Введение к работе
з
Актуальность
Интерес к исследованию процессов солнечной активности связан как с растущими требованиями к прогнозу геоэффективных явлений, так и с рядом фундаментальных задач физики плазмы, поскольку атмосфера Солнца, после магнитосферы Земли, — ближайшая природная лаборатория, позволяющая изучать в естественных условиях недоступные лабораторным исследованиям явления, происходящие на звездах.
Процессы солнечной активности, порождаемые выходом глубинных магнитных полей, разыгрываются в солнечной короне в чрезвычайно широком диапазоне временных и пространственных масштабов. Солнечные вспышки — одно из наиболее мощных проявлений солнечной активности, значимых для геофизических процессов. Выяснение природы вспышек является одной из важнейших и актуальных задач солнечной физики в течение ряда лет. Прогресс в этой области сулит также понимание широкого круга явлений в космической плазме, в лабораторных установках термоядерного синтеза, создание падежного прогноза радиационной обстановки в околоземном просіранстве и геофизической обстановки на Земле.
Радиопаблюденияпозволяюг изучать корональныеявления на фоне солнечного диска, сущест венно дополняя и обогащая данные рентгеновских наблюдений. Они обеспечивают измерения тепловой и нетепловой компонент плазмы в спокойных и возмущенных условиях в короне. вплоть до выбросов короиалыюй массы. Радиоастрономичеекпе наблюдения позволяют измерять корональные магнитные поля, дают возможность диагностики температуры и параметров электронов высоких энергий: это один из наиболее чувствительных методов для энергий более 100 кэВ и почти единственный метод изучения источников ускорения частиц и выделения энергии во внешней короне.
О существовании тонкой временной структуры в радиоизлучении вспышек известно в течение нескольких десятилетий. Субсекундиые
импульсы излучения (ССИ) наблюдаются во всех диапазонах радиоизлучения вспышек. Вспышки с тонкой временной структурой представляют особый интерес, так как ССИ, вследствие их корреляции в ряде случаев с жестким рентгеновским излучением, связываются с процессами первичного энерговыделения и ускорения электронов1-2; выяснение же механизмов первичного вспышечного энерговыделения привело бы к существенному прогрессу в понимании природы солнечных вспышек. Проблема тонких временных структур связана также с проблемой фрагментации вспышечного энерговыделения3.
Ключевую роль при интерпретации вспышечного процесса играют магнитные поля активных областей и их конфигурация. Величина магнитного поля в области генерации ССИ может быть определяющей при отождествлении механизма излучения ССИ. Этими обстоятельствами определяется необходимость исследований вспышечных процессов с высоким пространственным и временным разрешением. Изучение тонкой пространственно-временной структуры микроволнового излучения может также стать перспективным методом исследования пространственной структуры вспышечных областей и плазменных процессов, так как импульсы излучения кратковременны и предполагается, что их источники очень компактны: косвенные оценки размеров источников ССИ по данным дециметрового диапазона дают ~ 10"... 103 км.
К началу настоящего исследования основной экспериментальный материал был получен в наблюдениях метрового и дециметрового диапазонов без пространственного разрешения. Было установлено, что частота появления ССИ снижается с укорочением длины волны излучения. Тем не менее, в сантиметровом диапазоне ССИ также наблюдались4,5"6'7. Для объяснения генерации ССИ дециметрового диапазона наиболее популярна и разработана модель электронного циклотронного мазе-ра8,9.іо,і 1,12,2 д^ его реалИзацИИ требуются, наряду с неравновесным распределением электронов по скоростям (формированием конуса потерь), высокие значения напряженности магнитного поля и плотности
плазмы, что предполагает генерацию излучения в основаниях магнитных петель. Поляризация близка к 100%, излучение узкополосно (ЛоУох 3%). Экстраполяция этих характеристик ССИ в микроволновый диапазон приводит к оценке их длительности в несколько миллисекунд. Предложен также плазменный механизм генерации ССИ13"1. И в этом случае требуются высокие значения плотности плазмы. Возможно, что излучение также может быть довольно узкополосным.
О характеристиках и происхождении ССИ в микроволновом диапазоне имелись весьма ограниченные сведения; морфология микроволновых ССИ не была изучена. Связь источников ССИ со вспышечными активными областями не была доказана. До настоящего времени природа излучения ССИ до конца не выяснена, ни одна из современных теоретических моделей не стала общепринятой, и вопрос об их интерпретации остается открытым. К началу настоящего исследования (и до настоящего времени, помимо наших работ) были известны лишь единичные сообщения о наблюдениях ССИ с пространственным разрешением14,11'6. Адекватность имеющихся моделей трудно проверить без знания положения источников ССИ на диске Солнца и их размеров. Этим определяется необходимость шперферомстрических исследований. Координатная информация позволяет установить солнечное происхождение наблюдаемых событий. Существенна и более высокая чувствительность по сравнению с радиометрами, поскольку излучение вспышечной области здесь не маскируется излучением других областей Солнца.
