Зеркальные телескопы ВУФ диапазона для внеатмосферной солнечной астрономии

2
Оглавление
Введение.............................................................................5
Глава 1. Излучение Солнца в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра и задачи
ВУФ-астроиомии......................................................................17
§1.1. Исследования рентгеновского и ВУФ-излучения Солнца.............................17
§1.2. Развитие космической солнечной рентгеновской и ВУФ-астрономии..................23
§1.3. Излучение Солнца в коротковолновой области спектра.............................34
§1.4. Актуальные задачи внеатмосферной солнечной ВУФ-астрономии......................40
1.4.1. Фундаментальные задачи исследования природы солнечной активности.........43
1.4.2. Мониторинг солнечного ВУФ-излучения и прогнозирование космической погоды ...........................................................................43
1.4.3. Исследование воздействия солнечной активности на атмосферу Земли.........45
Выводы по главе 1.................................................................................................................45
Глава 2. Физические основы зеркальной оптики рентгеновского и ВУФ - диапазонов и
сс применение в солнечных телескопах.................................................47
§2.1. Принципы построения зеркальной оптики рентгеновского и ВУФ - диапазонов 47
2.1.1. Коэффициенты отражения сплошных сред с абсолютно гладкой поверхностью.. 48
2.1.2. Влияние шероховатости поверхности на отражение и рассеяние рентгеновского и ВУФ - излучения............................................................51
2.1.3. Исследование применимости метода полного интегрального рассеяния (T1S) для оценки шероховатости поверхности...........................................56
2.1.4. Интерпретация результатов измерений рассеяния с помощью точной теории 61
§2.2. Отражение излучения от многослойных интерференционных структур (МИС) 65
2.2.1. Принцип работы МИС и основные соотношения................................65
2.2.2. Влияние шероховатости и вариаций параметров слоев на характеристики МИС . 68
2.2.3. Изготовление и исследование пробных зеркал с многослойным покрытием 70
§2.3. Аппаратура и методы исследований качества зеркал для рентгеновского и ВУФ диапазонов спектра...................................................................75
2.3.1. Установка ИКАР для испытаний рентгеновской и ВУФ-оптики..................75
2.3.2. Измерения углового разрешения и спектральных свойств зеркал с многослойным покрытием.....................................................82
§2.4. Развитие технологии изготовления зеркал для солнечных ВУФ-тслескопов...........89
§2.5. Изготовление плоских и сферических зеркал для телескопов ТЕРЕК/Фобос и ТЕРЕК-К/КОРОНАС-И..........................................................................89
§2.6. Изготовление параболических зеркал для телескопа СПИРИТ Т2 по проекту
КОРОНАС-Ф.........................................................................92
§2.7.Развитнс технологии изготовления асферических подложек с сверхгладкими
поверхностями.......................................................................................................99
§2.8. Исследование стабильности характеристик зеркал с многослойным покрытием 100
Выводы по главе 2..................................................................105
Глава 3. Оптические схемы и фотометрические характеристики спектралыю-
сслектиппых солнечных ВУФ-телескопов проекта КОРОНАС............................. 106
§3.1. Выбор оптической схемы телескопа.............................................106
3.1.1. Зеркальные системы скользящего падения..................................106
3.1.2. Системы зеркал нормального падения с многослойным отражающим покрытием 110
§3.2. Выбор спектральных каналов телескопа..........................................................................114
§3.3. Оптимизация спектральных каналов телескопов...................................................................117
§3.4 . Фотометрические характеристики спектрально-селективных телескопов ВУФ -
диапазона..........................................................................122
§3.5 . Качество изображения солнечных телескопов ВУФ-диапазона.....................123
Выводы по Главе 3..................................................................127
Глава 4. Солнечные ВУФ-телескопы проектов Фобос-1, Коронас-И, Коронас-Ф и РНОВА2.............................................................................128
§4.1. Телескопы ТЕРЕК проекта Фобос-1 и ТЕРЕК-К проекта КОРОНАС-И..................128
4.1.1. Телескоп ТЕРЕК КА «Фобос-1».............................................132
4.1.2. Телескоп ТЕРЕК для спутника КОРОНАС-И...................................135
§4.2. Телескопы комплекса СПИРИТ спутника КОРОНАС-Ф................................143
4.2.1. Программа наблюдений Солнца комплексом СПИРИТ............................................................150
§4.3. Фотометрические характеристики телескопов СПИРИТ и их коррекция в течение полета спутника КОРОНАС-Ф..........................................................153
