Введение к работе
Актуальность.
Успехи в изучении физики солнечной активности связаны в последние де-:ятилетия с развитием инструментальной базы исследований, благодаря чему :тал возможным постоянный мониторинг Солнца в мягком и жестком рентге-ювеком излучении, в ряде линий ультрафиолетового диапазона с помощью :путников YOHKOH, SOHO, в микроволновом диапазоне на радиотелескопах с іьісоким угловым разрешением VLA, РАТАН- 600, обсерваторий Нобеяма, 4СЗФ СО РАН, а также на метровых волнах (обсерватория в Нанес). Расширена и резкое ускорение обмена данными между обсерваториями благодаря но-ісеместному внедрению сети Internet позволяют эффективно проводить между-іародньїе кооперативные программы исследований, объединяющие усилия ученых из различных обсерваторий мира на изучении конкретных явлений по шжнейшим направлениям в исследовании физики Солнца, связанным со їспьішками, выбросами корональной массы, протуберанцами, корональными шрами, волокнами и т. и.
Наблюдения на Сибирском солнечном радиотелескопе (ССРТ) на волне 5.2 см органично дополняют данные, получаемые на других крупнейших радіотелескопах мира при исследовании солнечной короны. ССРТ создавался шя изучения активных областей в атмосфере Солнца, причем по проекту пред-юлагалось, что будут уверенно обнаруживаться источники, превышающие по іркости спокойное Солнце в 10 раз и более. Однако проведенное в ходе эксплуатации инструмента снижение шумов антенной системы позволило поста-зить задачу исследования и слабоконтрастных образований в радиоизлучении Солнца, таких как темные волокна, корональные дыры, а также рентгеновские гочки. Большой интерес исследователей к этим образованиям обусловлен как необходимостью понимания физических процессов нагрева солнечной короны, эазвития и разрушения волокон, условий формирования и эволюции корональ-яых дыр и связанных с ними высокоскоростных потоков солнечного ветра, так я значительным влиянием этих образований на околоземное космическое про-:транство.
Микроволновое излучение генерируется в переходной области и нижней
короне, поэтому наблюдения в сантиметровом диапазоне длин волн могут спс собствовать успешной диагностике физических условий в волокнах и коре нальных дырах. До наблюдений на ССРТ было установлено, что в длинново^ новой части радиоизлучения (8 см - 1.87 м) корональные дыры уверенно выдс ляются на фоне спокойного Солнца как области с пониженной яркостной тем пературой, в диапазоне от 1.76 см до 8 мм они ярче спокойного Солнца, а н волне 3 мм не отличаются от спокойного Солнца. В диапазоне от 2 до 4 см С) ществовали противоречивые результаты: сообщалось как о пониженной, так повышенной яркостной температуре в корональных дырах по сравнению с спокойным Солнцем [1-4]. Эти результаты, не согласующиеся с известным моделями атмосферы [3,5], свидетельствуют о сложности и неоднозначност: процессов, происходящих вблизи іраницьі с хромосферой, а также о важност исследований корональных дыр в диапазоне волн 4-6 см, где до настоящее времени практически не было наблюдений. Не менее важной представляется : задача изучения пространственной структуры корональных дыр. Такие иссле дования могут проводиться только на инструментах с высоким двумерным уг ловым разрешением. Но крупнейший в мире интерферометр VLA из-за ограни ченного ноля зрения непригоден для исследований корональных дыр, РАТАН-600 имеет высокое угловое разрешение только по одной координате.
Для наблюдений корональных дыр в микроволновом диапазоне нсобхс димо, чтобы на получаемых изображениях уверенно регистрировались детали яркостной температурой, отличающиеся от температуры участков спокойног Солнца на (3-6)%. В то же время по проекту ССРТ уровень шумов на изобра жениях составлял 6000 К или около 40% от уровня спокойного Солнца. Поэте му достижение необходимой чувствительности потребовало оснащения инст румента малошумящими усилителями, значительного улучшения настройки ан тенной системы, а также применения методов накопления сигналов при по строении изображений.
Значительный интерес представляет и исследование микроволнового из лучения ярких корональных точек, наблюдения которых доступны только инсі рументам с высоким угловым разрешением и достаточной чувствительностью: поэтому до сих пор эпизодически проводились, в основном, на крупнейшем ра диотелескопе VLA на волнах 6 и 20 см [6-9]. Было отмечено, что корональны точки имеют сложную структуру, которая непрерывно изменяется с периодам
около 2 мин., что время жизни точек, в основном, меньше 30 мин., а яркостная температура их отличается от температуры спокойного Солнца не более чем в 3-4 раза. В то же время из этих наблюдений, а также из наблюдений на волне 1.76 см, проведенных Кунду, Шибасаки и др. на радиогелиографе обсерватории Нобеяма [10], следует, что точного соответствия корональных точек на разных длинах волн нет. Наряду со случаями точного совпадения, существуют точки, видимые на одной длине волны и отсутствующие в другой. Это обстоятельство может отражать реальные особенности высотной структуры ярких корональных точек, но может быть обусловлено и несовпадением наблюдений по времени, и различием в свойствах этих образований. Выяснение этих обстоятельств шест большое значение для понимания физической природы ярких корональных гочек.