Вопрос о наблюдениях ССИ на комплексе ССРТ1' [17] ставился в 80-х гг. А.В. Степановым и Ю.М. Розенраухом, но тогда инструментальные возможности ССРТ (прежде всего, временное разрешение) не позволяли решить эту задачу. Узкая полоса излучения СС11 и редкость их наблюдений в микроволновом диапазоне ставили под сомнение возможность их регистрации на ССРТ. Поскольку ССРТ не был приспособлен для регистрации быстрых вспышечных явлений, необходимо было оснастить его адекватными инструментальными средствами. Требовались
приемное устройство с высоким временным разрешением; известная диаграмма направленности с малыми искажениями; высокая точность межсистемной синхронизации ССРТ и синхронизация со всемирной шкалой времени. Принципиальная возможность регистрации на ССРТ субсекундного тшульсного излучения в одномерном аддитивном режиме была показана ТА. Тресковым18,19 и затем исследована автором20 и подтверждена экспериментально [10-12]. Дальнейшее развитие инструментально-методические аспекты регистрации ССИ на ССРТ получили в диссертациях С.К. Коновалова21 и СВ. Лесового22, что увенчалось серией наблюдений на спаде 22"го цикла солнечной активности [10-14, 18, 19].
Накопленный наблюдательный материал, доступные комплексные данные других диапазонов излучения открыли возможности изучения физических условий во вспышечных областях и получения качественно новой диагностической информации о параметрах плазмы и характеристиках электронов во вспышечных магнитных петлях.
Настоящее исследование в целом направлено на системное изучение характеристик ССИ в солнечном микроволновом излучении, верификацию существующих моделей генерации ССИ, изучение пространственной структуры и диагностику параметров плазмы во вспышечных областях. Подход к решению этих проблем основан на использовании комплексных данных различных диапазонов солнечного излучения.
Исследование субсекундных структур в микроволновом излучении вспышек потребовало создания новых, адекватных методик и программных средств обработки больших массивов данных ССРТ в ранее мало исследованном многочастотном режиме, обработки данных других солнечных инструментов и их совместного анализа, развитию методологии комплексного эксперимента в солнечной физике. К началу работ эти задачи фактически не были решены. Для идентификации источников ССИ в солнечном излучении и исследования их связи со вспышечными процессами потребовалось создание базы данных об активных областях. Решение этих методических вопросов составляет существенную часть работы.
Цель работы заключается в решении следующих основных задач:
-
Оснащение комплекса ССРТ инструментальными средствами для изучения микроволнового излучения вспышек с высоким временным и пространственным разрешением и исследование инструментально-методических аспектов его регистрации.
-
Создание комплекса методик и программгалх средств обработки данных ССРТ и их совместного анализа с данными различных диапазонов солнечного излучения, обмена и совместных исследований с другими обсерваториями.
-
Исследование пространственных, временных и поляризационных характеристик субсекундных импульсов в микроволновом излучении Солнца и изучение их связи с активными областями и вспышечными явлениями.
-
Исследование динамики развития вспышек и физических условий во вспышечньгх областях.
Научная новизна.
Создание уникального инструмента, не имевшего аналогов, потребовало создания ряда его систем, комплексною анализа его характеристик, исследования метрологии, разработки методик и программ для обработки регистрируемых данных.
-
Впервые проведен анализ характеристик радиоинтерферометра и его систем в целях организации исследований вспышек с тонкой временной структурой микроволнового излучения на ССРТ. Изучено влияние ряда искажающих факторов в системах интерферометра на данные наблюдений. Разработаны и исследованы системы управления антен-но-фидерным комплексом и синхронизации ССРТ, акустооптическое приемное устройство.
-
Разработаны и систематизированы методики обработки данных ССРТ в быстром одномерном и двумерном режимах и их совместного анализа с данными других диапазонов излучения. Разработан программный комплекс на языке IDL, реализующий эти методики. В частности, это
позволило выполнить первое исследование по двумерным радиоизображениям, полученным на ССРТ: изучено развитие вспышечно-продуктивной активной области, в которой наблюдался источник над нейтральной линией магнитного поля.
3.Впервые исследованы пространственные, временные и поляризационные характеристики субсекундных импульсов излучения на частоте 5,7 ГГц на статистически значимом материале. Доказано их вспышеч-ное происхождение. Показано, что аномально большие наблюдаемые размеры источников субсекундных импульсов излучения обусловлены аномально высоким рассеянием излучения сантиметрового диапазона в короне. Установлена зависимость видимых размеров источников субсекундных импульсов от их расположения на солнечном диске. Обнаружены события, в которых наблюдается соответствие импульсов излучения на частотах 5,7 ГГц, 17 ГГц и в жестком рентгеновском излучении.