4.3.1. Функции температурного отклика...........................................................................153
4.3.2. Функции плоского поля и коррекция дефектов изображений..................157
4.3.3. Измерение ФРТ и рассеянного света во время солнечных затмений...........160
§4.4. Точность фотометрической калибровки..........................................163
Выводы по главе 4..................................................................165
Глава 5. Результаты исследований ВУФ-излучения Солнца с помощью телескопов
СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф.....................................................167
§5.1. Исследование вариаций потока ВУФ-излучения в максимуме и на спаде солнечной
активности 23-го цикла...........................................................168
§5.2. Исследования эруптивных явлений на Солнце..................................177
5.2.1. Исследования структуры диммингов......................................177
5.2.2. Исследования временных характеристик диммингов и их связи с глобальной структурой магнитного поля...............................................184
5.2.3. Исследования корональных волн и распространения диммингов.............186
5.2.4. Анализ абсорбционных явлений, сопутствующих эрупции...................190
§5.3. Исследования поглощения солнечного излучения в верхней атмосфере Земли и его
связи с геомагнитными явлениями..................................................193
Выводы по главе 5.............................................................. 202
Заключение.......................................................................203
Благодарности....................................................................205
Список цитированной литературы...................................................206
Введение
Актуальность темы исслслованип
Изучение Солнца и солнечно-земных связей имеют большое фундаментальное и практическое значение. В настоящее время во всем мире резко возрастает объем исследований взаимосвязи явлений на Солнце и их последствий в межпланетном и околоземном пространстве, объединяемых понятием «космической погоды». Активные процессы на Солнце являются главной движущей силой возмущений, приводящих к геомагнитным бурям, изменениям в состоянии верхней атмосферы и ионосферы, нарушениям радиосвязи и систем геопозиционирования, а иногда и к значительным техногенным последствиям [1].
Основным источником информации о процессах на Солнце и состоянии его активности является его излучение в различных длинах волн, которое отождествляется с областями Солнца, характеризуемыми определенной температурой, плотностью плазмы и напряженностью магнитного поля. Наиболее значительные проявления солнечной активности наблюдаются в короне Солнца в области температур от сотен тысяч до десятков миллионов градусов Кельвина (МК) и регистрируются в мягком рентгеновском (1-100 Ä) и вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ, 100-2000Ä) диапазонах длин волн. Всплески солнечной активности, обусловленные кратковременным выделением огромной (1025-1026 Дж) энергии, сопровождаются резким повышением потока излучения (вспышки), выбросами коронального вещества (короиальных выбросов массы - КВМ) и выбросами в гелиосферу потоков высокоэнергичных заряженных частиц. Изучение динамики этих процессов и сопутствующих явлений в хромосфере и короне важно для установления физической природы солнечной активности, построения теоретических моделей и, в конечном счете, для прогнозирования возможных геофизических последствий (см., например, [2-4]). В этом аспекте особую ценность представляют количественные фотометрические данные, отражающие пространственно-временную динамику эволюции солнечных структур, как интегрально по всему диску и короне Солнца, так и в отдельных локальных образованиях.
Поскольку поглощение атмосферы препятствует регистрации солнечного рентгеновского и ВУФ-излучения на наземных обсерваториях, наблюдения в этом диапазоне возможны только за пределами атмосферы с борта спутников, ракет или других космических аппаратов. Рентгеновская и ВУФ-астрономия Солнца возникла с началом космических исследований в 50-х годах 20-го века. Первый этап исследований был выполнен в период с конца 60-х до середины 80-х годов в США, СССР, ряде европейских стран на ракетах, спутниках (OSO-4, OSO-7, Космос, Интеркосмос) и космических обсерваториях
(Skylab, SMM) [5]. В ходе этих исследований были установлены основные тины солнечных структур, определяющие потоки рентгеновского и ВУФ излучения (активные области, корональные дыры), спектры излучения, плотность и температура плазмы и их динамика при развитии процессов солнечной активности. Теоретический анализ результатов показал, что процессы, связанные с солнечной активностью, происходят в широком диапазоне пространственных и временных масштабов, и для их исследования необходима разработка телескопов для длительных наблюдений Солнца, позволяющих выполнять фотометрические исследования солнечного излучения в различных спектральных участках коротковолнового диапазона с высоким пространственным и временным разрешением.
