Диссертация (Исследование свойств атмосферы над солнечными пятнами по наблюдениям в сантиметровом диапазоне длин волн), страница 2

В основном они базируются на результатах оптических и УФ наблюдений (см. обзор [84]), и более новые работы [54, 83]).Немногочисленные же наблюдения пятен, выполненные c высоким пространственным разрешением в мм (BIMA, 3.5 мм) и коротковолновой частисм диапазона (VLA, 15 ГГц) зачастую не соответствуют ни одной из имеющихся моделей, что явно требует их пересмотра [60, 74]. Пересмотр жемоделей должен быть основан, прежде всего, на результатах новых наблю-8дений, выполненных с большим пространственным разрешением и в болеешироком (в основном в более длинную сторону) диапазоне длин волн.В целом, в литературе наблюдений активных групп и солнечных пятен с высоким пространственным разрешением можно встретить достаточно много (порядка 50 на VLA и WSRH), но все они имеют весьма существенные недостатки:— встречаются в основном сложные случаи: раздробленные пятна, многопятенные комплексы, активные области в фазе вспышечной активности;— используется небольшое число частот и ограниченный диапазон волн(как правило, отсутствуют короткие волны);— почти нет учета и исследования динамики активной области (зависимости от угла поворота и изменений во времени);— слабая поддержка наблюдениями в других диапазонах (большинство наблюдений старые, выполненные еще в доспутниковую эпоху).Значительная часть указанных недостатков вызвана отсутствием инструментов с широкой полосой и одновременно хорошим пространственным разрешением, специализирующихся на исследовании Солнца.

Как было отмечено, создание таких инструментов пока задача будущего.Другой подход к проблеме состоит в подборе максимально простыхблагоприятных для анализа случаев, когда возможно разделение различных эффектов и простое моделирование на инструментах с умереннымихарактеристиками. Мы в своем исследовании будем опираться на наблюдения, выполненные, в основном, на радиотелескопе РАТАН–600 и радиогелиографах NoRH и ССРТ. Пространственное разрешение этих инструментов уступает VLA и WSRT, однако у них есть то важное преимущество,что наблюдения ведутся регулярно и имеются огромные архивы, что позволяет производить целенаправленный отбор наблюдательного материаладля оптимального решения той или иной поставленной задачи.Цель и задачи работы.

Основной целью данной работы являлось выяснение некоторых физических особенностей структуры атмосферы надсолнечными пятнами, которые еще остаются недостаточно исследованными и которым пока уделяется недостаточное внимание. Но они могут быть9эффективно изучены с помощью имеющихся в настоящее время инструментов, что важно как для анализа активно разрабатываемых сейчас теоретических моделей солнечной атмосферы, так и для обеспечения эффективного использования вновь создаваемых крупных солнечных радиотелескопов.При этом главным приоритетом является раскрытие и максимальное использование возможностей крупных отечественных инструментов, такихкак РАТАН-600 и РТ-32.Для достижения поставленной цели в работе решаются следующиезадачи:• Исследование особенностей параметров атмосферы над пятнами на основе данных радиотелескопа РАТАН-600 о случаях аномальных спектровпятенных источников в коротковолновой части сантиметрового диапазона,которая не охвачена регулярными наблюдениями на других инструментах.Результаты решения данной задачи на примере нескольких АО представлены во второй главе.• Получение двумерных изображений пятен с высоким пространственным разрешением по наблюдениям солнечных затмений на радиотелескопеРТ-32 и их анализ с точки зрения соответствия модельным представлениямоб особенностях радиоизображений пятен при наблюдении под большимиуглами.Решение задачи по результатам трех затмений описывается в третьей главе.• Проведение на основе архива наблюдений РАТАН-600 поиска и подбораслучаев наблюдения пятен, радиоизлучение которых показывает наибольшее соответствие основным теоретическим представлениям о поведении пятенных источников и анализ возможных причин отклонений от ожидаемогоповедения у «нестандартных» пятен.Решение задачи подробно описано в четвертой главе.Научная новизна работы.

