Исследование пятен и их проявления в атмосфере Солнца Обашев, Сакен

Введение к работе

Предметом диссертации являются исследования осік""ішх структурных элементов солнечной атмосферы: пятен, вспышек и корональних конденсаций, а также исследование специального телескопа -фотогелиографа (авторское свидетельство 315151, i97ir.) и методики учета рассеянного света. Изучается вопрос о температуре солнечной короны, стационарное состояние которой определяется мощностью потерь на излучение. Работа основана на многолетних однородных наблюдательных материалах, полученных на различных телескопах специальной солнечной обсерватории, созданной диссертантом в горах Заилийского Алатау на высоте порядка ЭООО н над уровнем моря.

Актуальность проблемы. Исследование физической природы основных структурных элементов солнечной атмосферы не теряло своей актуальности на всех этапах наблюдений Солнца. Объясняется это осознанием того, что большое количество процессов на Земле, включая физические явления, происходящие в ее атмосфере, состояние околоземного космического пространства, динамика и структура межпланетной среды в СольаеЯ степени определяются "метеорологией" солнечной атмосферы.

Явления и разнообразные процессы, наблюдаемые в различных слоях солнечной атмосферы, тесно связаны с возникновением на Солнце магнитных полюсов разной поляркости. Эти магнитны" полюса на уровне фотосферы проявляются в виде солнечных пятен и их групп. Пятно является весьма своеобразным объектом, состоящим из двух совершенно разных в физическом отношении областей - тени и полутени с достаточно резкими границами. Изучение их как атмосферного и магнитного образований остается первостепенной и важной задачей, далекой от своего окончательного решения.

-">

г? пространстве пятен и их групп в хромосфере и короне образуется довольно сложная магнитная структура разной степени упорядоченности, здесь возникают наиболее драматические события, известные как солнечные вспышки, представляющие собой мощные энергетические явления. В области солнечной короны магнитные поля групп пятен формируют целый ряд структур, определяя наблюдаемую геометрию явлений и их физическое состояние..

Исследование физической природы солнечных пятен и их особенностей необходимо не только для изучения их разнообразных проявлений в атмосфере Солнца, но и для понимания механизма их возникновения.

Солнечные пятна часто возникают группами. Пятна, образующие группы, как правило, имеют разные полярности и напряженности магнитного поля, произвольные формы и размеры, непростые взаимные расположения. Благодаря магнитному взаимодействию группа в целом обладает удивительными свойствами, которые связаны с необратимыми энергетическими потерями. При этом из активной области в течение достаточно малого интервала времени каждый раз уходит энергия 10 -10 эрг в различных каналах: в виде движений масс, потоков тепла и ускоренных частиц и излучения, в той числе в линии Н - оптические вспышки. В настоящее время не существует однозначной интерпретации этого мощного энергетичес-ого явления. Трудно точно оценить количество выделяемой при вспышке энергии в различных каналах. Поэтому наряду с теоретическими исследованиями этого явления необходимы упрощенные полуэмпирические расчеты, позволяющие проводить массовый анализ данных на основе наблюдаемых параметров солнечных вспышек ( площадь - S, длительность - Т, энергия - Е ).

Другая обширная область исследований в работе связана с изучением температурной зависимости суммарной излучательной

способности корональной плазмы по данным излучения ионов наиболее распространенных элементов (Н. Не, С, N, Nc, Mg, Si. S, Ca, Kel), а также с температурой корональной конденсации и контуром зеленой корональной линии. Указанные направления исследований остаются первостепенной и актуальной задачей физики Солнца. Эти направления развиваются на специальной солнечной обсерватории под руководством и при непосредственной участии автора диссертации, в которой подведены итоги наблюдательных и теоретических исследований за тридцатилетний период.

цель рабопы состоит в исследовании физической природы и особенностей солнечных пятен на основе высококачественного наблюдательного материала, в разработке феноменологической теории солнечных вспышек, а такає в определении температуры корональной конденсации и солнечной короны. В соответствии с целью работы возникли следующие задачи:

1) выявление новых особенностей классического „ффекта
Вильсона, их анализ и интерпретация;

1. исследование относительной интенсивности излучения пятна - фотосферы в двух областях непрерывного спектра (X.5I90 А -Х6400 А) с целью определения температуры солнечных пятен разных размеров;

2. создание феноменологической теории солнечных вспышек на основе наблюдаемых паранетров, таких как площадь светящегося объема, продолжительность и энергия. Постриение диаграмм временного ряда, образованного моментами возникновения вспышек в отдельных областях, изучение их структурных особенностей;

3. изучение температурной зависимости суммарной излучатель-ной способности высокотемпературной корональной плазмы по данным наблюдений излучения ионов наиболее распространенных элементов с целью обнаоужения устойчивой температуры солнечной короны;

5. исследование распределения интенсивности линии Л.5303А на лин бе над активными областями и влияние электрических полей на форму и пирину контура зеленой линии;

6. разработка и внедрение телескопа-фотогелиографа оригинальней конструкции и реконструкция оптической схемы Больного Внезаткенного Коронографа.

