Исследование солнечных событий с "отрицательными радиовсплесками" с использованием данных радиометра Уссурийской обсерватории

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российская академия наук

Дальневосточное отделение

Учреждение Российской академии наук

Уссурийская астрофизическая обсерватория ДВО РАН

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Исследование солнечных событий с «отрицательными радиовсплесками» с использованием данных радиометра Уссурийской обсерватории

Специальность 01.03.03 -- физика Солнца

На правах рукописи

Кузьменко Ирина Владимировна

Иркутск - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Уссурийской астрофизической обсерватории Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Гречнев Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Боровик Валерия Николаевна

кандидат физико-математических наук Лубышев Борис Ильич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова

Защита состоится «_____» 2012 г. в _____ ч на заседании диссертационного совета Д.003.034.01 в Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова 126А, а/я 291, ИСЗФ СО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН

Автореферат разослан “ ” 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.003.034.01 кандидат физико-математических наук Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Изучение солнечной активности необходимо для понимания фундаментальных аспектов физики плазмы и процессов, происходящих на удаленных звездных объектах, прогнозирования влияния солнечных явлений на околоземное пространство и наземные технические системы. Важны исследования солнечной активности на различных временных масштабах от долговременных вариаций до спорадических проявлений. Одним из значимых источников информации о солнечной активности является солнечное радиоизлучение. Его регулярные наблюдения характеризуют текущий уровень солнечной активности и дают важные сведения о процессах в солнечной атмосфере.

С помощью радиотелескопов, регистрирующих интегральный поток радиоизлучения Солнца, ведутся патрульные наблюдения на ряде выбранных частот в диапазонах от метрового до сантиметрового. Станции расположены на разных долготах и распределены по всему земному шару. Радиотелескоп РТ-2 Уссурийской астрофизической обсерватории (УАФО) ведет наблюдения с 1990 г. на частоте 2,804 ГГц (10,7 см) в интервале 22:00-06:00 всемирного времени. Интегральный поток солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см, F10.7, является одним из важнейших индексов, широко используемым для диагностики солнечной активности и в моделях состояния «космической погоды». Индекс F10.7 является наиболее точным среди других индексов и имеет прозрачный физический смысл, характеризуя состояние корональной плазмы. Записи индекса F10.7 образуют длинный ряд непрерывных наблюдений, охватывающий более чем 60-летний период времени. В задачи наблюдений на волне 10,7 см входят продолжение ряда F10.7, характеризующего медленно меняющийся компонент солнечного радиоизлучения, т.е., общее состояние солнечной короны, и мониторинг вспышечных процессов. Данные наблюдений на патрульных радиотелескопах могут использоваться и в исследованиях конкретных вспышечных событий. В 2002 г. Б.А. Капустиным на РТ-2 была введена цифровая система регистрации данных, что потребовало создания программных средств их обработки. Актуальность методической части работы определяется необходимостью создания калиброванных записей радиометра в стандартных форматах, разработки методик и программ их обработки, просмотра и анализа в целях совершенствования мониторинга F10.7 и эффективного использования данных РТ-2 в исследованиях вспышечных событий.

Для диагностики вспышечной активности Солнца важны наблюдения связанных со вспышками изменений микроволнового потока - отклика на спорадические процессы в солнечной короне. В некоторых вспышечных событиях наблюдаются так называемые «отрицательные радиовсплески», представляющие собой временное понижение интегрального потока ниже квазистационарного уровня радиоизлучения до и после всплесков. Первое событие с «отрицательным всплеском» было зарегистрировано А.Э. Ковингтоном 19 мая 1951 г. на частоте 2,8 ГГц после импульсного радиовсплеска [1*]. Дальнейшие наблюдения и одновременная регистрация таких явлений в разных обсерваториях, а также сравнение с оптическими наблюдениями подтвердили реальность и солнечное происхождение таких радиовсплесков. В 1969 г. А.Э. Ковингтон ввел новый тип всплеска - всплеск «поглощение» (ABS - absorption), профиль которого можно описать как постепенное уменьшение, а затем увеличение радиопотока. Это явление было объяснено А.Э. Ковингтоном как результат поглощения радиоизлучения в веществе эруптивного протуберанца. Такие депрессии радиоизлучения появляются преимущественно после импульсного всплеска и иногда называются послевсплесковым уменьшением потока.

При отождествлении первых «отрицательных всплесков» с явлениями, наблюдаемыми в оптическом диапазоне, было установлено, что их появлению предшествовала активизация волокон: в центре линии H? и ее крыльях наблюдались серджи, поглощавшие часть вспышечного излучения. При дальнейших исследованиях был сделан вывод, что в оптическом и радиодиапазоне наблюдаются разные фазы эрупции волокон: в H? поглощающие фрагменты находились относительно низко, они были меньше по размерам и имели большую плотность по сравнению с фрагментами в микроволновом диапазоне. Модель поднимающегося и расширяющегося (или опускающегося и сжимающегося) облака холодного газа может быть применима как для поглощения в линии H?, так и для микроволнового поглощения, но в разные моменты времени. Возможными причинами микроволновых «отрицательных всплесков» считаются временное затенение локального радиоисточника облаком холодного поглощающего вещества либо временное исчезновение или ослабление источника [2*- 4*].

В ранних исследованиях событий с «отрицательными радиовсплесками» для выяснения, вызваны ли они поглощением или временными вариациями радиопотока, проводился совместный анализ микроволновых данных с наблюдениями в линии H?. В настоящее время наличие как наземных, так и внеатмосферных наблюдений дает возможность исследований таких событий по данным различных диапазонов спектра, позволяя изучить их в деталях и понять их причины.

