Исследование солнечных событий с "отрицательными радиовсплесками" с использованием данных радиометра Уссурийской обсерватории тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Российская академия наук Дальневосточное отделение Учреждение Российской академии наук Уссурийская астрофизическая обсерватория ДВО РАН

На правах рукописи УДК 523.98

КУЗЬМЕПКО 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

1 2 ЯНВ 2072

Иркутск - 2011

005007653

005007653

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

Защита состоится « 7 » февраля 2012 г. в 14 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 « . . » . декабря. 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.003.034.01

кандидат физико-математических наук Лубышев Борис Ильич

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова

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 - - является одним из важнейших индексов, широко используемым для диагностики солнечной активности и в моделях состояния космической погоды. Индекс Г10Л является наиболее точным из индексов и имеет прозрачный физический смысл, характеризуя состояние корональной плазмы. Записи индекса образуют длинный ряд непрерывных наблюдений, охватывающий более чем 60-летний период времени. В задачи наблюдений на волне 10,7 см входят продолжение ряда характеризующего медленно меняющийся компонент солнечного радиоизлучения, т. е. общее состояние солнечной короны, и мониторинг вспы-шечных 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 Fi07 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 ГТц 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 На 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 На 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 для случая как поглощения в линии На, так и 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 для выяснения, вызваны ли события с «отрицательными радиовсплесками» поглощением или временными вариациями радиопотока, проводился совместный анализ микроволновых данных с данными наблюдений в линии На. В настоящее время наличие как наземных, так и внеатмосферных наблюдений дает возможность исследования 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 в различных диапазонах излучения. Почти все исследуемые события были выявлены по записям интегрального потока радиоизлучения, полученным на радиотелескопе РТ-2 Уссурийской обсерватории.

Цель работы заключается в решении следующих основных задач:

1. Разработка требуемых для совершенствования мониторинга солнечной активности и исследования «отрицательных всплесков» методик автоматизированных обработки и анализа данных радиометра Уссурийской обсерватории и реализующих эти методики программных средств. Разработка методик и программных средств со-

вместного 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 и данных других обсерваторий для оценки качества наблюдений.

3. Комплексный анализ наблюдений событий с «отрицательными радиовсплесками» по данным в различных спектральных диапазонах 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 А, не имеющие аналогов в корональных каналах.

• Выявлено два сценария экранирования солнечного диска веществом эруптивного волокна: 1) экранирование самоподобно расширяющимся волокном при сохранении его формы и магнитной структуры и 2) экранирование 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 А с вы-

соким временным разрешением. Измеренное ускорение носило импульсный характер, длилось 2 мин, достигло 4 км/с2 (-20 g) и сменилось замедлением -1,6 км/с2.

• Впервые согласованы наблюдавшееся в эруптивном событии распространение волны Мортона и «волны Е1Т» 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 в различных диапазонах излучения. Создан и пополняется архив наблюдений на РТ-2, доступный через Интернет.

• Метод диагностики параметров плазмы выброса по многочасготным 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 П, дрейфующий континуум) позволяет описать дрейф во всем 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 в различных диапазонах 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, а также 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 ЕГГ», радиовсплеск II типа и внешний край КВМ - проявления единого фронта замедляющейся ударной волны, возникшей в активной области при импульсной эрупции волокна.

Личный вклад автора

Во всех исследованиях, итоженных в работе, автор принимал участие в постановке задачи, интерпретации результатов анализа и формулировке выводов.

Личный вклад автора в исследования, представленные в работах [1, 3,5]: разработка методик и реализующих их программ для автоматизированной обработки данных наблюдений радиометра Уссурийской обсерватории; выполнение сравнительного анализа данных, полученных в разных обсерваториях; 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 исследованиях, представленных в работах [2, 4, 6-15], автор участвовал в обработке данных и совместном анализе наблюдений исследуемых событий в различных спектральных диапазонах; выполнил оценку параметров поглощающего вещества по разработанной модели; провел 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-l/, 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». CAO РАН.

13-18 сентября 2010 г.

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

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 09-1-П7-01 и 09-П-СО-02-002.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 статей, из них 5 - в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыты актуальность и цель работы, сформулированы задачи исследования, обоснована его 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 FU„H=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 (раз в месяц) к величинам радиопотока на той же частоте, публикуемым обсерваторией Пентикгон, 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) с 2003 г.

В разделе 1.4 оценивается качество патрульных наблюдений. Точность и долговременная стабильность измерений потоков радиоизлучения определяется соответствующими характеристиками коэффициента привязки К к данным обсерватории Пентиктон. Среднеквадратичный разброс величин К за 2000-2010 г. соста-

11

вил примерно 4 %. Сравнение наблюдений РТ-2 с данными радиометра обсерватории Хирайсо на частоте 2,8 ГГц показало коэффициенты корреляции ежедневных измерений 0,95-0,97.

