Исследование пятен и явлений солнечной атмосферы Обашев Сакен

Введение к работе

Актуальность проблемы. Изучение явлений на Солнце не теряло своей актуальности на всех этапах развития астрофизики. Оно остаётся современным посуществу и в наше время. Объясняется это осознанием того, что большое количество глобальних явлений, происходящих на Земле, включая физические процессы, протекающие в её атмосфере, состояние околоземного космического пространства, динамика и структура межпланетной средь* в большой степени определяется "метеорологией" солнечной атмосферы.

Явления и разнообразные процессы, происходящие в различных слоях солнечной атмосферы, тесно связаны с возникновением сильных локальных магнитных полей на Солнце. Эти поля в фотосфере проявляются в виде отдельного пятна или их групп, В пространстве групп в хромосфере образуется довольно сложная магнитная структура разной степени упорядоченности. Здесь возникают наиболее драматические события всей солнечной атмосферы, известные под названием солнечные вспышки, представляющие собой мощное энергетическое явление. В области солнечной короны магнитные поля групп формируют целый ряд структур, определяя наблюдаемую геометрию явлений и их физическое состояние.

Солнечные пятна - фундаментальная структурная единица солнечной атмосферы - являются основным компонентом солнечной активности. Знание характерных особенностей, свойств и физических условий в пятнах необходимо не только для изучения разнообразных проявлений самой активности, но и для понимания механизма её возникновения.

Солнечные пятна теряют свои шщивидуальные особенности, ког-.да они возникают группами,, и пятна,образующие группы, как правило, имеют разные полярности и напряжённости магнитного Поля, разнив -,

размеры и формы, различные взаимные расположения. Такая область, состоящая из однородных образований, обладает совершенно особым свойством,и она связана с необратимыми энер готическими процессами и поддерживается, по-видимому, за счёт сброса энергии время от времени. При этом из активной области каждый раз уходит энергия порядка ІСг^зрг в различных каналах: в виде движений масс, потоков ускоренных частиц и излучения, в том числе в линии водорода Н, - оптические вспышки.

В настоящее время не существует однозначная интерпретация втого мощного энергетического явления. Поэтому наряду с теоретическими исследованиями этого явления необходимы упрощённые полу-емпирическиэ расчёты, позволяющие проводить массовый анализ данных наблюдений.

. Традиционным предметом физики Солнца является вопрос о тем-' иературе солнечной короны, стационарное состояние которой определяется мощностью потерь на излучение, теплопроводность и солнечный ветер.

Особую актуальность проблема приобретает в связи с развитием внеатмосферной астрономии, которая существенно расширила наблюдаемый диапазон электромагнитного излучения. Несмотря на то, что эти данные носят пока эпияодический характер, был открыт ряд новых явлений на Солнце и в этой области накоплен обширный научный материальна основе которого по-новому сформулированы многие задачи не только в области солнечной физики, но и в других областях знаний. Спорадические данные внеатмосферной астрономии в дальнейшем, надо полагать,.расширят возможности наземной астрономии и заложат основы новых экспериментов, которые могут быть реализованы на базе классической наземной астрономии с её богатым опытом и возможностью регулярных наблюдений.

В 1965-1969 пл автор диссертации организовал и лично руководил строительством специальной Солнечной обсерватории в горах За-илийского Алатау на высоте м.н.у.м.. Район характеризуется с достаточно хорошими астроклиыатическимя условиями: сухой обеспыленный воздух, ывтастабильная устойчивость атмосферы, большая прозрачность и малая степень дрожания. Обсерватория оснащена крупными современными солнечными телескопами. Создан специальный телескоп--фотогелиограф оригинальной конструкции -

, позволяющий получать наблюдательный материал высокого качества с большим пространственным разрешением I^й.

Обширный и однородный наблюдательный материал, полученный на различных телескопах обсерватории, послужил основой для изучения іа качественно новом уровне ряда классических задач физики солнеч-шх пятен и явлений солнечной атмосферы, происходящих в простран-!тве групп, о точки зрения повышения достоверности ранее получении результатов, а также для анализа существующих представлений. I результате получены новая и важная информация и различные соот-юшения,описывающие достаточно хорошо наблюдаемые зависимости и арактерные особенности явлений солнечной атмосферы.

Указанные направления исследований развиваются на новой спе-иальной солнечной обсерватории под научным руководством и при не-осредственном участии автора диссертации, в""которой подведены тоги наблюдательных и теоретических исследований за тридцатилетий период.

Цель работы. Основными задачами работы были следующие: . Изучение классического эффекта Бильсояа по диску Солнца на основе наблюдательного материала солнечной обсерватории. » Исследование относительной интенсивности излучения пятно-фотос» фера в Двух областях спектра JdZOOk и »/f 6400а й определение

- б -температуры пятна в зависимости от размера. Построение модели пятна

3. Разработка феноменологической теории оптических вспышек и сравнение результатов с наблюдательными данными. Изучение свойства временного ряда солнечных вспышек в активной области.

