Введение к работе
Актуальность темы исследования
Изучение Солнца и солнечно-земных связей имеют большое фундаментальное и практическое значение. В настоящее время во всем мире резко возрастает объем исследований связи явлений на Солнце и их проявлений в межпланетном и околоземном пространстве, объединяемых понятием «космической погоды». Активные процессы на Солнце являются главной движущей силой возмущений в гелиосфере, приводят к геомагнитным бурям, изменениям в состоянии верхней атмосферы и ионосферы Земли, нарушениям радиосвязи и систем геопозиционирования, заметно влияют на жизнедеятельность людей [1].
Основным источником информации о процессах на Солнце и состоянии его активности является его излучение в различных длинах волн, которое отождествляется с областями Солнца, характеризуемыми определенной температурой, плотностью плазмы и напряженностью магнитного поля. Наиболее значительные явления солнечной активности происходят в короне Солнца при температурах от сотен тысяч до десятков миллионов градусов Кельвина (МК) и регистрируются в мягком рентгеновском (МР, 1-100 А) и вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ, 100-2000А) диапазонах длин волн [2, 3]. Всплески солнечной активности, обусловленные кратковременным выделением огромной (1025-1026 Дж) энергии, сопровождаются резким повышением потока излучения (вспышки), выбросами коронального вещества (корональные выбросы массы - КВМ) и потоков высокоэнергичных заряженных частиц. Изучение динамики этих процессов и сопутствующих явлений в хромосфере и короне важно для установления физической природы солнечной активности, построения теоретических моделей и, в конечном счете, для прогнозирования возможных геофизических последствий. Особую ценность представляют количественные фотометрические данные, отражающие пространственно-временную динамику эволюции солнечных структур, как интегрально по всему диску и короне Солнца, так и в отдельных локальных образованиях.
Поскольку поглощение атмосферы препятствует регистрации солнечного рентгеновского и ВУФ-излучения на наземных обсерваториях, рентгеновская и ВУФ-астрономия Солнца появились только с началом космических исследований в 50-х годах 20-го века. Задачи современного этапа развития солнечной внеатмосферной астрономии были сформулированы в программе КОРОНАС (Комплексные Орбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца), которая начала разрабатываться в СССР в 70-х годах 20-го века и предусматривала создание трех спутников для исследований Солнца, разработку аппаратуры и выполнение большого объема наблюдений на орбите в течение нескольких циклов солнечной активности [4]. В качестве основных научных задач программа КО- РОНАС включала исследования пространственной структуры и динамики переходного слоя и короны, изучение механизмов солнечных вспышек, транзиент- ных явлений (корональных выбросов массы и сопутствующих явлений), разработку методов диагностики солнечной плазмы и исследования солнечно-земных связей, объединяемых понятием «космическая погода».
Одним из важнейших этапов реализации этой программы явилось создание космических телескопов нового типа для получения изображений солнечной короны и исследования пространственно-временной динамики солнечных структур. Ключевым элементом такого телескопа является его оптическая система, которая должна работать в МР или ВУФ диапазоне, обладать достаточной эффективной площадью и спектральной селективностью, высоким угловым разрешением и способностью к длительной работе в условиях космоса. В результате анализа спектров плазмы солнечной короны было установлено, что для решения поставленных задач оптимальным является телескоп с зеркальной оптикой, имеющий несколько спектральных каналов в коротковолновой части ВУФ диапазона 130-350 А. Данная область спектра содержит яркие линии ионов железа Fe IX - Fe XXIV, излучающиеся из плазмы с температурой 1 - 15 МК, и яркую линию гелия HeII 304 А, соответствующую переходному слою с температурой 20 - 80 тысяч градусов, что полностью перекрывает диапазон температур солнечной короны и переходного слоя.
Для создания зеркальной оптики ВУФ диапазона оказалось необходимым провести большой объем исследований отражения и рассеяния МР и ВУФ излучения от зеркальных поверхностей. Было установлено, что для построения изображений с минимальным рассеянием света шероховатость поверхности зеркал должна составлять не более 5-8 А, что на 1-2 порядка меньше, чем для обычных зеркал видимого диапазона [5].
