Введение к работе
Предметом диссертации является исследование с высоким разрешением физических параметров и свойств тонкоструктурных элементов солнечных пятен и окружающей фотосферы и взаимосвязи этих элементов со структурами более крупного масштаба, а также природы и генетической взаимосвязи фотосфсрных структур различного масштаба, и выяснение роли подфотосферной конвекции в образовании этих струїстур.
К середине 60-х годов. когда было начато данное исследование, стало очевидным, что прежние представления о магнитном поле, структуре пятен и окружающей фотосфере. основанные на наблюдениях с усредненными их характеристиками не отражают истинной, картины происходящих явлений. Развитие последующих исследований выявило значимость и необходимость изучения тонкоструктурных образований, которые являются основной ареной действия физических механизмов, а также получения из наблюдений новых данных о важнейших физических параметрах как отдельных тонкоструктурных образований, так и совокупности этих образований во всей активной облает, к тонкой структуре относят совокупность образований, имеющих горизонтальные размеры менее 1500 км. Это. прежде всего, светлые и темные образования в тени и полутени пятен, магнитные образования.вокруг пятен (факельные гранулы, магнитные узлы) и окружающая фотосферная грануляция.
Возникновение и стабильность пятна неразрывно связаны с взаимодействием конвективных-движений с магнитным полем.Поэтому пятно нельзя рассматривать как изолированное явление вне связи и взаимодействия его с окружающей фотосферой и с другими проявлениями активности
Основой работы являются разработанные автором новые методы наблюдения и измерения физических параметров- атмосферы Солнца с высоким пространственным и временным разрешением, многолетние ряды высококачественных наблюдений активных областей и окружающей фотосферы. выполненные автором на Пулковском горизонтальном солнечном телескопе АЦУ-5 и специальном астрофизическом комплексе "Памип", установленном на высоте 4330 метров ( Восточный Памир ) с уникальными атмосферными условиями, а также баллонные наблюдения Солнца в стратосферу во время полетов Советской стратосферной солнечной обсерватории.
Актуальность проблемы.
Магнитные поля, формируя и контролируя солнечную плазму.' определяют структуру и динамику многих процессов в атмосфере, перенос вещества и энергии в ней и порождают практически все явления солнечной активности. В пятнах и их окрестностях наиболее ярко проявляются основные процессы солнечной активности вообще и нестационарных явлений в частности.
Большинство проблем физики Солнца и солнечной активности связаны с исследованием тонкой структуры как самого магнитного поля, так и мелкомасштабных элементов его атмосферы, поскольку Фундаментальные процессы во зсех слоях атмосферы, сосредоточены внутри отдельных активных образований, имеющих тонкую структуру. Ввиду того, что при этом достигаются большие перепады-: . в температуре, давлении,, скорости и'в магнитном поле, их тонкая, структура во многих случаях является очень важной в общем балансе энергии. Итак, мелкомасштабные образования атмосферы играют роль универсальных кирпичиков, ! из которых'. может, формироваться наблюдаемое разнообразие структурных образований. Поэтому без детального их исследования ' нельзя долучить правильное представление о физическом- характере процессов, протекающих как в атмосфере, так и в различных подфотосферных конвективных слоях. С исследованием тонкой, структуры активных образований и . их магнитных полей, непосредственно;, связано решение ряда основных проблем физики Солнца, совершенствование прогнозов образования и эволюции активных процессов. '
Взаимодействие процессов,' происходящих ...в. конвективных слоу;х и атмосфере, осуществляется через фотопферные структуры, которые, в свою очередь, '. являются продуктом, процессов, .. протекающих в различных, как. по глубине,... так и /до физическому состоянию неустойчивых слоях конвекпюной зоны."С исследованием этих структур непосрэдственно связано"понимание процесса выноса и механизмов переноса потока вещества и энергии к : поверхности. Не зная природы наблюдаемых закономерностей образования и взаимодействия различных фотосферных.структур как: в: активных, так и в спокойных областях и их связи с физическими процессами,,;, происходящими в различных неустойчивых слоях конвективной зоны, трудно понято физику зарождения и всплытия сильных : магнитных полей и, как следствие, образования и развития ' пятен и' их
устойчивости в иерархических масштабах. Знание физики пятен и окружающей фотосферы и их взаимодействия является весьма ванным для разработки основ прогноза и теории солнечной активности.
