Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности конструкции Сибирского солнечного радиотелескопа и методы обработки полученных с его помощью наблюдательных данных 18
1.1. Существующие радиотелескопы, используемые для наблюдений Солнца 18
1.2. Сибирский солнечный радиотелескоп 23
1.3. Методика исследования структуры области генерации, методы измерения потока микроволнового излучения, угловых размеров и яркостных температур источников микроволнового излучения 31
Глава 2. Динамика микроволнового излучения активных областей 43
2.1. Обзор современного состояния исследований особенностей эволюции микроволнового излучения активных областей 44
2.2. Динамические особенности эволюции потока микроволнового излучения развивающихся активных областей 54
2.3. Некоторые особенности появления поляризованной составляющей микроволнового излучения пятенного источника 65
2.4. Динамические особенности эволюции потока микроволнового излучения, связанного с разрушающимися активными областями 71
2.5. Основные результаты 80
Глава 3. Особенности эволюции микроволновых всплесков .87
3.1. Обзор современного состояния исследований микроволновых всплесков 88
3.2. Исследование характеристик кратковременных всплесков микроволнового излучения, возникающих в АО со слабым магнитным полем (АО без пятен) 92
3.3. Микроволновый всплеск 23 августа 1988 года 97
3.4. Микроволновый всплеск 7 марта 1991 года 106
3.5. Интегральный спектр микроволновых всплесков в частотном диапазоне 3,1-50 ГГц и их пространственная структура на частоте 5,7 ГГц 111
3.6. Основные результаты 122
Заключение 127
Литература 131
- Сибирский солнечный радиотелескоп
- Динамические особенности эволюции потока микроволнового излучения развивающихся активных областей
- Динамические особенности эволюции потока микроволнового излучения, связанного с разрушающимися активными областями
- Интегральный спектр микроволновых всплесков в частотном диапазоне 3,1-50 ГГц и их пространственная структура на частоте 5,7 ГГц
Введение к работе
з
Актуальность работы, направленной на получение новых сведений о олнечных активных областях (АО), объясняется по крайней мере двумя іричинами. Во-первых, солнечная активность, особенно вспышки, определяет шогие геофизические процессы и состояние околоземного космического іространства. Во-вторых, солнечная АО является естественной плазменной [абораторией, условия в которой недостижимы в земных экспериментах и ведения, полученные при изучении закономерностей развития АО, представляют інтерес для физики космической плазмы.
Общепризнано, что АО является объёмным образованием, состоящим из олнечной плазмы в магнитном поле АО. При этом значительная часть этого бъёма — корональная конденсация — находится в солнечной короне. Именно десь происходят пересоединения силовых линий магнитного поля АО и іагнитная энергия преобразуется в тепловую и кинетическую энергию плазмы и нергию ускоренных частиц. Из сказанного становится ясной важность изучения роисходящих в короне АО физических процессов, хорошим индикатором оторых является микроволновое излучение.
Большой вклад в исследование микроволнового излучения АО внесли аблюдения, выполненные с помощью крупных радиотелескопов БПР и WSRT. '. начала 80-х годов на передний план выдвинулись РАТАН-600 и VLA, который озволяет получать радиокарты на нескольких частотах не реже, чем один раз в [шг/ту. Однако все перечисленные радиотелескопы предназначены прежде всего ля решения задач звездной астрофизики. Поэтому на них невозможно аблюдение Солнца ежедневно в течение полного светового дня. Так, на VLA аблюдения Солнца проводятся только несколько недель в году. Известны убликации, в которых по наблюдениям VLA рассматриваются отдельные эбытия. Однако собрать с его помощью сколько-нибудь большое число событий, о-видимому, невозможно.
Наблюдения БПР, WSRT и РАТАН-600 позволили получить достаточ] полную картину эволюционных процессов в АО, характерное время развит! которых порядка суток. Детально исследована пространственная структу микроволнового излучения АО, в частности, выделены флоккульная компонент гало, пятенная и межпятенная компоненты излучения. Однако известно, ч' эволюция АО сопровождается сложным комплексом явлений, характерное вред которых значительно меньше суток (например, появление и развитие nor Естественно ожидать, что эволюция микроволнового излучения АО должі сопровождаться процессами, характерное время которых порядка несколькі часов. Для более ясного и детального понимания этих процессов необходи\ дальнейшее изучение особенностей динамических характеристик микроволнової излучения АО, так как остаются неисследованными многие особенности еі эволюции. Так, в ряде публикаций обнаружен эффект быстрого повышения потої АО в течение 20-30 минут без последующего возвращения к первоначально}* уровню (так называемое "ступенеобразное" возрастание потока). Однако остаётс неясным, является ли этот эффект редким исключением или он наблюдаете всегда в процессе развития АО. Не исследовано проявление в микроволново излучении процесса развития поры. Эволюция микроволнового излучения процессе разрушения АО также нуждается в изучении с достаточно высоки временным разрешением.
С помощью РАТАН-600 и VLA была исследована пространственш структура микроволновых всплесков. Было установлено, что первоначальи всплеск развивается в вершине магнитной арки, в процессе развития всплесі появляются новые источники микроволнового излучения, которь пространственно находятся значительно ниже. Эти пространственные изменен* происходят одновременно с изменением спектра всплеска. Однако микроволновь всплески происходят достаточно редко и для того, чтобы набрать более или мені значительную статистику, необходимы длительные наблюдения. Видимо поэто\ отсутствуют работы, в которых для достаточно большого числа всплеске
:ледовалась бы связь изменений пространственной структуры области
іерации всплеска с его спектральными изменениями.
Обычно под микроволновым всплеском понимается событие, произошедшее
достаточно развитой АО. Поток микроволнового излучения таких всплесков >авним с потоком, излучаемым спокойным Солнцем. В то же время изучение :плесков, имеющих малый поток также представляет большой интерес. Такие :плески были исследованы только без пространственного разрешения.
