Магнитные поля спокойных протуберанцев тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

На правах рукописи

Клепиков Владимир Юрьевич

/ >

УДК 520.24

МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ СПОКОЙНЫХ ПРОТУБЕРАНЦЕВ

Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: Доктор физ.-мат. наук, профессор

Г.С.Иванов-Холодный, канд. физ.-мат. наук И.С.Ким

Москва 1999

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................................................3

Структура и содержание работы.................................................................................................................8

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИИ ПРОТУБЕРАНЦЕВ................................................................................14

1.1. Морфологические классификации...................................................................................................14

1.2. Спектральные классификации..........................................................................................................19

1.3. Тонкая структура в На........................................................................................................................23

1.4. Эволюция волокон в течение солнечного цикла..........................................................................23

1.5. МГД модели спокойного протуберанца..........................................................................................24

1.6. Обзор наблюдений................................................................................................................................27

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ........................................32

2.1. Магнитограф Никольского...........................................................................................................,.,.. 32

2.2. Наблюдения протуберанцев на магнитографе Никольского......................................................34

2.3. Методика обработки результатов наблюдений..............................................................................46

ГЛАВА 3. МАГНИТОГРАФИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СПОКОЙНЫХ ПРОТУБЕРАНЦЕВ..........59

3.1. Наблюдательный материал................................................................................................................59

3.2. Общие характеристики магнитного поля.......................................................................................62

3.3. Доплеровская скорость.......................................................................................................................64

3.4. Горизонтальная скорость...................................................................................................................66

3.5. Магнитное поле и доплеровская скорость.....................................................................................69

3.6. Вертикальный градиент магнитного поля......................................................................................72

3.7. Крупномасштабная структура поля.................................................................................................81

3.8. Колебательные явления в протуберанцах.......................................................................................88

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................................................92

Основные результаты и выводы...............................................................................................................92

Благодарности.............................................................................................................................................93

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................................................................95

Введение

Актуальность проблемы.

Магнитные поля являются важным параметром, определяющим природу солнечной активности. Практически все солнечные структуры (корональные арки, стримеры, протуберанцы, вспышки, спикулы, пятна, гранулы и т.д.) отражают различные конфигурации магнитных полей. Поэтому большое количество исследований посвящено разработке специальных поляриметров (и магнитографов в том числе), наблюдениям и интерпретации полученных результатов. Первые попытки, предпринятые Бэбкоком [1], предложившим фотоэлектрический метод измерения продольного поля на основе эффекта Зеемана, успешно реализованы в магнитографических измерениях для фотосферных магнитных полей. В настоящее время различные типы поляриметров, работающие в фотоэлектрическом и видео режимах, используются для исследования фотосферных магнитных полей, где магнитное расщепление соизмеримо с шириной линии. В то же время проблема прямой магнитографической диагностики в короне остается открытой несмотря на отдельные попытки регистрации наземными способами и успешно работающие космические обсерватории (УОНКНО, 8ОНО, КОРОНАС-И и др.).

В чем причина? Традиционная диагностика, основанная на анализе эффектов Зеемана и Ханле [2] сталкивается с трудностями слабого сигнала при наличии значительного шума. В верхних слоях солнечной атмосферы (хромосфера, протуберанцы, корона) ширины эмиссионных линий (Р\¥НМ -полная ширина на половине интенсивности) составляют в среднем 0.4 - 1.0 А, в

4 °

то время, как магнитное расщепление для полей 3-10 Гс составляет 10" А, т.е. на 3-4 порядка меньше ширины линий. Регистрация магнитного поля должна быть основана на повышении отношения «сигнал к шуму», которое, в свою

очередь, достигается за счет повышения полезного сигнала и снижения «паразитного» фона.

Обзоры различных способов регистрации напряженности магнитного поля, основанных на анализе эффектов Зеемана, Ханле, Фарадея и т.д. приведен в [3, 52].

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию магнитных полей спокойных протуберанцев. Протуберанцы - относительно

10 3

холодные, плотные образования (КГ ~ 10 см" , Т ~ 6000 К°) в горячей,

О О £.

разреженной солнечной короне (К ~ 10 см" , Т >10 К°) известны уже более 120 лет. В линии На они выглядят как яркие образования на лимбе и темные на диске. Фактически термин «протуберанец» используется для описания широкого набора структур от относительно стабильных, время жизни которых составляет несколько месяцев, до эруптивных транзиентных явлений, длящихся не более нескольких часов. Наблюдения выявили большое разнообразие форм протуберанцев. Как следствие - множество попыток классифицировать протуберанцы по морфологическим признакам и спектральным характеристикам. И, наконец, наблюдения магнитных полей в протуберанцах, проводившиеся три десятилетия (1960 - 1990 г.г.) различными группами исследователей, положили начало новому этапу в изучении физических свойств протуберанцев, являющихся одним из самых ярких проявлений солнечной активности.