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

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

В главе 2 рассмотрена разработанная методика оценки параметров поглощающего радиоизлучение вещества по спектру «отрицательного радиовсплеска». В разделе 2.1 дан обзор явлений, наблюдаемых в солнечных эруптивных событиях в различных спектральных диапазонах. В линии На наблюдаются серджи, спреи, иногда волны Мортона; в крайнем ультрафиолетовом диапазоне и мягком рентгене - дже-ты, корональные димминги и «волны Е1Т»; в радиодиапазоне - радиовсплески П и IV типов, иногда «отрицательные всплески» в микроволновом диапазоне. Рассмотрены проблемы интерпретации некоторых явлений, в частности «волн Е1Т». Связь

между волнами Мортона, «волнами ИТ» и всплесками II типа остается предметом дискуссий. Для понимания происходящих на Солнце сложных явлений необходимо привлечение данных одновременных наблюдений в различных спектральных диапазонах.

В разделе 2.2 анализируются наблюдения событий 29.04.1998 и 27/28.05.2003 г. в линиях На и Не 1 10830 А, в каналах крайнего ультрафиолета и в радиодиапазоне. Выявлено длительное экранирование солнечного излучения поглощающим веществом эруптивного волокна в виде крупномасштабных потемнений в канале 304 А и микроволновых «отрицательных всплесков».

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

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

Как отмечалось, одной из причин «отрицательных всплесков» считается затенение излучения локального источника веществом выброшенного волокна. Однако значительная площадь потемнения указывает на затенение также и спокойных областей Солнца. В разделе 2.3 обсуждаются характеристики радиоизлучения спокойного Солнца. Для наших дальнейших исследований необходимы значения яркост-ной температуры, радиорадиуса и интегрального потока радиоизлучения спокойного

Солнца на разных частотах. Эти значения были измерены В.Н. Боровик для 9 длин волн от 2 до 31,6 см [6*]. Выполненная аппроксимация этих значений позволяет вычислить их на других частотах этого диапазона.

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

Средняя концентрация электронов пс и масса поглощающего вещества т нахо-

0,1би/ г

дятся из выражений т- Т^ъп и т=трпеА,Ь, где V - радиочастота, Т, А5 н Ь-

кинетическая температура, площадь и геометрическая толщина экрана, тр - масса протона. Данные наблюдений обычно не позволяют определить форму поглощающего облака; в первом приближении можно принять, что его геометрическая толщина Ь ~ Полученное значение массы, являясь оценкой сверху, по-видимому, все же близко к реальному значению, поскольку масса зависит от геометрической

толщины довольно слабо, т 41.

В главе 3 исследовано пять событий с «отрицательными радиовсплесками» типа «послевсплесковое уменьшение» потока, выявленных по записям интегрального

потока радиоизлучения в Уссурийской обсерватории - 15/16.06.2000, 06.02.2002, 07.02.2002, 01/02.06.2002, 01.01.2005 г. В разделе 3.1 выполнен анализ наблюдений событий в различных спектральных диапазонах, позволивший заключить, что все они имели эруптивный характер. В двух событиях, помимо «отрицательных всплесков» в микроволновом диапазоне, на изображениях в крайнем ультрафиолете в канале 304 А наблюдались обширные потемнения, площадь которых составляла -1 % (в событии 15/16.06.2000 г.) и -3 % (01.01.2005 г.) на уровне 25%-го снижения яркости. На коронографах БОНО^АБСО в этих событиях зарегистрированы замедлявшиеся корональные выбросы, в структуре которых отсутствовало ядро; остальные три события произошли в то время, когда наблюдений на коронографах БОНО/ЬАБСО и Магк4 (МЬ50) не было. Однако признаки КВМ - димминги или корональные волны - наблюдались во всех событиях, кроме события 06.02.2002 г.: в наблюдениях Е1Т в это время был 40-часовой перерыв, а остальные данные очень скудны. В исследованиях использовались программы из пакета 5о1агхоГт и библиотеки, разработанной В.В. Гречневым, позволяющие эффективно обрабатывать и анализировать данные разных телескопов.

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

В разделе 3.3 обсуждаются результаты анализа событий, исследованных в главах 2 и 3. Существенным результатом являются большие площади затенявших экра-

нов - от 2 % до 6 % площади солнечного диска, видимого в белом свете. Значимым оказывается затенение не только локальных радиоисточников в активных областях, но и значительных площадей спокойного Солнца. Огромные размеры затенявших экранов согласуются и с максимальной толщиной около 200-300 Мм, и высотами их нижних краев 20-80 Мм над хромосферой, оцененными из модельных расчетов.