Новые возможности исследования эволюционных процессов икроволнового излучения АО открылись с началом наблюдений на Сибирском ілнечном радиотелескопе (ССРТ). ССРТ был сконструирован специально для хледования достаточно быстро развивающихся эволюционных процессов в фоне активных областей. Он позволяет проводить одномерные и двумерные (с )96 года) наблюдения с угловым разрешением до 15" и с временным ізрешением от 3-4 минут до нескольких секунд. Для того, чтобы исследовать )статочно большое число однородных событий, в данной работе использовались щько одномерные данные ССРТ.
Радиогелиограф в Нобеяме (NRH - Япония), наблюдения на котором ічались в 1992 году, так же как и ССРТ, позволяет наблюдать Солнце ежедневно течение полного светового дня, однако его рабочая частота (17 ГГц) не является тгамальной для эффективного исследования процессов, происходящие в греходном слое и короне.
Учитывая всё сказанное, можно считать, что ССРТ является наиболее эдходящим радиотелескопом (из имеющих хорошее пространственное «решение), с помощью которого можно планомерно изучать динамические зменения микроволнового излучения АО. Наличие у ССРТ только одной рабочей істотьі при изучении всплесков, связанных со вспышками, удаётся в іачительной степени компенсировать спектральными наблюдениями нтегрального потока микроволнового излучения Солнца на нескольких частотах. Таким образом, в силу максимально возможного времени наблюдения олнца и "удачной" рабочей частоты, ССРТ дает возможность исследовать
достаточно большое количество более или менее однородных событий. Суммир] всё вышеперечисленное, можно сказать, что для более ясного и детальної понимания физических процессов, происходящих в короне АО, необходим дальнейшее изучение особенностей динамических, пространственных ' спектральных характеристик микроволнового излучения АО. Выбирая из ещё і изученных те проблемы, для исследования которых наблюдательные возможност ССРТ создают наиболее благоприятные условия, можно сформулнроват основные цели работы.
Цели работы заключались в решении следующих основных задач:
Разработка программных методов и средств для исследования динамических пространственных характеристик микроволнового излучения активны областей по данным наблюдений на ССРТ.
Исследование динамических характеристик медленно меняющейся компоненті микроволнового излучения активных областей на частоте 5,7 ГТц на стадиях и зарождения, развития и разрушения.
Исследование микроволновых всплесков, возникающих в активных областях бе пятен, исследование связи между изменением пространственной структурі микроволновых всплесков на частоте 5,7 ГГц и изменением их спектра ; течение импульсной фазы развития солнечных вспышек.
Научная новизна работы.
1. Для медленно меняющейся компоненты микроволнового излученш развивающейся АО (максимальная площадь группы пятен - 300 м.д.п. установлены следующие экспериментальные факты:
а) "Ступенеобразное" возрастание потока наблюдается всегда, когд;
площадь входящих в АО пятен увеличивается за сутки не менее, чем в 1,5 — 'л
раза.
б) Если площадь пятен возрастает меньше, чем в 1,5 раза, наблюдаете)
только слабый всплеск типа "медленный подъём —медленный спад".
7 в) Амплитуды быстрого возрастание потока (амплитуды "ступеней") ные для разных стадий развития АО. Если площадь группы пятен меньше 100 д.п., то в половине исследованных случаев амплитуда "ступени" составила 0,2 ;.п. В противоположном случае амплитуды распределены равномерно в ітервале от 0,2 до 1,0 с.е.п.
2. Установлен размер поры (4-5"), при достижении которого магнитное поле
личиной 700 Гаусс оказывается в зоне корональных температур магнитной арки.
3. Для медленно меняющейся компоненты микроволнового излучения
зрушающейся АО установлены следующие экспериментальные факты:
а) В отличие от."ступенеобразного" возрастания, уменьшение потока при
:еньшении площади пятен происходит плавно, даже если площадь пятен
еньшается за сутки не менее, чем в 1,5 — 2 раза.
б) Исследованы пространственные особенности микроволнового
пучения АО. Выделены две стадии эволюции. На первой стадии поток
оккулыюй, пятенной и межпятенной компонент уменьшается пропорционально,
і второй стадии поток флоккульной компоненты остаётся практически
стоянным, уменьшаются только пятенная и межпятенная компоненты. К концу
эрой стадии эти компоненты исчезают.
4. Обнаружены и исследованы слабые микроволновые всплески,
зникающие в АО без пятен (со слабым магнитным полем). Показано, что,
зможно, эти источники составляют новый вид источников микроволнового
тучения.
5. Для импульсной фазы микроволнового всплеска установлены следующие
лтериментальные факты:
а) Изменение спектра всегда связано с изменением пространственной зуктуры области генерации.
б) Если в результате изменения структуры области генерации появлялся гочник меньшего углового размера, частота спектрального максимума гличивалась и наоборот, если угловые размеры вновь появившихся источников їли больше, частота спектрального максимума уменьшалась.
в) Практически все исследованные всплески начинали развиваться, им источники излучения с угловыми размерами 20-40" и частоту спектрально] максимума в интервале 5-19 ГГц.
Достоверность и научная обоснованность.
Разработанные методы обработки данных практически реализованы опробованы в ряде направлений исследования солнечной активност Достоверность подтверждается критическим анализом полученных результатов сравнением их с имеющимися независимыми экспериментальными данным Кроме того, достоверность полученных экспериментальных результате обусловлена использованием для анализа достаточно больших статистическі рядов, физически и математически обоснованным выбором методов их обработк В тех случаях, когда исследовались единичные события или небольшое чий событий, достоверность обеспечена всем имеющимся опытом обработки даннь ССРТ.