Первоочередные задачи второго этапа развития солнечной внеатмосферной астрономии были сформулированы в программе КОРОНЛС (Комплексные Орбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца), которая начала разрабатываться в СССР в 1970-х годах и предусматривала создание трех спутников для исследований Солнца, разработку аппаратуры и выполнение большого объема наблюдений па орбите в течение нескольких циклов солнечной активности [6-8]. В частности, были сформулированы следующие научные задачи:
- Исследование механизмов возникновения и развития солнечных вспышек по временному ходу, изменению структуры, спектров и поляризации вспышечных областей.
- Исследование нестационарных явлений в солнечной плазме ("горячие точки", выбросы корональной плазмы, и др), частоты их возникновения, условий появления, динамики развития, вторичныхявлений.
- Поиск возможных источников солнечного ветра, исследование процессов его генерации, выяснение связи параметров наблюдаемого солнечного ветра с процессами на Солнце.
- Диагностика элементов структуры активных областей, участков спокойного Солнца и корональных дыр во временных масштабах от 0,1 с до десятков суток.
- Исследование распределения гелия в переходном слое, ближней и дальней короне.
Одним из важнейших этапов реализации этой программы явилось создание космических телескопов нового типа для получения изображений солнечной короны и исследования пространственно-временной динамики солнечных структур. Ключевым элементом такого телескопа является его оптическая система, которая должна работать в
МР или ВУФ диапазоне, обладать достаточной эффективной площадью и спектральной селективностью, высоким угловым разрешением и способностью к длительной работе в условиях космоса. В результате анализа спектров плазмы солнечной короны было установлено, что для решения поставленных задач оптимальным является телескоп с зеркальной оптикой, имеющий несколько спектральных канатов в коротковолновой части ВУФ диапазона 130-350 Л. Данная область спектра содержит яркие линии ионов железа Fe IX - Fe XXIV, излучающиеся из плазмы с температурой 1-15 МК, и яркую линию гелия Hell 304 А, соответствующую переходному слою с температурой 20 - 80 тысяч градусов, чго полностью перекрывает диапазон температур солнечной короны и переходного слоя.
В конце 1970-х - начале 1980-х г. были разработаны принципы и технология изготовления зеркал нормального падения с многослойными покрытиями, представляющими собой периодические структуры ианометровых размеров на базе пары веществ с различающимися диэлектрическими константами [9-12J. В частности, была предложена структура Mo-Si, которая хорошо отражает в ВУФ-области спектра 130 - 350 А и позволяет получить пиковый коэффициент отражения до 70% [13, 14], что дает возможность регистрировать спектральные линии, соответствующие всему диапазону температур солнечной короны. Кроме того, спектральная ширина пика отражения многослойного покрытия (kJAX ~ 10 - 30) оказывается достаточной для разделения групп линий с различающимися температурами возбуждения, соответствующих разным высотным слоям солнечной короны, что очень важно для диагностики плазмы. Зеркала с отражающим покрытием Mo-Si хорошо сочетаются со спектральными фильтрами на основе тонких пленок алюминия толщиной ~ 0,2 мкм, что обеспечивает высокое пропускание в рабочей области спектра (более 50%) и подавление яркого видимого излучения (5-6 порядков для однослойного фильтра).
Разработка зеркальной оптики нормального падения для ВУФ диапазона потребовала проведения детальных исследований отражающих свойств зеркал. Качество зеркал, работающих в рентгеновском и ВУФ диапазонах спектра, в первую очередь определяется шероховатостью отражающей поверхности, которая может быть описана корреляционной функцией распределения неоднородностей ее профиля. На практике для сравнительного анализа качества поверхности зеркала часто используют среднеквадратическую высоту и корреляционную длину шероховатости, определяемые в пространственных масштабах, соответствующих отношению длины волны к угловому размеру изображаемого объекта. Проведенные оценки показали, что для получения пикового коэффициента отражения зеркал, близкого к теоретически возможному, суммарная среднеквадратическая высота
8
шероховатости подложки и покрытия а не должна превышать величины Л/40. В ВУФ диапазоне 130 - 350 А величина а должна быть менее 3 - 8 А, т.е. на порядок меньше, чем допустимо в видимом диапазоне.
