авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Рентгеновская изображающая спектроскопия солнечной короны в проекте коронас: создание аппаратуры и астрофизические результаты

-- [ Страница 1 ] --

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н.ЛЕБЕДЕВА РАН

На правах рукописи

Кузин Сергей Вадимович

Рентгеновская изображающая спектроскопия солнечной короны в проекте КОРОНАС: создание аппаратуры и астрофизические результаты

Специальность 01.03.02 Астрофизика и звездная астрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, академик РАН

Зеленый Лев Матвеевич, ИКИ, г. Москва

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН

Салащенко Николай Николаевич, ИФМ РАН, г. Нижний Новгород

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН

Григорьев Виктор Михайлович, ИСЗФ СО РАН, г. Иркутск

Ведущая организация Учреждение Российской академии наук Институт Земного магнетизма и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН)

Защита состоится 27 декабря 2010 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.113.02 в конференц-зале (или в Зале отображения) Института космических исследований РАН по адресу: Москва,117997, ул. Профсоюзная 84\32, ИКИ РАН, подъезд 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Института космических исследований РАН

Автореферат разослан 25 ноября 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук ___________ А.Ю. Ткаченко

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Предметом настоящей диссертационной работы является исследование структуры и динамики плазменных образований в короне Солнца методом изображающей спектроскопии мягкого рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового (МР и ВУФ) диапазонов. Исследования проведены с использованием данных, полученных в серии экспериментов на космических аппаратах КОРОНАС-И, КОРОНАС-Ф и КОРОНАС-Фотон в 1994-2009 годах в разных фазах активности Солнца.

Объект исследования – солнечная корона, являющаяся внешней оболочкой Солнца1,2,3,4. Она расположена непосредственно над хромосферой, причем физические свойства вещества при переходе от хромосферы к короне меняются практически скачкообразно в исчезающе тонком, по солнечным масштабам, переходном слое: плотность плазмы падает с 1015 см-3 до 108-109 см-3 а температура возрастает с 6000К до миллиона градусов (МК). При этом сильно увеличивается степень неоднородности плазмы как по температуре, так и по плотности. Это связано с тем, что, в отличие от фотосферы, в короне магнитное поле управляет веществом. Выходящие из нижних слоев Солнца силовые линии магнитного поля образуют в короне сложные разномасштабные конфигурации, как закрытые, так и открытые.

Корона является самой динамичной частью Солнца: процессы, происходящие в ней, имеют характерные времена развития от сотых долей секунды до суток. Многие из этих явлений сопровождаются накоплением, а затем выделением в различных формах большого количества энергии. Особенно мощные взрывообразные процессы, сопровождаемые выделением большого количества энергии в электромагнитном диапазоне и ускорением частиц, называются вспышками. Помимо выделения энергии в виде излучения, огромное количество кинетической энергии выделяется во время развития корональных выбросов масс (КВМ) и в виде солнечного ветра, распространяющегося в основном по открытым линиям магнитного поля.





В то же время в короне наиболее очевидно проявляется долговременная цикличность солнечной активности, связанная с переполюсовкой глобального магнитного поля. Ее внешние проявления связаны в первую очередь со значительным изменением интегрального потока МР и ВУФ излучения с 11-летней периодичностью.

С началом космических исследований Солнца механизмы нагрева короны, ускорения солнечного ветра, природа солнечных вспышек и другие частично получили свое объяснение. Однако в полной картине разнообразных явлений солнечной активности остается еще много нерешенных вопросов.

По этой причине исследование короны Солнца в настоящее время является одним из лидирующих направлений научных астрофизических исследований. Это связано также и с тем, что Солнце является уникальным объектом – единственной звездой, которую можно изучать с высоким пространственным и временным разрешением. Это позволяет получать данные об общих физических процессах, происходящих в глубине и на поверхности звезд.

Процессы, связанные с энерговыделением в короне Солнца, определяют состояние межпланетной и, в частности, околоземной среды. Они дают основной вклад в повышение радиационного фона, во многом определяют состояние магнитосферы, ионосферы и верхних слоев атмосферы Земли, и, таким образом, влияют на проявления техногенной деятельности человека. Поэтому исследование короны важно для изучения солнечно-земных связей, выработки прогноза геоэффективных событий и их возможных последствий. Эта область исследований бурно развивается в последнее время и носит название «космическая погода».

В силу поглощения МР и ВУФ излучения в атмосфере Земли, исследования короны Солнца в этих диапазонах спектра возможно только космическими методами. Пионерские исследования в этой области были начаты выдающимся советским ученым С.Л Мандельштамом в 1957 на втором искусственном спутнике Земли5. С начала 60-х годов прошлого века космические исследования короны в ФИАНе проводились под руководством И.А. Житника. В результате проведения большого количества космических экспериментов на ракетах, искусственных спутниках Земли и межпланетных станциях были получены приоритетные результаты в физике солнечной короны.

В настоящей работе представлены разработанные автором методы и аппаратура исследования солнечной короны в МР и ВУФ диапазонах спектра, направленные на количественное определение параметров плазмы и динамических характеристик в быстропротекающих процессах, а также основные астрофизические результаты, полученные при реализации этих методов в ходе экспериментов на борту космических аппаратов серии КОРОНАС.