Научная и практическая значимость.
Созданные программные средства позволяют осуществлять обработі данных ССРТ с помощью персонального компьютера, изучать динамические пространственные особенности микроволнового излучения АО. С их помощь выполнены как настоящая работа, так и ряд других работ, например (Максимо В.П., Бакунина, И.А., Астрон. Журн., 1996, 73, 317; Myachin, D.Yu. et а Proceedings of Nobeyama Symposium 1998, NRO Report No. 479, 89).
Показано, что на частоте 5,7 ГГц использование микроволнового излучені спокойного Солнца для калибровки ССРТ позволяет получать достаточну точность измерения потоков и интенсивностей.
Проведенные в диссертации исследования микроволнового излучеш расширили наше понимание процессов развития АО и микроволновых всплесков
Полученные экспериментальные факты об источниках микроволнової излучения, связанных с солнечными пятнами и вспышками, дают нову
нформацию, необходимую для понимания процессов, происходящих в короне Ю. Эти экспериментальные факты необходимо будет учитывать при попытках
ростроения численных моделей развития АО и вспышек.
Получены конкретные, связанные между собой параметры (диаметр поры —
1-5" и величина магнитного поля в короне — 700 Гаусс), которые могут быть
использованы при создании численных моделей АО.
На защиту выносятся: > Существенно различный характер эволюции потока микроволнового излучения на стадиях развития и.разрушения АО, а именно: "ступенеобразное" возрастание потока для развивающейся АО и плавное уменьшение потока для разрушающейся АО; корреляция "ступенеобразного" возрастания потока с быстрым увеличением площади пятен АО; минимальные размеры поры (4-5"), при достижении которых в короне АО регистрируется магнитное поле величиной 700 Гаусс.
Пространственные и физические характеристики микроволновых всплесков, возникающих в АО без пятен (АО со слабым магнитным полем): малые угловые размеры (10-20"), относительно большой поток (около 1 с.е.п.), высокая яркостная температура (несколько миллионов градусов) и практически нулевая поляризованная составляющая.
Установленные пространственно-временные особенности развития микроволновых всплесков: а) связь изменения пространственной структуры области генерации микроволнового всплеска с изменением его интегрального спектра; б) зависимость угловых размеров источников микроволнового излучения от частоты спектрального максимума (чем меньше размер, тем выше частота); в) частотный и пространственный диапазоны для начальной стадии всплеска (5-19 ГГц и 20-40").
Усовершенствованные методики и программные средства для изучения пространственно-временных особенностей микроволнового излучения
активных областей на разных стадиях их эволюции, включая всплесков) активность.
Апробация результатов.
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на ряде совещаний конференций, в частности, на XX Всесоюзной конференции по радиофизически! исследованиям солнечной системы (Симферополь, 1988); EGS General Assembl (Wiesbaden, Germany, 1991); конференции CESRA (Potsdam, Germany, 1994); 8t European Meeting on Solar Physics (Thessaloniki, Greece, 1996); Vth SOHO Worksho (Oslo, Norway, 1997); XXVII радиоастрономическая конференции (Санкі Петербург, 1997); научных конференциях ИСЗФ; семинарах РАО ИСЗФ.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Объе! диссертационной работы составляет 103 страницы текста, 32 рисунка, 6 таблиі Общий объем диссертации 141 страница.
Сибирский солнечный радиотелескоп
Сибирский солнечный радиотелескоп (ССРТ) представляет собой многоэлементный крест [30]. ССРТ состоит из двух рядов одинаковых антенн. Один ряд вытянут вдоль линии север-юг, другой — вдоль линии восток-запад. Каждый ряд состоит из 128 одинаковых антенн, находящихся на равном расстоянии друг от друга. Таким образом, ССРТ является радиотелескопом с незаполненной апертурой [30]. Другими словами, ССРТ состоит из двух мпогооле-ментных линейных интерферометров [2, 30], расположенных взаимноперпен-дикулярно. Каждая антенна имеет диаметр 2,5 метра, расстояние между соседними антеннами - 4,9 метра.
ССРТ спроектирован так, что наблюдения осуществляются только на одной частоте - 5,7 ГГц (длина волны — 5,2 см). Такая рабочая частота ССРТ была выбрана потому, что на этой частоте наиболее контрастно выделяются активные области, а большинство микроволновых всплесков имеет спектральный максимум на близких частотах [29]. Результаты подробного исследования спектров микроволновых всплесков, полученные в разделе 3.5, подтверждают эту закономерность.
Каждый интерферометр (восток-запад и север-юг) работает в аддитивном режиме, то есть результирующий сигнал (отклик интерферометра) является простой суммой сигналов от всех антенн. Другими словами, в каждом интерферометре осуществляется параллельный апертурный синтез [29, 30]. В аддитивном режиме диаграмма направленности представляет собой набор конусов, вершины которых находятся в геометрическом центре креста, образованного антеннами, а пересечения этих конусов с небесной сферой образуют малые круги, перпендикулярные линии антенн ("веерная" диаграмма направленности, по терминологии [30]). Центральный конус вырождается в плоскость и пересечение этой плоскости с небесной сферой образует большой круг, также перпендикулярный линии антенн восток-запад. За счет вращения Земли Солнце последовательно пересекает малые круги, а в момент местного полудня пересекает большой круг. Время пересечения Солнцем одного малого круга составляет в среднем 3-5 минут.
Так как угловые размеры Солнца на небесной сфере очень малы, часть дуги малого круга, пересекаемого солнечным диском, обычно считают прямой. В зависимости от знака и величины видимого склонения Солнце пересекает каждый конкретный малый круг в разных частях его дуги. Поэтому прямая, заменяющая часть дуги этого малого круга расположена под разными углами к направлению движения Солнца (так называемое "вращение диаграммы направленности" ССРТ). Все формулы, необходимые для расчета этих углов, приведены в [31].