В начале 1980-х годов в ФИАНе были проведены исследования отражения и рассеяния рентгеновского и ВУФ излучения от зеркальных поверхностей с различной шероховатостью [15, 16]. Теоретический анализ показал, что использовавшаяся в то время скалярная теория рассеяния Бекмана [17], основанная на приближении Кирхгофа, в рассматриваемом диапазоне не дает правильного описания связи рассеяния с длиной волны и углом скольжения. На основе полученных данных была построена более точная векторная теория, в которой отраженная и рассеянная волны формируются в приповерхностном слое и зависят от диэлектрических констант граничащих сред [18].
С начала 1980-х годов, в ФИЛИ совместно с ИФМ РАН был выполнен большой объем исследований по созданию фокусирующих многослойных зеркал для солнечных ВУФ-тслсскопов, разработана технология их изготовления, методика испытаний и калибровок. В результате этой работы были изготовлены первые плоские и сферические фокусирующие зеркала на области 175 и 304 А для телескопа ТЕРЕК по проекту Фобос-1 (1988 г.) [19] , сферические зеркала на области 132, 175 и 304 А для телескопа ТЕРЕК-К спутника КОРОІІАС-И (1994) [20] и асферические (параболические) зеркала на области 175 и 304 А дзя телескопа СПИРИТ Т2 спутника КОРОНАС-Ф (2001-2005 г.) [21]. За рубежом первые телескопы этого типа были созданы значительно позже: телескоп Е1Т на КА SOHO (Европейское космическое агентство - НАСА) был запущен в 1995 г. [22], телескоп TRACE (НАСА)-в 1998г. [23].
В процессе создания солнечных ВУФ-телескопов по программе КОРОНАС были решены вопросы выбора тина оптических систем и рабочих спектральных диапазонов, оптимальных для решения поставленных научных задач. Параллельно с созданием оптики были также разработаны детекторы изображений, спектральные фильтры, бортовые электронные системы регистрации и управления, построены наблюдательные программы и алгоритмы обработки информации. Наблюдения Солнца, проведенные с помощью ВУФ-телсскопов на спутниках КОРОНАС-И и КОРОН АС-Ф показали их эффективность, правильность заложенных в конструкцию решений [24]. Полученный опыт, технология изготовления оптики и методика фотометрического анализа солнечных изображений были использованы в ФИАНе при создании солнечного телескопа ТЕСИС для спутника КОРОН AC-Фотон, работавшего на орбите с января по ноябрь 2009 г. [25], а также
9
бельгийского телескопа SWAP па европейском спутнике PROBA 2 [26, 27], запущенного в ноябре 2009 г.
Весьма актуальным вопросом является точность и надежность фотометрического анализа данных, получаемых с бортовых телескопов в течение длительного срока их эксплуатации. Конструкция прибора и его основные компоненты должны иметь необходимый ресурс работы и быть устойчивыми к воздействию факторов космического полета: колебаниям температуры, космической радиации, остаточному вакууму КЛ, содержащему пары летучих компонентов, «космическому мусору» и т.д. Поскольку полностью учесть до полета воздействие всех как предполагаемых, так и заранее неизвестных факторов не представляется возможным, весьма важным является вопрос о проверке характеристик прибора в течение эксперимента, выявлении и компенсации погрешностей в наблюдательных данных, связанных с длительным воздействием факторов космоса. Одним из наиболее эффективных способов поддержания необходимой точности фотометрических данных в течение длительного полета является взаимная калибровка данного телескопа с аналогичными приборами на других КЛ [28, 29].
Для извлечения из данных наблюдений полезной физической информации о процессах, происходящих на Солнце, должны быть разработаны методы предварительной обработки, включающие учет инструментальных характеристик прибора и условий наблюдений, например, учет поглощения излучения Солнца атмосферой Земли при наблюдениях на частично затемняемых участках околоземных орбит. Фотометрические методы обработки данных, основанные на анализе пространственно-временных соотношений в излучении различных солнечных структур, дают возможность выявить причинно-следственные связи между солнечными явлениями и установить их физическую природу, источники и особенности развития.