В конце 1970-х - начале 1980-х г. были разработаны принципы и технология изготовления многослойных покрытий для МР и ВУФ диапазона, которые представляют собой периодические структуры нанометровых размеров из пары веществ с различающимися диэлектрическими константами [6]. В частности, была создана структура Mo-Si, которая хорошо отражает в ВУФ-области спектра 130 - 350 А и позволяет получить пиковый коэффициент отражения более 50% [7]. Спектральная ширина пика отражения многослойного покрытия (Х/ДХ ~ 40 - 10) оказывается достаточной для разделения групп линий с различающимися температурами возбуждения, соответствующих разным высотным слоям солнечной короны, что очень важно для диагностики плазмы. Зеркала с отражающим покрытием Mo-Si хорошо сочетаются со спектральными фильтрами на основе тонких пленок алюминия толщиной ~ 0,2 мкм, что обеспечивает высокое пропускание в рабочей области спектра (более 50%) и подавление яркого видимого излучения (5-6 порядков для однослойного фильтра).
Начиная с конца 1970-х годов, в ФИАН совместно с ИФМ РАН был выполнен большой объем исследований по созданию фокусирующих многослойных зеркал для солнечных ВУФ-телескопов, разработана технология их изготовления, методика испытаний и калибровок. В результате были созданы первые в мире телескопы нового типа - телескоп ТЕРЕК с каналами 175 и 304 А по проекту Фобос-1 (1988) и телескоп ТЕРЕК-К для первого спутника КОРОНАС-И (1994) с каналами 132, 175 и 304 А [8], а также блок СРТ-К комплекса аппаратуры СПИРИТ для спутника КОРОНАС-Ф (2001-2005), в котором работали два телескопа на области спектра 171, 192, 284 и 304 А (Т1) и 175 и 304 А (Т2) [9] . За рубежом первые телескопы этого типа были созданы значительно позже: телескоп EIT на КА SOHO (Европейское космическое агентство - НАСА) был запущен в 1995 г., телескоп TRACE (НАСА) - в 1998 г.
В настоящее время космические солнечные ВУФ телескопы являются основными инструментами, которые используются не только для фундаментальных исследований по физике Солнца, но и в практических целях для постоянного мониторинга солнечной активности и прогнозирования космической погоды. Об актуальности этого направления свидетельствует то, что с 1988 по 2009 г. всего в мире было запущено 10 космических аппаратов с телескопами и спектрометрами для исследований Солнца в ВУФ диапазоне, в том числе, 4 комплекса аппаратуры с 6-ю телескопами, которые были созданы в ФИАН. С помощью этих приборов был выполнен большой объем исследований Солнца и полностью подтверждена правильность выбора концепции и реализации солнечного космического ВУФ телескопа.
Объектом исследования в настоящей работе является солнечная корона, представляющая собой сложную магнитно-плазменную структуру, нагретую до температуры порядка миллиона градусов и выше. В короне происходит накопление энергии и массы вещества и их высвобождение в активных процессах - вспышках, эрупции, ускорении потоков заряженных частиц. Анализ излучения короны очень важен для установления физических механизмов активных процессов, их локализации и прогнозирования возможной геоэффективности. Структура и излучение короны изменяются в ходе циклов солнечной активности, и эти изменения связаны не только с локальными возмущениями, но и с эволюцией глобального магнитного поля Солнца.
Предметом исследования является ВУФ излучение солнечной короны, несущее информацию о происходящих в ней физических процессах. Фотометрический анализ изображений Солнца в различных спектральных интервалах ВУФ диапазона дает возможность определить температуру и плотность плазмы и идентифицировать как устойчивые долгоживущие солнечные структуры - активные области, корональные дыры, области спокойного Солнца, так и транзи- ентные явления - яркие точки, джеты, корональные выбросы, димминги, коро- нальные волны и т.д. Вариации излучения солнечной короны в ВУФ диапазоне отражают изменения солнечной активности. Корональные структуры, наблюдаемые в ВУФ-диапазоне, обусловлены структурой локальных магнитных полей. В отсутствие прямых методов измерения магнитного поля в короне, ВУФ изображения являются важным источником данных для магнито- гидродинамического моделирования процессов солнечной активности.
Целями настоящей работы явились: создание астрономической оптики вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) диапазона, разработка спектрально- селективных телескопов для внеатмосферных исследований Солнца в ВУФ области спектра и проведение исследований излучения солнечной короны на спутнике КОРОНАС-Ф.