Работы по исследованию активных образований на Солнце начались с самого момента возникновения радиоастрономии во второй половине ХХ века. Во второй половине 70-х годов благодарясозданию крупных радиотелескопов и радиоинтерферометров появиласьвозможность разделить АО на отдельные пространственные образования,в том числе выделить и исследовать излучение отдельных пятен. При этом,10значительное преимущество радиоинтерферометров в пространственномразрешении и двумерности со временем оттеснило на второй план использование крупных однозеркальных телескопов при исследовании малоразмерных объектов.

В нашей работе мы постарались использовать имеющиеся преимущества радиотелескопа РАТАН-600: большой диапазон частот сосплошным покрытием, высокое частотное разрешение, длинные непрерывные ряды наблюдений для исследования характеристик солнечных пятен,которые трудно получить при использовании интерферометров.Работа проводилась по трем направлениям, большинство полученныхрезультатов являются оригинальными или существенно уточняющими существующие представления.1.

Исследование случаев «аномальных» параметров атмосферы над солнечными пятнами по данным спектрально-поляризационных наблюденийс высоким частотным разрешением на РАТАН-600:— Впервые по результатам наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600крупных солнечных пятен в активных областях NOAA 10105, NOAA10325 и ряде других обнаружены «потемнения» в о-моде радиоизлучения на коротких сантиметровых волнах в диапазоне 1.76–2.27 см нижеуровня спокойного Солнца. Ранее [29] считалось, что в радиодиапазонепятна из ярких становятся темными (как в оптике) в мм-диапазоне наволнах короче 3–4 мм.— Наличие «потемнения» подтверждено наблюдениями депрессии радиоизлучения на радиогелиографе Нобеяма на волнах 1.76 см и8.8 мм,а также наблюдениями на 2.6 мм и 3.5 мм на 45-м радиотелескопе обс.

Нобеяма и на 2.0 см на VLA. Наблюдения потемненийтакже соответствует изображениям хромосферы в линии K CaII иHe I 10830 Å. Наличие такого «потемнения» плохо согласуется с современными моделями атмосферы солнечных пятен и вероятно потребуетих пересмотра.— По предварительным данным потемнение наблюдается в период± 3 дня от момента прохождения пятном центрального меридианаСолнца. Для крупных пятен период наблюдения может быть больше.— Рассмотрено предположение о связи потемнения с открытыми линиями магнитного поля. Сопоставление участков депрессии для неболь-11шого числа пятен с открытыми линиями магнитного поля, рассчитанными по PFSS-модели показало, что в 50% такая связь обнаруживается.— Благодаря высокому пространственному и частотному разрешения радиотелескопа РАТАН-600 для ряда пятен выявлено скачкообразноеизменение структуры изображения пятенного источника в о-моде вдиапазоне 2.3–2.7 см, сопровождающееся резким увеличением размераи яркостной температуры источника.

Толщина слоя, в котором происходит этот скачок, по оценкам в рамках дипольной модели магнитногополя пятна составляет менее 1.5 тыс. км.— Анализ полученных на радиотелескопе РАТАН-600 спектров яркостных температур и радио размеров ряда пятен показал, что в рамкахпростой дипольной модели МП в плоскопараллельной среде с растущей с высотой температурой и излучением о-моды на 2-й гармоникегирочастоты, а е-моды на 3-й не может удовлетворить наблюдательным данным во всем диапазоне длин волн.

