Исследование колебаний лучевой скорости в протуберанцах и хромосфере тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РГБ 0!

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Ш^ИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 523.98

Машнич Галина Прокопьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ЛУЧЕВОЙ СКОРОСТИ В ПРОТУБЕРАНЦАХ И ХРОМОСФЕРЕ

Специальность 01.03.0 3-Гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск 1994 г.

Работа выполнена в Институте Солнечно-Земной Физики Сибирского Отделения РАН

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук, Ю.Д.ЖУГЖДА

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Э.И.Могилевский доктор физико-математических наук, Р.Б.Теплицкая

Ведущая организация - Главная Астрономическая обсерватория РАН (Пулково)

Защита состоится 'М'ОС/Л 1994 г. в_ часов, на

заседании специализированного' совета Д. 003 . 24 :'01 в Институте

солнечно-земной физики СО РАН.

по адресу: Иркутск-33, ул. Лермонтова, 126.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗ<Р СО РАН

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

А.И.Галкин

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Г-А НОТЫ

Актуальность работы. Наблюдения колебаний в протуберан цах выполнялись неоднократно и эти процессы обичнэ связывали с активизацией волокна олиэлежащей ослышкой. Периоды в спектрах таких колебаний имели значения от 3 до 20 минут. Работы, как правило, были основаны на фильтровых или спектральных наблюдениях. Теоретически для условий протуберанца допускалось существование колебаний с периодами не более 26 кинут. Вопрос о колебаниях в спокойных протуберанцах не связанных со вспышками :ю исследовался совсем. Для понимания природы волновых процессов п протуберанцах требовалось научить характер--нын свойства, особенности пространственного распределения колебаний и взаимосвязь колебаний в протуберанцах с колебательными процессами в солнечной атмосфере.

одной нп фундаментальных задач в физике Солнца остается пробпека нагрева веохних слоен солнечной атмосферы до высоких температур. Предполагается, что волны, рожденные турбулентными ы.'нньктииныии движениями плазмы в конвективной зоне, способны осуществить разогрев хромосферы и короны. Однако нот почвой ясности в пре д сттч ял он ии механизмов выноса энергия вьер::. Мало изучена роль в процессе нагрева наблюдаемых в солнечной зтмосфере образований. Успех в решении этой проблему по многом зависит от наличия наблюдательных данных о пара-Н'-Мрзх колебаний в рапличныу слоях солнечной атмосферы, через которые распространяются волны.

Це.'!1.10л>аботы является исследование колебательных процес сов п спокойных солнечных протуберанцах. В соответствии с цельн, были поставлены следующие задачи.

1. Иг<уч?нна х рактерных саойств и пространственного распределения варгаций лучевой скорости в спокойных протуберанца* .

2. Исследование взаимосвязи наблюдаемых протуберанцеьых колебании с колебательными процессами в нижележащих сл.'.лх солнечном атмосферы для выяснения источников и типа колебаний .

3. !Ьч-грориие обобщенной картины колебаний в спокойных протуберанцах мл осноре результатов наблюдении.

Новизну работы состоит в следующем. В результате исследований обнаружены I :иэвестные ра| ее явления в спокойных протуберанцах и хромосфере, получены временные и пространственные характеристики колебаний, кот:рые обогащают представление о природе протуберанцев, их взаимосвязи с другими солиечьымк образованиями.

Установлено, что в спокойных протуберанцах существуют три типа колебаний с разными периодами, амплитудами и пространственными масштабами.

Проведено исследование колебательных процессов на разных уровнях солнечной атмосферы. Показано, что обнаруженные нами длиннопериодны.- горизонтальные колебания лучевой скорости в хромосфере имеют причинно-следственную связь с квапичасовыни колебаниями в протуберанцах.

Обнаружена гелиоширотная зависимость величины квазичасовых колебаний протуберанцев.

Предложена интерпретация наблюда ных свойств колебаний лучевой скорости в протуберанцах, которая согласуется с модельными представлениями протуберанца в виде жгутов магнитных трубок.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что впервые получены временные и пространственные характеристики колебаний в спокойных протуберанцах. Создание обобщенной картины наблюдательных фактов о движениях плазмы протуберанцев в значительной степени может помочь при построении реальной модели протуберанца и быть полезно при решении задач о нагреве верхних слоев солнечной атмосферы до высоких темпе -тур. Результаты исследования могут иметь практическое значение для прогнозирования и изучения эволюции разнообразных солнечных активных образований, потому что свойства колебаний в протуберанцах отражают явления, п,оисходяиие в нижележащей солнечной атмосфере и глубже.

Автор выносит на защиту.

1. Результаты исследования временных и пространственных характеристик колебаний лучевой скорости в спокойных про губе-ранцах.