Актуальность работы обусловлена следующим. Поскольку «отрицательные радиовсплески» предположительно связаны с эруптивными явлениями, происходящими на фоне солнечного диска, исследование таких событий по совокупности наблюдений в различных спектральных диапазонах представляется перспективным для получения новых сведений о солнечных эрупциях. Количественные характеристики «отрицательных всплесков», наблюдающихся одновременно на ряде частот микроволнового диапазона, могут нести диагностическую информацию о параметрах вещества выброса.

Диссертация посвящена исследованию солнечных событий, в которых наблюдались «отрицательные всплески» в микроволновом диапазоне, с использованием данных различных диапазонов излучения. Почти все исследуемые события были выявлены по записям интегрального потока радиоизлучения, полученным на радиотелескопе РТ_2 Уссурийской обсерватории.

Цель работы заключается в решении следующих основных задач:

1. Разработка требуемых для совершенствования мониторинга солнечной активности и исследования «отрицательных всплесков» методик автоматизированных обработки и анализа данных радиометра Уссурийской обсерватории и реализующих эти методики программных средств. Разработка методик и программных средств совместного анализа данных радионаблюдений и солнечных изображений, полученных в различных диапазонах излучения. Создание и пополнение архива калиброванных данных в общепринятых форматах.

2. Сравнительный анализ данных радиометра Уссурийской обсерватории с данными других обсерваторий для оценки качества наблюдений.

3. Комплексный анализ наблюдений событий с «отрицательными радиовсплесками» по данным различных спектральных диапазонов с целью получения новых сведений об эруптивных явлениях.

4. Оценка параметров затеняющего вещества по наблюдаемым характеристикам «отрицательных радиовсплесков».

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Разработан новый метод диагностики плазмы выброса по записям интегрального потока микроволнового излучения на нескольких частотах.

- Проведен комплексный анализ наблюдений ряда солнечных вспышечных событий, сопровождавшихся микроволновыми «отрицательными всплесками».

- Установлен существенный вклад в депрессию излучения при «отрицательном всплеске» затенения обширных областей спокойного Солнца.

- Установлено, что в событиях с «отрицательными радиовсплесками» могут наблюдаться крупномасштабные потемнения в канале 304 ?, не имеющие аналогов в корональных каналах.

- Выявлено два сценария экранировки солнечного диска веществом эруптивного волокна: 1) самоподобно расширяющимся волокном при сохранении его формы и магнитной структуры и 2) эруптивным волокном, существенно изменяющим форму с возможным разбрасыванием части его вещества по обширной солнечной поверхности. Второй сценарий назван далее аномальным.

- Выполнены уникальные детальные измерения кинематики эруптивных структур в солнечном вспышечном событии, наблюдавшемся в канале 171 ? с высоким временным разрешением. Измеренное ускорение носило импульсный характер, длилось 2 мин, достигло 4 км/с2 (~20g) и сменилось замедлением -1,6 км/с2.

- Впервые согласованы наблюдавшееся в эруптивном событии распространение волны Мортона и «волны EIT» со скоростью дрейфа радиовсплеска II типа и кинематикой переднего края коронального выброса (КВМ). Это показывает, что перечисленные явления в данном событии были проявлением единой замедляющейся корональной ударной волны.

- Установлено, что ударная волна в исследованном событии была возбуждена резко ускорившейся эруптивной структурой как импульсным поршнем. Анализ данных мягкого рентгеновского излучения показал несостоятельность предположения о возбуждении ударной волны импульсом давления от вспышки.

Научная и практическая значимость.

- Разработаны методики и программные средства для первичной обработки данных РТ-2, их калибровки и совместного анализа с изображениями Солнца различных диапазонов излучения. Создан и пополняется архив наблюдений на РТ-2, доступный через Интернет.

- Метод диагностики параметров плазмы выброса по многочастотным записям интегрального радиопотока позволяет без данных с пространственным разрешением оценить параметры выброса на фоне солнечного диска, включая его массу.

- Разработанная аппроксимация связанных с распространением ударных волн радиовсплесков (тип II, дрейфующий континуум) позволяет описать дрейф во всём диапазоне частот наземных наблюдений.

- Вывод о возбуждении корональных ударных волн импульсными эруптивными структурами, но не вспышками, позволяет решить многолетнюю проблему их происхождения.

- Полученные результаты показывают целесообразность мониторинга солнечной активности на ряде фиксированных частот диапазона 1-10 ГГц и измерений не только возрастаний радиоизлучения, но и его депрессий.

Достоверность.

Основные методические разработки внедрены в повседневную работу на РТ-2 и прошли практическую проверку в Уссурийской обсерватории в течение ряда лет, а также при исследованиях солнечных эруптивных явлений с их использованием. Достоверность полученных физических результатов подтверждается их согласованностью при использовании разных методов и данных различных диапазонов спектра.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные в целях совершенствования мониторинга солнечной активности и исследования депрессий интегрального потока микроволнового излучения Солнца («отрицательных всплесков») методики автоматизированной обработки данных радиометра Уссурийской обсерватории и их совместного анализа с данными различных обсерваторий. Реализующий эти методики комплекс программ.

2. Результаты комплексного анализа ряда событий с «отрицательными всплесками». Метод оценки параметров поглощающего вещества по многочастотным записям интегрального потока микроволнового «отрицательного всплеска». Вывод о возникновении «отрицательных всплесков» вследствие поглощения излучения не только локальных радиоисточников, но и обширных площадей спокойного Солнца.

3. Вывод о существовании класса эрупций волокон с трансформацией ("разрушением") их магнитной структуры и разбрасыванием их вещества по обширной солнечной поверхности, предположительно происходящих в результате взаимодействия магнитных полей волокна и окружающей короны. Свойства аномальных эрупций, выявленные в результате анализа эпизодических наблюдений.

4. В результате комплексного исследования эруптивного события по данным наблюдений в различных спектральных диапазонах показано, что волна Мортона, «волна EIT», радиовсплеск II типа и внешний край КВМ являются проявлениями единого фронта замедляющейся ударной волны, возникшей в активной области при импульсной эрупции волокна.

