Микроволновые источники излучения в магнитосферах активных областей на Солнце тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

На правах рукописи

БОЛДЫРЕВ Сергей Иванович

УДК 523.9 - 77

МИКРОВОЛНОВЫЕ источники ИЗЛУЧЕНИЯ В МАГНИТОСФЕРАХ АКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ НА СОЛНЦЕ

(Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

А.Н.Коржавин.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук,

профессор Г.С.Иванов-Холодный

Москва - 1 9 9 9 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

Глава I Солнечный спектрально-поляризационный радиометрический комплекс для радиотелескопа

РАТАН-600.

1.1 Назначение радиометров и требования, предъявляемые к ним. 9

1.2 Радиополяриметр сантиметрового диапазона для радиотелескопов РАТАН-600 и БПР. 11

1.2.1 Модуляционный волноводный тракт. 15

1.2.2 Волноводный направленный фильтр. 19

1.2.3 Гетеродин. 22

1.2.4 Смеситель. 22

1.2.5 Фильтр нижних частот. 24

1.2.6 Усилитель промежуточной частоты (УПЧ). 26

1.2.7 Предварительный усилитель низкой частоты (ПУНЧ). 28

1.2.8 Устройство автоматической регистрации. 30

1.3 Методика наблюдений Солнца с помощью радиометров ССПК. 30

1.4 Основные результаты. 34 Глава II Радиотелескоп РАТАН - 600.

2.1 Описание радиотелескопа РАТАН-600. 37

2.2 Диаграмма направленности радиотелескопа РАТАН-600. 39

2.3 Измерение распределения электромагнитного поля по главному и плоскому отражателям радиотелескопа РАТАН-600. 45

2.3.1 Методика измерений. 48

2.3.2 Описание генераторов СВЧ - мощности. 50

2.3.3 Результаты измерений. 51

2.4 Контроль параметров антенны. 54

2.5 Методы использования радиотелескопа РАТАН-600 для наблюдений Солнца. 57

2.6 Основные результаты. 58 Глава III Наблюдения локальных источников 8 - компоненты

радиоизлучения Солнца.

3.1 Локальные источники радиоизлучения. 60

3.2 Обработка и интерпретация результатов наблюдений радиоизлучения локальных источников. 63

3.2.1 Методика определения количественных характеристик радиоизлучения локальных источников.

3.2.2 Методы измерения напряжённости магнитного поля и других физических характеристик плазмы в короне Солнца.

3.3 Динамика развития структуры локального источника радиоизлучения Солнца, связанного с группой пятен № 97 (декабрь 1975г.).

3.4 Наблюдение тонкой структуры локального источника солнечного радиоизлучения затменным методом.

3.5 Локальный источник радиоизлучения активной области № 2469 по наблюдениям на БПР (май и июнь 1980 года).

3.6 Основные результаты.

Глава IV Поисковые наблюдения радиоисточников на Солнце

с помощью радиотелескопа РАТАН-600.

4.1 Методика проведения поисковых наблюдений радиоисточников.

4.2 Наблюдения радиогрануляции в атмосфере Солнца.

4.2.1 Наблюдения флоккулов и других слабых источников.

4.3 Наблюдение солнечного радиовсплеска 4 августа 1983 года методом "эстафета".

4.4 Наблюдение солнечного радиовсплеска 28 декабря 1977 г. с высоким пространственным разрешением.

4.5 Основные результаты.

Глава V "Пекулярные" источники радиоизлучения Солнца.

источники радиоизлучения

5.1 "Необычные' Солнца.

5.2 Описание наблюдательного материала.

5.3 Физическая природа "пекулярных" источников.

5.4 Основные характеристики исследованных "пекулярных" источников.

5.5 Выводы.

68

71

88

93 99

Заключение Литература

101

102

106

106

112 118

119

120 126

130

131 133 136

Введение

Общая характеристика работы.

Актуальность.

