Новые методы и результаты исследования колебательных явлений в солнечной атмосфере тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЁНИ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО - ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

т од

3 ,5, р На правах рукописи

УДК 523. 94 523. 78 520. 24

КОБАНОВ Николай Илларионович

НОВЫЕ МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЙ В СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЕ

А 1.03.03 -- Гелиофизика и физика солпечной система

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических паук

Иркутск - 1994

Работа выполнена в Институте солнечно-земной физики СО РАН

Официальные оппоненты: дожтор фнз.-мат.наух Ю.Д. Жупкда

доктор физ.-мат наух В .Н. Карпинский доктор физ.-магг наук В.ГЛэлнин

Вепушая организация: Главная астрономическая

обсерватория АН Украины

Зашита диссертации состоимся " " (Ц04Ц 1994 г. в часов на заседании Специализированного совета Д.003.24.01 при Институте солнечно-земной физики СО РАИ по адресу:бб4033 Иркутск , а/я 4026

С аиссергшией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ Автореферат разослан 199^г.

Ученый секретарь Специализированного совета, Нандшот физ.- мат. наук

АЛ. Галкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Диссертаций является итогам семнадцатилетней работы автора в области астрофизического эксперимента. Развитие измерительных методов служило основой для получения новых наблюдательных данных по исследованию колебательных явлений в солнечной атмосфере. Процесс осмысливания наблюдательной информации, в свою очередь, выдвигал повышенные требования к будущим экспериментам, побуждал снова работать над новыми методами. 8 своих работах автор основное внимание уделял физическим принципам и основам развиваемых им методов. Около десятка основных работ автора опубликованы в ведущие международных журналах по астрофизике, а изобретении зарегистрированы по разделу "Физика" международной классификации изобретений. Последовавшие в этих же журналах ссылки дают основания надеяться,что работы вызвали интерес у специалистов.

_Ашадьность_проблемы Движение в его разнообразных формах и магнитное поле являются двумя наиглавнейшими факторами, опредепяющими ход всех физических процессов в солнечно-звездной плазме. Измерения параметров движений и магнитного поля яаляютсй источником первичной информации для подавляющего большинства задач современной астрофизики. Проникнуть в сущность локального явления, такого как развитие активной области, вспышка, протуберанец, понять его механизм или познать закономерности солнечной цикличности в равной степени невозможно без информации о движении и магнитном поле. На использовании эффектов Допплера и Зеемана основываются большинстве, методов по измерению лучевых скоростей и магнитных полей. В практической реализации этих методов содержатся как общие, так и специфичные черты.

Достижения солнечно-'звездной астрофизики напрямую связаны с успехами в развитии методов измерений и инструментальной базы. Особенно это заменю на примере ге-лиосейемологим - нового раздела физики Солнца, названного гак по причине того, что детальная информация о па-

раметрах колебаний носет на себе отпечатки воздействия физических процессов, происходящих в глубинных, подфо-тосферных слоях, недоступных прямым наблюдениям. Тема эта достаточно хорошо разработана в эксперименталькой части и каждый шаг вперед требует от исследователя не только тонкого владения искусством эксперимента, но и разработки новых подходов, нозых методов.

ЛепиработЫи 1. На основе требований выдвигаемых современной практикой астрофизического эксперимента создать комплекс новых методов для исследования основных параметров колебательных и волновых процессов в солнечной атмосфере, существенно повысив при атом чувствительность измерений лучевой скорости и напряженности Магнитного поля.

2. На новом качественном уробне исследовать пространственно-временные характеристики колебательных явлений в невозмущенной фотос< ере, тени солнечных пятен, других солнечных образованиях с использованием возможностей развитых методов.

3. Изучить квазипериодические вариации контуров спектральных линий, используемых для Наблюдения магнитных полей и лучевых скоростей, получить количественные оЦенки влияния этих вариаций на измеряемые параметры при исследовании короткопериодных осцилляции.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем. 1 .Предложен ряд новых методов измерения солнечных магнитных полей и лучевых скоростей, среди них: а) метод контроля основных параметров электроопти-юского анализатора поляризации, использующий свойство симметрии световой характеристики эл< строоптического затвора на кристаллах с продольным эффектом Покельса; б) способ измерения продольной компоненты напряженности магнитного поля на: основе принципа выравнивания суммарных потоков, соответствующих двум рабочим состояниям электрооптического анализатора поляризации; в) метод из мерения локальных лучевых скоростей и методы пространственной фильтрации, основанные на поляризационном раздвое-

нии оптических изображений на входе спектрографа; г) способ и устройства для одновременных измерений одним прибором градиента лучевой скорости и напряженности магнитного поля.

2. В ходе исследований, проведенных с использованием развитых методов получен ряд новых экспериментальных результатов: а) выявлен униполярный характер локальных пятиминутных колебаний напряженности магнитного поля в невозмущенной фотосфера; б) обнаружены долгопериодные (40-80 минут) колебания лучевой скорости в волокнах и протуберанцах {совместно с В.С.Башкиоцевым и Г.П.Машнич); в) экспериментально доказано, что амплитуда пятиминутных колебаний допплеровской скорости в невозмущенной фотосфере испытывает квазипериодические колебания с периодом около 60 минут (совместно с С. А.Дружининым, М. В. Ни коновой); г) с помощью дифференциальных измерений получены экспериментальные доказательства, говорящие о том, что тень солнечного пятна участвует в пятиминутных колебаниях как единое целое; д) с использованием фильтрующих свойств пространственно-дифференциальногп метода найдено, что амплитудное распределение пространственных гармоник пятиминутных колебаний лучевой скорости характеризуется слабым максимумом вблизи агсзес, резким спадом на участке 12-4 агсвес и медленным уменьшением амплитуды для А>30 агсйес, результат получен для невозмущенной фотосферы; е) получены экспериментальные оценп квазипериодических флуктуации контуров ряда фраунгоферовых и теллурических спектральных линий в диапазоне исследования солнечных осцилляции.