Личный вклад автора.

Во всех исследованиях, изложенных в работе, автор принимал участие в постановке задачи, интерпретации результатов анализа и формулировке выводов.По теме диссертации опубликовано 15 статей, из них 5 - в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций. В работах [1, 3, 5] автор разработал методики и реализующие их программы для автоматизированной обработки данных наблюдений радиометра Уссурийской обсерватории, выполнил сравнительный анализ данных, полученных в разных обсерваториях, принимал участие в создании архива данных. Почти все использованные в работе наблюдательные данные радиометра Уссурийской обсерватории получены при участии автора.

Автор участвовал в разработке модели для оценки параметров поглощающего вещества и ее программной реализации [4, 8]. В работах [2, 4, 6-15] автор участвовал в обработке данных и совместном анализе наблюдений исследуемых событий в различных спектральных диапазонах, выполнил оценки параметров поглощающего вещества по разработанной модели, существенную часть измерений кинематики наблюдаемых явлений.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

- Nobeyama Symposium on Solar Physics (NBYM06-1), Nobeyama, 15-16 марта 2006 г. (http://solar.nro.nao.ac.jp/meeting/nbym06-1/, файл Grechnev_20060315_2.ppt);

- Всероссийская конференция «Солнечная и солнечно-земная физика - 2009», Санкт-Петербург, 5-11 июля 2009 г.;

- Международная конференции «Физика Солнца: наблюдения и теория». Научный (КрАО), 6 - 12 сентября 2009 г.;

- Всероссийская конференция «Солнечно-земная физика», посвященная 50-летию создания ИСЗФ СО РАН. Иркутск, 28-30 июня 2010 г.;

- Международная конференция «Физика солнечной плазмы и активность Солнца», Научный (КрАО), 5-11 сентября 2010 г.;

- Конференция ВАК-2010 «От эпохи Галилея до наших дней». САО РАН. 13-18 сентября 2010 г.

- Международная конференция «Солнце от спокойного к активному 2011», ФИАН, 29 августа-2 сентября 2011.

Практической апробацией полученных результатов явилось их использование при мониторинге солнечной активности, при обработке и анализе данных РТ-2 совместно с данными других обсерваторий. Практической апробацией явилось также успешное выполнение Интеграционного проекта СО РАН - ДВО РАН № 4 «Природа солнечной активности и ее геоэффективные проявления», проектов ДВО РАН 09-I-П7-01 и 09-II-СО-02-002.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из 4-х глав, введения и заключения. Общий объем составляет 133 страниц. В диссертации содержится 69 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении раскрыты актуальность и цель работы, сформулированы задачи исследования, новизна, научная и практическая значимость, приведены положения, представленные к защите. Описаны методы исследования и материал, на котором выполнена работа, кратко изложено ее содержание, представлена апробация, показан личный вклад автора.

Глава 1 посвящена организации автоматизированной работы с данными радиометра Уссурийской астрофизической обсерватории. Рассмотрены методики, разработанные для решения поставленных задач и реализованные на программном языке IDL (Interactive Data Language). Исследования, изложенные в последующих главах, проведены с их использованием.

В разделе 1.1 проанализировано современное состояние и возможности радиотелескопа РТ-2 Уссурийской астрофизической обсерватории.

В разделе 1.2 анализируются измерения потоков радиоизлучения на РТ-2. Рассмотрено нахождение антенной температуры и ее перевод в значения радиопотока в солнечных единицах потока [1 с.е.п. = 10-22 Вт/(м2·Гц)]. Средняя антенная температура составляет ~ 1000 К, максимальная погрешность ее измерения в течение дня 5%. Чувствительность инструмента - Fмин 0,5 с.е.п. при обычно используемой постоянной времени 1 с. Точность абсолютной калибровки РТ-2 по радиоизлучению Луны ограничена недостаточной чувствительностью инструмента и низким уровнем радиоизлучения Луны на данной частоте ( 0,35 с.е.п. [5*]). Поэтому измеренные антенные температуры переводятся в единицы потока с помощью периодических привязок (1 раз в месяц) к величинам радиопотока на той же частоте, публикуемых обсерваторией Пентиктон, выполняющей эталонные измерения.

Раздел 1.3 посвящен автоматизированной работе с данными радиотелескопа РТ-2. Цифровая система регистрации позволила автоматизировать обработку измерений радиопотока и существенно повысить ее точность. Для обработки цифровых записей и решения исследовательских задач разработан ряд методик, которые реализованы в программах на языке IDL и внедрены в повседневную практику. С их помощью в интерактивном режиме обрабатываются данные наблюдений; восстанавливаются профили мощных всплесков, записанных с переключением усиления приемника с -10 дБ до -20 дБ или -30 дБ. Разработаны методики и программы для оцифровки записей на диаграммной ленте за прошлые годы. Создан архив калиброванных данных в цифровом виде в форматах FITS и XDR (IDLsave) c 2003 г.

В разделе 1.4 оценивается качество патрульных наблюдений. Точность и долговременная стабильность измерений потоков радиоизлучения определяется соответствующими характеристиками коэффициента привязки K к данным обсерватории Пентиктон. Среднеквадратичный разброс величин K за 2000 - 2010 г. составил 4%. Сравнение наблюдений РТ-2 с данными радиометра на 2,8 ГГц обсерватории Хирайсо показало коэффициенты корреляции ежедневных измерений 0,95 - 0,97.

При сравнительном анализе наблюдений радиовсплесков выявлено, что после перехода на цифровую регистрацию значения интенсивности мощных всплесков, полученные в УАФО, стали ближе к значениям других станций. Детальное сопоставление записей всплесков на РТ-2 с записями радиополяриметров Нобеяма позволило выявить и существенно уменьшить ошибки временной привязки. В этом же разделе выполнен обзор данных РТ-2 за вторую половину 22-го солнечного цикла и весь 23-й цикл. Определен круг возможных задач, которые могут решаться с использованием данных радиометра УАФО.