Измерения величины магнитного поля в протуберанцах дали широкий набор значений этого параметра. Сложилась ситуация, в которой результаты измерений величины поля в протуберанцах у разных исследователей отличались на несколько порядков. Такое разногласие обусловлено техническими трудностями измерения «слабых» магнитных полей в «слабых» солнечных структурах:

• Ожидаемое зеемановское расщепление для линии На в протуберанцах составляет 10"4 - 10"3 от ширины линии для полей 3-20 Гс.

• Интенсивность линии На в протуберанцах составляет 10"1 - 10~4 от интенсивности центра диска Солнца в близлежащем континууме. В этом случае влияние инструментального фона питающего телескопа и, соответственно, инструментальной поляризации становится критическим.

Технические трудности прямой регистрации слабых магнитных полей объясняют отсутствие в настоящее время хотя бы эпизодических магнитографических измерений в верхней атмосфере Солнца и в протуберанцах, в частности. На последнем коллоквиуме MAC, посвященном протуберанцам (IAU Colloquium 167, 1997), не было представлено ни одного доклада, посвященного современным измерениям магнитных полей в протуберанцах.

Для сравнения наблюдательных данных с предсказаниями теоретических моделей необходимо исследование таких «магнитных» характеристик протуберанцев, как связь знака поля протуберанца и знака нижележащего фотосферного поля, вертикальный градиент поля, соотношение величины магнитного поля и динамики протуберанца.

Вышеизложенное свидетельствует об актуальности тематики данной диссертации.

Цель работы.

1. Разработка методики измерений и калибровок на магнитографе Никольского.

2. Проведение длительной серии наблюдений спокойных протуберанцев и получение объема данных, достаточного для статистического анализа.

3. Выявление закономерностей и взаимосвязей магнитографических параметров и сравнение результатов с существующими моделями спокойных

протуберанцев на основе статистического анализа магнитографических данных 1979-1987 гг.

Научная новизна.

В диссертационной работе впервые:

1. Получен магнитографический материал в объеме, достаточном для статистического анализа как по всей совокупности измерений, так и при рассмотрении протуберанца в качестве элемента статистического ансамбля. Проведена статистическая обработка данных и выявлены закономерности, характеризующие физические свойства спокойных протуберанцев.

2. Обнаружена зависимость наблюдаемого знака поля от ориентации длинной оси волокна относительно луча зрения.

3. Обнаружена зависимость вертикального градиента магнитного поля от ориентации длинной оси волокна относительно луча зрения.

4. Обнаружена связь полярности магнитного поля протуберанцев с мультимодальностью гистограммы распределения протуберанцев по величине среднего продольного поля и локализацией волокна относительно луча зрения.

Научное и практическое значение работы.

Результаты, полученные в работе, имеют важное значение для теоретических исследований проблем поддержания и устойчивости спокойных протуберанцев и позволяют оценить достоверность теоретических моделей.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при исследованиях в физике Солнца, физике плазмы, физике солнечно-земных связей.

Описание методики магнитографических исследований (процедура наблюдений, обработка информации, алгоритмизация процесса обработки, внедрение компьютерной обработки) будет безусловно полезно для совершенствования магнитографических исследования в короне.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Принадлежность спокойного протуберанца к потенциальному или непотенциальному типу определяется локализацией волокна относительно луча зрения. Каждый тип характеризуется определенной величиной среднего продольного магнитного поля.

2. Знак вертикального градиента продольного магнитного поля по нормированной высоте протуберанца зависит от ориентации протуберанца относительно луча зрения.

3. Среднее по протуберанцу поле определяет динамическую активность протуберанца: чем больше поле, тем большие скорости наблюдаются в протуберанце. Движение подавлено в областях, имеющих максимальное для данного протуберанца поле.

Личный вклад автора.

Автором предложена плодотворная идея поиска зависимостей наблюдаемых магнитографических характеристик от ориентации длинной оси волокна относительно луча зрения.

Наблюдательный материал, исследованный в диссертации, получен автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии. Им же разработаны компьютерные программы и выполнена статистическая обработка данных.

Автор самостоятельно сконструировал и изготовил блок нейтрального фильтра магнитографа и устройство минимизации линейной поляризации.

Апробация.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах лаборатории солнечной активности ИЗМИР АН, ГАС ГАО РАН,

Майданакской обсерватории ГАИШ МГУ, а также были представлены на всесоюзных и международных конференциях по физике Солнца:

Всесоюзная научная конференция по физике Солнца (г. Киев 1984 г.), Всесоюзная научная школа по физике Солнца, посвященная памяти профессора Г.М. Никольского (г. Кисловодск, 1986 г.), Всесоюзная научная конференция по физике Солнца (г. Алма-Ата, 1987 г.), 13-е международное консультативное совещание КАПГ (г. Одесса, 1988 г.), 4-й семинар рабочей группы «Солнечные инструменты» Астросовета и Совета «Солнце-Земля» АН СССР (г. Ашхабад, 1988 г.), Симпозиум №138 MAC «Солнечная фотосфера: структура, конвекция, магнитные поля». (Киев, 1989 г.), Всероссийская конференция по физике Солнца (Москва, 1995), Коллоквиум MAC № 117 (Югославия, Хвар, 1989), Международная конференция по физике Солнца: «Новый цикл активности Солнца: наблюдательный и теоретический аспекты» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.)