Одной из фундаментальных задач физики Солнца является исследование солнечной активности и её механизмов. Составная часть этой задачи - изучение структуры активных образований в солнечной короне и физических процессов, протекающих в них; определение параметров плазмы, взаимодействующей с магнитным полем солнечных пятен; изучение взаимосвязи между медленными и быстрыми процессами. Всё это необходимо для создания комплексной модели солнечной активности и, в частности, для прогноза солнечных вспышек.

Изучение активных процессов в солнечной атмосфере (солнечные пятна, выбросы плазмы, радиовсплески и др.) актуально не только в астрофизическом плане, но и в плане солнечно-земных связей, их экологических проявлений, включая влияние солнечной активности на флору и фауну Земли, а также на технические системы, что важно учитывать в практической деятельности человека, планах и проектах технологического развития.

Важную астрофизическую информацию об условиях и процессах, происходящих в атмосфере Солнца, независимую от других методов диагностики солнечной плазмы, дают радиоастрономические методы исследований. Эффективность радиоастрономических методов существенным образом зависит от оптимального сочетания пространственного, спектрального и поляризационного анализа радиоизлучения Солнца.

Крупнейшие в России радиотелескопы БПР и РАТАН-600, оснащенные специально созданными спектрально-поляризационными радиометрическими комплексами, обладают необходимыми параметрами для проведения исследований локальных источников (ЛИ) радиоизлучения на Солнце (высокое пространственное разрешение, многочастотность, низкие шумовые характеристики, гибкость в выборе методик наблюдений). Эти радиотелескопы позволяют изучать сложную и многокомпонентную структуру ЛИ, отражающую многообразие физических условий и механизмов генерации микроволнового излучения в атмосфере Солнца.

Предмет исследований.

Предметом исследований является радиоизлучение Солнца и структурных активных образований на его поверхности и в короне в сантиметровом диапазоне длин волн электромагнитного спектра. Наблюдения проводились на радиотелескопах БПР (Пулково) и РАТАН-600 (Сев. Кавказ), а также во время солнечных затмений, с высоким пространственным разрешением с помощью солнечных радиополяриметров радиометрического комплекса с регистрацией полной интенсивности и круговой поляризации радиоизлучения Солнца..

Получен следующий наблюдательный материал:

1. Радиоизображения «спокойного» Солнца;

2. Радиоизображения активных областей (АО) на Солнце и их структурных элементов;

3. Радиогрануляция в короне Солнца;

4. Солнечные радиовсплески;

5. «Пекулярные» источники радиоизлучения.

Цель работы.

В связи с вводом в строй действующих радиотелескопа РАТАН-600, обладающего очень высокими инструментальными характеристиками, появилась возможность поднять на новый качественный уровень наблюдения радиоизлучения Солнца и расширить круг решаемых задач по физике Солнца. Основные цели работы:

1. Исследование тонкой структуры локальных источников радиоизлучения Солнца путём регулярных спектрально-поляризационных наблюдений радиоизлучения Солнца и структурных элементов его короны с высоким пространственным разрешением на радиотелескопах РАТАН-600 и БПР, позволяющих получать подробные спектральные, поляризационные, пространственные и другие физические характеристики радиоизлучения Солнца.

2. Исследование мелкомасштабных слабоконтрастных неоднородностей в атмосфере Солнца путём специальных поисковых наблюдений радиоизлучения Солнца на радиотелескопе РАТАН-600.

3. Исследование солнечных радиовсплесков на радиотелескопе РАТАН-600, используя специальные методы наблюдений на антеннах переменного профиля.

4. Создание солнечного спектрально-поляризационного радиометрического комплекса (ССПК) на базе широкополосных полупроводниковых радиополяриметров средней чувствительности в сантиметровом диапазоне радиоволн радиотелескопов РАТАН-600 и БПР для реализации целей п.п. 1-3.

5. Экспериментальные исследования радиотелескопа РАТАН-600 в сочетании с ССПК как астрономического инструмента для изучения радиоизлучения Солнца и других астрономических объектов (например, квазаров).

Научная новизна работы.

Впервые проведены наблюдения радиоизлучения Солнца, в которых высокое пространственное разрешение (десятки секунд дуги) сочетается с детальным спектральным анализом и измерением круговой поляризации.