Благодаря рекордному угловому разрешению (до 0,5”), чувствительности и наличию спектральной селективности, рассматриваемые в настоящей работе солнечные ВУФ-телсскопы в настоящее время являются основными космическими инструментами, которые используются не только для фундаментальных исследований по физике Солнца, но и в практических целях для постоянного мониторинга солнечной активности и прогнозирования космической погоды. Об актуальности этого направления свидетельствует то, что с 1988 по 2009 г. всего в мире было запущено 10 космических аппаратов с телескопами и спектрометрами для исследований Солнца в ВУФ - диапазоне, в том числе, 4 комплекса аппаратуры с 6-ю приборами, которые были созданы в Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН (в феврале 2010 г. была запущена 11-я американская
обсерватория 800). За последние 20 лет солнечная внеатмосферная ВУФ-астрономия превратилась в важнейшее направление солнечной физики, давшее наиболее важные фундаментальные научные результаты и имеющее перспективы дальнейшего развития в будущем. С помощью приборов, созданных в ФИЛИ, был выполнен большой объем исследований Солнца и полностью подтверждена правильность выбора концепции и реализации солнечного космического ВУФ телескопа.
Объектом исследования в настоящей работе является солнечная корона, представляющая собой сложную магнитно-плазменную структуру, нагретую до температуры порядка миллиона градусов и выше. В короне происходит накопление энергии и массы вещества и их высвобождение в активных процессах - вспышках, эрупции, ускорении потоков заряженных частиц. Анализ излучения короны очень важен для установления физических механизмов активных процессов, их локализации и прогнозирования возможной геоэффективности. Структура и излучение короны изменяются в ходе циклов солнечной активности, и эти изменения связаны не только с локальными возмущениями, но и с эволюцией глобального магнитного поля Солнца.
Предметом исследования является ВУФ излучение солнечной короны, несущее информацию о происходящих в ней физических процессах. Фотометрический анализ изображений Солнца в различных спектральных интервалах ВУФ диапазона дает возможность определить температуру и плотность плазмы и идентифицировать как устойчивые долгоживущие солнечные структуры - активные области, корональные дыры, области спокойного Солнца, так и транзиентные явления - яркие точки, джсты, корональные выбросы, диммингн, корональные волны и т.д. Вариации излучения солнечной короны в ВУФ диапазоне отражают изменения солнечной активности. Корональные структуры, наблюдаемые в ВУФ-диапазоне, обусловлены структурой локальных магнитных полей. В отсутствие прямых методов измерения магнитного поля в короне, ВУФ изображения являются важным источником данных для магнито-гидродинамического моделирования процессов солнечной активности.
Целями настоящей работы явились: создание астрономической оптики вакуумного
11
В ходе работы были поставлены и решены следующие задачи:
- анализ актуальных научных задач исследований излучения солнечной короны и разработка концепции спектрально-чувствительного космического солнечного телескопа ВУФ диапазона;
- проведение экспериментальных исследований отражения и рассеяния мягкого рентгеновского и ВУФ излучения на зеркальных поверхностях, разработка технологии изготовления, методов и аппаратуры для аттестации свсрхгладких поверхностей, спектральных и изображающих свойств зеркал с многослойным покрытием;
выбор типа оптической системы и создание бортовых зеркальных солнечных телескопов ВУФ диапазона ТЕРЕК по проекту Фобос, ТЕРЕК-К по проекту' КОРОНАС-И и СПИРИТ по проекту' КОРОНАС-Ф;
- исследование стабильности фотометрических характеристик телескопов комплекса СПИРИТ при длительной эксплуатации в космосе, выявление и компенсация погрешностей, повышение надежности данных с использованием взаимной калибровки с ВУФ телескопом EIT на обсерватории SOHO;
проведение исследований ВУФ излучения солнечной короны на спутнике КОРОНАС-Ф, в том числе, вариаций потока излучения с изменением солнечной активности, динамики эруптивных явлений, а также исследований поглощения солнечного ВУФ излучения в верхней атмосфере Земли.
Временной интервал выполнения работы составляет более 30 лет (1980 - 2011).
Научная новизна
Впервые экспериментально обнаружено, что характеристики отражения и рассеяния мягкого рентгеновского и ВУФ-излучения на полированных поверхностях зеркал отличаются от выводов теории рассеяния, основанной на приближении Кирхгофа. Результаты измерений были использованы при построении точной волновой теории, в которой отраженная и рассеянная волны формируются в приповерхностном слое и зависят как от профиля поверхности раздела, так и от диэлектрических констант граничащих сред.