В следующих трех главах исследуются солнечные события, в которых были зарегистрированы «отрицательные всплески» в микроволновом диапазоне. Использованы записи интегрального радиопотока на разных частотах обсерваторий УАФО, Нобеяма, Хирайсо, Лермонт и Пентиктон; изображения телескопа SOHO/EIT в четырех каналах, соответствующих корональным эмиссионным линиям Fe IX-X 171 A, Fe XII 195 A, Fe XV 284 A и линии переходной области He II 304 A; коронографа SOHO/LASCO (белый свет); орбитального телескопа TRACE в канале 171 A; солнечных обсерваторий Big Bear (BBSO) и Mauna Loa (MLSO) в линиях H? и He I 10830 A, а также сводные данные о солнечных событиях из Solar-Geophysical Data.

В Главе 2 рассмотрена разработанная методика оценки параметров поглощающего радиоизлучение вещества по спектру «отрицательного радиовсплеска». В разделе 2.1 дан обзор явлений, наблюдаемых в солнечных эруптивных событиях в различных спектральных диапазонах. В линии Н наблюдаются серджи, спреи, иногда - волны Мортона; в крайнем ультрафиолетовом диапазоне и мягком рентгене - джеты, корональные димминги и «волны EIT»; в радиодиапазоне - радиовсплески II и IV типов, иногда - «отрицательные всплески» в микроволновом диапазоне. Рассмотрены проблемы интерпретации некоторых явлений, в частности, «волн EIT». Связь между волнами Мортона, «волнами EIT» и всплесками II типа остается предметом дискуссий. Для понимания происходящих на Солнце сложных явлений необходимо привлечение данных одновременных наблюдений в различных спектральных диапазонах.

В разделе 2.2 анализируются наблюдения событий 29.04.1998 и 27/28.05.2003 в линиях H и He I 10830 A, в каналах крайнего ультрафиолета и в радиодиапазоне. Выявлена длительная экранировка солнечного излучения поглощающим веществом эруптивного волокна в виде крупномасштабных потемнений в канале 304 A и микроволновых «отрицательных всплесков».

В событии 29.04.1998 за одной или несколькими волоконными эрупциями последовало разрушение магнитной структуры выброса с рассеиванием фрагментов по значительной площади над солнечной поверхностью. Крупномасштабное потемнение в канале 304 A, не имевшее явных аналогов в корональных каналах, имело площадь на уровне 25%-го снижения яркости до 6,5% от площади солнечного диска. Его максимальная глубина составляла 85% (яркость снизилась до 15% от начального уровня, т.е. в 6,7 раз).

27/28.05.2003 в одной и той же активной области произошли две эруптивных вспышки с интервалом около 90 мин. Явления поглощения наблюдались после первого события. В канале 304 A на северо-северо-запад двигалось потемнение площадью около 1% от площади солнечного диска на уровне 25%-го снижения яркости. Вспышки сопровождались мощными микроволновыми всплесками. За спадом первого всплеска последовало дальнейшее снижение потока ниже начального уровня - «отрицательный всплеск», прервавшийся началом второго всплеска.

Как отмечалось, одной из причин «отрицательных всплесков» считается затенение излучения локального источника веществом выброшенного волокна. Однако значительная площадь потемнения указывает на затенение также и спокойных областей Солнца. В разделе 2.3 обсуждаются характеристики радиоизлучения спокойного Солнца. Для наших дальнейших исследований необходимы значения яркостной температуры, радиорадиуса и интегрального потока радиоизлучения спокойного Солнца на разных частотах. Эти значения были измерены В.Н. Боровик для 9 длин волн от 2 до 31,6 см [6*]. Выполненная аппроксимация этих значений позволяет вычислить их на других частотах этого диапазона.

Раздел 2.4 посвящен модели, разработанной для оценки параметров выброса по спектру «отрицательного радиовсплеска». Зависимость радиопоглощения от параметров поглощающего экрана и частоты радиоизлучения дает возможность оценить параметры облака по записям интегрального потока на нескольких радиочастотах. Модель позволяет рассчитать спектр интегрального потока солнечного радиоизлучения с учетом вкладов хромосферы, расположенного над ней на некоторой высоте экрана (вещества эруптивного волокна) заданной площади, и корональных слоев между хромосферой и экраном, а также между экраном и наблюдателем. Рассмотрен случай затенения экраном только областей спокойного Солнца, а также вариант поглощения радиоизлучения локального источника вместе с областями спокойного Солнца. Сравнением наблюдаемого распределения глубины «отрицательного всплеска» по частоте со значениями, рассчитанными по модели, можно оценить кинетическую температуру, оптическую толщину, площадь поглощающего экрана и его высоту над хромосферой.

Средняя концентрация электронов ne и масса поглощающего вещества m находятся из выражений

радиотелескоп солнечный эруптивный спектральный

и

где - радиочастота, T, AS и L - кинетическая температура, площадь и геометрическая толщина экрана, mp - масса протона. Данные наблюдений обычно не позволяют определить форму поглощающего облака; в первом приближении можно принять, что его геометрическая толщина . Полученное значение массы, являясь оценкой сверху, по-видимому, все же близко к реальному значению, поскольку масса зависит от геометрической толщины довольно слабо, .

