Современное развитие интерферометрии для исследования космической плазмы

Наблюдаемыми объектами радиоинтерферометрической сети являются естественные и искусственные космические радиоисточники. Научные задачи подразумевают измерения энергетических и геометрических характеристик астрофизических объектов (интенсивность, спектры, поляризация, пространственная и временная структура излучения, кинематика собственных движений). Прикладные задачи связаны в основном с измерениями геометрии системы «интерферометр - наблюдаемый объект», причем в качестве наблюдаемых объектов могут быть естественные космические радиоисточники (фундаментальная радиоастрономическая метрология, космическая геодезия, геодинамика), искусственные космические радиоисточники (радиопросвечивание космических сред), так и их совокупность (космическая навигация, небесная механика).

В целом научные и прикладные задачи РСДБ можно разделить по типу объектов исследования:

· активные галактические ядра (АГЯ);

· радиоисточники, находящиеся в нашей Галактике и межзвездная среда;

· Солнце и солнечный ветер;

· объекты Солнечной системы (РСДБ - локация и навигация КА);

· Земля (параметры вращения, ориентация в пространстве, движение континентов).

В данной работе в связи со спецификой темы будет подробно рассмотрено исследование Солнца и солнечного ветра с помощью РСДБ.

Понимание природы и механизмов солнечных процессов чрезвычайно полезно для изучения многих астрофизических процессов во Вселенной. Солнечная активность оказывает влияние на биосферу Земли именно через межпланетную среду. Методом РСДБ могут быть исследованы такие фундаментальные проблемы физики солнечной активности как высвобождение и перенос энергии в солнечных вспышках, условия формирования и развития корональных выбросов и их влияние на формирование неоднородностей космической плазмы в Солнечной системе. Изучение солнечной короны и солнечного ветра представляет постоянный интерес, поскольку исследование состояния этих сред позволяет предсказывать геофизические эффекты солнечной активности. Космическая среда оказывает существенное влияние на работу РСДБ - систем и космических линий связи. Чтобы понять процессы высвобождения и переноса энергии в солнечных вспышках, необходимо определить пространственные и частотные характеристики и физические параметры плазмы, магнитных полей и ускоренных заряженных частиц в этих областях. Изучение быстропеременного дециметрового солнечного излучения дает возможность получить необходимую информацию, потому что оно генерируется на солнечных высотах близких к областям вспышечного энерговыделения. Принципиально важными в решение этой проблемы являются сведения о пространственном масштабе области первичного энерговыделения и ускорения частиц, а также о характере поведения этих процессов во времени. Исследования солнечных вспышек, проведенные в последнее время в различных диапазонах длин волн, показали, что область энерговыделения сильно фрагментирована в пространстве, а процесс энерговыделения во времени. Были получены первые прямые доказательства пространственной фрагментации источника радиоизлучения с очень малыми временными интервалами (около 100 мс.). Проявления этой фрагментации обнаруживаются в микроволновом радиодиапазоне в виде спайков - короткоживущих всплесков радиоизлучения с узкополосным спектром. Оцениваемые размеры элементарных источников составляют 0,1-0,001 угл. сек. Поэтому методы РСДБ идеально подходят для исследования тонкой пространственно - временной структуры солнечных микровспышек - спайков.

В настоящее время диагностика межпланетной и околосолнечной плазмы осуществляется различными радиоастрономическими способами, которые основаны на методе радиопросвечивания. Перспективным направлением в этой области является дополнение традиционного метода радиопросвечивания методом РСДБ. При использовании РСДБ - метода, когда излучение от радиоисточника принимается далеко разнесенными антеннами (сотни и тысячи км) и распространяется через неоднородные среды по разным трассам с различными фазовыми и групповыми скоростями, имеется возможность прямых исследований пространственных характеристик неоднородностей плазмы солнечной короны и межпланетной среды.

Рис.1. Принцип РСДБ

Излучение удаленного радиоисточника в виде квазиплоской волны распространяется вдоль оси z через турбулентную среду с крупномасштабными случайными неоднородностями электронной концентрации и принимается в плоскости xy, перпендикулярной направлению распространения, двухэлементным мультипликативным интерферометром с базой (рис. 1). Сигналы, принятые на двух антеннах, перемножаются между собой в один момент времени t. В результате этой процедуры, осуществляемой в корреляторе, выделяется флуктуирующая разность фаз в двух приемных пунктах.

Выходной сигнал комплексного коррелятора можно представить в виде:

, (2.1)

где - разность флуктуаций фаз сигналов, принятых в один и тот же момент времени на разных антеннах, - дополнительно вводимый постоянный фазовый сдвиг в сигнал коррелятора. Такая процедура обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным однопунктовым приемом, поскольку позволяет исследовать флуктуации поля, вносимые только турбулентной средой на двух разных трассах распространения. В этом случае исключается влияние флуктуаций собственного излучения источника, что делает возможным исследовать среду при просвечивании ее не только монохроматическими сигналами космических аппаратов, но и широкополосными шумовыми сигналами естественного радиоисточника. Далее выполнялся спектральный анализ сигнала интерферометра. При большой длительности реализации спектр мощности выражается следующим образом:

, (2.2)

где: (2.3)

Экспериментальные частотные спектры (2.2), полученные описанным способом и являющиеся наиболее важной статистической характеристикой сигнала, анализировались с целью извлечения информации о среде распространения.