Впервые разработаны, изготовлены и применены в космическом эксперименте высокоэффективные оптические системы солнечных ВУФ телескопов на основе зеркал с многослойным покрытием, в том числе:
- система с двумя сферическими фокусирующими зеркалами и двумя парами дополнительных плоских зеркал, обладающая полем зрения до 5 градусов и
12
обеспечивающая возможность измерять поляризацию в двух перпендикулярных плоскостях (телескоп ТЕРЕК для КЛ Фобос-1, 1988 г.);
- 4-элементная система с тороидальными зеркалами, обладающая субсскундным угловым разрешением и позволяющая последовательно регистрировать изображение полного диска Солнца при ограниченном иоле зрения детектора (телескоп ТЕРЕК-К для спутника КОРОПАС-И, 1994 г.).
Разработана и реализована на практике методика взаимной калибровки солнечных ВУФ телескопов с аналогичными каналами регистрации на разных космических аппаратах, (телескопы КОРОНАС-Ф/СПИРИТ и 50Н0/Е1Т), позволяющая выявить погрешности измерений потоков ВУФ излучения, возникающие при длительном воздействии факторов космического полета и скомпенсировать их до точности начальных калибровок.
Разработан метод корреляционного анализа временных зависимостей потоков ВУФ излучения солнечной короны в границах удаленных крупномасштабных диммингов, возникающих в процессе эрупции, определена скорость распространения диммингов и их связь с глобальной структурой солнечного магнитного поля.
Впервые показано, что анализ профилей поглощения ВУФ излучения Солнца в атмосфере Земли, измеренных в каналах 175 и 304 Л с околоземных орбит на участках заходов в тень и выходов из тени, дает возможность выявить временные вариации плотности в верхней атмосфере на высотах от 200 до 450 км, в том числе, связанные с геомагнитными бурями.
Впервые предложен метод измерения профилей поглощения ВУФ излучения Солнца в атмосфере Земли по изображениям Солнца, получаемым орбитальными солнечными телескопами, что дает возможность получить разрешение профиля по высоте лучше 1 км.
Практическая значимость
Основные принципы технологии изготовления и контроля фокусирующих зеркал
нормального падения на сверхполированных подложках с многослойными покрытиями,
разработанные совместно с ИФМ РАН в рамках настоящей работы, используются при
%
изготовлении оптических элементов космических приборов (телескопов, спектрометров, фотометров), лабораторных приборов для диагностики горячей плазмы, а также проекционных систем ВУФ литографии.
Созданный в рамках настоящей работы базовый тип солнечного космического ВУФ телескопа является наиболее распространенным типом инструмента для внеатмосферных исследований Солнца и используется как для научных исследований, так и для мониторинга солнечной активности при прогнозировании космической погоды. Солнечные ВУФ
телескопы перспективны для мониторинга влияния солнечной активности на состояние верхней атмосферы Земли.
Уникальный массив данных, полученных с помощью ВУФ телескопов комплекса СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф в 2001-2005 г.г., а также разработанные методики фотометрической обработки солнечных изображений используются для фундаментальных исследований солнечных явлений, разработки методов прогнозирования солнечной активности, исследования солнечно-земных связей в ФИ АН, ИЗМИРАН, ИСЗФ СО РАН, ИНГ, а также в ряде европейских институтов (Католический Университет Лсйвсна, Бельгия; Университет Грац, Австрия; Королевская обсерватория Бельгии, Брюссель; Центр космических исследований Польской академии наук, Вроцлав, Польша и др.) в рамках проекта СОТЕРИЯ 7-й рамочной программы Европейской комиссии (2008-2011), целью которого являются разработка систем космического мониторинга и прогнозирование космической погоды.
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментально обнаружено, что зависимость от утла падения и длины волны интегрального рассеяния мягкого рентгеновского и ВУФ-излучения на зеркальных поверхностях не соответствует выводам теории, основанной на приближении Кирхгофа, но может быть объяснена волновой теорией, в которой отраженная и рассеянная волны формируются в приповерхностном слое отражателя.
Разработанный комплекс аппаратуры и методики исследования отражающих свойств фокусирующих зеркал ВУФ диапазона обеспечивает измерение шероховатости поверхности зеркал со среднеквадратической высотой профиля поверхности до 1 А, спектральной функции отражения многослойных покрытий в диапазоне 44-350 А с разрешением 1 А и углового разрешения изображающих зеркал ВУФ диапазона с разрешением до 0,2 угловой секунды.
Спектрально-селективные солнечные телескопы с многослойной отражающей оптикой нормального падения, работающие в диапазоне 130-350 А, построенные по однозеркальной схеме Гершсля и имеющие несколько каналов регистрации с шириной от 5 до 30 А, обеспечивают максимальную светосилу, угловое разрешение лучше 1 угловой секунды в поле зрения от 1 до 5° и минимальный фон рассеянного света при исследованиях плазмы солнечной короны с температурой от 20 тысяч до 20 миллионов градусов.
