, а также при разработке методов прогнозирования солнечных вспышек на основе мониторинга неоднородной структуры короны с помощью средств наземного и космического базирования. Результаты, касающиеся искажений энергетического спектра радиоизлучения в условиях множественности путей распространения и формирования регулярных каустик, применимы для исследования структуры крупномасштабных плазменных образований сверхкороны, пересекающих трассу наблюдений и способных оказать существенное воздействие на состояние солнечно-земных связей.
Личный вклад автора заключается в участии совместно с научным руководителем в постановке задач, анализе и интерпретации полученных результатов. Автору лично принадлежит вывод основных теоретических зависимостей, разработка алгоритмов и компьютерных программ расчета. Им также проведены все численные эксперименты.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:
• International Colloquium "Scattering and Scintillation in Radio Astronomy",
Pushchino, 2006;
11
• IAU Symposium No. 223 "Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity", St.-Petersburg, 2004;
• Всероссийской астрономической конференции (ВАК-2004) "Горизонты Вселенной", Москва, 2004;
• Международной конференции "Солнечно-земная физика", Иркутск, 2004;
• XXI Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн, Йошкар-Ола, 2005;
• Девятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Красноярск,. 2003;
• Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Москва, 2004;
• V Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике "Гелио- и геофизические исследования", Иркутск, 2002;
• VI Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике "Волновые процессы в проблеме космической погоды", Иркутск, 2003;
• VII Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике "Взаимодействие полей и излучения с веществом", Иркутск, 2004;
• VIII Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике "Астрофизика и физика околоземного космического пространства", Иркутск, 2005;
• IX Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике "Физические процессы в космосе и околоземной среде", Иркутск, 2006,
а также на научных семинарах в ИСЗФ СО РАН.
12
Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, использовались при выполнении исследований по проектам, поддержанным грантами РФФИ № 03-02-16229, № 04-02-39003, № 06-02-16295, грантом "Ведущие научные школы Российской Федерации" НШ-477.2003.2, а также грантом поддержки молодых ученых им. М.А. Лаврентьева.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Результаты математического моделирования энергетического спектра монохроматического радиоизлучения в области каустической тени, образующейся при просвечивании короны с космического аппарата при малых элонгациях. Выявленная значительная зависимость характеристик спектра от параметров турбулентных корональных неоднородностей открывает новые возможности для их диагностики.
2. Методика оценки интенсивности турбулентных неоднородностей электронной плотности по данным об изменениях энергии импульса пульсара в области каустической тени, образующейся при просвечивании короны. В отличие от случая больших элонгаций определение интенсивности корональных неоднородностей возможно в условиях, когда импульс пульсара сильно уширен за счет флуктуаций межзвездной плазмы.
3. Интерпретация многокомпонентных временных профилей солнечных миллисекундных радиоспайков из источника в высокой корональной арке, основанная на результатах моделирования рассеяния излучения на корональной турбулентности в условиях сильной регулярной рефракции в арочной структуре.
4. Механизм формирования наблюдаемых эхо-компонент солнечных дека-метровых радиовсплесков ПИ типа с задержками более 3 с за счет образования дополнительных мод распространения излучения моноимпульс-ного источника в рефракционном волноводе, возникающем между регу-
13
лярной крупномасштабной неоднородностью электронной плотности и глубинными уровнями короны.
Структу ра и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 140 наименований. Общий объем диссертации 156 страниц, включая 4 таблицы и 37 рисунков.
Краткое содержание работы
Во введении дана общая характеристика работы, обсуждается актуальность темы исследований, формулируется цель работы, отмечается новизна, научная и практическая значимость полученных результатов. Приведено краткое содержание диссертации и перечислены положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена развитию метода просвечивания солнечной короны монохроматическим радиоизлучением с борта космического аппарата на случай формирования регулярных каустик. Значительное внимание в данной главе уделено анализу эффектов сильной регулярной рефракции в структуре радиоизлучения, рассеянного корональными неоднородностями.
В параграфе 1.1 сделан краткий обзор результатов применения классического метода просвечивания короны радиоизлучением с борта космического аппарата для исследования корональных неоднородностей.
В п. 1.2 обсуждаются границы применимости метода просвечивания короны, основанного на лучевом приближении, и предложена возможность их расширения за счет использования интегральных представлений для расчета статистических моментов радиоизлучения в присутствии регулярных каустик. С помощью метода интерференционного интеграла получены асимптотические интегральные представления для функции временной когерентности и энергетического спектра радиоизлучения в окрестности регулярной