Представим спектр мощности в виде Фурье-образа автокорреляционной функции сигнала коррелятора :

(2.4)

Функция в (2.4) является функцией когерентности четвертого порядка для комплексных полей в пунктах приема и с учетом (2.3) может быть представлена в виде:

(2.5)

Описание флуктуаций поля излучения проводилось методом геометрической оптики. Исследуемой характеристикой среды являлась электронная концентрация плазмы солнечного ветра. Для описания временных изменений параметров среды в солнечной короне применялась гипотеза "вмороженности", справедливая на расстояниях от Солнца, больших - предполагалось, что неоднородности электронной концентрации не изменяются с течением времени и двигаются в радиальном направлении от Солнца со скоростью V, равной скорости солнечного ветра. Пространственный спектр флуктуаций электронной концентрации задавался степенной функцией с индексом p в интервале волновых чисел (где - внешний и внутренний масштаб турбулентности) :

(2.6)

где CN2 - структурный коэффициент, характеризующий интенсивность флуктуаций электронной концентрации:

(2.7)

(- дисперсия флуктуаций электронной концентрации, - гамма-функция). Предполагается, что такая форма степенного спектра удовлетворительно описывает распределение флуктуаций электронной концентрации в области солнечного ветра на угловых расстояниях более 2° в дециметровом диапазоне длин волн.

Указанные выше приближения, используемые при теоретическом анализе сигнала интерферометра, позволили упростить расчеты и получить выражения для спектра интерференционного сигнала, содержащие информацию о среде распространения - о скорости солнечного ветра, пространственном распределении электронной концентрации в области зондирования, интенсивности ее флуктуаций и т.д. Тем не менее, извлечение этой информации из экспериментальных спектров затруднено, так как спектр, рассчитанный по (2.4), предоставляет собой сложную комбинацию отдельных интегральных параметров турбулентной среды. Для того чтобы исследовать возмущения, оказываемые средой распространения на сигнал интерферометра, и оценить некоторые ее характеристики, рассмотрим предельные случаи распространения излучения при слабых и сильных возмущениях.

При слабых флуктуациях фазы спектр мощности поля сигнала интерферометра представляет собой спектр мощности случайной разности фаз сигналов в двух точках приема. Спектр мощности поля сигнала интерферометра при имеет вид:

(2.8)

Здесь введены следующие обозначения: - проекции вектора базы и скорости на плоскость, перпендикулярную направлению излучения. При выводе (2.8) предполагалось, что ось x системы координат совпадает по направлению с направлением вектора скорости, т.е.. Для обозначения длины проекции базы и скорости используются следующие обозначения:

, .

В случае, когда база интерферометра имеет преимущественное направление вдоль скорости дрейфа неоднородностей среды , спектр мощности описывается простым соотношением:

(2.9)

При произвольной относительной ориентации векторов базы интерферометра и скорости, когда условие нарушается, выражение для спектра (2.8) можно привести к следующему виду:

(2.10)

где - гамма-функция, - функция Макдональда.

Измеряя частоты экстремумов экспериментальных спектров, возможно оценить значение скорости дрейфа неоднородностей через трассу просвечивания

В случае сильных фазовых флуктуаций частотный спектр имеет вид гауссовой функции независимо от выбора вида пространственного спектра . Спектр мощности поля сигнала интерферометра описывается соотношением:

 (4.11)

где:

, (4.12)

(4.13)

где - функция Бесселя нулевого порядка, - функция Бесселя 2-го порядка, Z - толщина слоя неоднородностей, - частота приема, - электронная плазменная частота, c - скорость света, N - невозмущенная компонента электронной концентрации, , - проекции базы интерферометра и скорости солнечного ветра на плоскость, перпендикулярную направлению распространения излучения; поперечная проекция базовой линии направлена вдоль оси X, т.е. .

В (2.11) - полуширина спектральной линии. Величина представляет собой дисперсию флуктуаций частоты интерференции и пропорциональна интенсивности флуктуаций электронной концентрации. Полуширина спектра линейно зависит от модуля скорости. Зависимость полуширины от взаимной ориентации базы интерферометра и скорости переноса неоднородностей определяется множителем:

, (4.14)

где a - угол между вектором скорости и осью x, вдоль которой ориентирован вектор базовой линии . Полуширина спектра максимальна при ориентации базы вдоль скорости дрейфа неоднородностей, минимальна в случае взаимно-поперечного расположения и .

В случае сильных фазовых флуктуаций ширина спектра зависит от комбинации параметров среды и определяется интенсивностью воздействия турбулентной среды, следовательно возможна качественная оценка состояния среды по относительным уширениям спектров источников, расположенных на различных угловых расстояниях от Солнца и измеренным одновременно на нескольких базах.

В итоге, можно сказать, что слабые неоднородности приводят к изменению фазы интерферометрического отклика. При наличии сильных неоднородностей в просвечиваемой среде фазовые искажения отклика переходят в частотные. Поэтому по фазовому портрету интерференционного отклика можно исследовать слабые неоднородности, спектральный же состав интерференционного отклика и его положение в плоскости взаимных частотно-временных сдвигов дают информацию о характеристиках сильных неоднородностей. При этом индикаторами состояния турбулентной среды служат ширина и форма спектральной линии интерференционного отклика. При одновременных РСДБ - измерениях с использованием нескольких баз разной длины и ориентации можно судить также и о форме (анизотропии) неоднородностей по разнице фазовых возмущений интерференционных откликов на различных базах, снимая практически их "мгновенный" портрет.

радиоинтерферометрический система сигнал коррелятор

3. Достижения и современные возможности РСДБ