Введение к работе
Диссертация посвящена изучению пространственной и частотной структуры трёхминутных колебаний интенсивности излучения над солнечными пятнами. Колебательные процессы над солнечными пятнами были впервые обнаружены Beckers and Tallant [1] в 1969 году на фильтрограммах в H и K линиях CaII. Обнаруженные ими вариации характеризуются периодичностью около трёх минут и наблюдаются непосредственно над тенью солнечного пятна.
Позднее Giovanelli [2] и, независимо от него, Zirin and Stein [3] обнаружили в фильтрограммах линии H перемещающиеся волновые фронты над полутенью пятен с характерным периодом 5 минут. Явление получило название бегущих волн полутени (БВП). БВП обладают интересными особенностями: период вариаций увеличивается с удалением от центра пятна, а видимая скорость распространения волновых фронтов уменьшается.
Колебания в тени и БВП являются основными процессами в хромосфере солнечных пятен. С развитием наблюдательной астрономии их проявления были обнаружены не только в хромосферных линиях оптического диапазона, но и в радиоизлучении, а также в корональных линиях крайнего ультрафиолетового диапазона.
Авторы статьи [4] одними из первых сообщили об обнаружении колебаний радиопотока с периодом 3 минуты. Они проанализировали спектральный состав вариаций радиоизлучения активных областей на длинах волн 3.3 мм и 3.5 мм и обнаружили, что максимальная спектральная компонента соответствует трехминутному периоду. Авторы не связывали обнаруженную ими квазипериодическую компоненту с колебаниями над тенью пятна.
Подробное исследование колебаний потока микроволнового излучения от солнечных пятен было выполнено Зандановым и Ураловым [5 – 7] по наблюдениям на радиоинтерферометре с малой базой (РИМБ). С его помощью были обнаружены квазипериодические колебания (КПК) с периодами 3, 5 и 7 минут. Сделан вывод о пространственном разнесении источников колебаний с разными периодами. Показано, что КПК носят цуговый характер. Обнаруженные вариации сигнала интерпретируются как отражение переходных газодинамических процессов возникающих в хромосфере активной области. Их вероятной причиной является отклик атмосферы на крупномасштабные возмущения обусловленные выходом новых магнитных потоков. Периоды КПК определяются температурным строением хромосферы над пятном и примерно соответствуют характерным частотам акустической отсечки медленных магнитозвуковых волн.
Механизм формирования трёхминутных колебаний за счет фильтрации возмущений в многослойной атмосфере пятна был предложен Жугждой [8]. Теория фильтрации рассматривает распространение МГД волн через стратифицированную атмосферу пятна (фотосфера, температурный минимум, хромосфера, корона). На границе слоев появляются отраженные волны, интерференция которых приводит к появлению выделенных частот в спектре, на которых атмосфера пятна становится более прозрачной для медленных МГД волн. Другими словами атмосфера пятна рассматривается как многополосный интерференционный фильтр для волн приходящих снизу. Такая интерпретация предсказывает дискретность спектра трёхминутных колебаний.
Новые возможности по изучению колебаний над пятнами появились вместе с первыми микроволновыми наблюдениями пространственно-разрешённых источников трёхминутных колебаний на VLA (5 и 8.5 ГГц) [9]. Нужно отметить, что наблюдения солнечной активности на VLA носят эпизодический характер. Позднее с помощью специальных методов математической обработки данных (метод поточечной вейвлет фильтрации) удалось разрешить пространственную структуру источников трёхминутных колебаний микроволнового излучения по наблюдениям радиогелиографа Нобеяма [10] на частоте 17 ГГц. В отличие от VLA эти наблюдения выполняются регулярно в режиме мониторинга солнечной активности.
Запуски космических аппаратов SOHO, TRACE, Hinode и др. позволили наблюдать солнечную активность в недоступной ранее для наземных инструментов крайней ультрафиолетовой и рентгеновской областях электромагнитного спектра. Трёхминутные колебания были обнаружены в основаниях корональных арок и наблюдались в виде волн, перемещающихся вверх и вдоль корональных арок . Новейшая орбитальная обсерватория SDO ещё больше расширила возможности исследования колебаний в атмосфере Солнца, обеспечив непрерывные наблюдения всей видимой стороны Солнца одновременно на разных длинах волн ультрафиолетового диапазона с беспрецедентным пространственным и временным разрешением [11]. Появилась возможность проследить развитие волновых процессов над пятном от фотосферы и температурного минимума до высокотемпературной короны.