-Научное .^ практическое знамение полученных в диссертации результатов.

1. Разработки автора, связанные с радикальным совершенствованием измерений солнечных магнитных полей, существенно повысили чувствительность и точность измерений, позволив н ряде случаев получить новые наблюдательные факты. Наиболее полно авторские разработки исполь-зппгшы и Саянской астрофизической обсерватории Инсти-

гута солнечно-земной физики (ИСЗФ), где они применялись как в виде самостоятельных методов, так и в качестве отдельных решений, вошедших составными частями при создании таких приборов, как панорамный магнитограф, векторный магнитограф СибИЗМИР, солнечный телескоп оперативных прогнозов. Связанные с этими разработками идеи и решения автора в разные годы использовались в Главной астрофизической обсерватории Украины (г.Киев) , в Институте прикладной геофизики (г.Москва), в Институте экспериментальной метеорологии (г.Обнинск).

2. Предложенные и развитые автором пространственно-дифференцис тьные методы измерения локальных лучевых скоростей обеспечивают почти полное (до 100 раз) подавление внутренних шумов дифракционного спектрографа в регистрируемом сигнале, обладают возможностью узкополосной пространственной фильтрации. Указанные преимущества делают возможным постановку и проведение ряда новых наблюдательных гэкспериментов, позволяют выполнять высокочувствительные измерения параметров волновых движений в различных солнечных образованиях, непосредственно регистрировать градиенты скорости и яркости при сканировании солнечной поверхности, проводить исследования пространственных неоднородностей в земной атмосфере по теллурическим линиям. Так, например, в Саянской астрофизической обсерватории группой исследователей при помощи дифференциального метода были впервые зарегистрированы долгопериодные колебания скорости в протуберанцах.

Основные принципы предложенных автором разработок послужили отправной точкой другим исследователям при создании ими оригинальных методов измерений. Это можно утверждать, например, относитег 1Н0 способа измерения дифференциального вращения Солнца (См. В.М.Григорьев докторская диссертация),

3. Результаты экспериментальных исследований характеристик колебаний в тени пятна, невозмущенной фотосфере, и протуберанцах существенно пополняют наши зна- ия о колебательных явлениях в солнечной атмосфере, способствуют расширению и изменению наших представлений о

физических процессах в недрах и на поверхности Солнца. Большое значение они имеют, в частности, для решения проблемы нагрева верхней хромосферы и короны.

Уже сейчас есть основания предполагать, что в недалеком будущем подобный материал станут широко использовать в различных прогностических схемах, связанных с возникновением и развитием геоэффективных процессов.

4. Исследования квазипериодических флуктуаций положения и формы контуров теллурических линий определяет границы их использования в качестве спектральных реперов в астрофизических измерениях. Кроме того эти результаты могут оказаться полезными при исследовании волновых процессов в земной атмосфере, интересующих метеорологию.

Вариации профилей широко применяемых спектральных линий помогают лучше понять физическую природу регистрируемых сигналов при наблюдении осцилляции.

5."Побочные" результаты автора, не связанные непосредственно с методами измерений, но вытекающие из них и относящиеся к способу получения сверхкоротких электромагнитных импульсоч и метода^ оптимизации управляющих сигналов электрооптических анализаторов поляризации могут оказаться полезными в физических экспериментах по исследованию быстрых процессов и в лабораторной по-ляриметрии. Одно из предложений автора было использовано в установках для оптического зондирования атмосферы в институте экпериментальной метеороло"Ии{г.Обнинск).

На защиту ныыосятся следующие основные результаты. 1.Способ измерения продольной компоненты напряженности магнитного пол*., основанный на принципе выравнивания суммарных потоков поляризованного электромагнитного излучения, соответствующего двум рабочим состояниям электрооптического анализатора поляризации.

2. Пространственно-дифференциальный метод измерения лучевой скорости, основанный на поляризационном раздвоении оптических изображений в плоскости входной апертуры спектрографа и последующем измерении относительного допплеровского смещения спектральных компо-

нент, разработка нескольких вариантов его практической реализации.

3. Методы пространственной фильтрации при исследовании параметров волновых процессов в невозмущенной солнечной атмосфере.

4. Выявлен униполярный характер короткопериодных колебаний напряженности магнитного поля в невоэмущенной фотосфере, что существенно способствует пониманию природы колебаний Н .

5. Экспериментально установлено, что на фотосферном уровне пятиминутные колебания лучевой скорости в тени солнечного пгтна происходят в фазе на большей части тени. Сопоставление с пространственно-временными параметрами колебаний в окружающей невозмущенной фотосфере приводит к выводу о пассивном участии пятна в колебательном процессе, как наиболее вероятному.

6. При помощи пространственно-дифференциального метода обнаружено, что амплитудное распределение пространственных гармоник пятиминутных колебаний лучевой скорости, исследованное по линиям ионизованного железа Fei 5250 А, 5434 А, 5123 А характеризуется для спокойной фотосферы наличием слабого максимума вблизи к= 24", резким спадом на интервале X "12-4" и медленным уменьшением для А>30".

7. Получены экспериментальные оценки пространственно-временных вариаций профилей спектральных линий, широко используемых при наблюдении солнечных осцилля-ций, Количественный учет вклада этого эффекта в измеряемые сигналы помогает правильнее понимать природу наблюдаемых короткопериодных опцилляций лучевой скорости и напряженности магнитного поля.

Подобные же результаты пол'.чены автором для теллурических линий воды и кислорода, в сочетании с измерениями их квазипериодических смещений этс позволяет установить пределы возможного использования этих линий как спектральных реперов при наблюдении колебательных явлений. Кроце того такого рода информация може- оказаться полезной при исследовании волновых процессов в земной атмосфере.