Депрессия радиоизлучения в пяти рассмотренных событиях была максимальной на частотах 2-4 ГГц. Показано, что при оцененных температурах экранов в 8-14 тыс. К для наблюдения «отрицательных всплесков» наиболее благоприятны частоты не выше 5 ГГц (яркостная температура спокойного Солнца =18 000 К). Отмечено, что главным источником информации о событиях с длительным экранированием солнечного излучения в микроволновом диапазоне из-за отсутствия радиогелиографиче-ских наблюдений на этих частотах остаются записи интегрального радиопотока. Но очевидными условиями для регистрации таких событий являются кратковременность предшествующего вспышечного излучения и отсутствие последующих всплесков.

Как было показано на примерах событий в главе 2, другой областью спектра, благоприятствующей обнаружению выбросов низкотемпературной плазмы эруптивных волокон в поглощении, является линия Не II304 А крайнего ультрафиолетового диапазона. Поглощение в линии 304 А может быть значительным из-за того, что сечение фотоионизации таким излучением водородно-гелиевой плазмы с температурой, близкой к хромосферной, на порядок выше, чем для линии 195 А. Поэтому вызванные поглощением депрессии излучения, заметные в канале 304 А, слабее или вообще не обнаруживаются в корональных эмиссионных линиях. Кроме того, возможно резонансное рассеяние излучения в линии 304 А плазмой с температурами в несколько десятков тысяч Кельвинов, характерными для переходной области (между протуберанцем и короной), однако снижение яркости за счет этого не может быть более чем вдвое. Депрессии, наблюдавшиеся в событиях 29.04.1998, 27/28.05.2003 и 01.01.2005 г., опускались существенно ниже уровня 50 %, что подтверждает низкие преобладающие температуры затенявших экранов.

Рассмотрены возможные причины того, что моменты наблюдения потемнений на изображениях в канале 304 А и соответствующего «отрицательного радиовсплеска» могут различаться. Первая причина - различия в свойствах поглощения в микроволновом диапазоне и в линии Не II 304 А: в микроволновом диапазоне оптическая толщина (« п2) уменьшается быстрее, чем в линии 304 А (°= п), с расширением экрана во все стороны при сохранении числа частиц, ответственных за поглощение. Поэтому «отрицательный всплеск» может уже закончиться, а поглощение в 304 А еще будет наблюдаться (как в событиях 29.04.1998 г. и 15/16.06.2000 г.). Вторая причина - различие излучающих слоев, регистрируемых в канале 304 А и микроволнах. Если поглощающий экран располагается ниже слоев, излучающих в радиодиапазоне, но выше переходной области, то «отрицательный всплеск» в этом случае еще или уже не наблюдается, а поглощение в линии 304 А присутствует.

В четвертой главе с использованием данных различных спектральных диапазонов восстановлен сценарий эруптивного события 13.07.2004 г. Его изучение выделено в отдельную главу по нескольким причинам. Во-первых, для этого события имелся исчерпывающий набор данных, обеспечивший возможность его детального анализа. Во-вторых, по изображениям в линии На и крайнем ультрафиолетовом диапазоне в [4] была оценена масса поглощающего облака, что позволило проверить оценку по радиопоглощению. В-третьих, детальные наблюдения в этом событии эрупции волокна, КВМ, волны Мортона, «волны Е1Т» и радиовсплеска II типа позволили также изучить взаимосвязь между этими явлениями.

В разделе 4.1 проведен детальный анализ наблюдений в различных спектральных диапазонах, который позволил восстановить общую картину крупномасштабных возмущений, наблюдавшихся на солнечном диске и в его окрестностях. Событие началось в 00:02:30 ЦТ с постепенного подъема волокна или двух объединившихся волокон в активной области. Затем, примерно в 00:15 ИТ, эрупция приняла взрывной характер с разрушением структуры волокна и разбрасыванием его фрагментов в виде купола, накрывшего почти весь северо-западный квадрант солнечного диска. Темные фрагменты волокна разлетелись в основном к северу и северо-

востоку от активной области и даже достигли окрестностей северного полюса. Часть яркого вещества также двигалась к северу, а другая распространялась на запад и северо-запад. Выброс распался на две части, одна из которых покинула Солнце в виде КВМ, не имевшего классической трехкомпонентной структуры, а другая вернулась обратно. Возвратная часть выброса поглощала фоновое солнечное излучение, что наблюдалось в виде слабоконтрастных перемещающихся диммингов в канале 195 А и крупномасштабного потемнения в канале 304 А площадью 6,7 % от площади солнечного диска, а также «отрицательного всплеска» на ряде частот микроволнового диапазона.