научная ноиизна. Приведенные в диссертации результаты разбивают и вскрывают новые, неизвестные ранее свойства солнечных пятен, вспышек и корональной конденсации: исследована излуча-тельная способность корональной плазмы в зависимости от температуры и определена форма контура корональной линии. Получены следующие результаты:

1. Впервые обнаружены новые закономерности в проявлении эффекта Вильсона, вьиодящие за рамки классического представления, а именно: эффект асимметричен и существует восточно-западная асимметрия; величина эффекта максимальна на восточной части диска Солнца; точка нулевого значения величины эффекта Вильсона смещена к западу. Определена глубина залегания пятна по отношению к фотосфере;

2. в результате фотометрического изучения отношения интенсивности излучения "пятно-фотосфера" на базе высококачественного однородного материала определена температура более сотни солнечных пятен разных размеров. Выявлен факт независимости температуры пятен от их размеров. Малые и большие пятна имеют одинаковую температуру, равную 4I00K ± I40K;

3. Предложена феноменологическая теория солнечных вспышек, которая позволяет выяснить характерные особенности их развития. В рамках феноменологического подхода получены различные соотношения, которые согласуются с данными наблюдений: максимальная площадь светящегося объема прямо пропорциональна продолжитель-

ности свечения, коэффициент пропорциональности есть коэффициент температуропроводииости вещества, равный 3.2 I0¹⁵ cr'vc. Полная энергия вспышек в линии Н_а пропорциональна максимальной площади в степени 3/2. Исследовано свойство временного ряда вспышек; показано, что процесс возникновения вспышек в активной области является неоднородным и в реальной структуре временного ряді существуют серии, образующие группы из нескольких вспышек (до

ДеСЯТИ);

4. Получена суммарная кривая излучения ионов тяжелых элементов, которая характеризуется не только криволинейностью, но и неоднозначностью связи ее с температурой. Обнаружены два пика излучения: один большой пик при температуре 2 І0⁵ К и второй, малый пик, при (1.5+2) 10 К, соответствующий температуре солнечной короны;

5. впервые изучено влияние электрических полей на иирину и
форму корональной линии . Показано, что форма контура
заметно отличается от гауссовоа при v_E / v_T г.о.5, особенно в
крыльях линии. Произведен расчет температуры корональной конден
сации при определенной геометрии и физических условиях с целью
объяснения распределения интенсивности линии А.5303А над актив
ными областями;

6. Разработана новая схема телескопа-фотогелиографа (на
уровне изобретения), предназначенного для получения однородного
наблюдательного материала с высоким пространственным разрешением
и проведена реконструкция оптической схемы Большого внезатмен-
ного коронографа.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что ее результаты носят как фундаментальный, так и прикладной характер, они будут использованы для разработки физической теории солнечных образований и могут быть применены на практике.

Ряд основных результатов: новый факт, установленный по эффекту Вильсона, выходящий за рамки классического представления, несет весьма важную информацию о структуре солнечного пятна; независимость температуры пятна от его размера - факт, который займет центральное место в физике солнечных пятен; впервые в ранках феноменологической теории получены различные соотношения между наблюдаемыми параметрами вспышек, в том числе выражение для полной энергии Е » S_m³/², применимость этого подхода к наблюдениям обуславливает его г.рактическую ценность; проведена оценка коэффициента теплопроводности вецества солнечных вспышек; новым вкладом также является обнаружение существования двух пиков излучения в короне; впервые предложен метод расчета распределения интенсивности линии Х5303А на лимбе над активными областями при определенной геометрии и физических параметрах корональной конденсации, а также предложен метод расчета контура корональной линии А.5303А при наличии слабого электрического поля.