Апробация работы. Основные результаты, содержащиеся в диссертации, докладывались на 8-ом {Иркутск, 1976) и 13-ом (Одесса, 1988) Консультативных совещаниях АН соц-стран по солнечной физике, коллоквиуме MAC N 66 "Проблемы солнечных и звездных осцилляций" (КРАО, 1981), Международном рабочем совещании "Измерения; солнечных ве1сторных магнитных полей" (Хантсвилл, США, 1934), Объединенном семинаре Рабочей группы "Магнитные поля и химический состав Солнца и звезд" и КАПГ "Сеть магнитографов (КРАО, 1975), Международном семинаре КАПГ "Теория и практика магнитографических наблюдений Солнца" (Иркутск, 1980), Всесоюзных совещаниях комиссии астроприборостроения (Ленинград, 1976, Иркутск, 1979), Всесоюзных конференциях по физике Солнца (Кисловодск, 1980; Киев, 1984), семинарах Рабочей группы "Солнечные инструменты"(Иркутск, 1982; Абастумани, 1984; Киев, 1986; Ашхабад, 1988), семинарах Рабочей группы "Колебания и волны на Солнце" (Рига, 1985, 1986; Новосибирск, 1987; Иркутск, 1991), семинарах Рабочей группы "Радиация и строение солнечной атмосферы" (Львов, 1981; Звенигород, 1982; Баку, 1983), всесоюзном совещании "Современные методы повышения эффективности астрофизической свето-приемной аппаратуры" (КРАО, 1981), Советско-Китайском рабочем совещании по физике Солнца (Иркутск, 1991), научных семинарах ГАО АН (Ленинград), ГАО АН Украины (Киев), астрофизического отдела Центрального института астрофизики АН ГДР (Потсдам, 1985), отдела физики Солнца СибИЗМИР (ИСЗФ).

Лубпикаши^ШЧИЫЙ^ШУША.автора Научные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 36 работах. 11 статей опубликованы в ведущих международных журналах по физике Солнца В соавторстве выполнено 13 работ, в работах [6, 15] автору принадлежит постановка и проведение самостоятельной части эксперимента, участие в обсуждении результатов и написании статей. В работах [7, 9, И, 12, 14, 21, 25-28] автору принадлежат разработка

принципов измерений, наблюдения,участие в анализе материала и подготоь.;е публикации.

Результаты, вынесенные на защиту, основываются на работах, выполненных без соавторов.

Объем работы^. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы 210 страниц, из них 175 основного текста, 35 рисунков, В таблиц. Список литературы содержит 156 наименований на 15 страницах,из них работ автора 44.

Краткое со, эржание диссертации .. Пешая__пша

начинается с краткого анализа основных тенденций в развитии магнитографических измерений. Последнее десятилетие характеризуется четко выраженной "специализацией" солнечных магнитографов, непосредственно связанной с решаемыми наблюдательными проблемами, среди которых: волновые процессы, дит.Мика крупномасштабных и фоновых полей, тонкая струкгура, Исследование роли магнитных полей в рождении и развитии активных областей. Приводятся основные параметры трех групп приборов.

Далее В первой главе анализируются принципиальные особенности метода дли измерения продольной составляющей магнитного поля, в котором функции анализа поляризованного излучения и модуляции углового положения световых лучей удачно совмещены. Этот метод создян в СибИЗМИР в семидесятые годы с участием автора. Несмотря на то, что он не вошел в перечень результатов, выносимых на защиту, достаточно подробное рассмотрение его необходимо в диссертации для лучшего понимания других разработок автора, основой которым он послужил. Главными достоинствами эТого метода в сравнении с другими являются: двойной выигрыш в свете из-за отсутствия поочередного гашения компонент зеемановского расщепления, осуществление дифференциального фотометрировайия одним фотоприемником, возможность работы на низких частотах модуляции.

Одной из серьезных проблем в осуществлении магнитографических измерений является выбор и поддержание оп-

тимального режима работы электрооптическаго анализатора поляризации. Проведенный количественный анализ содержит ряд аргументов в пользу применения в поляриметрических измерениях управляющих сигналов прямоугольной формы. Большинство электрооптических фазовых модуляторов в электрическом отношении представляют собой емкостную нагрузку для генераторов управляющих сигналов. При амплитудах управляющих сигналов, измеряемых киловольтами, возникают некоторые сложности с обеспечением оптимальных параметров управления, которые, по мнению автора, успешно решаются с помощью устройств, основанных на коммутации выходной нагрузки. Приведено описание этих устройств. Здесь же рассмотрены специфические особенности эксплуатации электрооптических модуляторов на кристаллах АДР, КДР, ДКДР, связанные с поляризуемостью кристаллов.

Метод контроля величины полуволнового фазового сдвига, разработанный автором совместно с Григорьевым В.М., основан на свойстве симметрии световой характеристики электрооптических затворов с использованием материалов, обладающих продольным электрооптическим эффектом Покельса. К практическому использованию предложено дза варианта, реализующих этот метод. Оба они обеспечивают точность контроля лучше 0,1% и не требуют радикального изменения оптической схемы контролируемого анализатора.

В этой же главе рассмотрены раэлимные средства борьбы с мультипликативными помехами, в качестве которых выступают флуктуации яркости светового пучка на входной апертуре спектрографа. И в заключительной ее части описан разраСотанный автором метод измерения эффекта Зеемана, основанный на принципе выравнивания суммарных световых потоков, соответствующих двум рабочим состояниям электрооптического анализатора поляризованного излучения. Естественным свойством этого метода является независимость результатов измерьний от флуктуации яркости входного излучения или нестабильности усилительных качеств фотоприемника. Привычный амплитудно модулированный сигнал, являющийся нес. гьемлемой

характеристикой обычных схем, уступает место сигналу с широтно-импульснсИ модуляцией. Это предельно упрощает сопряжение фотоприемной части схемы с импульсными логическими элементами блока цифровой обработки и регистрации. Сигнал более устойчив к воздействию посторонних электрических помех. Становятся возможными точные измерения магнитных полей в солнечных образованиях с резкими перепадами яркости.

Вхорая-Шава диссертации посвящена проблеме измерения лучевых скоростей движения вещества в солнечной атмосфере.