Цель работы.
Целью настоящей работы является создание комплекса аппаратурно-ірограммньгх средств, обеспечивающих картографирование на ССРТ слабо-сонтрастных образований в микроволновом излучении Солнца, и получение на )той основе новых данных о микроволновом излучении корональных дыр и яр-сих корональных точек.
ССРТ представляет собой крестообразный интерферометр, сооруженный і урочище Бадар в 220 км к югу от Иркутска. Он состоит из 256 параболиче-жих антенн диаметром 2.5 м, расположенных с шагом 4.9 м по направлениям юсток-запад и север-юг. При работе в корреляционном режиме ССРТ обладает карандашной" диаграммой направленности с угловыми размерами до 21". Рормирование изображения Солнца в этом режиме производится за счет дис-:ретного сканирования луча по высоте путем организации многочастотного гриема и непрерывного сканирования по траектории движения центра солнеч-юго диска вследствие вращения Земли. В ССРТ используется два приемника: 80-канальный, построенный на аналоговых фильтрах, и акустооптический, шело каналов у которого с 1999 г. равно 500; Инструмент позволяет получать (вумерные изображения Солнца и одновременно проводить наблюдения на отельных линейных интерферометрах с временным разрешением до 14 мсек.
После ввода в эксплуатацию в 1984 году на радиотелескопе непрерывно іроводилось обновление оборудования для улучшения характеристик инструмента. Установленные на выходе групп антенн усилители на туннельных дио-
дах. с шумовой температурой 2000 в 1986 г. были заменены транзисторными с температурой 700. В 1999 г. им на смену пришли современные усилители с шумовой температурой 60. Эти изменения и ряд других технических доработок позволили значительно расширить наблюдательные возможности инструмента. Автор принимал непосредственное участие в создании ССРТ и модернизации его систем. В 1998 г. в составе авторского коллектива был удостоен премии Правительства РФ за создание ССРТ.
.,- Ключевой проблемой при создании интерферометров является обеспечение синфазности по апертуре инструмента. На ССРТ трудности в решении этой задачи обусловлены большим числом антенн и соединительных линий, а также использованием частотного сканирования. В то же время при наблюдениях слабоконтрастных образований необходима высокая точность настройки антенной системы, чтобы не допустить снижения коэффициента направленного действия (КНД) радиотелескопа из-за амплитудных и фазовых ошибок.
Возможности получения диаграммы направленности с минимальными искажениями определяются применяемыми методами измерения амплитуды и фазы по апертуре инструмента, фазовой стабильностью трактов, точностью наведения антенн, а также уровнем некорректируемых ошибок. Последний вид ошибок, к которым можно отнести неравномерность коэффициента передачи трактов в диапазоне частот, смещение положения антенных постов в пространстве и т. п., существенно ограничивает возможности настройки радиотелескопа и требует детального рассмотрения. В частности, существенное значение могут иметь флуктуации коэффициентов отражения и пропускания волноводных трактов в диапазоне частот.
Получение изображений Солнца в двумерном режиме работы ССРТ связано с решением ряда технических задач по устранению влияния на корреляционной сигнал мощных откликов от ортогональных линейных решеток инструмента, обеспечению синфазности этих решеток, а также с разработкой алгоритмов и программ получения карт.
На основании изложенного были сформулированы следующие основные задачи настоящей работы:
1. Исследование возможностей формирования диаграммы направленности ССРТ с минимальными искажениями.
-
Разработка методов измерения амплитудных и фазовых ошибок, позволяющих повысить точность настройки ССРТ.
-
Разработка технических решений и программного обеспечения для получения изображений Солнца в двумерном режиме работы ССРТ.
-
Получение новых данных о микроволновом излучении ярких корональных точек.
-
Исследование микроволнового излучения корональных дыр по данным наблюдений на ССРТ.
Научная новизна работы.
-
Теоретически и экспериментально исследованы источники фазовых и амплитудных ошибок по апертуре многоэлементных интерферометров. При этом определены статистические характеристики коэффициента отражения, модуля и фазы коэффициента пропускания трактов СВЧ- диапазона, учитывающие затухание сигнала на неоднородностях тракта. Проведены экспериментальные исследования фазовой стабильности волноводных трактов.
-
Разработан и исследован ряд новых методов настройки многоэлементных интерферометров.
-
Разработана схема перемножения сигналов линейных интерферометров с помощью двух фазовых модуляторов в корреляционном режиме работы радиотелескопа.
-
Разработаны алгоритм и пакет программ построения на ССРТ двумерных изображений Солнца, обеспечена возможность регулярных наблюдений слабоконтрастных образований в короне Солнца.