Таким образом, в аддитивном режиме диаграмма направленности каждого интерферометра представляет собой набор очень узких "ножевых" диаграмм (лепестков) [29], которые пересекают солнечный диск. Ширина "ножевой" диаграммы меняется от 17" в местный полдень до примерно 30-40" утром и вечером. Ширина "ножевой" диаграммы утром и вечером зависит от величины видимого склонения Солнца. Диаграммы направленности ССРТ определяется выражением [31]: где F(9) - диаграмма направленности ССРТ; F - диаграмма направленности отдельного антенного элемента; N - полное число антенн (128); d - расстояние между центрами соседних антенн (4,9 м); в - угол между направлением на источник и плоскостью, перпендикулярной к базе интерферометра (плоскость, в которую вырождается центральный конус); Л - длина рабочей волны ССРТ (5,2 см). Так как антенны ССРТ вращаются и в любой момент наблюдения центральная ось каждой антенны направлена в центр солнечного диска, а диаграмма направленности отдельной антенны значительно больше угловых размеров Солнца, можно считать, что F -l. Формула (1) нормирована к единице и применима, конечно, и к интерферометру восток-запад, и к интерферометру север-юг. На рис. 1(a) представлена диаграмма направленности первого конуса (первого интерференционного лепестка), который Солнце пересекает после местного полудня. По горизонтальной оси - угол 0 в угловых секундах, по вертикальной оси - диаграмма направленности. Нулевому углу в соответствует центральный конус, выродившийся в плоскость (максимум нулевого интерференционного лепестка). Таким образом, угол в можно рассматривать как угол от максимума центрального интерференционного лепестка. Из рис. 1 видно, что максимум следующего (к западу), первого интерференционного лепестка находится на небесной сфере на расстоянии около 2000", то есть угол между соседними лепестками несколько больше углового размера солнечного диска. Видно также, что величина боковых лепестков не превышает 5 процентов. Из рис. 1(a) видно, что ширина диаграммы направленности по нулевому уровню равна 17". На рис. 1(6) представлены ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности сигнала (8") и по уровню боковых лепестков (15").
В каждой антенне ССРТ находится модулятор, который выделяет круговые правополяризованную и левополяризованную составляющие микроволнового излучения. Сумма этих составляющих дает 1-параметр Стокса, разность -V-параметр Стокса. Поэтому в каждый момент времени отклик интерферометра есть I и V-параметры Стокса, характеризующие суммарный поток микроволнового излучения, генерируемый всеми участками солнечной атмосферы, попавшими в "ножевую" диаграмму направленности. Измерения отклика интерферометра производятся через равные промежутки времени (обычно через 0,3 секунды). В результате пересечения Солнцем одного конуса формируются два скана микроволнового излучения Солнца (1-скан и V-скан). 1-скан (параметр Стокса I) характеризует общую (суммарную) интенсивность микроволнового излучения. V-скан (параметр Стокса I) характеризует преобладание пра-вополяризованной или левополяризованной составляющей. Как уже было сказано выше, время записи (регистрации) одного скана составляет в среднем 3-5 минут, другими словами, временное разрешение ССРТ составляет 3-5 минут.
На рис. 2(a) показан 1-скан, а на рис. 2(6) — V-скан за 19 августа 1994 года, когда примерно в центре солнечного диска находилась АО NOAA 7668 по классификации бюллетеня Solar Geophysical Data, эволюция которой рас-сматрена в разделе 2.4. Вертикальные линии на рис. 2 показывают моменты времени, когда диаграмма направленности ССРТ находится на западном лимбе (правая линия), в центре (средняя линия) и на восточном лимбе (левая линия) оптического диска Солнца. В правом верхнем углу показана ширина диаграммы направленности.
Каждая область невозмущенной солнечной атмосферы генерирует микроволновое излучение. Этот минимальный уровень излучения, существующий даже на тех участках поверхности Солнца, где нет никаких проявлений активности, называют излучением "спокойного" Солнца [2, 4]. Это то микроволновое излучение, которое присутствует на Солнце всегда. Излучение "спокойного" Солнца равномерно распределено в солнечной атмосфере и всегда попадает в диаграмму направленности. Поэтому 1-скан всегда имеет характерную форму, напоминающую полуэллипс. Микроволновое излучение "спокойного" Солнца всегда естественно поляризовано, то есть не имеет преобладания право- или левополяризованной составляющей. Поэтому V-скан имеет вид "шумовой дорожки", на которой имеются только два источника, генерирующие поляризованное микроволновое излучение. Эти источники соответствуют пятнам и имеют правый и левый знак поляризации.
Оба интерферометра (север-юг и восток-запад) дают возможность частотного сканирования, которое заключается в следующем. Общая полоса принимаемых частот ССРТ равна 112 МГц [31]. Она разделена на 180 частотных каналов, каждый из которых имеет полосу пропускания около 500 КГц. Центральные частоты соседних каналов разнесены на 622 КГц. Так как центральные частоты разных каналов отличаются друг от друга, то и "ножевые" диаграммы, соответствующие разным каналам, имеют близкое, но различное положение на небесной сфере и покрывают ее частой "сеткой". В обычном режиме наблюдений регистрируется только один частотный канал. Во время всплесков регистрируется несколько частотных каналов. Благодаря этому временное разрешение ССРТ возрастает в несколько раз и промежуток между двумя последовательными сканами может быть в некоторых случаях порядка нескольких секунд. Эта возможность была использована при выполнении исследования микроволновых всплесков, результаты которого изложены в разделе 3.5.