В Главе 3 исследовано пять событий с «отрицательными радиовсплесками» типа «послевсплесковое уменьшение» потока, выявленных по записям интегрального потока радиоизлучения в Уссурийской обсерватории - 15/16.06.2000, 06.02.2002, 07.02.2002, 01/02.06.2002, 01.01.2005. В разделе 3.1 выполнен анализ наблюдений событий в различных спектральных диапазонах, позволивший заключить, что все они имели эруптивный характер. В двух событиях, помимо «отрицательных всплесков» в микроволновом диапазоне, на изображениях в крайнем ультрафиолете в канале 304 A наблюдались обширные потемнения, площадь которых составляла ~1% (в событии 15/16.06.2000) и ~3% (01.01.2005) на уровне 25%-го снижения яркости. На коронографах SOHO/LASCO в этих событиях зарегистрированы замедлявшиеся корональные выбросы, в структуре которых отсутствовало ядро; остальные три события произошли в то время, когда наблюдений на коронографах SOHO/LASCO и Mark4 (MLSO) не было. Однако признаки КВМ - димминги или корональные волны - наблюдались во всех событиях, кроме 06.02.2002: в наблюдениях EIT в это время был 40-часовой перерыв, а остальные данные очень скудны. В исследованиях использовались программы из пакета Solarsoft и библиотеки, разработанной В.В. Гречневым, позволяющие эффективно обрабатывать и анализировать данные разных телескопов.

В разделе 3.2 по имеющимся высококачественным записям «отрицательных всплесков» на ряде частот с помощью разработанной в предыдущей главе модели для каждого из событий выполнены оценки параметров выброшенного вещества. Установлено, что наиболее вероятной причиной депрессий радиоизлучения было поглощение солнечного излучения в низкотемпературной плазме эруптивных волокон. Это согласуется с полученными оценками температур затенявших экранов ~ 104 К и их масс ~ 1015 г, близкими к характерным для волокон значениям. Возникновение «отрицательного всплеска» вследствие уменьшения излучения радиоисточника из-за иных причин в рассмотренных событиях представляется маловероятным. Соответствие спектра депрессии в «отрицательных всплесках» ожидаемому спектру глубины поглощения не оставляет возможности альтернативной интерпретации.

В разделе 3.3 обсуждаются результаты анализа событий, исследованных в главах 2 и 3. Существенным результатом являются большие площади затенявших экранов - от 2% до 6% площади солнечного диска, видимого в белом свете. Значимым оказывается затенение не только локальных радиоисточников в активных областях, но и значительных площадей спокойного Солнца. Огромные размеры затенявших экранов согласуются и с максимальной толщиной около 200 - 300 Мм, и высотами их нижних краев 20 - 80 Мм над хромосферой, оцененными из модельных расчетов.

Депрессия радиоизлучения в пяти рассмотренных событиях была максимальной на частотах 2 - 4 ГГц. Показано, что при оцененных температурах экранов в 8 - 14 тыс. К для наблюдения «отрицательных всплесков» наиболее благоприятны частоты не выше 5 ГГц (яркостная температура спокойного Солнца 18000 К). Отмечено, что главным источником информации о событиях с длительной экранировкой солнечного излучения в микроволновом диапазоне из-за отсутствия радиогелиографических наблюдений на этих частотах остаются записи интегрального радиопотока. Но очевидными условиями для регистрации таких событий являются кратковременность предшествующего вспышечного излучения и отсутствие последующих всплесков.

Как было показано на примерах событий в главе 2, другой областью спектра, благоприятствующей обнаружению выбросов низкотемпературной плазмы эруптивных волокон в поглощении, является линия He II 304 A крайнего ультрафиолетового диапазона. Поглощение в 304 A может быть значительным из-за того, что сечение фотоионизации таким излучением водородно-гелиевой плазмы с температурой, близкой к хромосферной, на порядок выше, чем для линии 195 A. Поэтому вызванные поглощением депрессии излучения, заметные в канале 304 A, слабее или вообще не обнаружимы в корональных эмиссионных линиях. Кроме того, возможно резонансное рассеяние излучения в линии 304 A плазмой с температурами в несколько десятков тысяч К, характерными для переходной области (между протуберанцем и короной), однако снижение яркости за счёт этого не может быть более чем вдвое. Депрессии, наблюдавшиеся в событиях 29.04.1998, 27/28.05.2003 и 01.01.2005 опускались существенно ниже уровня -50%, что подтверждает низкие преобладающие температуры затенявших экранов.

Рассмотрены возможные причины того, что моменты наблюдений потемнений на изображениях в канале 304 A и соответствующего «отрицательного радиовсплеска» могут различаться. Первая причина - различия в свойствах поглощения в микроволновом диапазоне и в линии He II 304 A: в микроволновом диапазоне оптическая толщина () уменьшается быстрее по сравнению с 304 A () с расширением экрана во все стороны при сохранении числа частиц, ответственных за поглощение. Поэтому «отрицательный всплеск» может уже закончиться, а поглощение в 304 A еще будет наблюдаться (как в событиях 29.04.1998 и 15/16.06.2000). Вторая причина - различие излучающих слоёв, регистрируемых в канале 304 A и микроволнах. Если поглощающий экран располагается ниже слоев, излучающих в радиодиапазоне, но выше переходной области, то «отрицательный всплеск» в этом случае еще или уже не наблюдается, а поглощение в 304 A присутствует.

В четвертой главе с использованием данных различных спектральных диапазонов восстановлен сценарий эруптивного события 13.07.2004. Его изучение выделено в отдельную главу по нескольким причинам. Во-первых, для этого события имелся исчерпывающий набор данных, обеспечивший возможность его детального анализа. Во-вторых, по изображениям в линии H и крайнем ультрафиолетовом диапазоне в [4] была оценена масса поглощающего облака, что позволило проверить оценку по радиопоглощению. В-третьих, детальные наблюдения в этом событии эрупции волокна, КВМ, волны Мортона, «волны EIT» и радиовсплеска II типа позволили также изучить взаимосвязь между этими явлениями.