Подавляюи эе большинство наземных измерений лучевой скорости основано на применении в качестве спектрального прибора дифракционного спектрографа. Автор анализирует ошибки измерений лучевой скорости вследствие разного рода нестабильностей, свойственных этому прибор., и именуемыми в работе собственными шумами спектрографа. Причиной этих шумов чай'э всего являются неоднородности температуры и давления. Поскольку современный солнечный спектрограф - довольно громоздкий инструмент, как правило занимающий отдельное помещение, то ясно, что весьма затруднительно сделать его вакуумированнь'м. В результате хаотично перемещающиеся воздушные потоки внутри спектрографа и температурные деформации оптико-механических узлов порождают квазислучайные смещения спектральных линий, которые ограничивают точность измерения лучевой скорости сотнями метров в секунду. Стремясь учесть эти смещения и поднять точность измерений, применяют метод спектральных реперов. Б качестве репера используются спектральные линии несолнечного происхождения. В работе приведен краткий анализ применения таких реперов, как: теллурические пинии, искусственный источник, нулевой порядок.

Далее в работе рассмотрены достоинства и недостатки дифференциальных измерений лучевой скорости, использующих в качестве опорного источника параллельный пучок от всей видимой поверхности Солнца. Первоначальна эта идея была предложена и осуществлена в Пулковской обсерватории Калиняком A.A. Принципиальные недостатки схем-

ного решения и механическая модуляция не позволили добиться чувствительности измерений выше 40 м/сек. Следующий шаг был сделан в К РАО, где свет от кольцевой при-лимбовой зоны Солнив служил опорным источником. В крымском метода использовалась здектрооптичоская модуляция. По собственным оценкам авторов чувствительность измерений достигла 1 м/сек при времени накопления сигнала около 1 минуты.

Автором настоящей диссертации был предложен и развит пространственно-дифференциальный метод измерения локальных лучевых скоростей. Поводом к его созданию послужило ясное осознание того факта, что в подавляющем большинстве экспериментов нам нужны именно относительные измерения, а не абсолютные. Так, например, измеряя лучевую скорость в какой-нибудь определенной точке поверхности Солнца, мы получим некую величину, в которую как составляющие войдут следующие движения: суточное вращение Земли, собственное вращение Солнца, движение Земли по околосолнечной орбите, крупномасштабные движения в атмосфере Солнца. Легко видеть, что эти составляющие не являются постоянными и зависят от времени и координат наблюдателя и объекта. Нас же больше всего интересует в приведенном примере; что имеет место - подъем вещества или же его опускание и с какой скоростью?

Прямой ответ на этот вопрос мы получим измеряя лучоаую скорость этого участка относитель"о окружающей его поверхности. Или другой пример - волна. О наличии ее можно говорить только при сопоставлении одновременных измерений в нескольких (не менее двух) пространственных точках.

Таким образом, использование пространственно-дифференциальных методов во многих случаях предпочтительнее абсолютных.

В предложенном автором методе изображение Солнца а плоскости входной щели спектрографа раздваивается и смещается одно относительно другого на заданную величину и в заданном направлении. Это легко достигается с помощью поляризационной оптики, при этом изображения

оказываются поляризованными ортогонально, что и используется при выборь схемы измерения. Поляризация преобразуется так, чго входная щель спектрографа освещается правополяризованным светом от одного элемента и ле^о-поляризованным - от другого. Аналогия с эффектом Зеема-на, но разные циркулярные поляризации принадлежат Не одному, а двум, пространственно разделенным элементам поверхности Солнца. При различной лучевой скорости в этих элементах, на выходе спектрографа имеются две спектральных компоненты, смещенные одна относительно другой. И задача измерений сводится к определению этого смещения. В этом случае нет опорного источника; каждый элемент является и опорным й исследуемым. Дальнзйшие измерения осуществляются по методу, во многом сходным с описанным в первой главе и разработанным для высокочувствительных измерений продольной составляющей напряженности магнитного поля. Поскольку световые лучи от двух элементов в спектрографе пространственно не разделены, они испытывают совершенно одинаковые возмущения со стороны различных дестабилизирующих факторов, что и обеспечивает почти полную нечувствительность метода к внутренним шумам обычного, даже не термостг тированного спектрографа. Это позволяет достигнуть чувствительности измерений до 0,2 м/сек. Описываемый пространственно-дифференциальный метод наилучшим образом подходит для регистрации градиентов исследуемого параметра, например контраста. В работе описано три варианта реализации этого метода. Особенности каждого из них связаны с наблюдательной задачей. Так, например, при наблюдении лучевых скоростей в активных образованиях значительные отличия в яркости отдельных элементов могут привести к просачиванию внутрек inx шумов спектрографа в измеряемый сигнал. Разработанный метод не только уменьшает эту возможность, но и позволяет вести одновременную регистрацию сигналов дифференциальной скорости и контраста.

По природе своей пространственно-дифференциа..ьный метод уже в простейшем варианте обладает некоторой избирательностью по волновому числу. Изменив оптическую

схему и применив оптический транспарант на входе спектрографа, согласованный с параметрами поляризационного расщепителя лучей, удалось существенно улучшить селективные свойства метода. Появилась возможность узкополосной фильтрации отдельных мод или групп мод пятиминутных колебаний в фотосфере.

Дальнейшее развитие метода привело к поиску возможностей для осуществления одновременных (одним прибором) измерений магнитного поля и дифференциальной лучевой скорости. Принципиальные моменты были решены путем радикального изменения оптико-электронной схемы устройства и появилась возможность одновременно измерять: усредненное по двум элементам магнитное поле и разностную лучевую скорость. Информативность таких измерений существенно выше, чем отдельно взятых измерений магнитного поля и дифференциальной лучевой скорости.