2. Результаты исследования взаимосвязи колебаний о протуберанцах с колебательными процессами в нижележащей атмосфе-

ре Солнца:

а) обнаружение длшшопериодных горизонтальных колебаний лумеьой скорости в хромосфере;

б) гелиоширотную зависимость величины квазичасовых колебаний спокойных протуберанцев.

з. интерпретацию наблюдаемых колебательных процессов в спокойных протуберанцах распространением волн в магнитных трубках.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах отделов физики Солнца СибИЗМИР (1981-1992) и Астрономического института АН УэССР (1991), на конференции молодых ученых СибИЗМИР (1985),на пленуме секции физики Солнца (Киев, 1984), семинарах рабочей группы "Волны в атмосфере Солнца" ( Рига, 1985, 1986; Новосибирск, 1937; Тбилиси, 1988; Иркутск, 1991), на XIII Консультативном совещании соц. стран по физике Солнца (Одесса, 1988), Всесоюзной конференции по физике Со/Шца (Ашхабад , 1990).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит ни 1 глав, введения и заключения. Общий объём текста 112 страниц, в том чнс/и 28 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во.-¡ШёДШШИ обосновывается актуальность темы, формулируются цель и конкретные задачи исследования и излагается тс новое, что вносится автором в исследование проблемы, перечисляются основные положения, которые выносятся на защиту.

Первая глава содержит кратким обзор литературы, где обсуждаются вопросы о колебательных процессах в протуберанцах и окружающей их среде.

Во второй главе описываются инструменты и приборы, с помощью которых получен наблюдательный материал, методика наблюдений и обработки, анализируются ошибки, оказывающие влияние на результаты измерений.

Наблюдения с дифференциальным доилеровским анализатором выполнены и Саянской горно-солнечной обсерватории на горизон-

талыюи автоматизированном солнечьом телеокопе. Измерения лучевой скорости проьодились с гк.мощью магнитографа с одним ФЭУ, с автоматической компенсациьй яркостных флуктуации, фотоэлектрической гидировкой изображения и выводом информации на ленточный самописец. Для измерений лучевой скорости в протуберанцах использована эмиссионная линия Hp (486.1 h.i) , в хромосфере наблюдения проводились в линиях поглощения Ball \455.5 им и Hi Х.485.7 им в фотосфере. Пространственное разрешение при идеальных условиях наблюдения в среднем составляло 7" в протуберанцах и 1-й" в волокнах и хромосфере.

Доплеровский анализатор, где в качестве фотоприемника использована телевизионная трубка-диссектор, позволяет измерять лучевые скорости по одной координат» пространства. Наблюдения с этим прибором выполнены на горизонтальной солнечном телескопе АЦУ-5 Астрономического института АН УаССР в Ташкенте. Доплеровские смещения регистрировались в линии HP, информация записывалась на многоканальный магнитофон. Пространственное разрешение в среднем около 2".

В этой же главе описываются методика наблюдений п протуберанцах и обработки наблюдательных данных, кратко обсуждаются ошибки измерений лучевой скорости. С учетом возможных погрешностей дифференциальные измерения скорости в протуберанцах дают результаты с точностью .20 м/с.

В третьей главе обсуждаются свойства колебаний в протуберанцах и хромосфере по данным наблюдений лучевой скорости. Дана качественная интерпретация результатов наблюдении.

Для анализа использовано около 50 временных серий измерения лучевой скорости наилучшего качества продолжительностью от 2 до 7 часов, которые получены в 24 протуберанцах, а также? 9 серий в фотосфере и хромосфере за период 1981-1990Г.г.

Изученные спектры колебаний спсхойных протуберанце» име-1от многопиковую структуру, но существуют диапазоны пьриодоь. характерные для трех типов колебаний, которые встречается п протуберанцах. Обобщив информацию, полученную из наблюдений лучевой скорости в протуберанцах и волокнах, мы установили. основная мощность d спектрах колебаний приходится на область квазичасовых периодов. Распределение наблюдаемых периодичное-тей по частоте встречаемости в спектрах колебаний прстуберан-

цес показывает, что дсминирующиа пики ииб!от периоды от 40 минут и более с амплитудами от 300 - 21.00 м/с. Пики меньшей мощности, которые присутствуют в спектрах колебаний имеют значения пьриодоь ¿0-40 минут с максимумом около 25 минут и амплитудами ме ее 300 м/с. При визуальном просмотре необработанных регистрограмм, полученных при пространственном разрешении не хуже з", индно, что на фоне мощных квазичасовых колебаний эпизодически появляются коротчопериодические колебания. Эти колебания (с периодами менее 10 минут) в протуберанцах имеют цуговыи характер и амплитуды г-енее 300 и/с, На примере протуберанца 2) июня 19В9 показано, что поред исчезновением протуберанца амплитуда короткой*"риодичвеких колебаний возрастает до уровня кваэичасовых.

