Информационное обеспечение радиоастрономических наблюдений Солнца на РАТАН-600 и БПР и его применение для исследования структуры магнитных полей в короне Солнца тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

На правах рукописи

УДК 523.98:520.88 520.27:520.88

АБРАМОВ-МАКСИМОВ Владимир Евгеньевич

Информационное обеспечение радиоастрономических наблюдений Солнца на РАТАН-600 и БПР и его применение для исследования структуры магнитных полей в короне Солнца.

Специальность 01.03.02 — Астрофизика, радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Санкт-Петербург 1996 г.

Работа выполнена в Главной астрономической обсерватории РАН.

Научный руководитель — доктор физико-математических наук,

профессор Г.Б.Гельфрейх.

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук

И.Е.Погодин,

кандидат физико-математических наук С.А.Андрианов.

Ведущая организация: Специальная астрофизическая обсерватория РАН.

Защита состоится " . й ." ...9.0...... 1997 г.

в . а "час. " .©о."мин. на заседании Диссертационного совета (шифр К 002.92.01) по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Главной астрономической обсерватории РАН по адресу: Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д.65/1, Большой конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной астрономической обсерватории РАН

Автореферат разослан

Г-

/г..

1996 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К 002.92.01 кандидат физико-математических нау;

Ю.А.Наговицын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Исследования в области физики Солнца занимают особое положение в современной астрофизике и имеют огромное научное и прикладное значение. Это вызвано целым рядом причин. Во-первых, Солнце, являясь центральным светилом и основным первоисточником энергии нашей планетной системы, играет решающую роль в поддержании физических условий на Земле — среде обитания человечества. В то же время солнечная активность оказывает существенное влияние на ионосферу и магнитное поле Земли, что сказывается на метеоявлениях и процессах в биосфере. Во-вторых, это единственная типичная звезда нашей Галактики, которая благодаря небольшому удалению от Земли, доступна для детального изучения. В-третьих, Солнце - это уникальная естественная лаборатория для исследований по физике плазмы, в которой вещество, излучение и магнитное поле находятся в таком состоянии, которого невозможно достичь в земных лабораториях.

Значительную и часто уникальную долю информации о состоянии солнечной атмосферы дают радиоастрономические методы исследований. В частности, радиоастрономические наблюдения Солнца, проводимые на одном из крупнейших в мире радиотелескопе РАТАН-600, в диапазоне от 8 мм до 30 см в интенсивности и круговой поляризации с высоким пространственным разрешением позволяют детально исследовать строение верхней хромосферы и короны Солнца, т.е. тех областей, где развиваются такие мощные геоэффективные явления, как хромосферные вспышки и корональные дыры. Более того, только такие спектрально-поляризационные радионаблюдения могут дать информацию для детального исследования структуры магнитных полей в короне и переходной зоне над солнечными пятнами. Общепризнано, что именно магнитные поля играют решающую роль в развитии активных явлений на Солнце.

Между тем современная радиоастрономическая аппаратура, используемая для выполнения наблюдений Солнца на РАТАН-600, характеризуется большим числом частотных каналов, высоким временным разрешением, возможностью программного управления параметрами СВЧ-приемников и НЧ-усилителями во время процесса наблюдения с целью

повышения динамического диапазона, переложением части функций, прежде реализуемых аппаратно, на программное обеспечение, например, детектирования. Эти причины обуславливают большую значимость программной составляющей современных наблюдательных комплексов, занимающей в них весьма весомую долю, и, соответственно, актуальность программно-методических разработок, которым посвящена значительная часть настоящей работы.

Помимо программно-методических разработок для обеспечения наблюдений Солнца значительные усилия автора были направлены на решение проблем обработки, архивизации и представления данных радиоастрономических наблюдений, богатейший архив которых накоплен Пулковской группой радиоастрономов-солнечников. Этот архив включает практически непрерывный ряд наблюдений с 1966 года на Большом пулковском радиотелескопе (БПР), которые продолжаются в настоящее время и частично публикуются в бюллетене "Солнечные данные", и архив данных наблюдений на РАТАН-600, ведущихся с 1975 года. Для данных наблюдений на РАТАН-600 характерен постоянный рост объема получаемой информации, особенно ускорившийся в последнее время благодаря вступлению в строй современного программно-аппаратного комплекса — Панорамного анализатора спектра (ПАС).

Основными целями работы являются:

1. Разработка новой методики и программного обеспечения для архивизации, обработки и представления данных наблюдений Солнца на БПР, в частности, с целью подготовки к публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные";

2. Разработка концепций, методики и алгоритмов программного обеспечения системы сбора данных и управления процессом наблюдений на РАТАН-600 на новом наблюдательном комплексе — Панорамном анализаторе спектра;

3. Разработка концепций, методики и программного обеспечения для архивизации и обработки данных наблюдений Солнца на РАТАН-600 за всю историю наблюдений;

4. Исследование структуры магнитных полей над солнечными пятнами на основе материала, полученного с использованием программно-методических разработок автора.