В разделе 4.2 по записям «отрицательных всплесков» на разных частотах с использованием разработанной модели (глава 2) выполнены оценки параметров поглощавшего вещества. В максимуме радиопоглощения оно имело температуру -10 ООО К, площадь ~6 % от площади солнечного диска и закрывало источник радиоизлучения с потоком ~6 с.е.п. В данном событии наблюдения позволили определить наибольшую высоту поглощающего облака в максимуме радиопоглощения 100-130 Мм; высота его нижнего края, оцененная с помощью модели, 30 Мм, отсюда геометрическая глубина облака 70-100 Мм. Масса поглощавшего вещества оценена в -1,5-1015 г. В [4] его масса была вычислена также по поглощению в линии На и в каналах 195 А и 304 А крайнего ультрафиолетового диапазона. Изменения оцененных значений массы со временем соответствовали наблюдавшимся в линии На и крайнем ультрафиолетовом диапазоне подъему и последующему оседанию темного вещества. Оценки массы согласуются с учетом различия свойств поглощения в разных диапазонах, описанных в конце главы 3, и того обстоятельства, что непрозрачность в линии На снижается из-за выхода за пределы полосы фильтра вследствие эффекта Доплера уже при лучевых скоростях в 20-50 км/с. Максимальное значение массы составило 4-1015 г, что по порядку величины соответствует типичной массе волокна. Массы КВМ (согласно SOHO LASCO СМЕ Catalog) и части выброса, вернувшейся на Солнце, оказались одного порядка.

В событии 13.07.2004 г. наблюдались крупномасштабные возмущения в виде волны Мортона и «волны Е1Т», скорости распространения которых были выше скоростей других наблюдавшихся явлений. В разделе 4.3 исследованы соотношения между кинематикой этих волн и частотным дрейфом радиовсплеска П типа, а также кинематикой внешнего края КВМ. В [4] показано кинематическое соответствие волны Мортона и «волны Е1Т» друг другу и ожидаемому распространению замедляющейся взрывной ударной волны. Распространение ударной волны вверх вдоль коро-нального луча показывает дрейф метрового радиовсплеска II типа. Спад концентрации корональной плазмы значителен в радиальном направлении, поэтому затухание и замедление волны в этом направлении невелико. Соответствующая же «волна ЕГГ», будучи следом волнового фронта в нижней короне, распространяется вдоль солнечной поверхности медленнее, так как в этом направлении изменение параметров плазмы не столь значительно. Поэтому скорость волнового фронта различна в разных направлениях, что объясняет известное несоответствие между скоростями «волн ЕГГ», наблюдаемых на изображениях, и скоростями ударных волн, оцениваемых по скорости частотного дрейфа радиовсплесков II типа [7*].

В [4] было показано, что формальное использование приближения сильной автомодельной ударной волны, распространяющейся в среде со степенным радиальным спадом плотности (пе<* х'6, х - расстояние от источника волны; х=(г-1)й0), позволяет удовлетворительно аппроксимировать кинематику волны Мортона и «волны ЕГГ». В разделе 4.3 рассмотрены соотношения между степенной моделью плотности и широко применяемыми моделями корональной плотности Ньюкирка и Сайто. Используя выражение для частоты плазменного излучения /р = 8,98-103,/п7 Гц и задавая модель электронной плотности в короне, можно аппроксимировать частотный дрейф радиовсплеска II типа. Наилучшее соответствие с использованием степенной модели было достигнуто при 5=2,1. Этот показатель близок спаду плотности в корональной стримере согласно модели Ньюкирка, что соответствует движению области генерации излучения П типа вдоль стримера на фронте ударной волны.

Корональный транзиент, возникший в данном событии, замедлялся уже в поле зрения орбитального телескопа TRACE (512x512"). Непросто понять, выбросу ли вещества или следу волны соответствует кинематика самой быстрой детали, по которой выполнялись измерения в SOHO LASCO СМЕ Catalog. Однако игольчатый вид этой детали на разностных изображениях предполагает, что она была результатом отклонения коронального луча волной. Степенная аппроксимация распространения волны с 8=2.6 согласуется с приведенными в каталоге данными для ICBM, подтверждая, что передний край коронального транзиента был следом волны. Этот спад плотности соответствует модели Сайто, описывающей области над спокойным Солнцем, для умеренных широт.

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

Полученные количественные оценки подтверждают, что наблюдавшиеся в событии 13.07.2004 г. волна Мортона, «волна EIT», радиовсплеск П типа и внешний

край КВМ были проявлениями единой замедлявшейся корональной ударной волны, возникшей при эрупции волокна. В разделах 4.3 и 4.4 описаны разработанные методики измерений и аппроксимации данных. Сценарий события рассмотрен в разделе 4.5.