. 4. Исследование температурной зависимости суммарной излучатель-ной способности корональной плазмы по данным десяти наиболее распространённых элементов / Н,Нв,С, N , Ке, Mg, Si, S ,Са , Fe I.

5. Изучение поведения распределения интенсивности линии .//5303 на лимбе непосредственно над группами пятен и исследование влияния электрических полей на форму и ширину контура корональной линии 5303Л.

Новизна работы состоит в том, что в ней представлены новые результаты обработки наблюдений по исследованию эффекта Вильсона по диску Соянца. Наши результаты в достаточной мере оригинальны, поскольку впервые установлены закономерности в проявлении эффекта, выходящие за рамки классического представления, а именно: эффект асимметричный и наблюдается восточно-западная асимметрия : величина эффекта максимальна на восточной части диска меяду углами 40Б * 60Е ; точка нулевого эффекта смещена к западу от центра диска Солнца и, если это смещение обусловлено наклоном пятна к поверхности Солнца, то угол этот равен 34Е + 14Е, то-есть пятна наклонены к востоку. Глубина составляет в среднем 800 км + 200 км.

В.результате фотометрического изучения высококачественного однородного наблюдательного материала определена относительная интенсивность излучения пятно-фотосфера и оценена температура более сотни пятен. Обнаружено, что температура пятна/в" пределах, точности измерения/.не зависит от его размера, то-есть малые и большие пятна характеризуются одной и той же температурой, равной 4I00OK ± 140К, что приводит к "заморояенности" физических услови)

их образования. Построена магнитогидростатическая иодель пятна.

Развита феноменологическая теория оптических вспышек. Этот подход позволяет выяснить некоторые характерные особенности развития вспышек. Кривые изменения яркости и площади светящегося объема имеют ярко выраженную асимметрию, характеризующуюся относительно крутым подъёмом и более медленным спадом в фазе угасания. Точка максимума яркости несколько опережает точку максимума площади по фазе. В рамках такого подхода получены новые соотношения, указывающие на существование определённых связей между различными наблюдаемыми параметрами оптических вспышек. В частности, впервые получено выражение для полной энергии оптических вспышек, которая определяется максимальной площадькі в степени 5/2.

Изучено свойство^ временного ряда, образованного моментами возникновения вспышек в активной области и его структурные особенности. Установлено, что процесс не является однородным по времени и в реальной структуре временного ряда существуют серии.

Сравнительно новой является также методика расчёта удельной мощности потерь анергии корональной плазмы, как функции параметров Ті и Т Обращает на себя внимание немонотонность суммарной функции охлаждения/при радиационной потере/корональной плазмы от температуры.Впервые показано, что излучатальная способность имеет высокий пик при 2-Ш К и второй меньший максимум при І0⁶ К, соответствующий стационарной температуре короны.Полученная суммарная функция охлаждения была использована для анализа уравнения теплового баланса при различных поведениях мощности нагрева.

Впервые неучено влияние электрических полей на ширину и форму эмиссионной корональной линии U5303A и произведён расчёт контура линии в предположении слабого электрического поля.Показано,; что фор-

- О -

иа контура заметно отличается от гауссовой при V* / v - 0.S , особенно в крыльях линии.

При изучении вопроса распределения интенсивности излучения ко-л о роны в линии Л5303А на лимбе непосредственно над активными областями обнаружены два типа распределения: в первом случае имеет место максимум интенсивности излучения, во втором - наоборот, наблюдается её ослабление. Произведён расчёт при определённой геометрии и физических условиях корональной конденсации и показано, two различие обусловлено температурой ядра конденсации.

Научная и практическая ценность работы заключается прежде всего в обнаружении новых закономерностей в проявлении эффекта Вильсона, который в течение более 200 лет использовался исследователями прошлых и текущих столетий в рамках классического представления "/симметричный эффект/. Эффект, как показано, асимметричный, и этот новый факт даёт возможность оценить угол наклона пятна к поверхности Солнца, что несёт весьма важную информацию.

В работе на основе фотометрической обработки большого объёма высококачественного однородного материала, полученного в двух участках спектра с высоким пространственным разрешением, определены Температуры более сотни пятен и установлено,, что температуры пятен не зависят от их размеров - факт, который займёт центральное место в физике солнечных пятен.

Предложен феноменологический подход изучения оптических вспышек и й рамках подхода впервые получено выражение для полной анергии оптических вспышек, то-есть Є «-о Sf/² /максимальная площадь светящегося объёма/. Применимость этого подхода к наблюдениям обуславливает его практическое значение.