Исследован вопрос о стабильности протуберанцочых колебаний по многодневным наблюдениям в одном и том же протуберанце. Показано, что в рязныэ дни значение доминирующего периода (1-1.5 часа) варьируется и мокет расщепляться на компоненты. Такие вариации обусловлены прежде всего тем, что в разные дни наблюдаются рапные участки протуберанца. Кроме этого замечены флуктуации амплитуды длиннопериодных колебаний внутри одной серии на временных интервалах около 3-4 чазов. Этот факт свидетельствует о сложной структуре доминирующих пиков в спектрах колебаний протуберанцев. Для иллюстрации подробно обсуждается один пример.

Изучение спектров колебаний в спокойной фотосфера и хромосфере показало, что на разных уровнях атмосферы Солнца обнаруживается хорошее совпадение периодов в области квааипяти-минутных колебаний. Дпиннопериодные колебания уверенно регистрируются в спокойной хромосфере в линии . Амплитуда квазичасовых колебаний в спокойной хромосфере увеличивается при удалении от центра диска к краю. Возрастание амплитуды колебаний объясняется преобладанием гориг чнтально компоненты и колебательных двнь.аниях хромосферы.

Обнаружена зависимость длины периода квазпчасоных колебаний протуберанца от его гелиошнроты. Показана сиянь колебаний в протуберанцах с- глобальными проявлениями солнечной активности: максимальные и минимальные значения периодов совпадают с границами широтных -зон корональной активности, с поло-

женияии глобальных нейтральных линий крупномасштабных магпчт-ных полей на Солнце.

Одна из задач, которая решалась с, помощью диссектора, заключалась в исследовании профиля скорости по высоте протуберанца. Расположение тела протуберанца вдоль широты вносит некоторую определенность и упрощает понимание картины наблюдаемых движений, так как при таком положении луч зрения совпадает с главной осью протуберанца. Это условие учитывалось при выборе объекта наблюдений. Лучевые скорости регистрировались последовательно по высоте протуберанца. Оказалось, что в протуберанце наблюдаются ярконыраженные структурные элементы, для которых характерны собственные режимы колебаний, меняющиеся со временем. Значения периодов колебаний в отдельных элементах 6ли;.ки к кпазичасоьым, а фазы могут отличаться на 180°. обычно такие элементы имеют пространственные размеры 20-25". Чьсто с высотой в протуберанце величина периода возрастает. Короткопериодические колебания с периодами менее 10 минут происходят на масштабах порядка 3-4".

Наблюдаемое временные изменения колебаний, наличие структур в Поле скоростей согласуются с современными теоретическими моделями протуберанцев, где используются понятия магнитных Трубок или Магнитных петель различных конфигураций. Наблюдаемые в теле протуберанца элементы с отличающимися режимами колебаний можно отождествить с отдельными магнитными трубками, в каждой из которых собственные условия распространения волн. Масштабы элементов, где регистрируются колебания с периодами около 20 минут и квазичасовые колебания, часто совпадают.

Далее делается попытка сопоставить получанные в этой работе результаты с теоретическими исследованиями физики колебаний протуберанцев, которые только начинаю! развиваться. Полагают, что в нижних слоях солнечной атмосферы магнитное поле имеет структуру в Виде магнитных трубок. Конвективные движечия возбуждают различного рода волчы в магнитных трубках, среди которых болев реальны поперечные волны. В страти-ф!цированной атмосфере Солнца эти волны могут трансформироваться в различные типы магнитоакустических волн. Часть этих волн проникает в верхнгт хромосферу и корону благодаря тому.

что магнитные трубки с: закрепленными концами действуют как интерференционный фильтр. Протуберанец к. нижележащая атмосфера Солнца представляв? собой взаимосвязанную систему магнитных трубок разного масштаба, по которым распространяются наг-нитпакустичес» \е волны. Мы полагаем, что набладаемма в протуберанцах дликнопериодные и короткоперкодические колебания имеют причинно-следственную связь с колебаниями в нйжележаще'* атмосфере Сольца. Колебания в диапазоне 10-40 минут обусловлены физическими и геометрическими параметрами протуберанца, которые и определяют характеристики этих колебаний.

П заключении .сформулированы основные результаты работы. В краткой Форме они сводятся к следующему.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обнаружены длиннопериодныа колебания в спокойных протуберанцах с периодами 40-100 минут и амплитудами от 300 м/с и более на основе результатов дифференциальных измерений лу-чепой скорости а протуберанцах. Показано, что спектры колебаний спокойных протуберанцев имеют многопиковую структуру, но существуют характерные диапазоны периодов, связанна с наличием трех тичов колебаний в протуберанцах: мощных квазичасовых колебаний, колебаний со средним периодом около 25 минут и ко-роткопериодических колебаний с периодами менее 10 минут.