4. Показано, что анализ данных двух солнечных радиоинтерферометров на частотах 5,7 ГГц и 17 ГГц позволяет получить качественно новую информацию о природе солнечных вспышек. С привлечением комплексных данных различных диапазонов спектра излучения предложен сценарий мощной продолжительной вспышки с детальным анализом струкгуры магнитного поля в короне. Показано, что такая вспышка может объясняться в рамках закрытой магнитной конфигурации.
В целом, научная новизна полученных физических результатов обусловлена использованием данных впервые проведенного трехлетнего цикла оригинальных наблюдений на ССРТ субсекундных импульсов микроволнового излучения с высоким пространственным и временным разрешением, привлечением данных различных диапазонов солнечного излучения, развитой методологией комплексного эксперимента в солнечной физике и созданным программно-методическим комплексом обработки и анализа данных.
На защиту выносятся:
-
Разработанные системы инструментального комплекса ССРТ, позволившие развернуть регулярные исследования тонкой временной структуры солнечного микроволнового излучения с высоким пространственным и временным разрешением; результаты исследований ряда характеристик реального радиоинтерферометра и их зависимости от инструментальных факторов, позволившие повысить качество данных.
-
Методический аппарат и разработанный на его базе программный комплекс для обработки данных ССРТ в быстром одномерном и двумерном режимах и их совместного анализа с данными других диапазонов солнечного излучения, благодаря которым стали возможными исследования вспышек с тонкой временной структурой микроволнового излучения, достигнуто существенное продвижение при решении ряда других задач солнечной физики.
-
Интерактивная база данных солнечных активных областей, разработанная для идентификации источников субсекундных импульсов солнечного излучения и исследования активных областей.
-
Результаты впервые проведенных систематических исследований пространственных, временных и поляризационных характеристик субсе-купдных импульсов микроволнового излучения и идентификации их источников.
-
Результаты исследований физических условий во вспышечных активных областях на основе выполненного впервые комплексного анализа данных ССРТ, радиогелиографа Нобеяма и других инструментов.
Научное и практическое значение работы.
Разработаны методики расчета основных характеристик реального линейного аддитивного радиошперферометра с частотным сканированием. Созданы новые системы радиотелескопа, повышаюшие качество данных и позволяющие исследовать вспышки с тонкой временной
структурой микроволнового излучения с высоким пространственным и временным разрешением.
Разработаны и внедрены методики и программный комплекс для обработки и совместного анализа данных различных диапазонов солнечного излучения, используемые в ИСЗФ СО РАН и Обсерватории Но-беяма (Япония).
Разработанные методики могут быть использованы при решении других задач радиоастрономии и солнечной физики.
Исследования субсекундных импульсов дали новые сведения о генерации и распространении микроволнового излучения в короне. Эти сведения важны для построения моделей и теории субсекундных импульсов в излучении Солнца. Экспериментально установленное аномальное рассеяние излучения сантиметрового диапазона на турбулентных неоднородностях плотности в нижней короне открывает новую возможность оценки параметров турбулентности в короне и должно учитываться при организации и интерпретации набшодений с высоким пространственным разрешением.
Показана возможность объяснения мощной, продолжительной, геоэффективной вспышки в рамках закрытой магнитной конфигурации.
В результате сделан существенный вклад в развитие интерферо-метрических исследований вспышечных явлений и характеристик среды распространения излучения.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIV, XXI, XXVI, XXVII радиоастрономических конференциях (Ереван, 1982, 1989; С-Петербург, 1995, 1997); IV Всесоюзном симпозиуме по модульным информационно-вычислительным системам (Иркутск, 1983); выездной сессии Антенной секции Научного совета АН СССР по проблеме «Радиоастрономия» (Иркутск, 1983), XVIII конференции молодых европейских радиоастрономов (Ленинград, 1984), Межрегиональной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной сие-
темы (Н. Новгород, 1992), симпозиуме но фрагментированному энерго-выделениго тта Солнце и звездах (Утрехт, Нидерланды. 1993); симпозиуме но корональному энерговыделению (Калуг, Германия, 1994); рабочем совещаигот по созданию нового радиогелиографа (Лос-Анджелес, США, і 995); VI и VIJI конференциях по системам анализа астрономических данных и программному обеспетешпо (ADASS; Шарлоттесвилл, США, 1996: Урбана-Чемпейн, США, 1998); симпозиуме Обсерватории Нобеяма «Солнечная физика через радионаблюдеїшя» (Кийосато, Япония, 19981; семинарах в ИСЗФ СО РАН и Обсерватории Нобеяма (Япония).
Практической апробацией полученных в диссертации результатов явилось их использование при создании и развитии ряда систем ССРТ, мониторинге солнечной активности и выполнении оригинальных исследований, обработке и анализе данных ССРТ и радиогелиографа Нобеяма совместно с данными других инструментов. Достоверность полученных результатов подтверждается их согласованностью при использовании разных методик и данных.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано (в 1983 -1999 гг.) 28 работ.
Струїеіура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 228 наименований и приложения, содержит 329 страниц машинописного текста, 126 рисунков, 8 таблиц.
