Введение к работе
Актуальность темы
Исследования волновых и колебательных процессов в солнечной атмосфере, проводимые в различных частотных диапазонах, дают возможность глубоко изучать физические параметры, пространственную структуру и динамику активных областей, которая включает в себя такие мощные энергетические процессы, как вспышки и корональные выбросы массы, определяющие состояние межпланетного пространства и магнитосферы Земли. По этой причине исследование динамических свойств активных областей представляет не только фундаментальный, но и прикладной интерес.
Особую роль здесь играют наземные радионаблюдения в коротковолновом (миллиметровом) диапазоне, дающие уникальную возможность получать информацию о хромосфере - наименее изученном и интересном в физическом смысле слое солнечной атмосферы.
Наблюдения Солнца в миллиметровом диапазоне являются очень сложной задачей, их проведение сопряжено с большими трудностями из-за повышенных требований к антеннам радиотелескопов, особенностей приемной аппаратуры и сильного поглощения сигнала в земной атмосфере [1*, 2*]. По этим причинам существует лишь небольшое число солнечных инструментов, работающих в коротковолновом диапазоне длин волн. Данные, получаемые в миллиметровом диапазоне, как правило, неоднородны, большинство инструментов исключают возможность мониторинга источников на Солнце. Крупные радиоинтерферометры, дающее максимальное пространственное разрешение, обычно работают в сантиметровом диапазоне длин волн и заняты множеством разнообразных научных задач.
В этой связи встает задача создания системы мониторинга активных областей в миллиметровом радиодиапазоне для получения качественных,
длинных и однородных рядов данных с помощью наземных радиотелескопов.
В настоящее время организована и работает система из двух независимых, пространственно разнесенных радиотелескопов миллиметрового диапазона, с помощью которой проводятся уникальные наблюдения Солнца с хорошим пространственным и временным разрешением. Система включает в себя радиотелескоп РТ-7,5 МГТУ им. Н.Э. Баумана, расположенный в Московской области [6*] и радиотелескоп РТ-14 обсерватории Метсахови, расположенный под г. Хельсинки в Финляндии [32*]. Инструменты работают на частотах 93, 140 (3,2 мм и 2,2 мм) и 37 ГГц (8 мм), с пространственным разрешением 2,5-1,5 угловых минут и 2,4 угловых минут соответственно. Это дает возможность независимо получать радиоизображения Солнца и временные ряды вариаций плотности потока радиоизлучения от активных областей на уровне хромосферы. Такие данные являются важнейшим источником информации для изучения высотной структуры активной области, ее динамики и механизмов энерговыделения при вспышечных процессах.
Наземные коротковолновые радионаблюдения, совместно с наблюдениями на космических аппаратах, помогают уточнить существующие модели солнечной атмосферы и физическую природу активных образований.
Исследованию солнечных пятен, как наиболее мощных по энергетике частей активных областей, всегда уделялось особое внимание. Волновые и колебательные процессы в пятнах активно изучались в течение многих лет [5*]. Большая часть работ была направлена на исследование 3-5 минутных колебаний в солнечных пятнах, связанных с распространением в магнитной силовой трубке пятна магнитоакустических волн [10*, 27*, 34*]. Однако, кроме этих, относительно высокочастотных колебаний, в пятнах обнаруживаются и долгопериодические колебания с периодами от 40 минут до десятков часов [3*, 4*, 17*, 25*, 14*-16*]. Этот колебательный диапазон изучен меньше, и многие его особенности еще являются предметом дискуссий.
Природа долгопериодических колебаний солнечных пятен и механизмы, ответственные за их распространение в вышележащие слои, в частности,- в радиоисточники, связанные с пятнами, вызывает в последнее время большой интерес в свете появления новых моделей солнечного пятна, опирающихся на данные локальной гелиосейсмологии [19*, 20*, 33*].
С появлением новых данных, получаемых с высоким временным и пространственным разрешением на космических аппаратах Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), Solar Dynamics Observatory (SDO), Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) и других, стало возможным детально исследовать структуру солнечного пятна и спектр его колебаний на уровне фотосферы [28*].
По независимо полученным данным известно, что наблюдаются
долгопериодические вариации микроволнового (сантиметрового)
радиоизлучения над пятнами, имеющие периоды, близкие к тем, что наблюдаются в пятнах на фотосфере [12*, 13*, 17*]. По-видимому, эти вариации есть следствие временной модуляции физических параметров радиоисточников колебаниями магнитного поля солнечных пятен.
Для интерпретации долгопериодических колебаний солнечных пятен и вариаций интенсивности радиоисточников, связанных с ними, мы использовали в данной работе модель «мелкого пятна» [8*], согласующуюся с наблюдательными данными локальной гелиосейсмологии. Согласно этой модели, долгопериодические временные вариации магнитного поля пятна, а также поля скоростей по лучу зрения, обусловлены вертикальными смещениями пятна как целого около положения его устойчивого равновесия.
Изучение связи между долгопериодическими колебаниями солнечных пятен и временными вариациями интенсивности радиоизлучения околопятенных источников в ближайших по высоте хромосферных слоях является одной из основных задач настоящей диссертации.