2. Изучен вопрос о стабильности наблюдаемых типов колебаний. Показано, что доминирующие квазичасовые колебания всегда присутствуют в спокойных протуберанцах. Флуктуации амплитуды долгопериодных колебаний и, в некоторых случаях, расщепление доминирующего пика в спектрах спокойных протуберанцев свидетольстнуют о его сложной структуре.

3. Изучены короткоиерисдические колебания (менее 10 минут) спокойных протуберанцев. Показано, что кор гкопериоди-ческие колебания имьют цуговый характер, схожий с квазипятиминутными вертикальными колебаниями хромосферы. По прем>. активизации протуберанца короткопериодические колебания усиливаются и могут достигнуть по амплитуда уровня квазичпеопых.

4. Исследованы колебания в спокойной фотосфере и хромосфере. Показано, что длиниоперподные колебания хромосферы и

протуберанце» взаимосвязаны.

5. Обнаружена г-глиоширотная зависимость величины периода квазичаоовых колебанчй спокойных протуберанцев.

6. Исследовано высотное распределение колебаний в протуберанцах. В картине ква^ичасовых колебаний обнаружены ярковы-раженнме структурные элементы размером 20-25', где значения периодов и фаз колебаний совпадают. В соседних элементах колебания могут происходить D протнвофаэе. Такие элементы отождествляются с отдельными магнитными трубками, в каждой из которых собственные условия распространения волн.

7. Предложено объяснение наблюдаемых свойств и характеристик протуберанцевых колебаний. Протуберанец рассматривается в виде жгутоы магнитных трубок, закрепленных в нижней ат мосф-эре Солнца. Турбулентные конвективные дгиже.чия в конвективной зоне иозбуждают магмитоакустические полны, распространению которых способствует наличие магнитных структур. Э£ счет интерференции на магнитных трубках некоторые меди нагнм-тоакустичиских волн способны проникать в хромосферу и корону. Наиболее явно г»ти Волны проявляются п длиьнспериодных и ко-рогкопериодических колебаниях протуберанцев. Диапазон периодов колебаний протуберанцев 10-40 минут, вероятно, обусловлен разнообразием физических и геометрических параметров протуберанца.

Основные результаты опубликованы в следующих pa6oiax.

1.Башкирцев B.C., Ксбанов НИ., Машнич Г. II. Колебательные движения в двух спокойных протуберанца/. - Письма в лж, 1982, 0, 103-105.

P.. BashKirt.sev V.S. and Mashnich G.P. Oscillatory pi э cesses in prominences. - Solar Phys., 1984, 91,43-101.

3. Bashkirtsev V.S., Kobanov N.I., Mashnicii G.F. Observations of longperiod mass velocity oscillati'ins iri Sun's chromosphere - Solar Phyo., 19B7, 109, 399-402.

4. Bashkirtsev V.S. and Mashnich G.P. Oscillatory phenomena in prominences. -- Issledov. po поотьдпесьчми, aeronomi i i fizikfi Solntsa. 1990, Si, 74-83.

5. Mashnich G.P. and Bashkirtsev V.S. Observations of Doppler velocity cscillotioris of mass motion in э quiescont prominence during three onsecutive days. - Aotron. A.strop-

hys.1990, 235, 428-430.

6. Druzhinin S.A., Pevtsov A.A. and Mashnich G.P. Spatial distribution of line-of-eight velocities in a quiescent prominence. - proceedings of ESA WorkBhcp on Solar Physios,

1992, 161-164.

7. Машнич Г.П., Дружинин С.А., Певцов А.А. Колебания в спокойных протуберанцах. - Иссл. по геон.. аэрономии и физике Солнца, 1992, Б.99, 90-102.

8. Mashnich о.p., Druzhinin 8.A., Povtaov A.A. and Lev-kovsky V.I. Line-of-sight velocity measurements using a die-sector-tube. III. Prominence oscillations.- Astron. Astrop-hys., 1993, 269, 503-508.

9. Bashkirtsev V.S. and Mashnich G. Some regularities of velocity oscillations in prominences.- Astron.Astrophys.,

1993, 279, 610-614.

В работах [1,3] автор участвовала в наблюдениях, обработке и интерпретации. В работах [2,4,5,9] вклад автора и соавтора (Башкирцева B.C.) равный. В работах [6-8] автору принадлежит постановка научной задачи. Наблюдения, обработка и интерпретация выполнены совместно с соавторами.

Отпечатано на множительном участке ИСЗФ Заказной номер 258 от 19.04.94 Обг-ем 11 м/п. с. Цена свободная Тираж 7Р экз.