Прогресс в области измерений напряженности магнитного поля и лучевой скорости привел к необходимости усовершенствования калибровочных процедур. По мнению автора наиболее удачным в настоящее время является метод, разработанный в СибИЗМИР и основанный на искусственном расщеплении спектральной линии на заданную величину. Этот метод позволяет наиболее оптимально оценивать шумы измерений, так как условия калибровки и измерений в этом случае максимально сближены. Количественная оценка реальных шумов особенно важ^а для высокочувствительных измерений параметров волновых процессов. Интересно отметить, что такая регистрация шумов подтолкнула автора к мысли о развитии специальных измерений вариаций сонтура спектральной линии, в частности,крутизны линейного участка крыла. Подобная информация в дополнение к обычной позволяет более точно судить о природе измеряемых сигналов.

Третья.глава посвящена исследованию характеристик колебательных и волновых процессов в солнечной атмосфере. Эти исследования часто основаны на качественно новом виде информации, ставшей доступной благодаря использованию оригинальных измерительных методов, развитых ав-

тором. Объектом изучения стали самые различные солнечные образования, с существенно разными физическими условиями, от магнитных холмов невозмущенной фотосферы до тени пятна. Такие исследования выявляют общие и сугубо индивидуальные особенности колебательных явлений в объектах с различной степенью физической связи их с окружающей средой. В конечном итоге это подвигает нас вперед в вопросе идентификации общих источников колебаний и лучшего понимания природы этих процессов. Особое внимание уделено диапазону пятиминутных Колебаний лучевой скорости и напряженности магнитного пмя.

Программа исследования колебаний в магнитных структурах невозмущенной фотосферы, выполненная автором на начальном этапе работы, включала в себя: определение средних размеров магнитных структур спокойной фотосферы и характерных значений напряженности магнитного поля в них (продольная состетляющая), и затем исследование короткопериодных флуктуаций величины напряженности в типичных магнитных структурах спокойной фотосферы. Выполнялись три вида наблюдений: растровое сканирование -исследуемой области, одиночные горизонтальные (по параллели) и вертикальные (по меридиану) сканы, измерения в фиксированной точке. При этом меридиональные сканы выполнялись не только в центре диска, но и вблизи лимба. Целью последних было косвенное определение величины поперечной составляющей магнитного поля в спокойной фотосфере. Анализ выполненных наблюдений показал, что магнитные структуры в невозмущенной фотосфере при доминирующих размерах 3-5 тыс. км имеют среднюю ёеличину продольной составляющей магнитного поля около 6 гаусс. Довольно грубая косвеннп оценка поперечной составляющей привела к величине 15 гаусс. Пространственное разрешение наблюдений ; 2-3".

Суммарная продолжительность наблюдения короткопериодных колебаний сигнала напряженности магнитного поля в отдельных магнитных структурах составила 16 часов. Усредненный спектр мощности показал три максимума с периодами 2,1 минуты; 5,2 минуты; 21,3 минуты с преобладанием

первого из них. При этом установлено, что колебания напряженности магнитного поля в спокойной фотосфере носят униполярный характер, т.е. происходят без смены знака поля. Была проверена и отвергнута возможность инструментального п, эисхождения этого эффекта. Существующие на момент наблюдения работы чаще показывали биполярную структуру сигнала, а интерпретаиия в любом случае связывалась с движением вещества. Естественно поэтому, что в своих последующих работах автор обратился к исследованию параметров колебательных движений, осуществляемых через измерения лучевой скорости по эффекту Допплера. Возросшие требования к экспериментальным исследованиям этих процессов потребовали качественно нового подхода к самому процессу измерения, что в итоге привело к разработке пространственно-дифференциальных методов измерения лучевой скорости.

Высокая чувствительность дифференциальных измерений, их независимость от многих зашумляющих и искажающих факторов делают этот метод привлекательным при проведении экспериментов по исследованию пространственных и временных характеристк; колебательных процессов. Одной из подобных экспериментальных задач является изменчивость спектра пятиминутных колебаний лучеаой скорости для невозмущенной фотосферы, При обычных измерениях в регистрируемый сигнал вносят вклад как временные гармоники, так и пространственные. При этом спектр имеет очень сложную структуру и анализ динамики его затруднен. Резко сократив количество регистрируемых пространственных гармоник, мы получаем такую возможность; пространственно-дифференциальный метод позволяет осуществить узкополосную фильтрацию относительно простыми средствами. Наблюдения были проведены в линиях Fei 5250,2 А и 5123 А. Одновременно подобие наблюдения при помощи -елевизионной трубки со специальной разверткой были выполнены Дружининым С.А. в линии Fei 5434 А. В первом случае для анализа были взят;, записи наблюдений, когда длина волны фильтруемой пространственной гармоники составляла 16000 км, а во втором - 15000 и 14000 км. К отобранным регистограммам был применен

специальный анализ, который показал, что частота колебаний на наблюдательном интервале испытывает квазипериодические колебания. При уточнении оказалось, что наиболее характерный период таких изменений - 60 минут. Отмечались также максимумы со значением периодов 20 и 90 минут.

Были проведены также исследования пространственных характеристик пятиминутных колебаний.

В течение нескольких наблюдательных сезонов автором регулярно выполнялись наблюдения пятиминутных колебаний лучевой скорости в невозмущенной фотосфере вблизи центра диска солнечного изображения. Наблюдения выполнялись с перестройкой избирательности измерений по длине пространственной волны. Затем был отобран материал, однородный по условиям наблюдений, длительности временных серий. Этог-то материал и был использован для исследования вопроса о возможной зависимости амплитуды колебаний от длины пространственной волны, Каждое из таких измерений подобно разрезу известной K-w диаграммы, выполнен1'ому параллельно оси w через заданную точку на оси К. Для каждого из них с помощью спектрального анализа определялась амплитуда выделенного колебания с периодом 300 секунд. Совокупность, определенных таким образом значений, представляет как бы разрез некой обобщенной K-w диаграммы параллельно оси К через фиксированную точку на оси W. Чувствительность первичных измерений к различным модам колебаний определялась по формуле

i -р • п ■=■ 2м п

5 = —sin— I (-1) sin — L(2n - з) яР к пя1 Л

L- величина относительного смещения разнополяризо-ванных изображений

Р,М - параметры фильтра

Х- длина волны фильтруемого колебания. В частности бгпо установлено, что распределение "амплитуда - длина волны" характеризуется резким ростом амплитуды на ин-

тервале X = 8-20 секунд дуги, слабо выраженным максимумом при X = 24 arcsec и плавным уменьшением для X >30 arcsec.