Постановка таких исследований требовала усовершенствования солнечных инструментов, разработки новых эффективных методов наблюдения и измерения физических параметров атмосферы Солнца с высоким пространственным и временным разрешением, проведения наблюдений только в высококачественных атмосферных условиях. а также разработки' способов точной двумерной фотометрии негативов и обработки больших объемов такой информации.
Цель работы. Создание' надежной системы наблюдательных данных о тонкой структуре, пятен и окружающей фотосферы <и получение новых достоверных знаний и представлений о них. позволяющих выявить роль различных физических механизмов, лежащих в основе этих явлений.
Поставленная цель требовала решения следующих проблем:
1.Разработать и. реализовать новые эффективные методы наблюдения и измерения физических параметров тонкой структуры атмосферы Солнца, которые дают возможность получения достаточно высококачественного обширного наблюдательного материала, позволяющего исследовать двумерное поле распределения физических параметров и их высотную структуру с высоким пространственным и временным разрешением.
2; Исследовать магнитное поле, движение вещества, и тонкую структуру полутени и тени пятен, получить новые и уточнить известные данные о них. Определить свойства светлых образований в тонкой структуре полутени и тени. Изучить пространственные поля физических параметров пятна на фотосферном и хромосферном уровнях атмосферы и уст-шовить степень и форму их взаимосвязи.
3.Исследовать роль подфотосферной конвекции в образовании мезогрануляциошой и грануляционной структур фотосферы в активных и спокойных областях. Изучить влияние магнитного поля пятна на окружающую мс?зогрануляционную структуру. Исследовать свойства и природу тонкой структуры фотосферы и их изменение в малоизученных пространственных масштабах мезогранулящи.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.
1. Впервые установлено, что наблюдаемая напряженность магнитного поля в светлых волокнах полутени пятен всего па і00
- 400 Гс слабее, чем в темных, гдз наблюдается преимущественная, концентрация сильного поля напряженностью до 1700-1900 Гс вблизи внутренней границы полутени. ' Определен угол между направлением вектора поля и поверхностью фотосферы в полутени, который составляем =11 вблизи внешней границы полутени.
-
Установлено, что эвершедовское движение вещества в полутени сосредоточено так же,как и магнитное поле,, в ее темных, волокнах;' движение направлено под очень небольшим углом в «4 к поверхности фотосферы.
-
Впервые установлено важнейшее свойство светлых мостов тени пятен, лежащее в основе их образования: напряженность поля в них ниже, чем в соседних участках ;ЛВ>300 Гс). Показано, что мосты, являясь неотъемлемой частью тонкой структуры,порождающей их тени, тесно связаны с процессом перестройки и постепенного расщепления ее магнитного поля.: "
-
Показано существенное различие физических процессов, протекающих в различных тонкоструктурных элементах полутени и тени, наличие их связи с динамическими явлениями в пятнах и определяющая'роль темных образований и их тонкой структуры.
-
Выявлено, что тонкая структура фотосфернсто поля имеет свое продолжение в верхних хромосферних слоях тени пятна.
-
Получены наблюдательные обоснования . концепции автора об образовании наблюдаемой грануляционной структуры в виде вторичного явления по отношению к более глубинным образованиям мезогрануляции. Установлено, что большие яркие гранулы и .более темные межгранульные промежутки: на поверхности ' фотосферы преимущественно распределены анизотропно,и представляют собой организованную ячеистую мезогранулящюнную структуру фотосферы с соответственно чередующимися подъемами горячего и опусканиями холодного вещества, порождаемую конвективным водородным режимом при определяющей роли гелиевого режима.
-
Супергрануляционная,мезоірануляционная и грануляционная структуры фотосферы впервые рассматриваются как генетически взаимосвязанные, образованные вследствие последовательного разбиения гигантских конвективных потоков на вторичные потоки со следующим характерным масштабом, по мере их всплытия вверх к фотосфере и прохождения ими особо неустойчивых слоев НеїII, Hell и НИ конвективной зоны.