Объект исследования

Объектом исследования является солнечная корона

Предмет исследования

Предметом исследования являются процессы энерговыделения, протекающие в солнечной короне.

Цель исследования

Получение новых экспериментальных данных о процессах накопления и трансформации энергии в солнечной короне и их астрофизическая интерпретация.

Задачи исследования

Разработка новых методов исследования короны Солнца в МР и ВУФ диапазонах спектра, их практическая реализация и интерпретация данных о физических процессах в различных слоях короны

Цель работы заключается в решении следующих основных задач:

  1. Разработка новых методов получения информации о физических процессах, протекающих в солнечной короне.
  2. Создание комплекса космических инструментов для реализации метода изображающей спектроскопии в МР и ВУФ диапазонах спектра.
  3. Долговременные орбитальные наблюдения и накопление экспериментального материала о спектральных и динамических характеристиках плазменных структур в солнечной короне.
  4. Определение физических параметров корональной плазмы и ее динамических характеристик в различных солнечных структурах.
  5. Исследование высотного распределения температурного состава плазмы и процессов ее нагрева во внутренней короне.

Временной интервал выполнения данной работы составляет более 20 лет (с 1989 года).

Научная новизна.

  1. Разработаны и реализованы новые космические методы регистрации монохроматических изображений полного диска Солнца в МР и ВУФ диапазонах спектра, позволяющие исследовать динамические процессы в солнечной короне с высоким (до 1 секунды) временным разрешением при ограничении объемов передаваемой информации и внутреннюю (до нескольких солнечных радиусов) корону в ВУФ диапазоне спектра при наличии мощных засветок от диска Солнца.
  2. Разработаны новые методики определения инструментальных характеристик оптических элементов, детекторов и приборов, позволившие получить абсолютные и относительные калибровочные данные, необходимые для интерпретации результатов.
  3. Созданы космические спектрогелиографы и телескопы-коронографы для получения изображений полного Солнца с рекордным сочетанием характеристик: высоким спектральным, временным и пространственным разрешением в МР и ВУФ диапазонах.
  4. Исследован новый класс явлений в корональной плазме с температурой 4-20 МК, плотностью ~109см-3 и временем жизни до суток.
  5. В спектрах излучения активных областей и вспышек обнаружены эмиссионные линии, не наблюдавшиеся ранее, предложена идентификация 102 линий. Из них 18 линий наблюдаются только во вспышках.
  6. Определены параметры плазмы (электронные и ионные плотности и температуры, мера эмиссии, периоды осцилляций) в различных корональных структурах: активных областях, вспышечных областях (в том числе – впервые для сверхмощных событий), долгоживущих высокотемпературных структурах и пр. Определены интегральные параметры корональной плазмы в период аномально низкого минимума 24 цикла солнечной активности (2009 г.).
  7. Впервые исследована структура внутренней короны в ВУФ диапазоне и процессы формирования КВМ.

Положения, выносимые на защиту

  1. Методы регистрации солнечных изображений в МР и ВУФ диапазонах спектра с высоким временным (до 1 секунды), пространственным (до 2) и спектральным (до 10-3) разрешением позволяют получать прямую информацию о состоянии, строении и динамике узкотемпературных слоев плазмы в солнечной короне в широком интервале температур (0.05-20МК) и высот (до 4 солнечных радиусов над диском Солнца).
  2. Созданные инструменты для комплексного исследования активных процессов в солнечной короне в МР и ВУФ диапазонах позволили определить плотностно-температурные (пространственные и временные распределения ne и Te, температурные профили ДМЕ) и динамические (скорости распространения возмущений и периоды осцилляций) характеристики плазмы различных структур в короне Солнца.
  3. На основе анализа монохроматических изображений в линии иона Mg XII 8.42 обнаружены крупномасштабные (до 100 тыс.км) высокотемпературные (более 10МК) структуры, расположенные на больших высотах (до 100 тыс.км над лимбом) и с длительным (до суток) временем жизни. Установлена связь таких структур с постэруптивными аркадами, определены их температурный состав и плотность (~109 см-3), показана существенная роль плазмы с температурой 4 – 10 МК в их энергобюджете. Впервые установлено, что в активных областях в отсутствии вспышек имеется плазмы с температурой около 10 МК.
  4. По данным комплекса приборов ТЕСИС/КОРОНАС-Фотон установлено, что аномально низкий минимум 24 цикла солнечной активности (интенсивность МР излучения составила 1.31018 Вт) характеризовался средними значениями температуры короны 1.8МК, меры эмиссии 41047 см-3, плотности плазмы 108 см-3 и тепловой энергии 21023 Дж. Микроактивность, характеризуемая плотностью потока в МР диапазоне на уровне (1-5)10-13 Вт см -2, приводила к разогреву плазменных образований до 10 МК.
  5. Впервые по монохроматическим изображениям в излучении линий ионов Fe IX 171 и He II 304 с высоким пространственным (до 2) и временным (до 10 мин) разрешением выделены компоненты КВМ с температурами, характерными для плазмы короны и протуберанцев, исследованы их тонкая структура и динамика развития на высотах до 4 солнечных радиусов, выявлен сценарий возникновения корональных выбросов в результате эрупции протуберанца.