В ходе работы были поставлены и решены следующие задачи:
анализ актуальных научных задач исследований излучения солнечной короны и разработка концепции спектрально-чувствительного космического солнечного телескопа ВУФ диапазона;
проведение экспериментальных исследований отражения и рассеяния мягкого рентгеновского и ВУФ излучения на зеркальных поверхностях, разработка технологии изготовления, методов и аппаратуры для аттестации сверхгладких поверхностей, спектральных и изображающих свойств зеркал с многослойным покрытием;
выбор типа оптической системы и создание бортовых зеркальных солнечных телескопов ВУФ диапазона ТЕРЕК по проекту Фобос, ТЕРЕК-К по проекту КОРОНАС-И и СПИРИТ по проекту КОРОНАС-Ф;
исследование стабильности фотометрических характеристик телескопов комплекса СПИРИТ при длительной эксплуатации в космосе, выявление и компенсация погрешностей, повышение надежности данных с использованием взаимной калибровки с ВУФ телескопом EIT на обсерватории SOHO;
проведение исследований ВУФ излучения солнечной короны на спутнике КОРОНАС-Ф, в том числе, вариаций потока излучения с изменением солнечной активности, динамики эруптивных явлений, а также исследований поглощения солнечного ВУФ излучения в верхней атмосфере Земли.
Временной интервал выполнения настоящей работы составляет более 30 лет (1980 - 2011).
Научная новизна
Впервые экспериментально обнаружено, что характеристики отражения и рассеяния мягкого рентгеновского и ВУФ-излучения на полированных поверхностях зеркал отличаются от выводов теории рассеяния, основанной на приближении Кирхгофа. Результаты измерений были использованы при построении точной волновой теории, в которой отраженная и рассеянная волны формируются в приповерхностном слое и зависят как от профиля поверхности раздела, так и от диэлектрических констант граничащих сред.
Впервые разработаны, изготовлены и применены в космическом эксперименте высокоэффективные оптические системы солнечных ВУФ телескопов на основе зеркал с многослойным покрытием, в том числе:
система с двумя сферическими фокусирующими зеркалами и двумя парами дополнительных плоских зеркал, обладающая полем зрения до 5 градусов и обеспечивающая возможность измерять поляризацию в двух перпендикулярных плоскостях (телескоп ТЕРЕК для КА Фобос-1, 1988 г.);
4-элементная система с тороидальными зеркалами, обладающая субсекундным угловым разрешением и позволяющая последовательно регистрировать изображение полного диска Солнца при ограниченном поле зрения детектора (телескоп ТЕРЕК-К для спутника КОРОНАС-И, 1994 г.).
Разработана и реализована на практике методика взаимной калибровки солнечных ВУФ телескопов с аналогичными каналами регистрации на разных космических аппаратах, (телескопы КОРОНАС-Ф/СПИРИТ и SOHO/EIT), позволяющая выявить погрешности измерений потоков ВУФ излучения, возникающие при длительном воздействии факторов космического полета и скомпенсировать их до точности начальных калибровок.
Разработан метод корреляционного анализа временных зависимостей потоков ВУФ излучения солнечной короны в границах удаленных крупномасштабных диммингов, возникающих в процессе эрупции, определена скорость распространения диммингов и их связь с глобальной структурой солнечного магнитного поля.
Впервые показано, что анализ профилей поглощения ВУФ излучения Солнца в атмосфере Земли, измеренных в каналах 175 и 304 А с околоземных орбит на участках заходов в тень и выходов из тени, дает возможность выявить временные вариации плотности в верхней атмосфере на высотах от 200 до 450 км, в том числе, связанные с геомагнитными бурями.
Впервые предложен метод измерения профилей поглощения ВУФ излучения Солнца в атмосфере Земли по изображениям Солнца, получаемым орбитальными солнечными телескопами, что дает возможность получить разрешение профиля по высоте лучше 1 км.
Практическая значимость
Основные принципы технологии изготовления и контроля фокусирующих зеркал нормального падения на сверхполированных подложках с многослойными покрытиями, разработанные совместно с ИФМ РАН в рамках настоящей работы, используются при изготовлении оптических элементов космических приборов (телескопов, спектрометров, фотометров), лабораторных приборов для диагностики горячей плазмы, а также проекционных систем ВУФ литографии.
Созданный в рамках настоящей работы базовый тип солнечного космического ВУФ телескопа является наиболее распространенным типом инструмента для внеатмосферных исследований Солнца и используется как для научных исследований, так и для мониторинга солнечной активности при прогнозировании космической погоды. Солнечные ВУФ телескопы перспективны для мониторинга влияния солнечной активности на состояние верхней атмосферы Земли.