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

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

Аномальные эрупции мало изучены по очевидным причинам. Рассеиваемое по большой площади вещество быстро становится невидимым в На из-за потери оптической толщины и выхода из полосы фильтра за счет эффекта Доплера. Изо-

бражения же в канале 304 А, как правило, получались на БОНО/ЕГГ с интервалом в 6 ч, вследствие чего вероятность регистрации таких явлений была низкой. Наблюдения БООША и 5ТЕЛЕО/ЕиУ1 2011 г. в канале 304 А, обеспечивающие намного более высокое временное разрешение, демонстрируют события с обоими сценариями экранирования солнечного диска (15.02, 03-06 ЦТ; 24.02, 07:20-09:20 ИТ; 09.03, 22-23 иТ).

В разделе 4.6 суммируются ожидаемые свойства событий с аномальными эруп-циями. Аномальной эрупции должна благоприятствовать сложность магнитной конфигурации, особенно типа 5 (события 29.04.1998, 27/28.05.2003 и 01.01.2005 г. произошли в (^-конфигурациях), и окружение активной области соседними. Аномальная эрупция спокойного волокна вне комплекса активности маловероятна. Эрупция волокна может сопровождаться достаточно мощной вспышкой, серджами или спреями. При аномальной эрупции вероятно возникновение ударной волны, проявляющейся в метровом всплеске II типа, «волне Е1Т» и возможной волне Мор-тона. Ударная волна может бьггь ответственна и за внешний край возникшего коро-нального выброса, не имеющего явно выраженного ядра. Такой КВМ, вероятно, имеет высокую скорость и замедляется. Ряд перечисленных свойств, по-видимому, типичен для многих вспышечных эрупций. Если после события наблюдается «отрицательный радиовсплеск» и/или обширное потемнение в канале 304 А, существенно отличающееся от диммингов, видимых в корональных линиях, то в событии могла произойти аномальная эрупция волокна. Эти свойства, описанные по неполным данным эпизодических наблюдений, подтверждаются упоминавшимися недавними наблюдениями на 5БО/А1А и ЗТЕИЕО/ЕиУ1 событий, произошедших уже после завершения работы. Наиболее показательна аномальная эрупция, наблюдавшаяся БВО/А1А 07.06.2011 г., 06:09 ЦТ, при которой разбрасываемые фрагменты эруптивного волокна видны на необработанных изображениях не только в канале 304 А, но даже и в канале 193 А.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В заключен™ сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

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

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

3. Разработана модель, позволяющая по значениям поглощения интегрального адиоизлучения на разных частотах оценить параметры поглощающего вещества. )ценки выполнены для шести событий, для которых имелись многочастотные записи интегрального потока радиоизлучения достаточно высокого качества. Темпера-

уры затенявших экранов составляли 8000-14 ООО К, площади - 2-^6 % от площади солнечного диска и массы -1015 г. Эти оценки близки к значениям, характерным для волокон, и показывают, что причиной «отрицательных радиовсплесков» является поглощение веществом эруптивного волокна излучения не только локальных ра-[иоисточников, но и значительных площадей спокойного Солнца.

4. Установлено, что в событиях с микроволновыми «отрицательными всплеска-щ» могут наблюдаться обширные потемнения в линии Не II304 А, по форме и положению существенно отличающиеся от диммингов в корональных линиях. Показано,

что депрессия излучения в линии 304 А может возникать в результате поглощения фонового излучения Солнца облаком холодной водородно-гелиевой плазмы эруптивного волокна. Объяснена наблюдающаяся в ряде случаев разновременность потемнений на изображениях в канале 304 А и соответствующих «отрицательных радиовсплесков».

5. Выявлено два возможных сценария экранирования солнечного излучения эруптивным волокном. В большинстве случаев форма и магнитная структура рас-

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

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

Публикации по теме диссертации:

1. Кузьменко И.В. Результаты наблюдений радиоизлучения Солнца на частоте 2.8 ГГц в УАФО за 2002-2004 гг. Н Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 2006. С. 65-74.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

13. Кузьменко И.В., Гречнев В.В., Уралов A.M. Волна Мортона, «волнаЕГГ» и радиовсплеск П типа как проявление единого волнового фронта // Солнечно-земная физика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. Вып. 17. С. 30-33.

14. Гречнев В.В., Кузьменко И.В., Черток И.М., Уралов A.M. Солнечные вспышечные эрупции с длительной экранировкой излучения в линии Не II304 Айв микроволновом диапазоне // АЖ. 2011. Т. 88, № 7. С. 692-703.

15. Grechnev V.V., Uralov A.M., Chertok I.M., Kuzmenko I.V., Afanasyev An. N., Meshalkina N.S., Kalashnikov S.S., Kubo Y. Coronal shock waves, EUV waves, and their relation to CMEs. I. Reconciliation of 4VEIT waves", type II radio bursts, and leading edges of CMEs // Solar Phys. 2011. V.237. P. 443-460. doi:l0.1007/sl 1207-011-9780-z.

