Владимировна исследование солнечных событий с отрицательными радиовсплесками с использованием данных радиометра уссурийской обсерватории

Российская академия наук

Дальневосточное отделение

Учреждение Российской академии наук

Уссурийская астрофизическая обсерватория ДВО РАН

На правах рукописи

УДК 523.98

Кузьменко Ирина Владимировна

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

Специальность 01.03.03 — физика Солнца

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

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 РТ2 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.