Основные идеи дифференциальных измерений были использованы ды исследования свойств колебаний на разных уровнях солнечной атмосферы. Минима льная разница в высотах фотосферы, при которой еще отмечались относител> • ные колебания с периодом 5 минут составила 25 километров.

Наблюдения невозмущенной хромосферы показали, что наряду с трех- и пятиминутными колебаниями в ней существуют и колебания с периодами 50- 80 минут.

Один из наиболее интересных объектов для исследования колебательных процессов представляют солнечные протуберанцы. Уже первые наблюдения дифференциальным методом в 1901 г. привели к положительным результатам. Были обнаружены относительно длйннопериодные (70-80 минут) колебания в неэрруптивных протуберанцах. В дальнейшем эти результаты были подтверждены немецкими исследователями, а позже и японскими. Лимбовые наблюдения были затем дополнены наблюдениями волокон на диске. При этом выяснилось, что при всей общности (преобладание низкочастотных компонент) спектры осцил-ляций отдельных протуберанцев (волокон) содержат свои индивидуальные особенности. Сложней ситуация с пятиминутными колебаниями, регистрируемыми иногда в протуберанцах. Весьма похоже на то, что они передаются через основания протуберанца из верхней фотосферы.

Солнечное пятно - традиционный объект для исследования колебательных и волновых явпений, Однако пониженная яркость, наличие квазистационарных днижений препятствуют получению объективной информации о колебаниях в тени пятна на фотосферном уровне. Задачей эк леримента было получение ответа на вопрос: как участвуют в пятиминутных колебаниях отдельные участки тени солнечного пятна. Для этого с помощью дифференциального метода измерялась разность скоростей в двух равных, диаметрально расположенных площадках тени. Наблюдения выполнялись в немагнитных спектральных линиях Fei 5576 А и 5434

А. Анализ данных сначала по 6, а затем еще па 4 солнечным пятнам, несмотря на некоторые затруднения, приводит к выводу, что в большинстве случаев тень пятна на фото-сферном уровне участвует в пятиминутных колебаниях как единое целое.

Следует заметить, чтр для подобных наблюдений наилучшим образом подходят солнечные пятна с однородной тенью правильной формы при прохождении их вблизи центрального меридиана. Желательно также чтобы сравниваемые участки Тени располагались вдоль меридиана, так как при этом исключается возможность проникновения в сигнал вращений Солнца. Отмечаетря, что при подобном расположении исследуемых площадок для пятен вблизи лимба становится возможной прямая регистрация скорости вращения пятна вокруг собственной оси. Предлагается поэтому применять этот метод для непосредственных наблюдений крутильных колебаний.' В нескольких наблюдаемых пятнах такие колебания были зарегистрированы.

Основной вывод этих исследований заключается в том, что 5 минугньм колебания в тени солнечных пятен происходят, синхронно на большой части Тени пятна и, вероятней всего, являются откликом на колебания в невозмущенной фотосфере.

На измерения напряженности магнитного поля и лучевой скорости оказывают влияние вариации профилей используемых спектральных линий. Эти вариации могут быть связаны с поведением таких параметров как давление, температура, плотность, магнитное поле. Кроме того в них находят отражение неразрешаемые по глубине' и пространс ву движения.

Автором исоледоваяись пространственно-временные флуктуации контуров ряда спектральных линий, наиболее Часто применяемых для наблюдения солнечных осцилляций. Среди них линии железа Fei 5123,ТА; 5250,2А; 5434,5А и Na DI S896A. Специальным методом измерялась величина dJ/dA

- наклон линейного участка Крыла спектральной линии. Дпя узких спектральных линий этИ' измерения выполнялись в одной точке, (эасположвнной Примерно на середине линейного участка. Для широких пиний ( 5434 и NaDI), имею-

щих протяженное крыло - в двух точках. Пространственные вариации сигнала в некоторых линиях достигают 26% от измеряемой величины. Интересно, что наблюдения в линии 5434 отчетливо выявляют квазирегулярные пространственные структура с размерами, близкими к мезогрануляции. Естественно, что по временным вариациям большее внимание было уделено области трех- и пятиминутных колебаний Полученные количественные оценки для наблюдений с различным пространственным осреднением приводят к выводу о необходимости учитывать эти результаты при анализе и интерпретации экспериментальны)', данных по осцилля-циям сигналов лучевой скорости и магнитного поля. В отдельных случаях это возможно приведет к выводу, что мы имеем дело не с колебаниями лучевой скорости и напряженности магнитного поля, а с вариациями формы контура, вследствие изменения таких параметров как давление, температура.

В физике Солнца теллурические линии (спектральные линии земной атмосферы) используются в качестве спектральных реперов. При каждом повышении точности измерений лучевых скоростей исследованию подвергают и свойства этого репера. В конце третьей главы представлены результаты автора по Выявлению квазипериодических нестабильностей линий воды 5901А и кислорода 6869,1 А. Осредненные спектры мощности содержат максимумы, при ходящиеся на периоды 5; 7,5; 12; 20 минут. Амплитуда флукгуаций относительной скорости, точнее ее составляющей на луч зрения, достигает 5-10 м/сек. Также как и в случае солнечных измерений возникает вопрос: в какой степени за сигнал ответственны вариации контура. Аналогичные наблюдения были выполнены с теми же теллурическими линиями. Кроме известных уже периодов, иногда также отмечались периоды 34 и 57 минут. В нескольких сериях кислородной линии появлялся период 30 секунд. Амплитуда вариаций составила 6-7 м/сек . Трендовые изменения сигнала достигали 30% от измеряемой в личины. Полученные результаты могут быть полезными при изучении колебательных процесс ^ в земной атмосфере.