Уникальный массив данных, полученных с помощью ВУФ телескопов комплекса СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф в 2001-2005 г.г., а также разработанные методики фотометрической обработки солнечных изображений используются для фундаментальных исследований солнечных явлений, разработки методов прогнозирования солнечной активности, исследования солнечно-земных связей в ФИАН, ИЗМИРАН, ИСЗФ СО РАН, ИПГ, а также в ряде европейских институтов (Католический Университет Лейвена, Бельгия; Университет Грац, Австрия; Королевская обсерватория Бельгии, Брюссель; Центр космических исследований Польской академии наук, Вроцлав, Польша и др.) в рамках проекта СОТЕРИЯ 7-й рамочной программы Европейской комиссии (2008-2011), целью которой являются разработка систем космического мониторинга и прогнозирование космической погоды.
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментально обнаружено, что зависимость от угла падения и длины волны интегрального рассеяния мягкого рентгеновского и ВУФ-излучения на зеркальных поверхностях не соответствует выводам теории, основанной на приближении Кирхгофа, но может быть объяснена волновой теорией, в которой отраженная и рассеянная волны формируются в приповерхностном слое отражателя.
Разработанный комплекс аппаратуры и методики исследования отражающих свойств фокусирующих зеркал ВУФ диапазона обеспечивает измерение шероховатости поверхности зеркал со среднеквадратической высотой профиля поверхности до 1 А, спектральной функции отражения многослойных покрытий в диапазоне 44-350 А с разрешением 1 А и углового разрешения изображающих зеркал ВУФ диапазона с разрешением до 0,2 угловой секунды.
Спектрально-селективные солнечные телескопы с многослойной отражающей оптикой нормального падения, работающие в диапазоне 130-350 А, построенные по однозеркальной схеме Гершеля и имеющие несколько каналов регистрации с шириной от 5 до 30 А, обеспечивают максимальную светосилу, угловое разрешение лучше 1 угловой секунды в поле зрения от 1 до 50 и минимальный фон рассеянного света при исследованиях плазмы солнечной короны с температурой от 20 тысяч до 20 миллионов градусов.
Методика взаимной калибровки близких по параметрам солнечных ВУФ телескопов по долговременным изменениям сигнала интегрального потока ВУФ излучения позволяет выявить погрешности фотометрических измерений, возникающие вследствие длительного воздействия факторов космического полета, и скомпенсировать их до уровня начальных предполетных абсолютных калибровок.
Анализ корреляции временных изменений ВУФ излучения в границах крупномасштабных корональных диммингов, возникающих на Солнце в ходе развития эруптивных процессов, дает возможность идентифицировать коро- нальные структуры, участвующие в эрупции, и выявить глобальные связи магнитного поля в солнечной короне.
Измерения поглощения солнечного ВУФ излучения в верхней атмосфере Земли по изображениям Солнца, получаемым на околоземных орбитах с помощью космических телескопов в участках спектра 175 и 304 А, дают возможность отслеживать вариации плотности атмосферы на высотах от 200 до 450 км и регистрировать возмущения, связанные с геомагнитными бурями, с разрешением по высоте лучше 1 км.
Личный вклад автора
Все изложенные в работе оригинальные результаты получены лично автором либо при его руководстве и непосредственном участии.
В совместных работах автором выполнены:
экспериментальные исследования отражения и рассеяния зеркал скользящего и нормального падения в рентгеновской и ВУФ области спектра [А1, А4, А9, А10];
разработаны методы испытаний изображающей зеркальной оптики в части контроля шероховатости, измерения спектральных характеристик и качества изображения [A3, А14, А15];
исследованы оптические схемы для построения изображений в МР и ВУФ областях спектра [А2, А5, А6, А7];
разработаны основы технологии изготовления подложек зеркал, методы контроля и аттестации фокусирующих зеркал с многослойным покрытием для телескопов по программам Фобос-1, КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф [А8, А16, А17, А19, А20, А22, А26, А28, А32, А37, А53],
созданы оптические системы ВУФ телескопов ТЕРЕК по программе Фо- бос-1, ТЕРЕК-К по программе КОРОНАС-И и СПИРИТ по программе КОРО- НАС-Ф, проведены наблюдения Солнца этими телескопами [А11-А13, А18, А21, А23-А27, А29-А31, А47, А48, А57];
исследованы фотометрические характеристики телескопов комплекса СПИРИТ и разработана методика коррекции данных измерений в полете спутника КОРОНАС-Ф [А43, А54];
с помощью телескопов комплекса СПИРИТ на борту спутника КОРО- НАС-Ф в 2001 - 2005 г.г. получены ВУФ изображения Солнца и проведены исследования вариаций солнечного ВУФ излучения [А42, А52, А60, А61], эруптивных процессов в солнечной короне, в том числе, в период экстремально высокой солнечной активности (октябрь-ноябрь 2003 г.) [А33, А38, А39-А42, А44- А46, А49-А51, А55, А56, А58, А59] и поглощения солнечного ВУФ излучения в верхней атмосфере Земли [А34, А35, А36].