Научная новизна работы. Новизна и уникальность аппаратуры определила новизну и уникальность соответствующей программно-методической разработки. Впервые была разработана и реализована методика для программного обеспечения системы сбора и управления наблюдением с использованием не имеющего аналогов в мире программно-аппаратного солнечного наблюдательного комплекса — Панорамного анализатора спектра для радиотелескопа РАТАН-600. Программно, и следовательно с существенно более гибкими возможностями, были реализованы функции, прежде реализуемые аппаратно: генерация меандра модуляции для СВЧ-приемников, детектирование фазово-модулирован-ного сигнала, реализация постоянной времени. Был разработан и реализован довольно сложный алгоритм анализа входного фазово-модули-рованного сигнала (независимо для отдельных частей периода модуляции) с целью управлением усилением по низкой частоте во время наблюдения в зависимости от принимаемого сигнала от Солнца. Также были разработаны и реализованы специальные алгоритмы для быстрой визуализации принимаемых сигналов по всем регистрируемым каналам непосредственно во время наблюдения и текущего состояния программно-управляемых параметров аппаратуры. Разработанная программная компонента нового наблюдательного комплекса позволила максимально эффективно использовать его аппаратные возможности.

Разработана новая методика и на ее основе программный комплекс для архивизации, обработки и представления данных наблюдений Солнца на БПР, что позволило заметно увеличить объем материала, публикуемого в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные", в частности, впервые в мировой практике начать регулярную публикацию поляризационных сканов, при этом с существенным упрощением процедуры подготовки.

Систематизирована информация по многочисленным форматам, в которых хранится архив данных наблюдений Солнца на РАТАН-600, предложен вариант ПТБ-формата для хранения солнечных наблюде-

ний и разработано программное обеспечение для формирования единого архива.

На основе программно-методических разработок автора выполнен ряд оригинальных работ по исследованию структуры магнитных полей в атмосфере Солнца над пятнами по данным наблюдений на РАТАН-600 с привлечением данных в других диапазонах: оптическом и ультрафиолетовом. Проведено сопоставление результатов измерений напряженности магнитного поля в атмосфере Солнца над пятнами, выполненных на основе радиоастрономических наблюдений и данных, полученных в других диапазонах. Результаты сопоставления показывают сложную структуру магнитного поля активной области, которая может быть объяснена наличием локальных токов, огибающих магнитную силовую трубку пятна.

Научное и практическое значение. Данная работа по созданию программного обеспечения для ПАС была выполнена в рамках проекта по модернизации радиотелескопа РАТАН-600 для участия в программах 22 цикла солнечной активности [19,20].

Разработанное программное обеспечение системы сбора и управления наблюдениями с помощью ПАС использовалось с 1990 по 1994 год для наблюдений Солнца на РАТАН-600, а также для наблюдений солнечных затмений в экспедиционных условиях 22 июля 1990 года в Якутии и 11 июля 1991 года в Мексике. Внедрение разработанного программного обеспечения позволило получить большое количество ценного наблюдательного материала и провести ряд оригинальных исследований, в частности, исследования магнитосфер активных областей Солнца. В 1994 году были сделаны новая плата сбора и новая версия программного обеспечения на основе методической разработки автора и при его курировании, которые используются до сих пор.

Методика и программное обеспечение архивизации, обработки и представления данных наблюдений Солнца на БПР были внедрены в 1987 году и с тех пор использовались для подготовки данных к публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные".

Разработанное автором программное обеспечение архивизации и обработки данных радиоастрономических наблюдений Солнца использовалось для проведения исследований структуры магнитных полей над

солнечными пятнами, для первичной обработки данных, используемых для построения двумерных карт Солнца по наблюдениям на РАТАН-600 в нескольких азимутах и может быть использовано при работе с данными многолетнего архива, хранящимися в различных форматах.

Автор выносит на защиту:

1. Метод, алгоритмы и программную реализацию адаптивной регистрации фазово-кодированного сигнала Панорамного анализатора спектра радиотелескопа РАТАН-600;

2. Внедрение программного обеспечения системы сбора и управления наблюдениями Солнца с помощью Панорамного анализатора спектра РАТАН-600, позволившее расширить возможности диагностики солнечной плазмы и получить новые астрофизические результаты;

3. Методику и программное обеспечение, предназначенные для подготовки данных наблюдений Солнца на БПР к публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные", позволившие впервые в мировой практике начать регулярную публикацию поляризационных сканов;

4. Результаты исследования магнитного поля в атмосфере Солнца над пятнами по радиоастрономическим наблюдениям с привлечением данных, полученным в оптическом и далеком ультрафиолетовом диапазонах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XVI Всесоюзной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы (Звенигород, октябрь 1984 г.), Solar Maximum Analysis Workshop (Irkutsk, 17-24 June 1985), Республиканской конференции "Радиоастрономические исследования солнечной системы" (Одесса, 15-17 октября 1985 г.), XX Всесоюзной конференции по радиофизическим исследованиям солнечной системы (пос. Научный, КрАО, 2-6 октября 1988 г.), 5-ом симпозиуме КАПГ "Солнечно-земная физика" (Самарканд, 2-6 октября 1989 года), Межрегиональной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной

системы (Нижний Новгород, 14-18 сентября 1992г.), IAU Colloquium No. 141, "The Magnetic and Yelocity fields of Solar Active Régions" (September 6-12, 1992, Beijing, China), XXIV General Assembly of the URSI (Kyoto, Japan, August 25 - September 2, 1993.), XXV Радиоастрономической конференции (Пущино, 20-24 сентября 1993г.), IAU Colloquium No 144, Solar Coronal Structures (Tatranska Lomnica, Slovak Republic, September 20-24, 1993), XXVI радиоастрономической конференции ( Санкт-Петербург, 18-22 сентября 1995 года.), Colloquium in the framework of IAU Commission N5 "International Coopération in Dissémination of the Astronomical Data." (2-9 July 1996, Pulkovo observatory, St.-Petersburg), a также на научных семинарах в ГАО и CAO.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и 4 приложений и содержит 149 страниц, включая 46 рисунков и 15 таблиц, библиография включает 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны место и роль данной работы в тематике научных исследований и программно-аппаратных разработок, выполняемых в обсерватории, дано развернутое описание целей выполненной работы, показаны ее новизна, научная и практическая значимость. Сформулированы положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе описываются программно-методические разработки автора по системе сбора и управления процессом наблюдения для Панорамного анализатора спектра (ПАС) и астрофизические результаты внедрения и использования этого программного обеспечения.

В первом параграфе приводится ретроспективный обзор аппаратурных комплексов, применявшихся для наблюдений Солнца на РАТАН-600. Особое внимание при обзоре уделено применявшимся в составе наблюдательных комплексов системам регистрации данных наблюдений, возможностям программного обеспечения систем регистрации и

управления наблюдениями. Кратко описываются форматы и носители информации, применявшиеся для записи данных солнечных наблюдений (подробный систематический обзор форматов данных, использовавшихся для хранения солнечных наблюдений дан во второй главе).

Второй параграф посвящен аппаратной компоненте программно-аппаратного наблюдательного комплекса, для которого автор разработал программную составляющую и ее методические основы. Описаны структура и характеристики Панорамного анализатора спектра — прибора, предназначенного для регистрации солнечного радиоизлучения (интенсивности и круговой поляризации) с высоким временным разрешением и частотным диапазоном 1-18 ГГц, и его качественное отличие от предшествующих систем. Важной особенностью ПАС, определившей сложность и новизну разработки программного обеспечения регистрации, является использование метода фазового кодирования входных сигналов [21], вследствие чего на программное обеспечение были возложены функции, которые прежде реализовывались аппаратно: генерация меандра модуляции, синхронное детектирование, интегрирование с заданной постоянной времени. Подробно описана архитектура и принципы работы платы регистрации, конструктивно выполненной в виде платы расширения для IBM PC.

Третий параграф — центральная часть первой главы. В нем дано полное описание концепций, архитектуры и алгоритмов программного обеспечения управления наблюдением и системы регистрации ПАС. Программный комплекс состоит из трех тесно взаимодействующих частей:

1. ядра системы — модуля, выполняющего временную синхронизации, генерацию меандра модуляции и инициацию опроса ;

2. модуля, выполняющего опрос данных по каналам, синхронное детектирование фазово-модулированного сигнала, интегрирование с заданной постоянной времени;

3. фонового модуля-монитора.

Передача управления между модулями производится по аппаратным прерываниям: модуль 1 активизируется по прерыванию IRQ0, имеющему наивысший приоритет, модуль 2 — по IRQ2. Модуль 3 выполняет

свои функции в фоновом режиме, когда пассивны модули 1 и 2 и осуществляет в реальном времени визуализацию данных на дисплее, запись данных на жесткий диск, анализ данных и генерацию управляющих воздействий (включение-выключение модуляции, изменение коэффициентов усиления низкой частоты) через параллельный интерфейс, визуализацию управляющих воздействий, а также обеспечивает интерфейс с пользователем через клавиатуру и "мышь" при помощи иерархической системы меню и диалоговых окон для ручного управления наблюдением, установки конфигурации аппаратуры и задания режимов работы программного обеспечения. Модуль 3 поддерживает три основных режима:

1. автоматический, при котором производится автоматическое управление приемной аппаратурой в зависимости от регистрируемых сигналов;

2. ручной, при котором все управляющие воздействий для аппаратуры генерируются только по командам, вводимым наблюдателем;

3. тестовый, предназначенный для наладки и проверки работоспособности аппаратуры.