На основе этих наблюдений радиоизлучения Солнца с помощью ССПК на БПР, РАТАН-600 и затменным методом описаны и исследованы наблюда-

тельные характеристики (спектры, поляризация, размеры, высоты, время жизни, отождествления с оптическими объектами) различных структурных элементов активных областей.

Из сопоставления данных наблюдений с теоретическими моделями активных областей сделан вывод, что радиоизлучение "пятенных" источников хорошо описывается тепловым магнитотормозным механизмом генерации излучения. Показано, что магнитные поля на высоте "ядер" радиоизлучения локальных источников, расположенных непосредственно над солнечными пятнами, могут достигать больших значений (более 2000 Гс).

Впервые одновременно на нескольких длинах волн см-диапазона электромагнитного спектра получены одномерные радиоизображения слабых неодно-родностей радиояркости малого углового размера на диске "спокойного" Солнца (радиогрануляция). Проведены измерения ряда параметров этой структуры (характерные размеры, оценка времени жизни, отождествление с оптическими структурами в линии На и Call, оценка величины магнитного поля , яр-костных температур).

По материалам наблюдений на РАТАН-600 получены новые наблюдательные данные о радиовсплесках различных типов, процессов с быстрым (вспышечным) нетепловым механизмом выделения энергии. Это данные о пространственной структуре источников этих всплесков, их геометрическом расположении на диске Солнца, потоках и поляризации радиоизлучения , динамике.

Научная и практическая ценность.

Результатом представленной работы явилось создание необходимой радиометрической аппаратуры на радиотелескопах РАТАН-600 и БПР, разработка и внедрение специфических методик наблюдений, присущих только антеннам переменного профиля. Это позволило получить качественно новый наблюдательный материал по радиоизлучению Солнца в сантиметровом диапазоне волн.

Получены новые спектральные, поляризационные, временные и пространственные характеристики отдельных структурных элементов локальных источников радиоизлучения, существенно расширившие наши представления о плазменных структурах и физике процессов, происходящих в активных областях на Солнце.

Результаты наблюдений радиоизлучения Солнца на РАТАН-600 за период 1979-1989 г.г. объединены в каталог данных. Вышли из печати первые четыре тома каталога, следующие шесть томов находятся в печати. В каталоге собран оригинальный наблюдательный материал ( результаты цифровой регистрации) в виде одномерных радиосканов в каналах интенсивности и круговой поляризации (параметры Стокса I и V). Исправленный за инструментальные особен-

ности радиотелескопа, весь этот материал еще требует внимательного изучения и принесет в будущем немало новых результатов.

Личный вклад автора.

Автор принимал активное участие в создании радиометрической аппаратуры и её эксплуатации на радиотелескопах РАТАН-600 и БПР, в исследованиях характеристик радиотелескопа как астрономического инструмента, в регулярных и поисковых наблюдениях Солнца, обработке результатов наблюдений и их интерпретации.

Результаты исследований опубликованы в 18 работах по теме диссертации.

Автор выносит на защиту.

1 .Разработанный с участием автора солнечный спектрально-поляризационный радиометрический комплекс, действующий на радиотелескопе РАТАН-600 с 1974 г. и на радиотелескопе БПР с 1979 г. , с помощью которого получены новые спектральные и поляризационные данные о радиоизлучении Солнца. Сюда относятся:

- разработка и создание солнечного спектрально- поляризационного радиометрического комплекса для радиотелескопа РАТАН-600 и БПР;

- разработка и внедрение методик наблюдений радиоизлучения Солнца и его структурных образований с помощью ССПК в специальных режимах использования радиотелескопа РАТАН-600;

- внедрение методик использования ССПК для наблюдения различных астрономических объектов (квазары, туманности, Луна) и для исследования параметров радиотелескопа, которые необходимы для калибровки приемной аппаратуры и обработки результатов наблюдений.