Некоторые из сформулированных в диссертации положений оказались приоритетными, так как позже использовались в работах других авторов: результаты по эффекту Вильсона (Куклин Г.,ИСЗФ СО РАН; Хейна и др.,ЧССР; Голлдос М., Израиль); по вспыоечным группировкам (Огирь м.,КрАО; Якимец М., Польша; и др.). Ряд результатов диссертации использован в монографиях и обзорах: Обридко В. "Солнечные пятна и комплексы активности", U.."Наука", 1985; количественные данные феноменологической теории вспышек вошли в справочный фонд мировой науки: Аллен Г., "Астрофизические величины", 1970 г. по тэме диссертации написана монография совместно с Вильковиским Э.Я., "Физика корональных структур", Алма-Ата, "Наука", 1979 г.

.Пстоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяются привлечением большого количества высокока-

чественного однородного наблюдательного материала и анализом точности полученных данных.

На защиту выносятся положения:

4. Совокупность наблюдаемых особенностей эффекта Вильсона, выходящие за ракки классического представления: - эффект асимметричен, существует восточно-западная асимметрия, максимальное значение величины эффекта наблюдается в восточной части диска в пределах углов 40 - Є0 Е; - угол наклона оси пятна к востоку составляет 34 ± 14 Е; - тень солнечного пятна лежит ниже уроз-ня фотосферы на 818 ± 214 КМ. ;

5. Данные о контрасте солнечных пяген в двух областях непрерывного спектра, полученные на основе фотометрического изучения отношения интенсивности излучения "пятно-фотосфера", исправленного за рассеянный свет. Определена температура каждого пятна и построен график температура - размер (площадь тени пятна), который показывает, что температура солнечных пятен не зависит от их размеров и составляет в среднем 4І00К ± І40К;

6. Разработка феноменологической теории солнечных вспышек. которая позволяет изучать особенности ее развития и оценить полную энергию, коэффициент теплопроводности, имеющие больиое практическое значение.

Построение диаграмм временного ряса вспышек для отдельнкх активных областей, которые показывают, что интенсивность потока событий не постоянна во времени, и в реальной структуре временного ряда существуют серии, не зависящие от индивидуальных особенностей активных областей;

4. Установленные два типа распределения интенсивности линии
^53СШ на лимбе над активными областями, и метод расчета этого
распределения при определенной геометрии и физических параметрах
корональной конденсации.

Предложенный метод изучения влияния электрических полей на шфину и форму контура линии короны Х5303А;

5. Результаты расчета суммарной излучательной способности корональной плазмы в зависимости от температуры и характерної} особенности кривой, позволивше определить устойчивые температуры T-2-io^sK и Т=1.5-ю'к, соответствувцив температуре солнечной короны.

Апробация работы. ОСНОВНЫв результаты. Приведенные В ДИС-

сертации, проили апробацию в виде статей, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях; докладов на ряде совещании и симпозиумов всесоюзного м нондународного уровня, в том число: Консультативное совещание АН соцстрак по физике Солнца (Иркутск, 1976 г., Варшава 1979 г.), Всесоюзная скола по космофизике (Апатиты, 1986 г.), Всесоюзное совещание по физике Солнца (Самарканд, 1971 г. ), Всесоюзная конференция по физике Солнца (Кисловодск, 1980 г.), Международное совецание по ГКС (Крым,IS8I г.), Всесоюзная конференция по физике Солнца (Алма-Ата, 1987 г.); и отражались на семинарах ведущих обсерваторий СНГ: КрАО уан, сибисзФ со РАН, ГАШ ыгу, Астрономической институте АН УэССР, Астрономическом институте АН ЧССР и АФИ им. В. Г. Фесенхова НАН РК. публикации и яичный вклад автора, основные научные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в монографии и 27 работах. В работах, выполненных совместно, автору принадлежат постановка задачи, програмыы наблюдений, включая совместное обсуждение и оформление результатов в виде статей.

.. Автор принимал актиьное участие в наблюдениях, создал со своим аспирантом оригинальный телескоп - фотогелиограф (авторское свидетельство СССР & 3I5I5I, 1971г.) и осуществил реконс ;рукцию оптической системы Большого внезатменного коронографа для получения однородного наблюдательного материала

высокого качества с большим пространственный разрешением. В диссертации приведены результаты собственных исследований автора и некоторые результата совместных работ, которые были получены при определяющем или равноценно!! вкладе соискателя.

структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержит 210 страниц, включая ю таблиц, 49 рисунков и список литературы из 280 наименований.