Необходимость автоматического управления вызвана труднопредска-зуемостью солнечной активности и большим диапазоном ожидаемого радиосигнала от Солнца (от уровня спокойного Солнца до мощных локальных источников, превышающих уровень спокойного Солнца в несколько раз), а также возможностью попадания всплеска на момент наблюдения. Сама идея анализа сигнала и управления усилением по низкой частоте (НЧ) не нова и была уже реализована в наблюдательных комплексах ИКАР-16, ИКАР-24 и ИКАР-32 [22,23]. Однако в этих комплексах оцифровывался уже детектированный постоянный сигнал, благодаря чему алгоритм анализа был тривиален, к тому же управление осуществлялось по каждому каналу независимо и изначально было известно, что большим уровням сигнала соответствуют большие значения отсчета АЦП, что также значительно упрощало алгоритм. Особенность и трудность разработки соответствующего алгоритма для ПАС заключалась, во-первых, в необходимости анализа фазово-модулированного сигнала (независимого анализа каждой из

четырех составляющих периода, по которым затем вычисляется реальный сигнал), во-вторых, в невозможности априорно задаться допущениями о положении начальных уровней каждой из этих четырех компонент на шкале АЦП (каждая из них могла оказаться вблизи нуля, вблизи максимального отсчета, в середине шкалы АЦП, причем на всех каналах по разному) и направлении изменения отсчета на шкале АЦП (уменьшение или увеличение отсчета) при росте входного сигнала и, в-третьих, в идеологии "поствольного" управления, при которой изменение усиления НЧ могло производиться только для целого "ствола", включающего до восьми каналов, поведение сигналов на которых могло довольно сильно различаться, как из-за различной настройки соответствующих аппаратурных блоков, так и вследствие реально разных сигналов от Солнца на разных частотных каналах, причем последнее различие могло изменяться в течение одного наблюдения из-за разного характера спектра излучения спокойных участков Солнца и источников различных типов (пятенных, флоккульных, гало, пекулярных). Для обеспечения взаимодействия модулей и обмена данными между ними организованы три буфера: два буфера данных и буфер состояния наблюдения. Буферы данных используются попеременно для накопления оцифрованных данных каналов: в один (активный буфер) записываются новые данные, другой (пассивный буфер) в это время сбрасывается на жесткий диск. Отслеживание степени заполненности активного буфера и своевременное переключение буферов выполняется модулем 2. Буфер состояния наблюдения - это область глобальных переменных, содержащих всю информацию о наблюдении, как астрономическую, так и аппаратную, в частности, текущие значения установок аппаратуры, различные счетчики и флаги состояния.

Программы были написаны на языках Си и ассемблер Intel 80286: модули 1 и 2 — на ассемблере, модуль 3 — на Си. Приведем пример, иллюстрирующий степень трудности комплекса проблем, встретившихся при реализации проекта, и демонстрирующий параметры, которых удалось достичь благодаря разработанным алгоритмам на довольно слабой вычислительной технике. При обычной работе аппаратное прерывание IRQ0, обработчик которого, устанавливаемый операционной системой, обслуживает системные часы времени суток, происходит с частотой 18.2 Гц. При запуске программы регистрации вместо системного обра-

ботчика загружался модуль 1, а частота прерываний ШС^О в штатном режиме наблюдений устанавливалась равной 540 Гц (а в экспериментальных режимах с меньшим количеством каналов — до 4000 Гц). При этом с частотой 270 Гц опрашивалось 40 частотных каналов, выполнялось детектирование сигналов, анализ и управление, визуализация данных на дисплее и непрерывная запись на жесткий диск. Реализовано программное обеспечение было на компьютере 1ВМ РС АТ 286 с тактовой частотой 12 МГц.

Естественно, что требования быстродействия определили невозможность использования функций операционной системы, за исключение функций записи на жесткий диск, и функций стандартных библиотек. Поэтому потребовалось разработать специальные библиотеки функций, в первую очередь функций работы с видеоконтроллером и видеопамятью, а также ряд вспомогательных библиотек, которые могут иметь самостоятельное применение.

Формат выходных файлов спроектирован таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную сохранность данных при сбоях. Даже если во время наблюдения выключиться питание и файлы не будет корректно закрыты или вообще файловая система будет разрушена, благодаря специальным меткам с номерами записанные данные достаточно легко можно будет восстановить.

Четвертый параграф посвящен методике обработки данных, полученных с помощью ПАС. Приведены полное описание всех полей выходных файлов и формулы для восстановления сканов за управляющие воздействия и для восстановления истинной шкалы времени, поскольку при регистрации используется условная на основе специальных счетчиков. В приложении 1 приведен включаемый файл с определениями структур данных выходных файлов.

В пятом параграфе приведен ряд астрофизических результатов, полученных с помощью ПАС и разработанного автором программного обеспечения. Система использовалась для наблюдения двух солнечных затмений в экспедиционных условиях (22 июля 1990 года в Якутии и 11 июля 1991 года в Мексике), а также с 1991 года — для ежедневных наблюдений Солнца на 3-м облучателе РАТАН-600. Автор участвовал в наблюдениях затмения во время экспедиции в Якутию и ряде наблюдений на РАТАН-600.

Внедрение разработанного автором программного обеспечения позволило расширить возможности диагностики солнечной плазмы и получить более полную информацию о структуре магнитных полей активных областей. Описывается развитие радиоастрономического метода измерения магнитных полей на основе 5% частотного разрешения ПАС и новые возможности исследования явления смены знака поляризации.

Вторая глава посвящена вопросам обработки данных наблюдений Солнца на РАТАН-600 и вопросам формирования единого архива.