Для согласования яркостных температур о- и е-мод, требуется чтобы часть излучения в о-модегенерировалась на 3-м гироуровне.— По результатам численного моделирования параметров атмосферынад пятном в АО 10325 и частотным спектрам, полученным на радиотелескопе РАТАН-600, показано, что депрессии радиоизлучениявызваны понижением плотности и электронной температуры по всейвысоте атмосферы над пятном.— Приведены свидетельства заметного влияния на параметры атмосферы пятна и характеристики его радиоизлучения динамических явлений типа течений: вытекание вещества вдоль открытых линий МП ивтекание вдоль закрытых силовых линий (видимые в EUV петли ипротуберанцы).2. Построение и анализ изображений пятен с высоким пространственнымразрешением по наблюдениям солнечных затмений на радиотелескопахРТ-32 ИПА РАН (исследованы два пятна на волнах 3.5, 6.2 и 13.0 см вNOAA 11140 (поток F6.2 = 3 с.е.п.

(1% Fsun ), тень 15–20′′ ) и в NOAA 12303(поток F6.2 = 1 с.е.п. (0.3% Fsun ), тень 10′′ ):— Впервые, благодаря использованию крупных полноповоротных радио-12телескопов РТ-32, в затменных наблюдениях достигнуто предельноеугловое разрешение в 1–3′′ , что продемонстрировано на примере 2-хнебольших солнечных пятен (поток пятен ∼ 1% Fsun ).— Показано, что для обоих пятен квазидвумерные распределения радиояркости качественно соответствуют традиционным моделям циклотронного радиоисточника для изолированного одиночного пятна,наблюдаемого под достаточно большим углом: одномерные распределения яркости перекошены и имеют максимум, смещенный в сторонусолнечного лимба, распределение степени поляризации образует кайму (кольцо) с максимумом, направленным к центру диска Солнца.— Показано, что максимумы распределений радиояркости на разныхволнах находятся в районе границы тень-полутень; с увеличениемдлины волны максимум смещается в направлении лимба.

Если трактовать смещение максимума как эффект проекции, то радиоисточникнад исследованными пятнами находится низко: для большего пятнана 3.5 см 3-4 тыс.км и менее 5 тыс.км на 6.2 см, для меньшего пятна≈ 2.5 тыс.км на всех волнах.— Построена двумерная модель распределения яркостной температурыдля пятна в NOAA 11140 в виде двойного набора полуколец с ширинойкольца в 4′′ , показавшая повышенные значения яркостной температуры пятна на стороне обращенной к лимбу и максимум в центральнойчасти пятна.— Установлено, что измеренные размеры пятна в NOAA 11140 в диапазоне (3,5 – 13) см удовлетворительно соответствуют дипольной моделиисточника циклотронного излучения, но измерения на более короткихволнах ∼ 2 см (РАТАН-600, NoRH) вступают с ними в резкое противоречие – в области нижней короны размеры источника оказываютсябольше, чем это допускает дипольная модель МП.— Для устранения этого противоречия предложено использовать комбинированную модель из модифицированных вариантов диполя и соленоида.3.

Поиск «идеальных» одиночных солнечных пятен и анализ свойств ихрадиоизлучения по материалам наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600(исследовано пятно в активной области NOAA 11899):13— Впервые приведены результаты наблюдений на РАТАН-600, с большой достоверностью подтверждающие существенное специфическоевлияние угла зрения на изображения солнечных пятен при наблюдениях на микроволнах, выражающееся в появлении в изображениикольцеобразных и серповидных структур (эффект Г–Л).— Показаны преимущества наблюдения эффекта Г–Л в коротковолновом диапазоне длин волн, где из-за резкого градиента температур эффект проявляется наиболее контрастно.— Наглядно продемонстрировано, что эффект Г–Л необходимо всегдаучитывать при измерениях высоты источника циклотронного излучения, лежащего в короне над солнечным пятном.— Показано, что необходимым условием правильной интерпретации радионаблюдений солнечных пятен является строгий учет временной динамики радиоизображений, возникающей за счет поворота луча зрения, в сочетании с требованием высокого частотного разрешения.— Впервые по радионаблюдениям благодаря учету эффекта Г-Л выявлено отклонение МП пятна от вертикали, увеличивающееся с увеличением длины волны.