Наблюдение короны Солнца с высоким пространственным и временным разрешением стимулировали развитие нового направления в физике Солнца — корональной сейсмологии. Методы корональной сейсмологии позволяют по свойствам наблюдаемых в короне МГД волн определять физические параметры плазмы Солнца (концентрацию, температуру, магнитное поле, проводимость, вязкость, теплопроводность), которые трудно измерить с помощью других методов. Для исследования атмосферы над солнечными пятнами могут быть использованы трехминутные колебания, представляющие собой медленные МГД волны, распространяющиеся в корону из тени солнечных пятен. Ценность этих колебаний, как естественных природных зондов обусловлена, тем, что они постоянно наблюдаются в большинстве солнечных пятен.
Новые наблюдательные инструменты породили и новые проблемы. Поток данных от аппарата SDO достигает полутора терабайт в сутки. В таких условиях поиск интересных событий для исследования становится нетривиальной задачей. Для колебаний ситуация усложняется ещё и тем, что наблюдаемые периодические вариации интенсивности излучения часто имеют малую амплитуду и могут быть не замечены при визуальном исследовании последовательностей изображений. Быстрые и достоверные алгоритмы обнаружения колебаний и определения их параметров становятся необходимыми в сложившихся условиях.
Развитие мировой информационной системы задаёт новые требования к представлению данных наблюдений и обработки информации. Все большую популярность приобретают системы удаленной обработки данных. Примерами этого являются вычислительная сеть радиообсерватории в Нобеяме, доступ к которой осуществляется по протоколу SSH, а также информационная система радиотелескопа РАТАН-600. В последней взаимодействие с пользователем реализовано через веб-интерфейс. Преимуществом такого подхода является отсутствие необходимости наличия специфического программного и аппаратного обеспечения со стороны пользователя.
Актуальность работы
Исследование волн в солнечной плазме необходимо для понимания процессов переноса энергии в атмосфере Солнца. Колебания также могут играть важную роль в процессах энерговыделения, таких, как солнечные вспышки. В этом контексте особое место занимают волновые процессы, осуществляющиеся в активных областях, а именно в солнечных пятнах.
Исследования колебаний в солнечных пятнах насчитывают уже более сорока лет [12]. За это время были хорошо изучены параметры этих колебаний. Предложено несколько конкурирующих моделей, которые объясняют наблюдаемые свойства этих процессов [13]. Следует отметить, что исследователи до сих пор не пришли к единому мнению о физических механизмах, объясняющих возникновение и распространение колебаний в солнечных пятнах.
Несмотря на долгую историю изучения колебаний в пятнах, их связь с солнечными вспышками не получила должного внимания. Трёхминутные колебания в тени и бегущие волны в полутени, являясь основными динамическим процессами в пятнах на уровне хромосферы, с большой вероятностью могут инициировать солнечную вспышку в близлежащих областях, а возможно и оказывать влияние на ход энерговыделения [14]. Исследование роли волновых процессов в солнечных пятнах и развития солнечных вспышек является актуальным для совершенствования методов выявления предвспышечных состояний активных областей и прогноза начала энерговыделения.
Кроме того, волновые процессы привлекают внимание как средство исследования солнечной атмосферы. Дело в том, что волны являются природными зондами и могут быть использованы для измерения параметров плазмы, в которой они распространяются. На этих принципах основано новое направление исследований в физике Солнца — корональная сейсмология [15]. В атмосфере солнечных пятен почти постоянно присутствуют распространяющиеся волны. Это делает трёхминутные волны над солнечными пятнами идеальным средством исследования активных областей методами корональной сейсмологии.
Как для статистического исследования возможной связи между волновыми процессами в солнечных пятнах и вспышечной активностью, так и для нужд корональной сейсмологии требуются методы обнаружения колебательных процессов и определения их параметров в автоматическом режиме и в реальном времени. Существующие алгоритмы [16 – 18] не обладают высокой достоверностью, либо их быстродействие недостаточно для обработки больших массивов данных в реальном времени. Поэтому создание методов, которые решают задачу быстрого, достоверного и автоматического детектирования колебаний в солнечной атмосфере является весьма актуальным.
Целью настоящей диссертационной работы является изучение пространственных, временных и частотных характеристик колебательных процессов в атмосфере над солнечными пятнами с использованием метода поточечной вейвлет фильтрации [8].