В первом параграфе дан детальный обзор форматов, в которых хранятся данные солнечных наблюдений, выполненных на РАТАН-600. Описана концепция двухуровневого архива ("Архив-1" и "Архив-2"), разработанная в Пулковской группе радиоастрономов-солнечников [24] и приведены полные описания основных форматов архива-1 ("Формат^ 5", "Форматов", "Формат-7") и архива-2 ("старого" и "нового"). В приложении 2 приведен включаемый файл с определениями структур для служебных полей этих форматов. Поскольку архив копился годами, и в разные периоды для наблюдений и обработки использовались ЭВМ различных типов и различной архитектуры, то данные представлены не только в различных форматах, но и на различных носителях (магнитные ленты, дискеты, стримерные ленты), и для двоичных данных использованы различные формы представления, а для символьных - различные кодировки (КОН-7, EBCDIC, ASCII). Такое многообразие форматов, носителей и форм представления данных сильно ограничивает возможности работы с богатейшими архивными данными (почти два солнечных цикла непрерывных наблюдений) на современной технике и определяет актуальность задачи формирования единого архива, первым этапом которой явилась разработка концепций и формата единого архива и необходимого программного обеспечения для обработки.

Во втором параграфе обсуждаются требования, предъявляемые к формату архива, и предлагается вариант FITS-формата [25] (FITS-расширения binary table [26]). Приводится полное описание предлагаемого варианта FITS-формата. В приложении 4 дан пример заголовка описанного FITS-расширения.

Третий параграф посвящен описанию пакета утилит, предназначен-

ных для первичной обработки данных, записанных в форматах " Архив-1" и "Архив-2", и формирования ИТБ-файлов.

В четвертом параграфе описывается программа 88Р1, предназначенная для визуализации на дисплее в произвольном масштабе ИТЭ-файлов с данными солнечных наблюдений как привязанных по координатам к диску Солнца, так и к временной шкале (для поиска тонких деталей во временной структуре), коррекции записей (например, выбросов), калибровки по "спокойному Солнцу", оценки параметров локальных источников радиоизлучения Солнца.

В третьей главе описываются комплекс программ обработки и обеспечения наблюдений Солнца на БПР и методика подготовки данных для ежемесячных публикаций в бюллетене " Солнечные данные", позволившие впервые в мировой практике начать регулярную публикацию поляризационных сканов.

В первом параграфе приведено описание комплекса программ обработки и обеспечения наблюдений Солнца на БПР, написанного на языке фортран IV и реализованного на ЭВМ ЕС 1033 ВЦ ГАО РАН. Комплекс выполняет следующие функции:

• по обработке данных наблюдений

1. архивизацию на жестком диске и магнитных лентах данных, вводимых с перфокарт, в формате "архив-2" (организация файла с "архивом-2" на диске ЕС была для удобства пользования модифицирована созданием оглавления по дате);

2. обработку данных по методике А.Н.Коржавина [27] с целью коррекции паразитной круговой поляризации, возникающей на главном зеркале, поляризации, пропорциональной интенсивности, фильтрации шумов; при этом выходные данные записывались также в формате " архив-2";

3. вывод данных на графический дисплей и планшетный графопостроитель с целью получения твердой копии;

• по обеспечению наблюдений

1. расчет таблиц для установки антенны по формулам, выведенным О.Н.Шиврисом [28], и на основе алгоритма Г.Б.Гель-фрейха;

2. расчет таблиц для радиоастрономической юстировки антенны по алгоритму Г.Б.Гельфрейха [29];

3. сопровождение каталога констант БПР и мест нулей антенны.

Существенной особенностью комплекса, значительно упростившей работу с ним и в заметной степени снизившей вероятность возникновения ошибок, явилась впервые выполненная в отечественной практике стыковка программ обработки и счета таблиц с разработанным в ИТА комплексом программ расчета эфемерид Солнца [30].

Второй параграф посвящен методике подготовки данных наблюдений Солнца на БПР для публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные". Описываются методика подготовки данных, представленных на лентах самописцев, к архивизации на магнитные носители (магнитные диски и ленты), процесс архивизации, обработки и получения твердой копии, организованный в диалоговой системе PRIMUS.

Методика и программное обеспечение были внедрены в 1987 году с целью перехода на новую форму публикации данных и с тех пор постоянно использовались.

Четвертая глава посвящена астрофизическому применению методических и программных разработок, изложенных в предыдущих главах: исследованию магнитных полей в атмосфере Солнца над пятнами по данным наблюдений на РАТАН-600.

В первом параграфе описывается классификация локальных источников радиоизлучения Солнца, наблюдаемых в сантиметровом диапазоне на радиотелескопе РАТАН-600, являющаяся отражением разнообразия реальных магнитных структур в атмосфере Солнца.

Во втором параграфе излагается разработанная в Пулковской группе солнечной радиоастрономии методика измерения магнитных полей над солнечными пятнами по спектрально-поляризационным наблюдениям в сантиметровом диапазоне длин волн с высоким пространственным разрешением, основанная на интерпретации пятенной компоненты

радиоизлучения активных областей Солнца как теплового магнито-тормозного излучения электронов в сильном магнитном поле (10002000 Гс) [31] и ее дальнейшее развитие с использованием возможностей частотного разрешения ПАС.