2. Результаты наблюдений тонкой структуры локальных источников радиоизлучения на Солнце с высоким пространственным разрешением:

- подробные спектральные, поляризационные, временные и пространственные характеристики радиоизлучения отдельных структурных элементов локальных источников;

- определение относительной роли и особенностей проявления теплового тормозного и теплового магнитотормозного механизмов генерации излучения, используемых при интерпретации результатов наблюдений локальных источников.

3. Результаты наблюдений активных структур солнечной короны и диагностика солнечной плазмы:

- обнаружение и исследование спектральных характеристик радиогрануляции в сантиметровом диапазоне волн и отождествление её с деталями хромосфер-ной сетки.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на семинарах Специальной астрофизической обсерватории и её Ленинградского филиала; VIII консультативном совещании АН социалистических стран по физике Солнца (Иркутск, 1976 г.); X Всесоюзной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы (Иркутск, 1977 г.); XVI Всесоюзной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы (ИЗМИРАН, 1984 г.).

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

В главе I дано описание солнечного спектрально-поляризационного радиометрического комплекса (ССПК), разработанного для спектрального диапазона волн 2 -н 4 см и установленного на крупнейшем радиотелескопе РАТАН-600. Приведены радиофизические характеристики комплекса и рассмотрены методики его применения в наблюдениях радиоизлучения Солнца.

В главе II приведено краткое описание радиотелескопа РАТАН-600, рассмотрены вопросы формирования его диаграммы направленности. Приведены технические и инструментальные характеристики радиотелескопа, а также методики его использования в наблюдениях радиоизлучения Солнца.

В главе III описаны результаты наблюдений локальных источников радиоизлучения - наиболее ярких деталей радиоизображения Солнца, полученные в спектральном диапазоне волн 2 -4- 4 см на радиотелескопах РАТАН-600, БПР и затменным методом. Дан анализ результатов радионаблюдений и их интерпретация с привлечением отождествления с оптическими и другими данными.

Глава IV содержит результаты наблюдений источников нестационарного радиоизлучения Солнца специальными методами, используя широкие возможности радиотелескопа РАТАН-600. К ним относятся мелкомасштабные малоконтрастные и относительно слабые источники радиоизлучения в атмосфере Солнца, а также солнечные радиовсплески.

В главе V рассмотрены вопросы наблюдения «пекулярных» источников радиоизлучения в рамках поиска проявлений «токовых» слоев в атмосфере Солнца.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Объём диссертационной работы составляет 141 страницу, в том числе 57 рисунков, 13 таблиц, библиография из 103 наименований на 6 страницах.

Глава I

Солнечный спектрально-поляризационный радиометрический комплекс для радиотелескопа РАТАН-600.

1.1. Назначение радиометров и требования, предъявляемые к ним.

Радиотелескоп РАТАН-600 представляет собой многопрограммный астрономический инструмент. Основные задачи, решаемые с помощью радиотелескопа, это [1]:

- обзор неба, поиск "пекулярных" объектов, составление каталогов радиообъектов на небе;

- исследование точечных дискретных радиоисточников;

- исследование структуры протяженных дискретных радиоисточников;

- наблюдения в спектральных линиях радиодиапазона;

- исследование планет солнечной системы;

- исследование Солнца.

Решение каждой из этих задач осуществляется с помощью специально разработанных радиометров, обеспечивающих многоволновость приема, достаточно высокую чувствительность, необходимую информативность по параметрам космического радиоизлучения.

По характеристикам приемных устройств радиометры, которыми оснащен радиотелескоп РАТАН-600, делятся на три группы:

- радиометры высокой чувствительности, предназначенные для приема радиоизлучения сплошного спектра;

- спектральные радиометры, предназначенные для анализа спектральных линий радиодиапазона;

- радиометры средней чувствительности для исследования Солнца.

Каждая группа радиометров, призванных обеспечивать решение определенной проблемы, размещается на отдельном облучателе (вторичном зеркале радиотелескопа). Высокочастотные части радиометров (рупорная антенна, входной фидер и т.п.) располагаются вблизи фокальной линии вторичного зеркала, выходные устройства - в наблюдательных помещениях (т.н. облучателях).

Радиометры сплошного спектра, к которым относятся солнечные радиометры, предназначены для решения двух основ