Смежной и не менее интересной задачей является изучение вспышечной активности Солнца в миллиметровом радио диапазоне.
Как известно, вспышки представляют собой наиболее мощные нестационарные процессы в солнечной атмосфере. Они наблюдаются в широком диапазоне длин волн, в том числе и на миллиметрах [18*, 23*].
Однако, данные о вспышечной активности в миллиметровом радиодиапазоне получены на отдельных фиксированных частотах и являются единичными, оставляя пробелы в высокочастотном спектре излучения вспышек, что сильно осложняет его интерпретацию. Поэтому исследования физических параметров и механизмов излучения миллиметровых и субмиллиметровых (терагерцовых) солнечных всплесков становятся одной из актуальных задач современной солнечной физики.
Миллиметровые наблюдения особенно важны для интерпретации наблюдаемого спектра плотности потока радиоизлучения солнечных вспышек.
Обычно спектр плотности потока микроволнового излучения вспышки представляет собой кривую, с максимумом на частотах 5-10 ГГц и спадом в высокочастотной части [22*]. Но известны события, спектр которых не соответствует «стандартному»; в таких событиях, напротив, наблюдается усиление излучения на высоких частотах, уплощение спектра и сдвиг максимума в высокочастотную область [11*, 23*, 24*]. Подобное поведение спектра в настоящее время не имеет надежной интерпретации и механизм суб-терагерцового излучения вспышек однозначно еще не определен. Цели работы
1. Организация и проведение одновременных мониторинговых радио
наблюдений активных областей в миллиметровом диапазоне на двух
пространственно разнесенных радиотелескопах.
2. Апробация различных методик радионаблюдений активных областей для
получения длинных, высококачественных и однородных временных рядов
плотности потока радиоизлучения от активных областей в миллиметровом диапазоне.
-
Исследование корреляции между временными вариациями напряженности магнитных полей солнечных пятен и вариациями плотности потока миллиметрового радиоизлучения источников, связанных с этими пятнами.
-
Изучение влияния артефактов, которыми отягощены данные спутника SDO, на исследования вариаций напряженности магнитного поля солнечных пятен.
-
Интерпретация связи вариаций плотности потока миллиметрового излучения околопятенных радиоисточников с колебаниями магнитного поля пятен в рамках модели «мелкого» солнечного пятна.
-
Исследование спектра суб-терагерцовых солнечных всплесков. Научная и практическая значимость работы
1. Организация уникальной системы одновременных мониторинговых
наблюдений Солнца в миллиметровом радиодиапазоне дает возможность
дополнить спектр излучения спокойного Солнца и активных областей.
2. Исследование долгопериодических колебаний солнечных пятен и вариаций
параметров радиоизлучения источников, связанных с ними, позволяет уточнить
модель солнечного пятна и природу радиоизлучения активной области.
3. Одновременный анализ временных вариаций плотности потока
радиоизлучения и вариаций напряженности магнитного поля на уровне
фотосферы (в пятне) выявляет временные задержки, обусловленные распрост
ранением возмущений от фотосферы к вышележащим слоям.
-
Изучение артефактов в данных спутника SDO и их влияния на реальные колебательные процессы в пятнах поможет улучшить методики очистки данных и повысить надежность интерпретации наблюдаемых эффектов.
-
Исследование особенностей спектра излучения вспышки в миллиметровом диапазоне дает новую информацию о природе вспышечного процесса.
Научная новизна
1. Организована система одновременных мониторинговых наблюдений
радиоисточников активных областей в миллиметровом диапазоне на двух
независимых, пространственно разнесенных радиотелескопах. Отлажены
методики наблюдений, позволяющие обеспечивать достаточно высокое
качество получаемых данных.
-
Впервые одновременно получены длинные (6-12 часов) временные ряды интенсивности радиоизлучения активных областей на частотах 37 и 93 ГГц. Проведен сравнительный анализ вариаций плотности потока миллиметрового излучения околопятенных радиоисточников с вариациями напряженности магнитного поля в этих пятнах и рассчитана соответствующая корреляционная зависимость.
-
Выявлены совпадающие периоды при исследовании долгопериодических вариаций магнитного поля в тени солнечных пятен и вариаций плотности потока миллиметрового излучения радиоисточников, связанных с пятнами в интервалах от 10-20 до 300-350 минут. Дана их интерпретация в рамках модели «мелкого» пятна.
-
Показано, что артефакты, присутствующие в магнитограммах SDO (12 и 24 часа), не оказывают влияния на исследуемые периоды колебаний (3-5 часов).
5.Получены новые наблюдательные данные о вспышках на частотах 93 и 140 ГГц (на частоте 140 ГГц вспышечное явление наблюдалось впервые). На указанных суб-терагерцовых частотах в спектрах вспышек впервые был обнаружен рост излучения с частотой. Этот эффект качественно интерпретируется как следствие вспышечного энерговыделения в нижних слоях солнечной хромосферы. На защиту выносятся:
1. Результаты сопоставления одновременных радионаблюдений в миллиметровом диапазоне активных областей на двух пространственно
разнесенных радиотелескопах (длина временных рядов - 6-8 часов). Совпадение периодов вариаций плотности потока миллиметрового радиоизлучения, получаемых на разных телескопах, в интервале от 10-20 до 80-130 минут подтверждает их солнечную природу.