Методика взаимной калибровки близких по параметрам солнечных ВУФ телескопов по долговременным изменениям сигнала интегрального потока ВУФ излучения позволяет выявить погрешности фотометрических измерений, возникающие вследствие длительною
14
воздействия факторов космического полета, и скомпенсирован, их до уровня начальных предполетных абсолютных калибровок.
Анализ корреляции временных изменений ВУФ излучения в границах крупномасштабных корональных диммингов, возникающих на Солнце в ходе развития эруптивных процессов, даст возможность идентифицировать корональные структуры, участвующие в эрупции, и выявить глобальные связи магнитного поля в солнечной короне.
Измерения поглощения солнечного ВУФ излучения в верхней атмосфере Земли по изображениям Солнца, получаемым на околоземных орбитах с помощью космических телескопов в участках спектра 175 и 304 Л, дают возможность отслеживать вариации плотности атмосферы на высотах от 200 до 450 км и регистрировать возмущения, связанные с геомагнитными бурями, с разрешением по высоте лучше 1 км.
Личный вклад автора
Все изложенные в работе оригинальные результаты получены лично автором либо при его руководстве и непосредственном участии.
В совместных работах автором выполнены (цитирование по списку в Приложении):
- экспериментальные исследования отражения и рассеяния зеркал скользящего и нормального падения в рентгеновской и ВУФ области спектра [11, 15, 16, 85];
- разработаны методы испытаний изображающей зеркальной оптики в части контроля шероховатости, измерения спектральных характеристик и качества изображения [89-91];
- исследованы оптические схемы для построения изображений в МР и ВУФ областях спектра [92-94];
- разработаны основы технологии изготовления подложек зеркал, методы контроля и аттестации фокусирующих зеркал с многослойным покрытием для телескопов по программам Фобос-1, КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф [19-21, 86,95- 98, 100, 102, 110],
- созданы оптические системы ВУФ телескопов ТЕРЕК по программе Фобос-1, ТЕРЕК-К по программе КОРОНАС-И, СПИРИТ по программе КОРОНАС-Ф, проведены наблюдения Солнца этими телескопами [52, 53, 97, 103, 117-119, 122, 134, 137, 141, 142];
- исследованы фотометрические характеристики телескопов комплекса СПИРИТ и разработана методика коррекции данных измерений в полете спутника КОРОНАС-Ф [28, 48];
- с помощью телескопов комплекса СПИРИТ на борту спутника КОРОНАС-Ф в 2001 - 2005 г.г. получены ВУФ изображения Солнца и проведены исследования вариаций солнечного ВУФ излучения [ 24, 124, 143], эруптивных процессов в солнечной короче, в том числе, в период экстремально высокой солнечной активности (октябрь-ноябрь 2003 г.) [154,
15
159-165, 167, 169, 170, 174-177] и поглощения солнечного ВУФ излучения в верхней атмосфере Земли [181, 182, 184].
Общее научное руководство разработкой аппаратуры и планирование экспериментов ТЕРЕК (Фобос-1), ТЕРЕК-К/РЕС-К (КОРОНАС-И) и СПИРИТ (КОРОНЛС-Ф) осуществлялось И.А. Житником. В разработке, изготовлении аппаратуры и проведении наблюдений Солнца по этим проектам участвовали С.В. Кузин, А.А. Псрцов, А.П. Игнатьев, O.J1. Бугаенко, А.В. Митрофанов, С.А. Богачев, С.Н. Опарин, А.И. Степанов, А.Н.Афанасьсв, Д.В. Лисин.
Разработка технологии и изготовление фокусирующей оптики с многослойным покрытием для солнечных ВУФ-телескопов по проектам Фобос-1, КОРОПАС-И и Ф проводились совместно с Н.Н. Салащснко, С.Ю.Зуевым, С.А. Гусевым, Б.А. Грибковым, И.Л. Струлсй, Е.А. Андреевым.
Анализ данных измерений шероховатостей зеркал методом полного интегрального рассеяния проводился совместно с А.В.Виноградовым, И.В.Кожевниковым, В.И. Микеровым, И.А. Брытовым и А.Я. Грудским.
Испытания многослойных зеркал на установке ИКАР были проведены при участии Е.А. Рагозина, Н.Н. Колачевского, М.М. Митропольского и Н.К. Суходрсв.