Список цитируемой литературы:

1.* Covington A.E., Dodson H.W. Absorption of 10.7-centimetre solar radiation during flare of May 19,1951 //J. Roy. Astron. Soc. Canada. 1953. V. 47. P. 207-211.

2.* Covington A.E. Decrease of 2800 MHz solar radio emission associated with a moving dark filament before the flare of May 19,1969 // Solar Phys. 1973. V. 33. P. 439-444.

3.* Agalakov B.V., Ledenev V.G., Lubyshev B.I., et al. Changes in sunspot and floc-cular sources of radio emission preceding an importance 2N flare on 23 August 1988 // Solar Phys. 1997. V. 173. P. 305-318.

4.* Sawyer C. Are «negative burst» due to absorption? // Solar Phys. 1977. V. 51. P. 203-215.

5.* Троицкий B.C., Тихонова T.B. Тепловое излучение Луны и физические свойства ее верхнего покрова//Изв. вузов. Радиофизика. 1970. Т. 13,№9. С. 1273-1311.

6.* Borovik V.N. Quiet Sun from the multifrequency Radio Observations on RATAN-600 // Lectures Notes in Physics. 1994. V. 432. P. 185-190.

7.* Klassen A., Aurass H., Mann G„ Thompson B.J. Catalogue of the 1997 SOHO-EIT coronal transient waves and associated type П radio burst spectra // Astron. and As-trophys. 2000. V. 141. P. 357-369.

Отпечатано в издательском отделе ИСЗФ СО РАН Заказ № 118 от 07.02.2012 г. Объем 27 стр. Тираж 120 экз.

61 12-1/441

Российская академия наук Дальневосточное отделение Учреждение Российской академии наук Уссурийская астрофизическая обсерватория ДВО РАН

На правах рукописи

Кузьменко Ирина Владимировна Исследование солнечных событий с «отрицательными

радиовсплесками» с использованием данных радиометра

Уссурийской обЬерватории

Специальность 01.03.03 — физика Солнца

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Гречнев В.В.

Уссурийск - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОРГАНИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ РАБОТЫ С ДАННЫМИ РАДИОМЕТРА УССУРИЙСКОЙ АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ............................................................................................................24

1.1. Описание инструмента...............................................................................24

1.2. Вычисление величин радиопотока..........................................................26

1.3. Организация автоматизированной работы с данными радиометра. 29

1.3.1. Автоматизация обработки наблюдений и организация доступа к данным радиометра УАФО.......................................................................................30

1.3.2. Методика восстановления профилей мощных радиовсплесков.....31

1.3.3. Перевод записей радиоизлучения с бумажного носителя в цифровой вид...........................:,'.................................................................................33

1.4. Сравнительный анализ данных, получаемых на радиометре УАФО,

с данными других обсерваторий................у.............................................................38

1.4.1. Сравнение величин радиопотока, полученных в УАФО, с данными обсерваторий Пентиктон (РепИ^оп) и Хирайсо (Нишво)......................................38

1.4.2. Сравнительный анализ наблюдений радиовсплесков......................39

1.4.3. Обзор данных за последние годы наблюдений.................................41

1.4.4. Задачи, которые могут решаться с использованием данных РТ-2.. 42

1.5. Краткие итоги главы 1...............................................................................44

ГЛАВА 2. ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ВЫБРОСА ПО СПЕКТРУ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО РАДИОВСПЛЕСКА..........................................45

2.1. Обзор явлений, наблюдаемых в эруптивных событиях.......................45

2.2. Вспышечные эрупции с длительной экранировкой солнечного излучения.......................................................................................................................49

2.2.1. Событие 1: 29.04.1998...........................................................................51

2.2.2. Событие 2: 27/28.05.2003 ....................................................................53

2.3. Характеристики радиоизлучения спокойного Солнца на частотах 1 -17 ГГц ..........................................................................................................................56

2.4. Модель для оценки параметров выброса по данным интегрального потока радиоизлучения на ряде частот...................................................................59

2.5. Результаты главы 2......................................................................................64

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОБЫТИЙ С «ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ РАДИОВСПЛЕСКАМИ»...............................................................................................65

3.1. Анализ наблюдений......................................................................................65

3.1.1. Событие 3: 15/16.06.2000 .................................................................... 65

3.1.2. Событие 4: 01.01.2005 г.......................................................................68

3.1.3. События 5 и 6: 06.02.2002 и 07.02.2002.............................................71

3.1.4. Событие 7: 01/02.06.2002 ....................................................................73

3.2. Оценка параметров выбросов...................................................................76

3.3. Обсуждение результатов, полученных для событий 1 - 7....................78

3.3.1. Результаты анализа наблюдений в событиях 3-7...........................78

3.3.2. Причины «отрицательныхрадиовсплесков».....................................79