В разделе 4.1 проведен детальный анализ наблюдений в различных спектральных диапазонах, который позволил восстановить общую картину крупномасштабных возмущений, наблюдавшихся на солнечном диске и в его окрестностях. Событие началось в 00:02:30 с постепенного подъема волокна или двух объединившихся волокон в активной области. Затем, примерно в 00:15, эрупция приняла взрывной характер с разрушением структуры волокна и разбрасыванием его фрагментов в виде купола, накрывшего почти весь северо-западный квадрант солнечного диска. Темные фрагменты волокна разлетелись, в основном, к северу и северо-востоку от активной области и даже достигли окрестностей северного полюса. Часть яркого вещества также двигалась к северу, а другая распространялась на запад и северо-запад. Выброс распался на две части, одна из которых покинула Солнце в виде КВМ, не имевшего классической трехкомпонентной структуры, а другая вернулась обратно. Возвратная часть выброса поглощала фоновое солнечное излучение, что наблюдалось в виде слабоконтрастных перемещающихся диммингов в канале 195 A и крупномасштабного потемнения в 304 A площадью 6,7% от площади солнечного диска, а также «отрицательного всплеска» на ряде частот микроволнового диапазона.

В разделе 4.2 по записям «отрицательных всплесков» на разных частотах с использованием разработанной модели (Глава 2) выполнены оценки параметров поглощающего вещества. В максимуме радиопоглощения оно имело температуру ~ 10000 K, площадь 6% от площади солнечного диска и закрывало источник радиоизлучения с потоком 6 с.е.п. В данном событии наблюдения позволили определить наибольшую высоту поглощающего облака в максимуме радиопоглощения (100 - 130) Мм; высота его нижнего края, оцененная с помощью модели - 30 Мм, отсюда геометрическая глубина облака - (70 - 100) Мм. Масса поглощавшего вещества оценена в 1,51015 г. В [4] его масса была вычислена также по поглощению в линии H и в каналах 195 A и 304 A крайнего ультрафиолетового диапазона. Изменения оцененных значений массы со временем соответствовали наблюдавшимся в линии H и крайнем ультрафиолетовом диапазоне подъему и последующему оседанию темного вещества. Оценки массы согласуются с учетом различия свойств поглощения в разных диапазонах, описанных в конце Главы 3, и того обстоятельства, что непрозрачность в линии H снижается из-за выхода за пределы полосы фильтра вследствие эффекта Допплера уже при лучевых скоростях в 20-50 км/с. Максимальное значение массы составило 41015 г, что по порядку величины соответствует типичной массе волокна. Массы КВМ (согласно SOHO LASCO CME Catalog) и части выброса, вернувшейся на Солнце, оказались одного порядка.

В событии 13.07.2004 наблюдались крупномасштабные возмущения в виде волны Мортона и «волны EIT», скорости распространения которых были выше скоростей других наблюдавшихся явлений. В разделе 4.3 исследованы соотношения между кинематикой этих волн и частотным дрейфом радиовсплеска II типа, а также кинематикой внешнего края КВМ. В [4] показано кинематическое соответствие волны Мортона и «волны EIT» друг другу и ожидаемому распространению замедляющейся взрывной ударной волны. Распространение ударной волны вверх вдоль коронального луча показывает дрейф метрового радиовсплеска II типа. Спад концентрации корональной плазмы значителен в радиальном направлении, поэтому затухание и замедление волны в этом направлении невелико. Соответствующая же «волна EIT», будучи следом волнового фронта в нижней короне, распространяется вдоль солнечной поверхности медленнее, т.к. в этом направлении изменение параметров плазмы не столь значительно. Поэтому скорость волнового фронта различна в разных направлениях, что объясняет известное несоответствие между скоростями «волн EIT», наблюдаемых на изображениях, и скоростями ударных волн, оцениваемых по скорости частотного дрейфа радиовсплесков II типа [7*].

В [4] было показано, что формальное использование приближения сильной автомодельной ударной волны, распространяющейся в среде со степенным радиальным спадом плотности [, x - расстояние от источника волны; x (r-1)R], позволяет удовлетворительно аппроксимировать кинематику волны Мортона и «волны EIT». В разделе 4.3 рассмотрены соотношения между степенной моделью плотности и широко применяемыми моделями корональной плотности Ньюкирка и Сайто. Используя выражение для частоты плазменного излучения [Гц] и задавая модель электронной плотности в короне, можно аппроксимировать частотный дрейф радиовсплеска II типа. Наилучшее соответствие с использованием степенной модели было достигнуто при ? = 2,1. Этот показатель близок к спаду плотности в корональном стримере согласно модели Ньюкирка, что соответствует движению области генерации излучения II типа вдоль стримера на фронте ударной волны.

Корональный транзиент, возникший в данном событии, замедлялся уже в поле зрения орбитального телескопа TRACE (512512). Непросто понять, выбросу ли вещества или следу волны соответствует кинематика самой быстрой детали, по которой выполнялись измерения в SOHO LASCO CME Catalog. Однако игольчатый вид этой детали на разностных изображениях предполагает, что она была результатом отклонения коронального луча волной. Степенная аппроксимация распространения волны с ? 2,6 согласуется с приведёнными в каталоге данными для КВМ, подтверждая, что передний край коронального транзиента был следом волны. Этот спад плотности соответствует модели Сайто, описывающей области над спокойным Солнцем, для умеренных широт.

В разделе 4.4 для выяснения характера возбуждения ударной волны исследована кинематика эруптивных структур по изображениям TRACE в канале 171 A. Эруптивная система включала два тёмных сегмента волокна, яркий выброс и наклонную петельную структуру, вершина которой находилась в 55 Мм от волокна. Наиболее активное движение выявлено у яркого выброса, скорость которого достигала 450 км/с в картинной плоскости. Максимум его ускорения (4 км/с2 в 00:14:50) совпал по времени с моментом возникновения волны, оцененным ранее в [4]. Давление плазмы во вспышечных петлях, вычисленное по данным мягкого рентгена GOES, плавно нарастало, тогда как яркий выброс начал замедляться. Размеры источника мягкого рентгеновского излучения, видимого на изображениях RHESSI, были в это время неизменны. Следовательно, волна, вероятнее всего, была возбуждена ярким выбросом как импульсным поршнем, а затем свободно распространялась подобно взрывной волне. Через 15 с после возникновения волна резко привела в движение петельную структуру, располагавшуюся под небольшим углом к фотосфере. По ее кинематике оценена интенсивность волны в этом направлении, число Маха составило 1,25. Скорее всего, в вертикальном направлении интенсивность волны была выше.