-
На основе большого числа наблюдений проведено исследование микроволнового излучения ярких корональных точек. По результатам одновременных наблюдений на ССРТ и радиогслиографе обсерватории Нобсяма выяснены причины частого отсутствия "партнеров" на волнах 5.2 и 1.76 см, получено подтверждение механизма генерации микроволнового излучения корональных точек.
6. Впервые проведены наблюдения пространственной структуры коро
нальных дыр на волне 5.2 см. По данным наблюдений на ССРТ и NoRH и на
основании модельных расчетов исследованы особенности проявления коро
нальных дыр в микроволновом излучении.
Предложенные в работе методы и устройства защищены 9 авторскими свидетельствами СССР об изобретении.
Научная и практическая ценность работы.
1. Создан комплекс аппаратурно-программных средств, позволяющий проводить оперативную диагностику состояния антенно-фидерной системы и получать высококачественный наблюдательный материал в двумерном режиме работы ССРТ. Расширены наблюдательные возможности, повышена эффективность работы радиотелескопа.
2. Получены новые результаты в исследовании микроволнового излучения ярких корональных точек, обнаружена новая закономерность в распределении температур но высоте в корональных дырах, предложено объяснение особенностей проявления корональных дыр в диапазоне длин волн 2-5 см.
Результаты исследований были использованы в ряде НИР, выполненных по заказам ЦНИИ "Комета" и НИИДАР.
Апробация.
Основные вопросы и научные положения по теме диссертации были доложены на ряде конференций по радиоастрономии (Горький, 1972, Пущино, 1975, Ереван, 1978, 1982, Иркутск, 1986, Ереван, 1989, Санкт-Петербург, 1995, 1997), Международной конференции по солнечной физике (Троицк Моск. обл., 1999), IV Всесоюзной научно-технической конференции по антеннам и фидерным трактам для радиосвязи, радиовещания и телевидения (Москва, 1977), XXVII] Московской международной конференции по теории и технике антенн (Москва. 1998), международных совещаниях: III Regional General Assembly of IAN (Kioto, Japan, 1984), IOSO meeting on Solar Physics (Trieste, Italy.1984), CESRA Workshop (Caputh, Potsdam, Germany, 1994), на выездной сессии Антенной секции Научного совета АН СССР по проблеме "Радиоастрономия" (Иркутск 1983), на семинарах в ИСЗФ СО РАН.
Практической апробацией ряда рассматриваемых в диссертации вопросої явилось использование результатов исследований при создании и модерниза ции ССРТ.
В диссертации выносятся на защиту:
I. Создание комплекса аппаратурно-программных средств, позволяющие проводить оперативную диагностику состояния антенно-фидерной системы і
получать высококачественный наблюдательный материал в двумерном режиме работы ССРТ:
1.1. Методы и схемы измерения распределения фазы по апертуре много
элементных интерферометров:
-по источнику в ближней зоне интерферометра,
-путем измерения фазы откликов отдельных пар антенн относительно фазы первой гармоники отклика решетки во время наблюдений Солнца,
-схема, использующая разделение во времени измерений сигналов пар антенн и всей решетки,
-
Разработка и создание диагностического комплекса антенной системы, позволяющего корректировать наведение антенн и проводить измерение фазового распределения по апертуре решеток ССРТ во время штатных наблюдений.
-
Метод перемножения сигналов линейных интерферометров ССРТ с помощью двух фазовых модуляторов и пакет программ построения изображений Солнца.
II. Результаты исследования микроволнового излучения слабоконтрастных образований в короне Солнца:
-
Установлено, что наиболее вероятным механизмом излучения ярких корональных точек в широком диапазоне длин волн от 1.76 см до 20 см является тепловое тормозное излучение оптически тонкой плазмы. Основные характеристики излучения корональных точек на волне 5.2 см согласуются с данными исследований по наблюдениям на VLA и NoRH.
-
Обнаружено, что на волне 5.2 см корональные дыры проявляются как области пониженного микроволнового излучения по сравнению со спокойным Солнцем, полностью или частично совпадая с корональными дырами в ультрафиолетовом излучении. На основании модельных расчетов различие в проявлении КД объясняется различиями в электронной концентрации и температуре в разных КД или разных частях их. Влияние этих параметров особенно сильно проявляется в диапазоне длин волн 2-5 см, где в зависимости от частных значений электронной концентрации и температуры КД могут не выделяться на уровне спокойного Солнца или выделяться как области пониженной или повышенной интенсивности микроволнового излучения.
-
В результате одновременных наблюдений на волнах 5.2 см и 1.76 см (NoRH) обнаружено новое явление: в корональных дырах существуют участки,
на которых уменьшение яркостной температуры на волне 5.2 см сопровождается повышением интенсивности излучения на волне 1.76 см.
Структура и объем работы.