3.3.3. Причины обширных потемнений в канале 304 Á.............................81

3.4. Выводы к главе 3..........................................................................................83

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРУПТИВНОГО СОБЫТИЯ 13 ИЮЛЯ 2004 г. АНОМАЛЬНЫЕ ЭРУПЦИИ....................................................................84

j' Чч

4.1. Анализ наблюдений в различных диапазонах спектра........................84

4.1.1. Наблюдения в На: эрупция волокна и волна Мортона..............................84

4.1.2. Наблюдения события в канале 1^71 Á...........................................................87

4.1.3. Корональные возмущения на изображениях SOHO/EIT 195 Á.................88

4.1.2. Крупномасштабное потемнение на изображениях SOHO/EIT 304 Á.......91

4.1.4. Выброс, наблюдавшийся радиогелиографом Нобеяма на 17 ГГц............92

4.1.5. КВМ на изображениях SOHO/LASCO.........................................................93

4.1.6. Данные интегрального радиопотока............................................................94

4.2. Оценка массы поглощающего вещества.................................................95

4.3. Волна Мортона, «волна EIT», радиовсплеск II типа и передний край КВМ как проявление единого волнового фронта.................................................99

4.4. О характере возбуждения ударной волны.............................................106

4.5. Сценарий события......................................................................................111

4.6. Аномальные эрупции волокон................................................................113

4.7. Результаты главы 4....................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................121

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................125

Введение

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 активности Солнца и дают важные сведения о процессах в солнечной атмосфере.

С помощью радиотелескопов, регистрирующих интегральный поток радиоизлучения Солнца, проводятся 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 в интервале 22:00 - 06:00 всемирного времени.

Интегральный поток солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см (2,8 ГГц), В*Ю 7, является одним из важнейших индексов солнечной активности и широко используется для диагностики активности Солнца и в моделях состояния «космической погоды». Радиоизлучение на частоте 2,8 ГГц было изучено Ковингтоном на основании наблюдений в Оттаве [47], где к настоящему времени существует наиболее долговременный ряд таких данных. Наблюдения начались в 1947 г., а с июня 1991 г. продолжены на обсерватории Пентиктон (Канада). Существует хорошая корреляция между значениями радиопотока на длине волны 10,7 см и относительным числом солнечных пятен (числами Вольфа), особенно при переходе с сглаженным индексам [5, 11]. Если в рядах ежедневных чисел Вольфа нередко бывают резкие изменения значений из-за субъективных факторов (в частности, связанных с выходами и заходами групп солнечных пятен за лимб [26]), то интегральный поток радиоизлучения регистрируется объективными методами, и его изменения происходят более плавно. Поэтому индекс является наиболее точным среди других индексов солнечной активности. Кроме того, этот индекс имеет прозрачный физический смысл, поскольку явно отражает состояние солнечной активности: его вариации связаны с появлением и развитием активных областей (медленно меняющийся компонент). Выявлена тесная связь интегрального потока радиоизлучения с изменением излучения Солнца в других диапазонах спектра. Например, найдена высокая корреляция вариаций

с изменениями коротковолнового излучения, а также флоккульного индекса и излучения в линии Не I 10830 Ä [55]. Благодаря связи с коротковолновым излучением Солнца индекс F10 7 часто используется в исследованиях солнечно-земных связей как предиктор в прогнозах коротковолнового излучения или как его характеристика [2].

В задачи наблюдений на волне 10,7 см входят продолжение ряда F]0:7, характеризующего медленно меняющийся компонент солнечного радиоизлучения, т.е., общее состояние солнечной короны, и мониторинг вспышечных процессов. Данные наблюдений на патрульных радиотелескопах могут также использоваться и в исследованиях конкретных вспышечных событий, в том числе эруптивных. 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 для их обработки, просмотра и анализа в целях совершенствования мониторинга F10j 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. как послевсплесковое уменьшение радиопотока на частоте 2,8 ГГц после импульсного радиовсплеска [46]. Дальнейшие наблюдения и одновременная регистрация таких явлений в разных обсерваториях, а также сравнение с оптическими наблюдениями подтвердили реальность и солнечное происхождение таких радиовсплесков [48,49, 98,99].