В третьем параграфе приведены результаты исследования магнитного поля над солнечными пятнами на высоте переходной зоны между хромосферой и короной по наблюдениям на РАТАН-600 и по измерениям, сделанным по зеемановскому расщеплению далекой ультрафиолетовой линии иона CIV по данным спутника Solar Maximum Mission [32,33], в апреле и октябре 1980 года. Получено существенное расхождение значений поля: радиоастрономические значения в 1.5-2 раза выше. Такое расхождение может быть объяснено только в рамках неоднородной модели границы хромосфера-корона над пятном.

В четвертом параграфе исследуется структура магнитного поля над солнечными пятнами по скоординированным наблюдениям в течение ряда периодов в 1990, 1992 и 1993 годах на РАТАН-600, в частности, с использованием ПАС, и наблюдениям в оптическом диапазоне на горизонтальном солнечном телескопе АЦУ-5 в Пулкове, выполненными Г.Ф.Вялыпиным. Анализируются результаты измерений напряженно-стей магнитных полей в атмосфере Солнца над пятнами, выполненными по радиоастрономическим данным, которые относятся к уровню переходной зоны между хромосферой и короной, и по зеемановскому расщеплению восьми линий оптического диапазона, имеющих различные эффективные высоты образования в хромосфере. Показано хорошее согласие результатов, полученных двумя методами, основанными на различных физических принципах, что свидетельствует о правильности обоих методов и правомерности их использования. Обсуждаются возможные астрофизические интерпретации сложной структуры магнитного поля над пятнами, в частности, причины вариаций толщины магнитной силовой трубки, на существование которых указывает сопоставление оптических и радио данных, и возможные ошибки измерений магнитных полей.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработаны методические основы программного обеспечения системы сбора и управления радиоастрономическими наблюдениями Солнца с использованием Панорамного анализатора спектра.

2. Разработано и внедрено программное обеспечение системы сбора и управления радиоастрономическими наблюдениями Солнца с использованием ПАС, которое применялось в экспедициях для наблюдений двух солнечных затмений (22 июля 1990 года в Якутии и 11 июля 1991 года в Мексике) и при наблюдениях Солнца на РАТАН-600.

3. Систематизирована и детально описана информация о форматах и носителях данных, использованных для хранения архива солнечных наблюдений на РАТАН-600. Предложен вариант ИТБ-формата для создания единого архива данных наблюдений Солнца на РАТАН-600 и БПР, разработано соответствующее программное обеспечение.

4. Разработан и внедрен Комплекс программ обработки и обеспечения наблюдений Солнца на БПР. На основе этого комплекса разработана, в 1987 году внедрена и с тех пор используется методика подготовки данных наблюдений Солнца на БПР к регулярной публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные", что, в частности, позволило впервые в мировой практике начать регулярную публикацию поляризационных сканов. Всего за весь период использования системы обработаны данные примерно за 3200 дней наблюдений и опубликовано в бюллетене "Солнечные данные" около 5700 сканов в интенсивности и круговой поляризации.

5. На основе программно-методических разработок автора проведен ряд исследований структуры магнитного поля в атмосфере Солнца над пятнами. Сопоставление измерений напряженности магнитного поля в переходной зоне между хромосферой и короной над пятнами, выполненных по данным наблюдений на РАТАН-600 и

по данным спутника SMM, показывает необходимость привлечения неоднородных моделей атмосферы Солнца над пятнами.

6. Проведена работа по сопоставлению результатов измерений магнитных полей, выполненных по оптическим и радионаблюдениям, подтверждающая сложную структуру магнитного поля над пятном, которая может быть объяснена наличием локальных токов, огибающих магнитную силовую трубку пятна.

Личный вклад автора. В работах [1,2,3] описаны разработанные автором методика и реализация программного обеспечения системы сбора и управления наблюдением для ПАС. Работы [4,5,6,7,8,9] выполнены на основе наблюдений Солнца с использованием ПАС; использовалось программное обеспечение, разработанное автором, и автор принимал участие в наблюдениях и подготовке данных.

Работы [10,11,12] посвящены архивизации и обработке данных наблюдений Солнца на РАТАН-600. Автором сформулирована постановка задачи, выполнены разработка методики и программного обеспечения.

В работе [13] автор участвовал в обработке данных с использованием комплекса программ обработки и обеспечения наблюдений Солнца на БПР, разработанного автором.

В работах [14,15] автор принимал участие в обработке данных и обсуждении результатов.

В работах [16,17,18] излагаются результаты исследования структуры магнитных полей над солнечными пятнами. Автор выполнил обработку радиоастрономических данных и принимал участие в обсуждении полученных результатов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Богод В.М., Абрамов-Максимов В.Е., Дикий В.Н., Ватрушин С.М., Цветков C.B. Панорамный радиометрический анализатор спектра диапазона 3.5 ГГц - 18 ГГц с цифровой обработкой информации // Препринт CAO, 1993, Санкт-Петербург, №84J1, с.1-28.