При проектировании ССРТ был предусмотрен корреляционный (перемножающий) режим работы радиотелескопа [29, 31]. В корреляционном режиме сигналы, полученные от интерферометров восток-запад и север-юг перемножаются. В результате этого каждая "ножевая" диаграмма интерферометра восток-запад превращается в линию из "карандашных" диаграмм. "Карандашная" диаграмма дает возможность получать двумерное изображение Солнца за время прохождения Солнца через один интерференционный лепесток, то есть через 3-5 минут.
Динамические особенности эволюции потока микроволнового излучения развивающихся активных областей
В этом разделе изложены основные результаты, полученные при изучении эволюции микроволнового излучения развивающихся АО.
Как следует из обзора, сделанного в разделе 2.1, микроволновое излучение АО на частоте 5,7 ГГц может состоять из четырех элементов: флоккульное излучение, гало (излучение корональной конденсации), пятенные источники, межпятенные источники. Область флоккульного излучения занимает самую большую площадь (имеет самые большие угловые размеры — 2-5 угловых минут) и самую слабую интенсивность (низкая яркостная температура). Гало, как правило, занимает меньшие размеры и имеет более высокую яркостную температуру. Это излучение генерируется всей массой относительно горячей плазмы, составляющей корональную конденсацию (магнитосферу АО). Механизмы генерации - тормозное излучение тепловых электронов в слабом магнитном поле магнитосферы АО и гиросинхротронное излучение нетепловых электронов [11]. Флоккульное излучение и гало всегда присутствуют в излучении АО. По мере развития АО появляются пятенные и межпятенные источники. Преобладающий механизм генерации пятенных источников - циклотронное излучение тепловых электронов в сильном магнитном поле пятна. Преобладающий механизм генерации межпятенных источников - гиросинхротронное излучение нетепловых электронов в магнитосфере АО.
Как уже было сказано, существует несколько публикаций, в которых отмечается, что в отдельные моменты времени увеличение потока АО происходит очень быстро (несколько минут), а затем в течение длительного времени (несколько часов) поток остаётся постоянным. Однако, оставалось невыясненным, является ли это свойство общим для всех АО, или оно проявляется только при каких-то условиях, или, наконец, это только отдельные частные случаи, не имеющие отношения к большинству АО. Для того, чтобы получить ответы на эти вопросы, было проведено следующее исследование. Были отобраны 22 АО за 1985, 1986 и 1987 годы, наблюдавшиеся с помощью ССРТ. Список этих АО приведён в таблице 1. Необходимо отметить, что период, соответствующий низкой солнечной активности, был выбран сознательно. Отсутствие на солнечном диске большого количества АО и отсутствие очень крупных АО создаёт возможности для тщательного выделения исследуемых АО и измерения потока с минимальными ошибками. Преобладание наблюдений в 1986 году и ещё большее количество наблюдений в 1987 году объясняется только тем, что 1985 год - год начала постоянных наблюдений на ССРТ и, по мере накопления опыта эксплуатации, постепенно увеличивалось число дней наблюдений и качество наблюдений. Для исследования отбирались только те АО, которые были достаточно изолированными, то есть в диаграмму направленности ССРТ не попадали бы другие АО, находящиеся на диске. Необходимо отметить, что приходилось учитывать вращение диаграммы направленности в течение сеанса наблюдения.
Каждая АО, приведенная в таблице 1, исследовалась в течение 2-4 суток, начиная со дня появления первых пор и мелких пятен. Практически все исследовавшиеся группы пятен за этот интервал времени достигли максимальной фазы развития. В большинстве случаев площади групп пятен не превышали 100-200 м.д.п. Максимальные значения площадей групп пятен не превосходили 300 м.д.п.
Для всех выбранных АО измерялся поток микроволнового излучения. Измерения потока осуществлялись по методике, подробно рассмотренной в разделе 1.3. Как и ожидалось, изменения потока в течение 2-6 часов носили самый разнообразный характер. Однако все полученные временные изменения потока распадаются на две части. В первую часть необходимо отнести те изменения потока, когда поток, увеличиваясь или уменьшаясь, в результате всё-таки возвращается к исходному значению. Вторую часть составили такие увеличения потока АО, которые происходили очень быстро (несколько десятков минут), а затем в течение длительного времени (несколько часов) поток оставался постоянным, то есть изменения потока имели тот же характер, что и обнаруженные в вышеупомянутых работах.
После быстрого (20 - 30 минут) возрастания потока возвращения к первоначальному уровню не происходит и поток сохраняет практически постоянную величину в течение нескольких часов, испытывая только колебания относительно среднего уровня. Такое увеличение потока естественно было назвать "ступенеобразным". Примеры такого увеличения потока для АО NOAA 4857 за 20 сентября 1987 года приведены на рис. 7(a) и для АО NOAA 4870 за 13 октября 1987 года — на рис. 8(a). На рис. 7(6) и рис. 8(6) приведены фрагменты 1-сканов и фотогелиограммы групп пятен на указанные моменты времени.
Анализ показал, что ступенеобразное увеличение потока микроволнового излучения наблюдалось во время развития 18 из 22 исследованных АО. Как правило, за сеанс наблюдений на ССРТ, то есть за 6-9 часов, отмечались 2-3 "ступени". Всего было зарегистрировано 50 случаев. ступенеобразного увеличения потока микроволнового излучения АО.
Во всех остальных случаях изменения потока носили характер всплесков типа "медленный подъем - медленный спад", или поток практически не изменялся. Если поток постепенно увеличился (0,5 — 1,5 часа), а затем за такое же примерно время вернулся к исходному значению, такое повышение и понижение потока полностью укладывается в понятие всплеск типа "медленный подъем - медленный спад" [2]. Здесь важно отметить, что для всплеска этого типа и подъём, и спад долны быть примерно одинаковыми по длительности и продолжаться относительно долго (не менее 0,5 часа). Таким образом, было показано, что ступенеобразные увеличение потока микроволнового излучения АО является не отдельными частными случаями, а скорее представляют собой общее свойство большинства исследованных АО на стадии развития.