2. Результаты сопоставительного анализа вариаций плотности потока
миллиметрового радиоизлучения околопятенных источников на 37 ГГц и
вариаций напряженности магнитного поля в этих пятнах. Показано
существование как в пятнах, так и в радиоисточниках долгопериодических
колебаний с одинаковыми периодами в интервалах от 10-20 до 250-350 минут
(длина временных рядов радио данных - до 12 часов).
-
Обнаружение по результатам корреляционного анализа эффекта временного запаздывания долгопериодических вариаций плотности потока миллиметрового радиоизлучения по отношению к вариациям напряженности магнитного поля пятна на уровне фотосферы (15-35 минут). Эти задержки интерпретируются как время, необходимое для релаксации излучающей плазмы радиоисточника к новому состоянию равновесия при медленном, квазистатическом изменении граничных условий на уровне фотосферы, в пятне (время распространения акустической волны от источника до края пятна).
-
Обнаружение специфических особенностей суб-терагерцового спектра солнечных вспышек, выражающихся в увеличении потока миллиметрового излучения при переходе от частоты 93 ГГц к 140 ГГц.
Апробация работы
Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах , из них 4 -в рецензируемых журналах: Astronomy & Astrophysics (3), Geomagnetism and Aeronomy (1) и 5 - в трудах конференций ( кроме того, представлено 16 тезисов докладов на 16 российских и международных конференциях).
-
V. Smirnova, A. Riehokainen, V. Ryzhov, A. Zhiltsov, and J. Kallunki, Long-period oscillations of millimeter emission above sunspots, Astronomy & Astrophysics, Vol. 534, A137 (2011) DOI: 10.1051/0004-6361/201117483.
-
V. Smirnova , A. Riehokainen, A.Solov'ev, J. Kallunki, and A. Zhiltsov, Long quasi-periodic oscillations of sunspots and nearby magnetic structures, Astronomy & Astrophysics. Vol. 552, A23 (2013), DOI: 10.1051/0004-6361/201219600.
-
V. Smirnova, V. I. Efremov, L. D. Parfinenko, A. Riehokainen, and A. A. Solov'ev. Artifacts of SDO/HMI data and long-period oscillations of sunspots. Astronomy & Astrophysics 554, A121 (2013), DOI: 10.1051/0004-6361/201220825.
-
B.B. Смирнова, В.Г. Нагнибеда, В.С.Рыжов, A.B. Жильцов, A.A. Соловьев. Наблюдения суб-терагерцового радиоизлучения вспышек на радиотелескопе РТ-7,5. Geomagnetism and Aeronomy, 2013, №8,- 4 стр.
-
B.B. Смирнова , Нагнибеда ВТ., Рыжов B.C., Жильцов А.В., Riehokainen А., Kallunki J., Результаты наблюдений активных областей на Солнце в миллиметровом диапазоне на телескопах РТ-7,5 МГТУ им. Н.Э. Баумана и РТ-14 обсерватории Метсахови (Финляндия). Труды конференции «Солнечная и Солнечно-Земная Физика - 2010», СПб, Г АО РАН, 2010, с. 391-394
-
Рыжов B.C., Жильцов А.В., Смирнова В.В., Разработка и реализация различных новых методик наблюдений динамических явлений в активных областях на Солнце в миллиметровом диапазоне на телескопе РТ-7,5 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Труды конференции «Солнечная и Солнечно-Земная Физика -2010», СПб, Г АО РАН, 2010, с. 371-374
-
V.G. Nagnibeda, V.V. Smirnova, V.S. Ryzhov and A.V. Zhiltsov, J. Phys. Conf. (2013) Ser. 440 012009 DOI: 10.1088/1742-6596/440/1/012009
-
B.B. Смирнова, В.Г. Нагнибеда, A.B. Жильцов, B.C. Рыжов, Сравнительный анализ данных миллиметрового радиоизлучения вспышек, полученных на
радиотелескопе РТ-7,5 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Труды конференции «Солнечная и Солнечно-Земная Физика - 2012», СПб, Г АО РАН, 2012, с.413-416 9. В.В. Смирнова, A. Riehokainen, А.В. Жильцов, B.C. Рыжов, J. Kallunki, Долгопериодические колебания солнечных пятен и вышележащих структур Труды конференции «Солнечная и Солнечно-Земная Физика - 2012», СПб, ГАО РАН, 2012, с.417-420
Личный вклад автора
Автору принадлежит основная роль в организации совместных и
одновременных наблюдений на двух пространственно разнесенных
радиотелескопах. Данные радионаблюдений РТ-7,5, использованные в работе, частично получены непосредственно автором. Обработка всех данных в радиодиапазоне и данных SDO о напряженности магнитного поля выполнена автором. При обсуждении постановки задач, анализе и выбору физической интерпретации, подготовке совместных публикаций полученных результатов вклад автора сопоставим с вкладом других участников работ.
Структура и объем диссертации