Полученные количественные оценки подтверждают, что наблюдавшиеся в событии 13.07.2004 волна Мортона, «волна EIT», радиовсплеск II типа и внешний край КВМ были проявлениями единой замедлявшейся корональной ударной волны, возникшей при эрупции волокна. В разделах 4.3 и 4.4 описаны разработанные методики измерений и аппроксимации данных. Сценарий события рассмотрен в разделе 4.5.

В событии 13.07.2004 и в событиях, рассмотренных в предыдущих главах, понижение яркости участков солнечного диска до уровня ниже квазистационарного вызвано поглощением части солнечного излучения в холодном экране. Таким экраном является плазма эруптивных волокон. В разделе 4.6 рассмотрены два возможных сценария экранировки. В первом случае форма и магнитная структура эруптивного волокна не претерпевают существенных изменений. Такое волокно, удаляясь от солнечной поверхности, расширяется, почти не теряя своей массы, и выглядит как движущийся экран, размеры которого растут, а непрозрачность падает. Вероятный пример такого сценария представляет событие 27/28.05.2003.

Во втором, аномальном сценарии эруптивное волокно существенно изменяет форму, а часть его вещества может рассеиваться по обширной солнечной поверхности, как произошло в событии 13.07.2004 и, предположительно, в событии 29.04.1998. Такой сценарий не исключен для события 01.01.2005, в котором площадь поглощавшего облака, наблюдавшегося в канале 304 A, намного превышала размеры волокна. Рассеивание вещества происходит вдоль магнитных силовых линий, которые, по-видимому, не связаны с волокном до эрупции. Переброс холодной плазмы эруптивного волокна на эти внешние силовые линии возможен при пересоединении внутреннего, принадлежащего исходному волокну, и внешнего, коронального магнитных полей. Не исключено, что за счёт такого магнитного пересоединения эруптивное волокно преобразуется в облако фрагментов. В этом случае можно условно говорить о разрушении магнитной структуры эруптивного волокна или об аномальной эрупции.

Аномальные эрупции мало изучены по очевидным причинам. Рассеиваемое по большой площади вещество быстро становится невидимым в H из-за потери оптической толщины и выхода из полосы фильтра за счет эффекта Допплера. Изображения же в канале 304 A, как правило, получались на SOHO/EIT с интервалом в 6 ч, вследствие чего вероятность регистрации таких явлений была низкой. Наблюдения SDO/AIA и STEREO/EUVI 2011 г. в канале 304 A, обеспечивающие намного более высокое временное разрешение, демонстрируют события с обоими сценариями экранировки солнечного диска (15.02, 03-06 UT; 24.02, 07:20-09:20 UT; 09.03, 22-23 UT).

В разделе 4.6 суммируются ожидаемые свойства событий с аномальными эрупциями. Аномальной эрупции должна благоприятствовать сложность магнитной конфигурации, особенно типа (события 29.04.1998, 27/28.05.2003 и 01.01.2005 произошли в ???-конфигурациях), и окружение активной области соседними. Аномальная эрупция спокойного волокна вне комплекса активности маловероятна. Эрупция волокна может сопровождаться достаточно мощной вспышкой, серджами или спреями. При аномальной эрупции вероятно возникновение ударной волны, проявляющейся в метровом всплеске II типа, «волне EIT» и возможной волне Мортона. Ударная волна может быть ответственна и за внешний край возникшего коронального выброса, не имеющего явно выраженного ядра. Такой КВМ, вероятно, имеет высокую скорость и замедляется. Ряд перечисленных свойств, по-видимому, типичен для многих вспышечных эрупций. Если после события наблюдается «отрицательный радиовсплеск» и/или обширное потемнение в канале 304 A, существенно отличающееся от диммингов, видимых в корональных линиях, то в событии могла произойти аномальная эрупция волокна. Эти свойства, описанные по неполным данным эпизодических наблюдений, подтверждаются упоминавшимися недавними наблюдениями на SDO/AIA и STEREO/EUVI событий, произошедших уже после завершения работы. Наиболее показательна аномальная эрупция, наблюдавшаяся SDO/AIA 07.06.2011, 06-09 UT, при которой разбрасываемые фрагменты эруптивного волокна видны на необработанных изображениях не только в канале 304 A, но даже и в 193 A.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

1. Проанализировано современное состояние и возможности радиотелескопа РТ-2 Уссурийской астрофизической обсерватории. Разработаны методики автоматизированной обработки данных РТ-2 и их совместного анализа с данными различных обсерваторий. Методики реализованы в программах на языке IDL.

2. Выполнен комплексный анализ наблюдений восьми вспышечных событий с «отрицательными радиовсплесками». Показан эруптивный характер этих событий, что подтверждает правомерность предположения о возможности поглощения солнечного излучения в извергнутом веществе эруптивных волокон.

3. Разработана модель, позволяющая по значениям поглощения интегрального радиоизлучения на разных частотах оценить параметры поглощающего вещества. Оценки выполнены для шести событий, для которых имелись многочастотные записи интегрального потока радиоизлучения достаточно высокого качества. Температуры затенявших экранов составляли 8000-14000 К, площади - (2-6)% от площади солнечного диска и массы ~ 1015 г. Эти оценки близки к значениям, характерным для волокон, и показывают, что причиной «отрицательных радиовсплесков» является поглощение веществом эруптивного волокна излучения не только локальных радиоисточников, но и значительных площадей спокойного Солнца.