-
Впервые измерена напряженность магнитного поля в
хромосфере непосредственно в самой солнечной вспышке. - ее тонких эмиссионных узлах В ЛИНИИ Нд ( В„(На) ~ 300 Гс).
9. Обнаружено наличие тесной связи между тонкоструктурным распределением интенсивности излучения в непрерывном спектре и соответствующей напряженностью поля в тени пятен.
Научная и практическая ценность работы. Использование ее результатов.
-
Полученные новые экспериментальные данные о магнитном поле, движении вещества и структуре полутени и тени пятен важны для понимания роли тонкой .структуры в протекающих активних процессах. а также для оценки адекватности существующие теоретических моделей пятна и дальнейшего развития теорий генерации ч выхода сильных магнитных полей в атмосферу.
-
Полученные новые физические параметры тонких структур грануляции и мезогрануляции расширяют наши представления о них и позволяют лучше понять их природу, создают предпосылки для разработки физической теории фотосферных структур и построения неоднородных моделей фотосферы.
3.- Впервые обнаруженная автором ранее неизвестная атмосферная бленда Х6562.448 А в линии На может существенно повлиять на результаты измерения магнитных полей и лучевых скоростей в хромосфере по линии На как при фотографическом, так и особенно при фотоэлектрическом методах их измерения.
-
Разработанные методы наблюдения и измерения магнитных полей и лучевых скоростей существенно увеличивают возможности фотографического метода наблюдения, а их реализация позволяет производить измерения магнитных полей и лучевых скоростей движения вещества одновременно в различных линиях спектрального диапазона от На до Щ, и тем самым исследовать трехмерную тонкую структуру образований с высоким пространственным и временным разрешением и динамику изменения этой структуры.
-
Разработанные новые критерии количественных объективных оценок параметров оптических характеристик дпевнпй атмосферы важны не только для поиска и выбора наиболее оптимального места с наилучшими атмосферными условиями, но и для количественного сопоставления эффективности работы различных оптических телескопов высокого разрешения и места их установки.
-
Разработанные методы точной двумерной фотометрии, реализованные в созданном нами комплексе полуавтоматического цифрового микрофотометра, успешно применены для обработки различных наблюдательных материалов, в частности, для массового измерения контуров фраунгоферовых линий и их смещения.
-
Изобретение автора "Купол оптического телескопа" может быть использовано в двух вариантах: для зашиты солнечных телескопов от климатических воздействий и для исключения температурных неоднороднсстей, образующихся при открытом окне (щели) купола, а также для упрощения кинематики его движения.
-
Разработанная нами анаморфотная оптическая система была успешно применена в короткофокусном спектрографе телескопа комплекса "Памир". В результате в три раза ( только по одной координате -вдоль дисперсии) увеличилась его линейная дисперсия и значительно повысилась точность фотометрических и физических параметров, получаемых посредством изучения контуров линий.
-
Полученные величины смещения длины волны теллурических линий и ход этих смещений в течение дня определяют степень нестабильности нульпункга для измерения лучевых скоростей, а проведенные расчеты стабильности положения солнечных, линий в спектрографе указывают также и на их значительное смещение на фотоприемннке с изменением температуры' и атмосферного давления.
Достоверность и обоснованность полученных в работе
результатов определяются высоким качеством использованных
наблюдательных материалов, полученных с помощью нескольких
крупных оптических солнечных телескопов только в наилучших
атмосферных и внеатмосферных (стратосферных) условиях,
обеспечением высокой фотометрической и координатной точности
при обработке двумерного участка исследуемой площадки негативов
спектрограмм и фотогелиограмм, а также использованием, - в
осиовном, больших объемов информации. Разработанные методы'
наблюдения и двумерной фотометрической обработки негативов были
реализованы в аппаратуре и на практике доказали свою
жизнеспособность. Большинство новых'результатов в дальнейшем
были подтверждены независимыми исследованиями других авторов.