2. Bogod V.M., Vatrushin S.M., Abramov-Maximov Y.E., Tsvetkov S.V., Dikij V.N. Panoramic analyser of radio spectra instrument for measurements of coronal magnetic fields on the Sun // Proceedings of IAU Colloquium №141, The Magnetic and Velosity Fields of Solar Active Regions. ASP Conference Series, Eds. Zirin H., Ai G., Wang H. Vol.46, 1993, 306-309.

3. Абрамов-Максимов B.E. Информационное обеспечение наблюдений Солнца на РАТАН-600 // XXV Радиоастрономическая конференция, Пущино, 20-24 сентября 1993 г. Тезисы докладов, Пущино, 1993, с.159.

4. Abramov-Maksimov V.E., Borovik V.N., Bogod V.M., Gelfreikh G.B., Garaimov V.I., Korzhavin A.N. Magnetosphere of the Active Region Based on Multifrequency Solar Observations with New Panoramic Spectra Analyser on RATAN-600 // XXIV General Assembly of the URSI, Kyoto, Japan, August 25 - September 2, 1993. Abstracts booklet, Kyoto, 1993, p.468.

5. Gelfreikh G.B., Bogod V.M., Abramov-Maximov V.E., Tsvetkov S.V. Measurements of solar magnetic fields using radio observations with the RATAN-600 // Proceedings of IAU Colloquium №141, The Magnetic and Velosity Fields of Solar Active Regions. ASP Conference Series, Eds. Zirin H., Ai G., Wang H. Vol.46, 1993, 271-274.

6. Bogod V.M., Abramov-Maximov V.E., Borovik V.N., Garaimov V.I., Gelfreikh G.B., Korzhavin A.N. Magnetic Fields in the Solar Corona as Found from High Spectral Polarization and Spatial Resolution Radio Observations with RATAN-600 Radiotelescope // IAU Colloquium №144, Solar Coronal Structures, Tatranska Lomnica, Slovak Republic, September 20-24, 1993, Program and Abstracts, p.24.

7. Lang K.R., Willson R.F., Kile J.N., Lemen J., Strong K.T., Bogod V.M., Gelfreikh G.B., Ryabov B.I., Hafizov S.R., Abramov-Maximov V.E., Tsvetkov S.V. Magnetospheres of solar active regions inferred from spectral-polarization observations with high spatial resolution // Astrophys. J., V. 419, №1, P.l, Dec.10, pp.398-417, 1993.

8. Korzhavin A.N., Bogod V.M., Vatrushin S.M., Pervakov A.A., Gre-chnev V.V., Treskov T.A., Abramov-Maximov V.E., Belov K.V. Fine Coronal Structure of Solar Active Regions from Multi- Frequency Microwave Observations of the July 11, 1991, solar Eclipse in Mexico // IAU Colloquium №144, Solar Coronal Structures, Tatranska Lomnica, Slovak Republic, September 20-24, 1993, Program and Abstracts, p.128.

9. Коржавин A.H., Богод B.M., Ватрушин C.M., Перваков А.А., Греч-нев В.В., Тресков Т.А., Абрамов-Максимов В.Е., Белов К.В. Тонкая структура активных областей по многочастотным микроволновым наблюдениям полного солнечного затмения 11 июля 1991 года в Мексике (JIa Паз, Южная Калифорния) // XXVI радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург, 18-22 сентября 1995 года. Тезисы докладов, стр. 181-182, С-Петербург, 1995.

10. Абрамов-Максимов В.Е. Пакет программ для обработки и астрофизической интерпретации наблюдений Солнца на РАТАН-600 // XXVI радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург, 1822 сентября 1995 года. Тезисы докладов, стр. 224-225, С-Петербург, 1995.

11. Abramov-Maksimov V.E. The software for archiving and data processing of solar radio observations // International Cooperation in Dissemination of the Astronomical Data. Colloquium in the framework of IAU Commission N 5. 2-9 July 1996, Pulkovo observatory, St-Petersburg. Abstracts, p.67, Sankt-Petersburg, 1996.

12. Abramov-Maksimov V.E., Bogod V.M., Korzhavin A.N., Opeikina L.V., Shatilov V.A. Software for Management of a Database of Solar Observations on the Radio Telescope RATAN-600 // In: Proc. of the Third International Workshop on "Advances in Databases and Information Systems". 1996, Moscow Ingineering Physical Inst. Publishing, v.2, pp. 51-54.

13. Abramov-Maksimov V.E., Vatrushin S.M., Peterova N.G. East-West Solar Scans for 15-17 February and 23-25 April 1984 from the Large Pulkovo Array // Report UAG-96. Solar-Geophisical Activity Reports

for STIP interval XV (12-21 February 1984 Ground Level Event) and STIP interval XVI (20 April - 4 May 1984 Forbush Decrease). Boulder,

1987, pp.78-80.

14. Абрамов-Максимов B.E., Гельфрейх Г.Б., Плотников В.М. Проблема классификации локальных источников радиоизлучения Солнца в сантиметровом диапазоне волн // XX Всесоюзная конференция по радиофизическим исследованиям солнечной системы (пос. Научный, КрАО, 2-6 октября 1988 г.). Тезисы докладов. Симферополь,

1988, стр. 25.