4. Установлено, что в событиях с микроволновыми «отрицательными всплесками» могут наблюдаться обширные потемнения в линии He II 304 A, по форме и положению существенно отличающиеся от диммингов в корональных линиях. Показано, что депрессия излучения в 304 A может возникать в результате поглощения фонового излучения Солнца облаком холодной водородно-гелиевой плазмы эруптивного волокна. Объяснена наблюдающаяся в ряде случаев разновременность потемнений на изображениях в канале 304 A и соответствующих «отрицательных радиовсплесков».

5. Выявлено два возможных сценария экранировки солнечного излучения эруптивным волокном. В большинстве случаев форма и магнитная структура расширяющегося волокна сохраняются. В отдельных событиях эрупции могут иметь аномальный характер: эруптивное волокно существенно изменяет форму, а часть его вещества может разбрасываться по обширной солнечной поверхности и оседать вдали от области эрупции. Такой характер эрупции волокон предполагает трансформацию или «разрушение» их магнитной структуры, предположительно происходящее в результате взаимодействия магнитных потоков волокна и окружающего поля, что указывает на возможность крупномасштабного пересоединения в короне. Эрупции в двух из восьми исследованных событий (13.07.2004 и 29.04.1998) относились к этому типу, еще один возможный кандидат - событие 01.01.2005. По результатам анализа эпизодических наблюдений описаны свойства таких событий, выделяющие их в вероятный отдельный класс эрупций.

6. В результате комплексного исследования события 13.07.2004 показано, что наблюдавшиеся в нем волна Мортона, «волна EIT», радиовсплеск II типа и внешний край видимого в белом свете КВМ были проявлением единого фронта замедляющейся ударной волны. Установлено, что возбуждение корональной волны произошло на небольшой высоте резко ускорившимся выбросом, после замедления которого волна свободно распространялась как взрывная.

Публикации по теме диссертации

1. Кузьменко И.В. Результаты наблюдений радиоизлучения Солнца на частоте 2,8 ГГц в УАФО за 2002-2004 гг. // Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 2006. С. 65-74.

2. Кузьменко И.В., Гречнев В.В., Уралов А.М. Исследование события 13 июля 2004 г., связанного с отрицательным радиовсплеском // Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 2007. С. 50-57.

3. Кузьменко И.В. Перевод информации с бумажного носителя в электронный вид // Солнечная активность и ее влияние на землю. Владивосток: Дальнаука. 2008. С. 65-74.

4. Grechnev V.V., Uralov A.M., Slemzin V.A., Chertok I.M., Kuzmenko I.V., Shibasaki K. Absorption phenomena and a probable blast wave in the 13 July 2004 eruptive event // Solar Phys., 2008. V. 253. P. 263-290.

5. Кузьменко И.В., Михалина Ф.А., Капустин Б.А. Радиотелескоп РТ-2 Уссурийской астрофизической обсерватории: современное состояние и данные наблюдений // Изв. Вузов: Радиофизика, 2008. Т. LI. № 12. С. 1005-1010.

6. Кузьменко И.В. Гречнев В.В. Исследование событий с отрицательными радиовсплесками. // Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 79-88.

7. Кузьменко И.В., Гречнев В.В. Оценка массы выбросов в эруптивных событиях по радиоданным. Сборник докладов Всероссийской конференции «Год астрономии: солнечная и солнечно-земная физика - 2009». С.-Пб. 2009, С. 267-268.

8. Кузьменко И.В., Гречнев В.В., Уралов А.М. Исследования солнечных эруптивных событий с отрицательными радиовсплесками // АЖ, 2009. Т. 86. № 11. C. 1114-1124.

9. Кузьменко И.В., Гречнев В.В. О взрывных эрупциях волокон. Международная конференции «Физика Солнца: наблюдения и теория». 6 - 12 сентября 2009 г. Научный. Тезисы докладов // Изв. КрАО, 2010. Т. 106. № 1. С. 257.

10. Кузьменко И.В., Гречнев В.В., Уралов А.М. Корональная ударная волна в солнечном эруптивном событии 13 июля 2004 г.: возникновение и связь с радиовсплеском II типа. Конференция ВАК-2010 «От эпохи Галилея до наших дней». САО РАН. 13-18 сентября 2010 г. Нижний Архыз. Тезисы докладов. С. 58.

11. Кузьменко И.В., Гречнев В.В., Уралов А.М. Волна Мортона, «волна EIT» и радиовсплеск II типа как проявление единого волнового фронта в событии 13 июля 2004 г. // Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 2010. С. 82-91.

12. Кузьменко И.В., Гречнев В.В. Оценка массы выброса по радиоданным в эруптивном событии 1 января 2005 г. // Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 2010. С. 92-99.

13. Кузьменко И.В., Гречнев В.В., Уралов А.М. Волна Мортона, «волна EIT» и радиовсплеск II типа как проявление единого волнового фронта // Солнечно-земная физика, 2011. вып. 17. С. 30-33.

14. Гречнев В.В., Кузьменко И.В., Черток И.М., Уралов А.М. Солнечные вспышечные эрупции с длительной экранировкой излучения в линии He II 304 A и в микроволновом диапазоне // АЖ, 2011. Т. 88. № 7. C. 692-703.

15. Grechnev V.V., Uralov A.M., Chertok I.M., Kuzmenko I.V., Afanasyev An. N., Meshalkina N.S., Kalashnikov S.S., Kubo Y. Coronal shock waves, EUV waves, and their relation to CMEs. I. Reconciliation of ``EIT waves'', type II radio bursts, and leading edges of CMEs // Solar Phys., 2011, DOI: 10.1007/s11207-011-9780-z.

Размещено на Allbest.ru