На эти vi другие работы автора имеется много ссылок как
отечественных, так и зарубежных исследователей. '
1. Разработанные новые эффективные методы наблюдения и
. измерения физических параметров тонкой структуры атмосферы
Солнца и их реализация.
2. Результаты исследования фотосферного эффекта Эвершеда.
магнитного поля и тонкой структуры полутени пятен:
установление концентрации эвершедовского потока движения вещества в темных волокнах и определение угла вектора этой скорости с горизонтальной поверхностью (*4);
установление концентрации сильного поля в темных волокнах ( до 1700-1900 Гс ) и определение угла вектора поля с поверхностью фотосферы («11 вблизи внешней границы полутени);
непосредственные измерения и обнаружение достаточно сильных попей в светлых волокнах ( напряженностью всего на 100-400 Гс слабее, чем в соседних темных волокнах ) и существенное отличие физических условий в них от фотосферных.
3. Результаты исследования магнитного поля и тонкой
структуры тени пятен:
обнаружение важнейшего свойства светлых мостов тени -ослабление доля в них относительно соседних участков тени: определение доли площади тени, занятой всеми яркими , теневыми точками («4%), и установление ее допустимого предела (<12%):
получение по всему пятну достоверных результатов пространственного распределения пагнитного поля и поля лучевых скоростей в верхних слоях хромосферы и вертикального градиента поля и на их основе обнаружение экспоненциального характера проникновения фотосферного магнитного поля в хромосферные слои.
4. Результаты изучения роли подфотосферной конвекции в
образовании мезогрануляционной и грануляционной структу,.
фотосферы в активных и.спокойных областях Солнца:
обнаружение как в активных, так и в спокойных областях Солнца анизотропного пространственного распределения ярких больших гранул и более темных широких межгранульных промежутков и установление квазиперчодической вариации '.параметров их конгломератов в масштабах мезогрануляции;
обнаружение изотропного пространственного распределения образований мезоструктуры и их основных параметров вдоль-поверхности фотосферы как в активной, так и в спокойной областях;
- получение новых данных, подтверждающих, что яркие гранулы и мезоструктурные явления представляют собой конвективные образования; предложение качественной модели всплывания мезогранульного конвективного потока в фотосферные слои.
5. Методы и результаты исследования всего спектра качества изображения Солнца и динамики его изменений в высокогорных условиях Памира и разработка новых количественных объективных критериев поиска и выбора наиболее оптимального места с наилучшими дневными атмосферными условиями.
Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на Симпозиуме MAC N 43 "Солнечные магнитные поля" ( Париж. 1970 ), Международном симпозиуме "Проблемы магнитных полей в космосе" ( Крым, 1976 ), Симпозиуме КАПГ "Прогнозы солнечной активности и наблюдения солнечных активных явлений" (Ленинград, 1987 ), пленумах секции "Солнце" Астрономи"еского Совета АН СССР ( Кисловодск, 1981; Киев, 1984; Алма-Ата, 1987; Ашхабад, 1990 ), Всероссийской конференции по физике Солнца ( Москва, 1995 ). семинарах Рабочей группы "Солнечные инструменты" Астросовета и Совета "Солнце - 'Земля" АН СССР (Иркутск, 1982; Киев, 1936; Ашхабад. 1988; Ленинград, 19Э0 ), научных семинарах Астрономического института АН Чехословакии, Белградской обсерватории. ГАИШ МГУ, ГАО РАН.
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 62 работах.
Личный вклад диссертанта. Из 62 работ 25 написаны в соавторстве. В работах [1,6,8] в равном соавторстве выполнены все этапы, от наблюдений до астрофизической интерпретации полеченных результатов. Все остальные совместные работы выполнены под руководством и при непосредственном участии диссертанта. Ему принадлежат постановка задач, пути и методы их решения, значительная часть работы по их реализации, анализ и формулировка выводов. Текст всех этих совместных работ написан им лично.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем работы 410 страниц, из них 275 основного печатного текста, 103 рисунка и ф-тографий, 12 таилиц. Список литературы содержит 432 наименования на 27 страницах, в том числе работ автора 67.