Личный вклад автора

Автором разработана аппаратура и поставлены эксперименты со спектрогелиометром РЕС на спутнике КОРОНАС-И, комплексом СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф. Автор являлся научным руководителем комплекса ТЕСИС на спутнике КОРОНАС-Фотон. Эксперименты с помощью указанных выше приборов, обработка данных и их физическая интерпретация проводились под руководством и при участии автора.

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные научные результаты получены лично автором, либо при его руководстве и непосредственном участии.

Автором было разработано направление исследования высокотемпературных плазменных структур солнечной короны методом изображающей рентгеновской спектроскопии, основаным на одновременной регистрации изображений в различных монохроматических линиях.

Научное и практическое значение работы

  1. Метод регистрации слабых изображений в ВУФ диапазоне спектра рядом с более ярким (на 2-3 порядка) протяженным источником, реализованный в серии коронографов, позволил получить недоступную ранее детальную информацию о параметрах корональной плазмы на малых высотах. Этот метод открывает возможность дальнейшего значительного совершенствования параметров бортовых телескопов в части наблюдения процессов во внутренней короне Солнца.
  2. Метод регистрации непрогнозируемых процессов длительностью несколько минут при ограниченном объеме сохраняемой информации, реализованный в аппаратно-программным комплексе управления, позволил зафиксировать быстропротекающие процессы на Солнце с рекордным временным разрешением, исследовать динамические характеристики вспышек и других событий. Применение этого метода в аппаратуре, предназначенной для регистрации случайных процессов, позволит существенно сократить объемы накапливаемой информации и упростить ее анализ.
  3. Созданные элементы рентгеновской оптики (дифракционные решетки, брэгговские зеркала, рентгеновские детекторы и пр.) и приборы (МР и ВУФ спектрогелиометры и телескопы-коронографы) и разработанные методики их контроля и калибровок позволили провести регистрацию процессов в короне Солнца с рекордными по совокупности характеристиками. В ходе экспериментов с их использованием получены новые данные о характеристиках корональных плазменных структур. Использование этих инструментов в солнечных, астрофизических и лабораторных исследованиях высокотемпературной плазмы позволит сократить время проведения экспериментов и упростить интерпретацию получаемых данных.
  4. Получено более 600 тысяч монохроматических и узкополосных (в МР и ВУФ диапазонах спектра) изображений солнечной короны в различных фазах 23-24 циклов солнечной активности и создана база данных. С использованием этих данных проведены комплексные исследования различных структур и процессов во внутренней короне Солнца, в том числе впервые – высокотемпературных плазменных структур, внутренней короны на высотах до 4 радиусов над лимбом, микроактивности Солнца, сверхмощных вспышек балла Х. Данные активно используются отечественными и зарубежными учеными, проводящими исследования в области физики Солнца.
  5. Расширен каталог эмиссионных корональных линий в диапазонах 176209 и 279335 , со 140 до 165 линий. На основании полученных спектров проведена диагностика электронной температуры, плотности и ДЭМ различных структур в солнечной короне. Полученные спектры дают возможность экспериментального уточнения длин волн и отождествления линий, соответствующих как оптически разрешенным, так и запрещенным переходам в многозарядных ионах.
  6. Открыт новый класс компактных объектов в высокотемпературной плазме солнечной короны, который характеризуется температурой ~10 МК, плотностью ~109см-3, временем жизни от нескольких часов до суток, и расположением в короне на высотах до 100 тыс. км над лимбом. Впервые в «безвспышечных» активных областях установлено наличие горячей плазмы с температурой порядка и более 10 МК и определен температурный состав вспышечной плазмы. Предложены новые модели нагрева плазмы ударной волной, которые могут быть использованы для анализа других процессов, происходящих в астрофизической и лабораторной плазме.
  7. С помощью спектрофотометра SphinX, входящего в комплекс ТЕСИС, получены прецизионные данные о рентгеновском (0.8-10 ) потоке Солнца в период аномального минимума 24 цикла солнечной активности. На основе этих данных Солнце можно определить как звезду с наиболее слабым рентгеновским излучением в сфере радиусом 23 световых года. В активных областях в это время зарегистрирована рентгеновская активность на уровне (1-5)10-9 Вт/м2, которые приводили к локальному разогреву плазмы до температуры выше 10МК. Использование спектрофотометра для регулярных наблюдений Солнца позволит ввести новые критерии чувствительности и точности измерения интегрального рентгеновского потока в мониторинге солнечной активности, что необходимо для решения современных задач солнечной физики и прогноза космической погоды.
  8. Предложенные и апробированные методы наблюдения потенциально геоэффективных событий на разных стадиях цикла солнечной активности могут быть использованы для прогноза космической погоды.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на семинарах и ученых советах Отдела спектроскопии и Отделения оптики ФИАН и других научно-исследовательских центрах, 38 национальных и международных конференциях, в том числе:



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.