Экспериментальные результаты, полученные автором и приведенные в этой главе, в большей степени свидетельствуют в пользу концепции, согласно которой источник колебаний исследованных локальных образований находится вне этих образований. Основным итогом явилось получение новых знаний о колебательно -волновых процессах на поверхности Солнца, что на шаг подвигает нас в направлении понимания природы этих явлений.

В заключении приводится перечень основных результатов диссертации.

1. Разработаны методы оптимизации основных параметров электрооптического анализатора поляризации. Эффект достигается благодаря использованию свойства симметрии световой характеристики электрооптического затвора при управлении им сигналом формы "меандр". Побочным результатом этой идеи является возможность получения сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения. (Работа выполнена совместно с Григорьевым В.М. и защищена двумя авторскими свидетельствами).

2. Предлс .сен новый принцип управления электрооптическим анализатором поляризации и на его основе разработаны приборы. (Защищен авторским свидетельством).

3. Новый метод намерения продольной составляющей магнитного поля, основанный на принципе уравнивания суммарных световых потоков, соответствующих двум основным рабочим состояниям анализатора поляризации.( Защищен двумя авторскими свидетельствами).

4. Создан и внедрен в практику астрофизического эксперимента пространственно-дифференциальный метод исг те-дования локальных колебательных движений.! Защищен тремя авторскими свидетельствами).

5. Разработаны методы пространственной фильтрации отдельных мод солнечных колебаний при измерении лучевых скоростей пространственно-дифференциальным методом (два авторских свидетельства).

6. Аналитически показано, что атмосферное дрожание изображения в некоторых случаях приводит не только к смещению самого изображения, но и к модуляции положения полосы пропускания спектрального прибора.

7. Предложен метод, создающий предпосылки для осуществления одновременных измерении градиента лучевой скорости и Напряженности магнитного поля{два авторских свидетельства).

8. Получен, высококачественные наблюдательные данные о параметрах магнитных структур невозмущенной фотосферы в цеп'ре и на краю диска, что позволило косвенно судить о характеристиках структур поперечного магнитного поля, тогда как прямые оценки поперечного поля напряженностью менее 20-30 гаусс крайне затруднены.

Выявлен и исследован униполярный характер пятиминутных колебаний продольной компоненты напряженности магнитного поля в невозмущенной фотосфере Солнца. Этот результат отрицает возможность объяснения наблюдаемых колебаний распространением альфвеноеской волны вдоль горизонтальной составляющей магнитного поля и свидетельствует более в пользу альфвеновской волны сжатия, распространяющейся поперек поля.

10. Впервые обнаружены и исследованы долгопериодные (40-90 мин) колебания лучевой скорости в неэрруптивных протуберанцах (совместно с Bau <ирцевым B.C., Машнич Г.П.).

11. Показано, что в солнечной хромосфере над участками спокойной фотосферы кроме трехминутных осцилляций существуют и долгопериодные (30-90 мин) значительно меньшей амплитуды.(Совместно с Башкирцевым B.C., Машнич Г.П.).

12. Впервые выполненные измерения колебаний лучевой скорости с фильтрацией по волновому числу позволили установить распределение "амплитуда-длина пространственной волны" для колебаний на частоте 3,3 миллигерца. Это распределение характеризуется наличием слабовыраженно-го максимума при X = 24", резким спадом на участке 20 - 8" и плавным уменьшением амплитуды для Х>30".

13. Установлено, что тонкая структура спектра мощн-стм пятиминутных колебаний лучевой скорости подвержена квазипериодическим изменениям во времени, с доминирующим периодом около 60 минут. Этот факт установлен из анализа полученных автором качественно нового вида на-

блюдательных данных о фильтрацией отдельных мод (совместно с Дружининым С.А., Никоновой М.В.).

14. Экспериментально показано, что на фотосферном уровне в тени пятна пятиминутные колебания лучевой скорости происходят синфазно на большей части тени. Согласно этому результату тень пятна колеблется как единое целое, что в сопоставлении с другими данными вероятней всего указывает на пассивное участие пятна в колебаниях окружающей его невоэмущенной фотосферы.

15. Выполнены исследования квазипериодических вариаций контуров ряда спектральных линий, используемых для наблюдения солнечных осцилляций. В терминах лучевой скорости получены количественные оценки величины этих вариаций для области трех- пяти-минутных периодов. Результат способствует более точной интерпретации наблюдательной информации то осциллйциям лучевой скорости и напряженности магнитного поля. В ближайшей перспективе эта работа может послужить основой для проведения экс-пер! "ментальных исследований тонкоструктурных магнитных полей.

16. Обнаружены и исследованы квазипериодические флуктуации длины волны и формы контуров отдельных теллурических линий Н20 5901А и 02 6869,1А в спектральной полосе 550-700 нм. Полученные численные оценки определяют допустимые границы при использовании указанных линий в качестве спектральных реперов для наблюдения солнечных осцилляций. А в некоторых случаях могут указывать на возможное проявление атмосферных эффектов в данных по солнечным колебаниям.

1. Кобанов Н.И. Наблюдение магнитного поля и лучевой скорости в невозмущенной фотосфере. Солнечные данные, 1979, N1, С. 102-106.

2. Кобанов Н.И. Способ измерения напряженности магнитного поля. Авторское свидетельство СССР N 457053, Бюлл. изобретений, 1Э75, N2.

3. Кобаноэ Н.И. Среднестатистические характеристики магнитных структур невозмущенной фотосферы по наблюдениям магнитографом с время-импульсной модуляцией. Препринт СибИЗМИР N16-79, 1979.

4. Кобанов Н.И. Способ измерения дифференциальной лучевой скорости в солнечной атмосфере. Авторское свидетельство СССР N 957009. Бюлл. изобретений, 1982, N33.

5. Кобанов Н.И. Способ регистрации волновых движений вещества в атмосфере Солнца. Авторское свидетельство СССР N 1124183, Бюлл. изобретений, 1084, N 42.