Структура и содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 101 страница, в том числе 28 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 93 наименований.

Во введении изложены цель работы, состояние вопроса, поставленные задачи и пути их решения, новизна, научная и практическая ценность работы. Здесь приведены основные результаты работы, указаны области их применения.

В первой главе представлен обзор работ, посвященных различным классификациям протуберанцев, основанным на морфологических признаках, спектральных, динамических и магнитных характеристиках.

Первую попытку классифицировать протуберанцы по морфологическим признакам предпринял Секки в 1875 году. Именно он разделил протуберанцы на спокойные и активные. Позднее такие исследователи как Петит, Ньютон,

Мензел и Эванс обратили внимание не только на строение протуберанцев но и на их связь с солнечными пятнами. Другая важная морфологическая характеристика - движения вещества в протуберанце. Его взяли за основу своих классификаций Северный и де-Ягер. Зирин продолжил идею Ньютона о связи протуберанцев с солнечной активностью и разделил протуберанцы по их связи со вспышками. В этом же направлении развивал свою классификацию Хираяма. Однако главным признаком он считал положение протуберанца относительно активной области.

Известно, что все протуберанцы интенсивно излучают в линиях водорода и ионизованного Са. В то же время, относительная интенсивность линий гелия, а также металлических линий, сильно меняется от одного протуберанца к другому. Поэтому естественны попытки классифицировать протуберанцы, используя в качестве критерия отношения яркостей различных спектральных линий. Вальдмайер использовал в своей классификации линии магния и железа, а Тандберг-Хансен - более широкий набор соотношений металлических и гелиевых линий.

Далее рассмотрены результаты наблюдений еще одной морфологической характеристики - тонкой структуры в На, а также эволюция волокон в течение солнечного цикла.

Интерпретация магнитных измерений в спокойных протуберанцах основана на существующих моделях структуры магнитного поля, поддерживающего протуберанец. Рассмотрены две основные МГД модели: Кипенхана-Шлютера и Куперуса-Раду, а также их дальнейшие модификации, предложенные другими авторами.

Данная диссертация посвящена экспериментальному исследованию «магнитных» характеристик спокойных протуберанцев, поэтому в следующем разделе, содержащем обзор наблюдений, выделены основные моменты, относящиеся именно к этому типу протуберанцев. Рассмотрены главные достижения в измерении магнитного поля прямыми методами, основанными на

интерпретации поляризационных наблюдений: анализ эффекта Зеемана (измерение круговой поляризации) и анализ эффекта Ханле (измерение линейной поляризации).

Метод Зеемана в протуберанцах позволяет измерять продольную составляющую магнитного поля.

Такие исследователи как Раст, Харви, Тандберг-Ханссен выполнили большой цикл работ на магнитографе станции Клаймакс в США. Среднее значение поля в этих измерениях составило 8 Гс. Измерения магнитных полей проведенные в СибИЗМИРе давали поля в спокойных протуберанцах до 100 Гс. Разногласие между данными первой и второй групп исследователей побудило французских астрономов под руководством Леруа использовать другой метод измерения магнитного поля - определение вектора поля по линейной поляризации спектральных линий с привлечением теории эффекта Ханле. Наблюдения в спокойных протуберанцев показали среднее поле 6-12 Гс.

Необходимость получения новых наблюдательных данных для решения сложившегося противоречия побудило профессора Г.М. Никольского (одновременно с группой Леруа) разработать магнитограф специально для измерений магнитных полей в солнечных протуберанцах. Измерения, выполненные именно на этом магнитографе, составляют материал данной диссертации.

Во второй главе подробно описаны методика наблюдений на магнитографе Никольского и способы обработки результатов измерений, включая предложенную автором методику компьютерной обработки.

Описаны котировочные операции, проводимые перед началом измерений, калибровки по фотосфере и процедура наблюдения протуберанцев.

Разработанное автором устройство минимизации проникающей в измерительный канал линейной поляризации позволило заметно улучшить

соотношение сигнал/шум, а также сократить время подготовительных операций.

Приведены формулы для ручного способа обработки данных. Описаны методы вычисления магнитного поля и доплеровской скорости.

Записанный на магнитографе профиль спектральной линии представляет собой свертку истинного профиля линии и инструментальных профилей оптических элементов магнитографа. Восстановление истинного профиля линии по свертке является некорректной математ