15. Абрамов-Максимов В.Е., Гельфрейх Г.Б. Классы локальных источников радиоизлучения Солнца и вспышечная активность групп пятен // Солнечно-земная физика, 5-ый симпозиум КАПГ, Самарканд, 2-6 октября 1989 года. Тезисы докладов. Москва, 1989, с. 18.

16. Абрамов-Максимов В.Е., Гельфрейх Г.Б. Магнитное поле солнечного пятна на высоте переходной области между хромосферой и короной // Письма в астрономический журнал, т. 9, №4, 244-249, 1983.

17. Gelfreikh G.B., Abramov-Maksimov V.E., Akhmedov Sh.B., Bogod V.M. Structure of the solar atmosphere above sunspots as deduced from radio, optical and EUV observations // Solar Maximum Analysis. Additional Issue. Proceedings of the International Workshop held in Irkutsk, USSR, 17-24 June 1985. Edited by Stepanov V.E., Ob-ridko V.N., Smolkov G.Ya. Novosibirsk, "Nauka" (Siberian branch), 1988, pp. 71-75.

18. Abramov-Maksimov V.E., Vyalshin G.F., Gelfreikh G.B., Shatilov V.A. Magnetic fields of sunspots based on combined optical and radio observations // Solar Physics, v.164, pp.333-343, 1996.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

19. Богод B.M., Гельфрейх Г.Б., Коржавин А.Н., Пустильник Л.А. Предложения по использованию радиотелескопа РАТАН-600 в про-

граммах 22-го цикла солнечной активности // Препринт CAO АН СССР №22, Н.Архыз, 1988, с.1-22.

20. Bogod V.M. Perspectives of advance of RATAN-600 solar observations // Astron. Nachr. 313 (1992) 2,97-100.

21. Богод В.M., Комар H.П. Применение схемы линейного интегратора со сбросом в многоканальных быстродействующих анализаторах спектра // Препринт CAO, №85, Нижний Архыз, 1992.

22. Богод В.М., Гельфрейх Г.В., Петров 3-Е. Автоматизированный солнечный спектрально-поляризационный комплекс ИКАР-16 на радиотелескопе РАТАН-600 // Астрофиз.исслед.(Изв.САО), 20, 102116, 1985.

23. Богод В.М., Петров З.Е., Шатилов В.А. Расширенный солнечный комплекс ИКАР-24 на радиотелескопе РАТАН-600 // Радиоастрономическая аппаратура. XVII Всесоюзная конференция. Ереван, 1012 октября 1985 г. Тезисы докладов, 227-228, 1985.

24. Андрианов С.А., Гельфрейх Г.Б., Коржавин А.Н. Комплекс программ первичной обработки солнечных наблюдений на РАТАН-600 // 14-я Всесоюзная радиоастрономическая конференция "Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы". Тезисы докладов, Ереван, 1982, 386.

25. Wells D.C., Greisen E.W. and Harten R.H. FITS: A Flexible Image Transport System. A&A Suppl., v.44, 363-370, 1981.

26. Cotton W.D., Tody D., Pence W.D. Binary table extension to FITS. AkA Suppl., v.113, 159-166, 1995.

27. Коржавин А.Н. К вопросу об измерении круговой поляризации на антенне с отражателем переменного профиля // Сообщения CAO, выпуск 16, стр. 43-62, 1976.

28. Хайкин С.Э., Кайдановский Н.Л., Есепкина H.A., Шиврис О.Н. Большой пулковский радиотелескоп // Известия ГАО №164, 1960, стр. 3-26.

29. Гельфрейх Г.Б. Радиоастрономический способ юстировки антенн переменного профиля // Известия ГАО, №188, 139-148, 1972.

30. Глебова Н.И. Комплекс программ TAGEFR вычисления эфемерид Солнца, Меркурия, Венеры и Марса для РАТАН-600 / / Алгоритмы небесной механики ИТА АН СССР (Материалы математического обеспечения ЭВМ), выпуск 38, Л., 1982.

31. Akhmedov Sh.B., Bogod V.M., Gelfreikh G.B and Korzhavin A.N. The measurement of magnetic fields in the solar atmosphere above sunspots using gyroresonance emission // Solar Phys., v. 79, 41-58, 1982.

32. Tandberg-Hanssen E., Athay R.G., Beckers J.M., Henze W., Hyder C.L., Mishalitsianos A.G., Shine R.A., Schoolman S.A., Woodgate B.E. Preliminary observations and results obtained with the SMM ultraviolet spectrometer and polarimeter // Astrophys.J., v.244, L127-L132, 1981.

33. Henze W., Tandberg-Hanssen E., Hagyard M.J., Woodgate B.E., Shine R.A., Beckers J.M., Bruner M., Gurman J.В., Hyder C.L., West E.A. Observations of the longitudinal magnetic field in the transition region and photosphere of a sunspot // Solar Phys., v.81, 231-244, 1982.

Часть работы была выполнена в рамках проекта, поддержанного Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант 96-0789174, руководитель проекта — В.Е.Абрамов-Максимов).