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
-
Разработать алгоритм выделения колебательных процессов на последовательности двумерных изображений, обладающего высокой достоверностью и быстродействием, достаточным для обработки массивов данных в реальном времени.
-
Разработать технологию автоматического измерения параметров колебательных и волновых процессов в солнечной атмосфере.
-
Исследовать динамику тонкой пространственной и частотной структуры источников колебаний на разных уровнях атмосферы солнечных пятен.
-
Изучить связи характеристик колебательных процессов в атмосфере солнечных пятен с процессами вспышечного энерговыделения.
Научная новизна
-
Разработан новый, достоверный и быстрый алгоритм детектирования колебательных процессов на Солнце. Алгоритм позволяет регистрировать колебания как с неизвестными, так и с заданными периодами. Достоинствами алгоритма являются высокая скорость работы, достоверность детектирования колебаний в присутствии шумов и малая вероятность ложных срабатываний.
-
Разработан веб-ориентированный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для удаленной обработки временных рядов двумерных изображений (оптических, ультрафиолетовых, микроволновых и др.). Задача данного комплекса состоит в детектировании и локализации волновых и колебательных явлений в солнечной атмосфере. Адрес вычислительного сервера в сети Интернет — http://pwf.iszf.irk.ru. Применен метод поточечной вейвлет-фильтрации и разработанный автором алгоритм автоматического обнаружения колебаний.
-
Получены узкополосные изображения источников трёхминутных колебаний в микроволновом (17 ГГц) и ультрафиолетовом диапазонах (1700, 1600, 304, 171, 193, 211, 335, 94 и 131) над солнечными пятнами. Обнаружена тонкая пространственная структура в распределении мощности колебательных процессов. В источниках колебаний выявлены V-образные структуры (волновые следы) и компактные элементы с малыми угловыми размерами порядка 10–20 угловых секунд. Положения волновых следов совпадают с основаниями корональных петель. Распределение мощности трёхминутных колебаний характеризуется изменчивостью на всех уровнях атмосферы.
-
Впервые обнаружены частотные дрейфы трёхминутных колебаний в микроволновом диапазоне. Показано, что дрейфы частоты сопровождаются изменениями пространственной структуры источников колебаний. Скорости дрейфов трёхминутных колебаний растут с высотой (4 – 5 мГц/час в области температурного минимума, 5 – 8 мГц/час на уровне хромосферы и 11 – 13 мГц/час в короне). Для всех высотных уровней превалируют отрицательные частотные дрейфы. Предложено объяснение обнаруженных дрейфов за счет наложения нескольких одновременно развивающихся колебательных откликов с близкими частотами.
-
Выявлена связь между режимами колебательных процессов в атмосфере над солнечными пятнами и вспышечной активностью в близлежащих активных областях. Показано, что медленные МГД волны, распространяющиеся из тени солнечного пятна, могут являться триггером энерговыделения во вспышках.
Научная и практическая значимость
Разработанные методы анализа серий изображений показали свою эффективность в обнаружении колебательных процессов и достаточный уровень быстродействия для обеспечения обработки данных изображающих инструментов высокого разрешения, например SDO/AIA/HMI в режиме реального времени. Вычисления проводились на персональном компьютере с процессором Intel Core 2 Quad (2.4 ГГц) и 4 гигабайтами оперативной памяти. Быстродействие алгоритма достаточно для того, чтобы обрабатывать серии изображений SDO с разрешением 4096x4096 точек и временным разрешением 12 секунд (~ 1 Тб в сутки).
Созданный центр обработки данных может быть использован для автоматической потоковой обработки наблюдений изображающих инструментов высокого разрешения, в том числе строящегося радиогелиографа нового поколения на базе Сибирского солнечного радиотелескопа (ССРТ). Центр позволяет производить автоматическое обнаружение колебаний и волн, определять их параметры и сохранять полученные результаты в базу данных. Следует отметить, что универсальная модульная архитектура разработанного программного обеспечения позволяет регистрировать не только колебания, но и другие явления на Солнце (например, вспышки, выбросы CME, волокна, корональные дыры и т.д). Таким образом, разработанный центр может быть эффективно использован для диагностики активных областей методом корональной сейсмологии.
Установление связи между колебательными процессами в солнечных пятнах и вспышками в близлежащих областях создает новые возможности для их кратковременного (~20 – 30 мин) прогноза. В сочетании с созданной системой автоматической обработки данных эти методы могут уточнить ожидаемое время начала вспышек.