Построена достаточно точная функциональная зависимость полной излучательной способности короны от температуры. Новым вкла-

і дои также является расчёт контура корональной линии «Л5303А в предположении действия слабого электрического поля. Это новый метод изучения формы контура корональной линии с целью поиска электрического поля в солнечной короне.

Установленные Факты, закономерности и предложенная простая методика интерпретации наблюдений используются при изучении различных вопросов физики солнечных пятен и явлений солнечной атмосферы, а также при массовой обработке данных наблвдений в текущей работе. В частности, данные монографии автора и Вильковиского Э.Я. "Физика корональных структур", изд."Наука",Алма-Ата,1979г. применяются при изучении высокотемпературной плазмы ; ряд результатов фигурирует в справочнике Аллена "Астрофизические величины", в монографии В.Обридко "Солнечные пятна и комплекс активности". —

Апробация. По теме диссертации опубликована одна монография, 24 статьи в отечественных и зарубежных изданиях и получено одно авторское свидетельство СССР на конструкцию телескопа-фотогелиографа.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных и Международных совещаниях и конференциях: Консультативное совещание АН соцстран по физике Солнца /Иркутск 1976ц, Варшава 1979г./,Всесоюзная школа по космофизике /Апатиты 1986г./.Всесоюзное совещание по физике Солнца /Самарканд 1971г./.Всесоюзная- конференция по физике Солнца/Кисловодск 1980г./, Международное совещание по ГМС /Крым 1981г./, Всесоюзная конференция по физике Солнца /Алма - Ата 1987г./ и отражались на семинарах ведущих обсерваторий СССР: КрАО АН СССР, СибИЗМИР СО АН СССР, ГАИШ МГУ,Астрономический институт АН УзССР, Астрономический институт АН ЧССР и АФИ им.В.Г.Фесенкова АН КазССР.

Вклад автора в круг исследований, Диссертант является.науч-

ним руководителем и организатором научной деятельности новой Солнечной обсерватории, созданной самим диссертантом. В диссертации использованы результаты собственных работ автора, а также результаты работ, выполненных совместно с сотрудниками отдела /Э.Я.Вильковис-кий, Р.Х.Гайнуллина/ и аспирантами диссерганта /Г.М.Минасянц, Т.М. Минасянц/. Личное участие соискателя в совместных работах заключалось в формулировке задачи исследования, в разработке методики и получении наблюдательного материала, в анализе результатов и в оформлений работы в віще статьи. На собственном наблюдательном материло обсерватории соискателем подготовлены пять кандидатов наук, которые активно работают в данной области науки.

Структура и объём диссертации.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 242 страниц, куда включена 58 рисунков и II таблиц. Библиография охватывает 303 наименований, в том числе 47 работ автора

Основные позиции работы, которые выносятся на защиту:'

1. Результаты количественного изучения эффекта Вильсона на различных частях диска Солнца и установленные впервые закономерности, выходящие за рамки классического представления: эффект асимметричный и пятна наклонены к востоку /против вращения Солнца/.

2. Результаты массового измерения интенсквностей излучения пятно--фотосфера в двух областях спектра Л45190А,«Й6400А/, указывающие на независимость температуры пятен от их размеров.

3. Предложенную феноменологическую теория оптических вспышек

и выведенные простые соотноиения, указывающие на существование определённых связей мевду различными наблюдаемыми параметрами и позволяющие оценить их общую энергию по максимальной площади светящегося объека.. Факт о том, что процесс возникновения вспышек в актив-^йоЯ области является неоднородным по времени и в реальной структуре

- II -

вреиекного ряда существуют серии, которые гфояшіяюгся независимо от индивидуальных особенностей активной области.

4. Результаты расчёта суммарной излучатзльной способности коро-нальной плазмы в зависимости от температуры и характерные особенное ти кривой излучательной способности, позволившей на.йти устойчивые температуры / Т_в*2Ю^5оК и T_e ~ 1.5 Ю^б К /.

5. Установленные два типа распределения интенсивности излучения

, о линии короны Л 5303А на лимбе непосредственно над активными областями и расчёты профиля распределения интенсивности излучения при определённой геометрии и физических параметрах корональной конденсации.

6. Расчёт влияния электрических полей на ширину и форму контура эмиссионной линии короны «453Q3A. Это новый самостоятельный метод обнаружения электрического поля в короне по ферме контура эмиссионной линии.

7. Создание новой специальной солнечной обсерватории на высоте 3000 м.н.у.м. .благодаря которой стали возможными сбор и накопление наблюдательных материалов, послуживших основой как данного исследования, так и для дальнейшего развития солнечных исследований в республике. Конструктивные особенности телескопа-фотогелиографа