Нужно отметить следующее важное обстоятельство. Нельзя исключать, что ступенеобразное увеличение потока есть простое следствие очень быстрого увеличения площади пятен. Однако проверить такое предположение сложно, так как для этого нужно иметь значения площади пятен по крайней мере непосредственно перед "ступенью" и непосредственно после "ступени". Однако невозможно предсказать момент возникновения "ступени", поэтому площадь группы пятен нужно было бы определять через 10-15 минут в течение нескольких дней. Во время выполнения работы это было практически невозможно. Литература, в частности [1, 60-61], не содержит никаких сведений о таких быстрых, значительных и кратковременных увеличениях площади групп пятен.
Можно было определить только среднюю скорость изменения площадей пятен за сутки. Для этого был использован бюллетень "Солнечные данные". Как и следовало ожидать, средняя скорость изменения площадей пятен была разной для разных групп пятен и разных дней наблюдения. В некоторые периоды времени площадь пятен ото дня ко дню увеличивалась в несколько раз, в другие - либо практически не изменялась, либо увеличивалась незначительно (на несколько десятков процентов). Оказалось, что в развитии всех 18 АО ступенеобразное увеличение потока излучения наблюдалось в то время, когда площадь группы пятен увеличивалась за сутки в 1,5 - 2 раза и больше. В те дни, когда площадь пятен изменялась незначительно или вообще не менялась, только в одном случае наблюдалась "ступень" (возможные причины появления этой "ступени" обсуждаются ниже); во всех остальных случаях изменения потока микроволнового излучения носили характер всплесков типа "медленный подъем - медленный спад", либо поток излучения практически не изменялся. Следовательно, непременным условием, при котором происходит ступенеобразное увеличение потока, является сильный (не менее чем в 1,5-2 раза) рост площади пятен на уровне фотосферы. В связи с этим становится понятным, почему в развитии четырех групп пятен из 22 исследованных не наблюдалось ступенеобразного роста потока микроволнового излучения. Согласно бюллетеню "Солнечные данные" в интервале наблюдений ССРТ площадь этих групп пятен практически не изменялась.
Необходимо отметить, что угловые размеры излучения АО в момент ступенеобразного повышения потока практически не менялись. Это означает, что повышение потока произошло в результате увеличения средней яркостной температуры корональной конденсации (магнитосферы АО). Поэтому результат, полученный в предыдущем абзаце, можно сформулировать следующим образом. Непременным условием, при котором происходит ступенеобразное увеличение температуры короны, является сильный рост площади и магнитного потока пятен на уровне фотосферы. При увеличении потока на 0,2 - 0,4 се.п. средняя для АО яркостная температура увеличивается на 50-100 тысяч градусов.
Динамические особенности эволюции потока микроволнового излучения, связанного с разрушающимися активными областями
В этом разделе изложены основные результаты, полученные при изучении эволюции микроволнового излучения разрушающихся АО. Для этого были использованы 6 АО за 1994 и 1995 годы. Список этих АО приведён в таблице 3. Из этой таблицы видно, что скорость уменьшения площадей пятен была разной для разных групп и разных дней наблюдения. Например, площади групп пятен АО NOAA 7668 с 14 по 15 февраля, АО NOAA 7767 с 21 по 22 августа 1994 года и АО NOAA 7896 с 7 по 8 августа 1995 года уменьшалась в два и более раза. В другие дни площади групп уменьшалась не так значительно. Например, площадь группы АО NOAA 7668 с 13 по 14 февраля уменьшилась на 20%.
Нарис. 12 приведены изменения потоков микроволнового излучения АО NOAA 7668, зарегистрированные 12 февраля 1994 г., отдельно для непятенной (а) и пятенной (б) компонент. В качестве пятенной компоненты взят источник над хвостовым пятном. Как видно из таблицы 3, с 11 по 13 февраля площадь группы пятен уменьшалась значительно: с 11 по 12 февраля она уменьшилась в 1,5 раза, с 12 по 13 февраля - в 2 раза. Видно, что изменения потока имели характер флуктуации при общем плавном понижении. Отсутствовали ступенеобразные понижения, аналогичные ступенеобразным повышениям потока во время роста площади группы пятен. Пятенная (В) и непятенная (А) компоненты уменьшались пропорционально. На рис. 12(в) и рис. 12(г) представлены фрагменты 1-сканов на указанные моменты времени. Пунктирными линиями показаны пятенные источники. Видно значительное уменьшение потока пятенного источника, находящегося над хвостовым пятном. Нижняя пунктирная линия показывает уровень спокойного Солнца. Непятенная компонента состоит из излучения гало и флоккульного излучения. Поток излучения гало составляет большую часть потока непятенной компоненты. Межпятенных источников нет или они очень слабые.
Нарис. 13 приведены изменения потоков микроволнового излучения той же АО NOAA 7668, зарегистрированные 14 февраля 1994 г. На рис. 13, как и на рис. 12, представлены потоки непятенной и пятенной компонент и фрагменты 1-сканов. Поток пятенной компоненты уменьшается практически до нуля. На фрагменте 1-скана на 07:12 UT пятенные источники уже отсутствуют. В то же время поток непятенной компоненты немного увеличивается. Аналогичное увеличение потока непятенной компоненты при исчезновении пятенного источника зарегистрировано для пяти исследованных АО. Напрашивается вывод о том, что магнитная арка распалась на несколько значительно меньших магнитных арок. Такая интерпретация хорошо согласуется с представлениями, подробно изложенными в [64]. Согласно этой работе, очень тонкие магнитные трубки заполняют все пространство солнечной атмосферы. Различие между спокойной атмосферой и АО заключается только в концентрации этих магнитных трубок. Согласно [64], рост пятна заключается в том, что к существующему пятну добавляются все новые магнитные трубки. Соответственно, разрушение пятна заключается в том, от магнитной арки пятна отделяются эти тонкие магнитные трубки. Вполне возможно, что на рис. 13 виден проявляющийся в микроволновом излучении процесс отделения большого количества таких тонких магнитных трубок. Поэтому практически исчез пятенный источник, а множество вновь образовавшихся магнитных арок заполнили пространство магнитосферы АО, в результате образовались новые токовые слои и увеличилось микроволновое излучение гало.