В 1969 г. А.Э. Ковингтон [47] ввел новый тип всплеска - всплеск «поглощение» (ABS- absorption), который по морфологии резко отличался от всех эмиссионных радиовсплесков. Его профиль можно описать как постепенное уменьшение, а затем увеличение величины радиопотока. Поглощение излучения в веществе эруптивного протуберанца появляется преимущественно после импульсного всплеска и иногда называется «послевсплесковым уменьшением» потока [49]. «Отрицательный всплеск» может предшествовать импульсному, в этом случае он называется «отрицательным прекурсором» [48]. В случае, когда уменьшение потока накладывается на всплеск типа «постепенное увеличение и уменьшение» потока (GRF), то его относят к типу «поглощение, наложенное на всплеск» [48]. Описание типов и примеры профилей «отрицательных всплесков» приведены в [49]. Отмечается, что такие всплески

следует отличать от обычного уменьшения излучения в виде временных вариаций радиопотока. Всплески «поглощение» наблюдаются довольно редко, за период 1951

- 1972 г. Ковингтоном было зарегистрировано только 12 таких событий.

Наблюдения, интерпретация и связь «отрицательных всплесков» с оптическими наблюдениями в линии На обобщены в работах Сойе [98-100]. Их характеристики, полученные на основе наблюдений 23-х событий различных типов, следующие:

1. Глубина депрессий наблюдается в пределах от 0,9 с.е.п. [1 с.е.п. = 10"22 Вт/(м2-Гц)] до 75 с.е.п., со средним значением 4,5 с.е.п.

2. Длительность всплесков составляет от 29 мин до 255 мин, среднее значение

- 50 мин. Отмечается, что длительность всплесков никак не связана с их амплитудой.

При отождествлении первых «отрицательных всплесков» с активностью в оптическом диапазоне было установлено, что их появлению предшествовала активизация волокон: в центре линии На и ее крыльях наблюдались серджи и спреи, закрывавшие часть вспышечного излучения [46, 98]. При дальнейших исследованиях связи «отрицательных радиовсплесков» с активностью, наблюдаемой в На, были сделаны следующие выводы [100]:

1. Ассоциация между эруптивными волокнами в На и депрессиями радиоизлучения на частоте 2,8 ГГц существовала менее чем в половине случаев. Из 15-и событий с «отрицательными всплесками» только 6 ассоциировались с явлениями поглощения в линии На: серджами, поднимающимися волокнами или эруптивными протуберанцами на лимбе.

2. Оптические явления и явления в радиодиапазоне не происходили одновременно. События в линии На обычно начинались раньше «отрицательных всплесков» на 10-40 мин, или сопровождали их. Наиболее тесную ассоциацию с оптическими явлениями показали «отрицательные всплески» типа «послевсплесковое уменьшение» потока: поглощение в микроволновом диапазоне начиналось примерно через 313 мин после наблюдаемого поглощения в линии На.

Сделан вывод, что в оптическом и радиодиапазонах наблюдаются разные фазы эрупции волокон: в На 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 облака холодного газа (или наоборот - опускающегося и сжимающегося) могла быть применима как для поглощения в линии На, так и для микроволнового поглощения, но в разные моменты времени.

3. «Отрицательные всплески» были связаны, в основном, с комплексами активности, где может происходить магнитное пересоединение внутри активных областей или между ними.

Возможными причинами «отрицательных всплесков» в микроволновом диапазоне являются [48, 100]:

1. Временное затенение локального радиоисточника облаком холодного поглощающего вещества. В качестве поглощающего облака для радиоволн рассматривалось вещество эруптивного волокна [46, 48]. Размеры такого облака должны быть сравнимы с размерами радиоисточника или же превышать их. Средний размер для локальных источников на длинах волн 8-10 см: 100 - 200 Мм [10], они находятся на высотах « 20 Мм [47, 64]. Размеры же волокон в активных областях значительно меньше: длина - 50 Мм,-ширина - несколько мегаметров, высота - 10 Мм [32]. Т.е. облако, закрывающее микроволновый источник, обычно гораздо больше волокон в активных областях, находится выше них и является оптически тонким, поскольку невидимо в линии На.

Результаты исследований «отрицательных радиовсплесков» с высоким пространственным разрешением на частоте 5,2 ГГц представлены в [25, 83]. Был сделан вывод, что «отрицательные всплески» возникают в результате затенения радиоисточника, расположенного в одной активной области, корональным выбросом из другой области. Этим объяснялись такие особенности «отрицательных всплесков» как относительно слабая связь с событиями в линии На и более частое их появление в комплексах активности по сравнению с отдельными активными областями.

2. Временное исчезновение или ослабление микроволнового радиоисточника. Например, в исследовании в [34] был сделан вывод об ослаблении излучения радиоисточника в результате уменьшения его температуры из-за попадания в него холодного вещества эруптивного волокна.

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 На. 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.

Цель и задачи работы.

Диссертация посвящена исследованию солнечных событий, в которых наблюдались «отрицательные всплески» в микроволновом диапазоне, с использованием данных различных диапазонов излучения. Почти все исследуемые события были выявлены по записям интегрального потока радиоизлучения, полученным на радиотелескопе РТ-2 Уссурийской обсерватории.

В работе ставятся и решаются следующие задачи:

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 сведени