Общее научное руководство разработкой аппаратуры и планирование экспериментов ТЕРЕК (Фобос-1), ТЕРЕК-К/РЕС-К (КОРОНАС-И) и СПИРИТ (КОРОНАС-Ф) осуществлялось И.А. Житником. В разработке, изготовлении аппаратуры и проведении наблюдений Солнца по этим проектам участвовали С.В. Кузин, А.А. Перцов, А.П. Игнатьев, О.Л. Бугаенко, А.В. Митрофанов, С.А. Бога- чев, С.Н. Опарин, А.И. Степанов, А.Н.Афанасьев, Д.В. Лисин.
Разработка технологии и изготовление фокусирующей оптики с многослойным покрытием для солнечных ВУФ-телескопов по проектам Фобос-1, КОРОНАС-И и Ф проводились совместно с Н.Н. Салащенко, С.Ю.Зуевым, С.А. Гусевым, Б.А. Грибковым, И.Л. Струлей, Е.А. Андреевым.
Анализ данных измерений шероховатостей зеркал методом полного интегрального рассеяния проводился совместно с А.В.Виноградовым, И.В.Кожевниковым, В.И. Микеровым, И.А. Брытовым и А.Я. Грудским.
Испытания многослойных зеркал на установке ИКАР были проведены при участии Е.А. Рагозина, Н.Н. Колачевского, М.М. Митропольского и Н.К. Сухо- древ.
Апробация работы
Основные результаты работы, приведенные в диссертации, были доложены на 16 российских и 14 международных конференциях:
Всесоюзной конференции ВУФ-89, Иркутск (1989); 10th inference on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics, Paris (1992); SPIE Conference on Laser Physics, №2012 (1993); 4th International conference on X-ray microscopy, Chernogolov- ka (1993); SPIE Conference "Advances in Multilayer and Grazing Incidence X- Ray/EUV/FUV Optics", №2279 (1994); Симпозиуме "Прикладная оптика-94", С.Пб (1994); Всероссийской конференции по физике Солнца. Москва, МГУ (1994); Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, Дубна, (1997); Симпозиуме по солнечно-земной физике России и стран СНГ, Москва, (1998); Симпозиуме «Рентгеновская оптика», Н. Новгород, ИФМ РАН (1999, 2002); 10th European Solar Physics Meeting «Solar variability: from core to outer frontiers», Prague, Czech Respublic (2002); Всероссийской конференции «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности», Н.Новгород (2003); ISCS Symposium "Solar Variability as an input to the Earth's Environment", Tatranska Lomnica, Slovakia (2003); International Symposium on Solar Extreme Events of 2003 "Solar Extreme Events of 2003: Fundamental Science and Applied Aspects", Moscow (2004); Всероссийской астрономической конференции ВАК- 2004 «Горизонты Вселенной». МГУ, Москва (2004); IAU Symposium 223 "Multi- Wavelength Investigations of Solar Activity", SPb (2004); IAU Symposium 226 "CORONAL AND STELLAR MASS EJECTIONS", Beijing, China (2004); Conference SPM-11 "The Dynamic Sun: Challenges for Theory and Observations", Leu- ven, Belgium (2005); IAU Symposium 233 "Solar Activity and its Magnetic Origin", Cairo, Egypt (2006); Конференциях «Физика плазмы в солнечной системе», ИКИ РАН, Москва (2007, 2008); SOHO 20 Solar Conference, Leuven Belgium (2007); 10th Asian-Pacific Regional IAU Meeting APRIM-2008, Kunming, China (2008); Симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника», ИФМ РАН, Нижний Новгород, (2005, 2006, 2010, 2011) ), Xth Astrophysical Colloquium "the Active Sun", Hvar, Croatia (2010); European Geophysical Union 2011, Wien, Austria.
Публикации по теме работы.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 63 печатных работах и трудах конференций, из которых 32 соответствуют списку ВАК. Список публикаций автора по теме работы приведен в конце автореферата в хронологическом порядке.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Зеркальные телескопы ВУФ диапазона для внеатмосферной солнечной астрономии