На рис. 14 приведены изменения потоков пятенной и непятенной компонент АО NOAA 7890 (17 июля 1995 г.). Видно относительно плавное уменьшение потока пятенного источника, сопровождающееся достаточно сильными флуктуациями. В качестве пятенной компоненты взят источник над головным пятном группы.
На рис. 15 приведены изменения потоков пятенной и непятенной компонент той же АО NOAA 7890 в течение следующего дня (18 июля 1995 г.). К моменту начала наблюдений ССРТ пятенные источники практически отсутствовали (рис. 15(B)). Около 05:00 UT пятенные источники появились вновь (наблюдалось повторное развитие АО NOAA 7890). Видно, что моменту появления пятенного источника над хвостовым пятном соответствует "ступень" в потоке непятенной компоненты микроволнового излучения АО. Этот случай дает еще один пример ступенеобразного повышения потока. Ступенеобразное повышение потока наблюдается как для пятенной, так и для непятенной компонент.
Таким образом, для всех исследованных АО уменьшение потока пятенной и непятенной компонент происходило плавно, наблюдаются только небольшие флуктуации. Это относится и к трём вышеперечисленным случаям, когда площадь группы пятен уменьшалась в 2 и более раза. Резкие изменения уровня потока, такие, как ступенеобразное увеличение потока для развивающихся АО, для разрушающихся АО отсутствовали (не наблюдалось ступенеобразное уменьшение потока).
Подробный анализ пространственной структуры области генерации микроволнового излучения показал, что можно ясно различить две стадии эволюции АО. Первая (начальная) стадия распада связана с началом уменьшения площади групп пятен. В течение этой стадии уменьшаются и пятенная компонента, и гало (рис. 12). Обе компоненты уменьшаются пропорционально. Следующая (вторая) стадия отличается от первой тем, что уменьшается только пятенная компонента (рис. 13). Поток каждого источника пятенной компоненты постепенно уменьшается практически до нулевого уровня. Исчезновение потока пятенной компоненты сопровождается возрастанием потока непятенной компоненты. На рис. 13 видно, что увеличились поток и средняя яркостная температура гало, а пятенныи источник исчез. В четырех остальных исследованных случаях в течение второй стадии распада АО поток пятенной компоненты постепенно исчезал (как в случае АО NOAA 7668), а поток гало возрастал.
По-видимому, необходимо отметить, что как раз после завершения второй стадии и на следующем за ней этапом существования флоккула без пятен возникают слабые всплески, подробно рассмотренные в разделе 3.2. Эти всплески отличаются от обычных микроволновых всплесков по целому ряду параметров. Достаточно сказать, что они возникают в АО, не имеющих пятен или имеющих только поры. Другими словами, эти всплески возникают в АО с малой величиной магнитного поля. Уже это отличает этот вид всплесков от обычных микроволновых всплесков, возникающих в достаточно развитых АО с сильным магнитным полем.
Плавности уменьшения потока пятеннои компоненты разрушающейся АО хорошо соответствовала плавность уменьшения поляризованной составляющей. Последняя уменьшалась синхронно с полным потоком, так что степень поляризации изменялась весьма незначительно в течение всей стадии разрушения группы пятен. В среднем, степень поляризации изменяется в пределах 35-25 %. Однако, для пятеннои компоненты АО NOAA 7770 24 августа 1994 года в интервале времени от 03 UT до 08 UT степень поляризации стала необычно низкой, уменьшившись с 30 % до 15 %.
Интегральный спектр микроволновых всплесков в частотном диапазоне 3,1-50 ГГц и их пространственная структура на частоте 5,7 ГГц
Рассмотренный в предыдущем разделе всплеск показывает, что появление нового частотного максимума может совпадать по времени с появлением нового источника. Это временное совпадение двух существенных изменений позволяет сделать предположение, что каждый источник имеет более или менее постоянную частоту спектрального максимума и изменение спектра всплеска происходит из-за того, что значительная часть излучения, которая и определяет форму спектра, генерируется то одним, то другим источником.
Многолетние спектральные наблюдения, осуществляемые в ИПФ Бернского университета в частотном диапазоне 3.1 - 50 ГГц показали, что спектральный максимум микроволнового излучения может существенно изменяться по мере развития всплеска [96]. Причиной таких изменений могут быть как структурные изменения в области генерации (возникновение новых источников в магнитных полях различной величины), так и изменение физических условий в области генерации (например, изменение электронной концентрации).
Таким образом, в общем случае можно назвать две основные причины, наиболее существенным образом влияющие на постоянство или изменчивость частоты спектрального максимума. Первая - изменение физических условий в области генерации всплеска. Вторая - появления новых источников излучения с иной частотой спектрального максимума и, как следствие этого, изменение и частоты спектрального максимума, и пространственной структуры области генерации всплеска.
Получить существенный аргумент в пользу той или иной интерпретации можно в результате анализа достаточно большого числа всплесков. Если такой анализ покажет, что изменение спектра всегда совпадает с изменением пространственной структуры (появление нового источника излучения), а не изменяющийся спектр соответствует не изменяющейся структуре, то можно будет. утверждать, что эти изменения связаны, так как простое совпадение для большого числа случаев нереально. Если же изменяющийся спектр будет соответствовать не изменяющейся пространственной структуре, останется предполагать, что изменились физические условия в существующих источниках генерации всплеска.