6. Дружинин С,А., Кобанов Н.И., Никонова М.В. Изменчивость спектра 5-минутных колебаний по наблюдениям с узкополосной пространственной фильтрацией. Сб. "Колебания и волны на Солнце". Рига, 1985, 20.

7. Демидов М.Л., Кобанов Н.И. Регистрация дифференциального сигнала лучевой скорости на двух близкорасположенных уровнях атмосферы Солнца. Солнечные данные, 1985, N12, С.79-83.

8. Кобанов Н.И. Дифференциальный метод измерения лучевых скоростей в атмосфере Солнца. Солнечные данные, 1983, N8, С.75-30.

9. Башкирцев B.C., Кобанов Н.И., Машнич Г.П. Колебательные движения в двух спокойных протуберанцах. Письма в Астрономический журнал, 1982, т.8, N2, С.103-105.

10.Кобанов Н.И. Развитие дифференциальных методов измерения лучевой скорости для исследования пространственных характеристик колебательных процессов на Солнце. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1985, вып. 72,С.221-226.

П.Демидов М.Л., Кобанов Н.И., Григорьев В.М. Способ калибровки измерений продольного магнитного поля и дифференциальной лучевой скорости. Кинематика и физика небесных тел. 1907, т.З, N4, С.85-89.

12. Башкирцев ВС., Кобанов Н.И., Машнич Г.П. Наблюдения долгопериодических колебаний скорости движения вещества в хромосфере Солнца. Сб. "Колебания и олны на Солнце", Новосибирск, 1987, 10.

13. Кобанов Н.И. О точности магнитографических измерений. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.:Наука, 1977, вып. 42, С. 123-129.

14. Григорьев В.М., Кобанов Н.И. О практическом использовании симметрии световой характеристики электрооптического затвора. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1975, вып. 37, С. 141146.

15. Дружинин С.А., Кобанов Н.И., Никонова М.В, Динамика спектра пятиминутных колебаний в спокойной фотосфера. Солнечные данные, 1985, N 10, С.50-54.

16. Кобанов Н.И. Применение пространственно-дифференциального метода в наблюдениях Солнца. Сб. "Солнечные магнитные поля и корона", Новосибирск, Наука, 1989, т.2, С.352-358.

17. Кобанов Н.И. О режиме колебаний в тени солнечных пятен. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1989, вып.87,С.73-79.

Кобанов Н.И. Использование гармонической и прямоугольной модуляции в поляриметрических приборах. Метрология, 1979, N10, С. 20-25.

19. Кобанов Н.И. Способ измерения параметров солнечной плазмы. Авторское свидетельство СССР N 1674024. Бюлл. изобретений 1991, N32.

20. Кобанов Н.И. Способ исследования атмосферы Солнца и устройство для его осуществления. Патент СССР N 1775040, Бюлл. изобретений 1992, N41.

21.Григорьев В.М., Кобанов Н.И. Спектрополяриметр, Авторское свидетельство СССР N 693127, Бюлл. изобретений 1979, N39.

22. Kobanov N.I. The study of velocity in the Solar photosphere using the velocity substraction technlgue. Solar Phys.1983, v.82, p.237-243.

23. Kobanov N.I. On the accuracy of line-of-Sight velocity measurements using telluric lines as reference lines. Solar Phys. 1985, v.99, p.21-23.

24. Kobanov N.I. Narrowband spatial filtering in differential measurements of the line-of-Slght velocity of the Solar atmosphere. Astronomy and Astrophysics, 1905, v.143, p.99-101.

25. Bashkirtsev V.S., Kobanov N.I, and Mashnich Q.P. The observations of 80-min oscillations in the guisscent prominences. Solar Physics, 1983, v.82, N 1/2, p.443-445.

26. Bashkirtsev V.S., Kobanov N.I. and Mashnich Q.P. The observations o' longperiod mass velocity oscillations in the Sun's chromosphere. Solar Physics, 1987, /.109, p.399-402.

27. Grigoryev V.M., Kobanov N.I. The influence of image mo tion upon measurements of solar velocity '¡elds. Astronomy and Astrophysics, 1988, v. 197, p.345-346.

28. Grigoryev V.M., Kobanov N.I., Osak B.F., Selivanov V.L, Stepanov V.E. The vector-magnetograph of the Sayan Solar ob-servatory.-ln: Measurements of Solar vector magnetic fields. M.J.Hagyard (ed), NASA Conference Puhl., Washington, D.C., 1985, N 2374, p.231-256.

29. Kobanov N.I. Mesogranulation and spatial characteristics of 5-min photospheric oscillations. The observational aspect. Jn "Solar Photosphere: structure, convection and magnetic fields". IAU Symposium N 138, Kiev 1989, PPIV,6.

30.Кобанов H.H. Способ измерения дифференциальной лучевой скорости.Авторское свидетельство СССР N 132.3865, Бюлл.Изобретений, 1987, : I 26.

31.Кобанов Н.И. Устройство для измерения дифференциальной лучевой скорости.Авторское свидетельство СССР N 1185111, Бюлл Изобретений, i 985, N 38.

32.Кобанов Н.И. Устройство для регистрации волновых движений вещества в атмосфере Солнца.Авторское свидетельство СССР N1263966, Бюлл. Изобретений, 1986,N41.

33. Kobanov N.I. On spatial characteristics of five-minute oscillation in the sunspot umbra. Solar Physics, 1990, v. 125, p.25-30.

34. Kobanov N.I. Space-time profile variations of some spectral lines and their influence upon Doppler velocity measurements. Solar Physics, 1993, v. 145, p. 11-18.

35.Grigoryev V.M., Xobanov N.I. Peculiarities of construction and adjustment of the elements of the electrooptic polariza.ion analysator in solar magnetographs. Physica Solai. Terre-stris,1980,14,77-80.

36. Grigoryev V.M., Demidov M.L., Kobanov N.I. Instrumental capabilities of the Sayan Observatory for the study of oscillation processes of the Sun. Solar Physics, 1991,v. 133,111-116.