Результаты, полученные в работе, существенно дополнили и углубили наши знания о волновых процессах в активных областях на Солнце, и создают основу для расширения теоретического представления о генерации и распространении МГД волн в активных областях, а также о роли тонкой пространственной структуры среды в этих процессах.
Достоверность полученных результатов
Итоговые выводы и научные положения диссертационного исследования сформулированы на основе результатов расчетов, выполненных с помощью разработанных алгоритмов. Корректность методов обнаружения и определения характеристик колебаний подтверждается высокой степенью совпадения результатов расчётов с параметрами тестовых моделей. Результаты анализа колебаний согласуются с исследованиями, проведенными другими авторами [19]. Обнаруженная связь трёхминутных колебаний и вспышечной активности подтвердилась независимыми исследованиями [20].
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Создание вычислительного специализированного комплекса, реализующего разработанные автором алгоритмы автоматического обнаружения волновых процессов в солнечной атмосфере и измерения их параметров, с возможностью его использования в удаленном доступе.
-
Обнаружение и объяснение тонкой пространственной структуры источников трёхминутных колебаний микроволнового излучения над солнечными пятнами.
-
Обнаружение дрейфов частоты трёхминутных колебаний в микроволновом диапазоне и объяснение их суперпозицией излучения нескольких одновременно существующих источников колебаний с различной частотной и пространственной локализацией.
-
Выявление связи между колебательными процессами в солнечных пятнах и выделением энергии в солнечных вспышках. Показано, что волновые процессы могут являться триггером вспышек в близлежащих областях и модулировать процессы энерговыделения.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
-
Всероссийская конференция «Солнечно-земная физика», посвященная 50-летию создания ИСЗФ СО РАН. (Иркутск, 28 июня - 1июля 2010 года);
-
7th Annual meeting of the Asia Oceania Geosciences Society (Hyderabad International Convention Centre, 5-9 July 2010, India);
-
XI Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск – Старая Ангасолка, 15–21 марта 2010);
-
Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца "Солнечная и солнечно-земная физика-2011" (2-8 октября 2011 года, Санкт-Петербург, ГАО РАН);
-
Физические процессы в космосе и околоземной среде, Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике (БШФФ), 19-24 сентября 2011, Иркутск.
-
Algorithm comparison and effective implementation, Solar Image Processing Workshop (SIPW IV), October 25- November 02, 2008, Baltimore, USA.
-
Brazilian Decimetric Array (BDA) Workshop, INPE, Sao Jose dos Campos, 2008, Brazil.
-
Influence of Solar Variability on Geophysical and Heliospheric Phenomena, ILWS meeting, October 4-9, 2009, Ubatuba, Brazil.
-
9-я Российско-китайская международная конференция по космической погоде, 23–27 июня 2009 г., Листвянка.
-
Солнечная и солнечно-земная физика, Всероссийская конференция, 3-10 октября, 2010, г. Санкт-Петербург.
-
Astronomy and beyond: Astrophysics, cosmology and gravitation, cosmomicrophysics, radio-astronomy and astrobiology, 10-th International Gamow Summer School, 23-28 August, 2010, Odessa, Ukraine
-
Workshop on MHD waves and seismology of the solar atmosphere, BUKS 2010 Meeting at St Andrews University, 9 - 11 June 2010, St Andrew, Scotland
-
13th European Solar Physics Meeting, 12-16 September 2011, Rhodes, Greece
-
RHESSI Workshop and High Energy Solar Physics Symposium, 17-21 October, 2011, Nanjing, China.
Практической апробацией явилось также успешное выполнение проектов РФФИ: 08-02-91860-КО_а «Взаимосвязь слоев солнечной атмосферы с помощью магнитогидродинамических волн»; 10-02-00153 «Термодинамические модели и динамический режим солнечной атмосферы по наблюдениям в сильных спектральных линиях и в радиодиапазоне»; 08-02-92204-ГФЕН_а «Диагностика процессов энерговыделения и ускорения частиц в солнечных вспышках по микроволновому излучению»; 08-02-13633-офи_ц «Создание единой информационной системы анализа и прогноза солнечной активности по данным российских космических исследований»; 05-07-90147-в «Информационная система, ориентированная на анализ солнечной активности по данным радио и ультрафиолетовых гелиографов ИСЗФ и ФИАН». Представленные в диссертации результаты исследования были поддержаны международным грантом 7-й Европейской рамочной программы международного обмена сотрудников научных учреждений (PIRSES-GA-2011).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций.
Личный вклад автора