Для исследования взаимосвязи изменений спектральных и пространственных характеристик областей генерации микроволновых всплесков было проанализировано 37 микроволновых всплесков, наблюдавшихся в 1988-1992 гг. одновременно ССРТ и в ИПФ Бернского Университета на частотах 3,1; 5,2; 8,4; 11,8; 19,6; 35,0; 50,0 ГТц. Анализировались изменения частоты спектрального максимума интегрального потока микроволнового излучения всплеска (частоты 3-50 ГГц) и изменения пространственной структуры источников всплеска (на частоте 5,7 ГГц).
Наблюдения областей генерации всплесков радиоизлучения, выполненные с помощью ССРТ, показали, что, как правило, область генерации всплесков имела угловые размеры порядка 100"- 300" и состояла из нескольких (как правило 2-4) источников микроволнового излучения. По виду интегральных спектров микроволнового излучения всплески были формально разделены на две группы. В первую группу вошли всплески, в процессе развития которых частота спектрального максимума не изменялась. Точнее говоря, в первую группу вошли всплески, в процессе развития которых частота их спектрального максимума не изменялась больше, чем в 1,5 раза. Вторую группу составили всплески, частота спектрального максимума которых изменялась по мере развития всплеска больше, чем в 1,5 раза или появлялся второй частотный максимум. Всплески первой группы перечислены в таблице 5, а всплески второй группы - в таблице 6. В обеих таблицах для каждого всплеска указаны время максимума, длительность всплеска, максимальный поток и координаты всплеска. Кроме того, в таблице 6 буквой Л отмечены всплески, наблюдавшиеся достаточно далеко от центрального меридиана (отстоящих от центрального меридиана по долготе больше чем на 55).
После такого формального разделения на две группы, каждая группа всплесков исследовалась отдельно. Прежде всего была проанализирована пространственная структура областей генерации всплесков. Во всех случаях всплесков первой группы пространственная структура областей генерации всплесков не изменялась за время развития всплесков, то есть число источников микроволнового излучения, их угловые размеры и соотношение интенсив-ностей источников оставались практически постоянными в течение всей импульсной фазы развития всплеска. Здесь, видимо, необходимо уточнить, что под словами "практически постоянные" понимается следующее. Если, например, область генерации всплеска состояла из двух источников (источник 1 и источник 2) и интенсивность источника 1 в начале всплеска была в 5 раз больше интенсивности источника 2, то это соотношение интенсивностей сохранялось в течение всей импульсной фазы всплеска. Конечно, это соотношение могло измениться, например, с 5 до 4,6. Изменение этого соотношения с 5 до 2 означало изменение пространственной структуры. То же самое относилось и к угловым размерам, и к появлению нового источника генерации всплеска. Другими словами, можно сказать, что соотношение интенсивностей и угловые размеры источников изменялись не больше, чем на 10-20 %, а если появлялся новый источник, то его интенсивность не превышала 10-20 % интенсивности максимального из первоначально существовавших источников. Пример всплеска первой группы приведен на рис. 28. Видно, что по мере развития всплеска пространственная структура области генерации и частота спектрального максимума не изменяются.
Гистограммы распределения величин частотных максимумов и угловых размеров источников генерации для первой группы всплесков (не изменявшийся спектр) приведены на рис. 29. Эти гистограммы показывают, что для всплесков первой группы преобладающим размером источников являлся размер порядка 20-40", а частотный максимум в большинстве случаев лежал в диапазоне 8-11 ГГц. Таким образом, характеристики всплесков первой группы лежат в довольно узком диапазоне, что позволяет как-то согласовать полученные результаты с выводами, сделанными в [16]. Действительно, всплески первой группы составляют большинство исследованных всплесков и все они полностью соответствуют схеме развития всплесков, предложенной в [16].
Во всех случаях всплесков второй группы наблюдалось изменение пространственной структуры или изменение угловых размеров источников. Всплеск, представленный на рис. 30, показывает пример, когда повышение частоты спектрального максимума сопровождалось уменьшением угловых размеров источников излучения. Всплеск, подробно рассмотренный в предыдущем разделе, является еще одним примером всплеска второй группы. Гисто граммы всплесков второй группы (рис. 31) принципиально отличаются от гистограмм всплесков первой группы. На гистограмме распределения величин частотных максимумов всплесков второй группы нет преобладающего размера в диапазоне 20-40". Отмечено достаточно большое число всплесков, размер источников которых был порядка 10". В ряде случаев размер областей генерации всплесков превосходил 100". Распределение частот спектральных максимумов также стало существенно иным.
Проведенный анализ показал, что изменение частоты спектрального максимума более чем в 1,5 раза или появление второго частотного максимума всегда связано с изменением размеров источников всплеска или изменением их пространственной структуры, то есть с развитием вспышечного процесса в новых источниках микроволнового излучения. Всплески, за время развития которых пространственная структура и размеры источников генерации не изменялись, имели постоянную частоту спектрального максимума.
Таким образом, полученный результат подтвердил первоначальное предположение о том, что изменение спектра всплеска всегда связано с появлением или исчезновением какого-то источника. Существенно новым обстоятельством явилось то, что положение максимума спектра на частотной оси и угловые размеры источников оказались связанными. Если вновь появившиеся источники микроволнового излучения имели меньшие угловые размеры, частота спектрального максимума увеличивалась и наоборот, если вновь появившиеся источники микроволнового излучения имели большие угловые размеры, частота спектрального максимума уменьшалась. Кроме того, анализ всплесков, отмеченных в таблице 6 буквой Л, показал, что источник с большей частотой спектрального максимума располагался ниже, чем источник с меньшей частотой.