Апробации работы
Основные результаты работы, приведенные в диссертации, были доложены на 16 российских и 14 международных конференциях:
Всесоюзной конференции ВУФ-89, Иркутск (1989); 10th Conference on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics, Paris (1992); SPIE Conference on Laser Physics, №2012 (1993); 4th International conference on X-ray microscopy, Chernogolovka (1993); SPIE Conference “Advances in Multilayer and Grazing Incidence X-Ray/EUV/FUV Optics”, №2279 (1994); Симпозиуме "Прикладная оптика-94", С.Пб (1994); Всероссийской конференции по физике Солнца. Москва, МГУ (1994); Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротрон но го излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, Дубна, (1997); Симпозиуме по солнечно-земной физике России и стран СНГ, Москва, (1998); Симпозиуме «Рентгеновская оптика», Н. Новгород, ИФМ РАН (1999, 2002); 10th European Solar Physics Meeting «Solar variability: from core to outer frontiers», Prague, Czech Rcspublic (2002); Всероссийской конференции «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности», Н.Новгород (2003); ISCS Symposium “Solar Variability as an input to the Earth’s Environment”, Tatranska Lomnica, Slovakia (2003); International Symposium on Solar Extreme Events of 2003 “Solar Extreme Events of 2003: Fundamental Science and Applied Aspects”,
16
Moscow (2004); Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 «Горизонты Вселенной». МГУ, Москва (2004); 1AU Symposium 223 “Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity”, SPb (2004); IAU Symposium 226 “CORONAL AND STELLAR MASS EJECTIONS”, Beijing, China (2004); Conference SPM-11 “The Dynamic Sun: Challenges for Theory and Observations”, Leuven, Belgium (2005); IAU Symposium 233 “Solar Activity and its Magnetic Origin”, Cairo, Egypt (2006); Конференциях «Физика плазмы в солнечной системе», ИКИ РАН, Москва (2007, 2008); SOHO 20 Solar Conference, Leuven Belgium (2007); 10th Asian-Pacific Regional IAU Meeting APRIM-2008, Kunming, China (2008); Симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника», ИФМ РАН, Нижний Новгород, (2005, 2006, 2010, 2011)), Xth Astrophysical Colloquium “the Active Sun”, Hvar, Croatia (2010); European Geophysical Union 2011, Wien, Austria.
Публикации по теме работы.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 63 печатных работах и трудах конференций, из которых 32 соответствуют списку ВАК. Публикации автора по теме диссертации отмечены в списке литературы жирным шрифтом.
17
Глава 1. Излучение Солнца в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра и задачи ВУФ-астрономии
§1.1. Исследования рентгеновского и ВУФ-излуменяя Солнца
Систематические исследования солнечной активности, которые привели к развитию современной солнечной рентгеновской и ВУФ-астрономии, были начаты в середине 19-го века. 1 сентября 1859 г. английский астроном Ричард Кэррингтон (Richard Christopher Carrington) наблюдал и описал одну из мощнейших солнечных вспышек за всю историю солнечных наблюдений [30] (рис. 1.1). Во 2-й половине 19-го века началось регулярное фотографирование солнечной короны в видимом диапазоне во время затмений. В частности, во время полного солнечного затмения в солнечной короне наблюдалось явление, которое позже получило название «коронального выброса массы» (КВМ) [31J (рис. 1.2.). В 1869 г. Чарльз Юнг и Вильям Хакнесс (Charles Augustinus Young and William Harkness) исследовали спектр короны во время затмения и обнаружили яркую линию около 5300 А, которую они приписали еще не открытому элементу, излучающемуся только в короне и поэтому названному «коронием». Правильное объяснение этим результатам было дано значительно позже, в 1942 г., Б. Эдленом, определившим на основании детального теоретического анализа спектров ионов, что данная линия является запрещенной линией иона FcXlV 5303 А [32]. Наличие ионов железа такой кратности свидетельствует о том, что температура корональной плазмы должна быть порядка 1 млн. градусов (1 МК). При такой температуре максимум излучения плазмы соответствует длинам волн короче 1000 А, т.с. рентгеновскому и вакуумному ультрафиолетовому диапазону (ВУФ).
Поскольку наблюдениям коротковолнового излучения Солнца короче 3000 А с поверхности Земли препятствует поглощение в атмосфере, исследования в этом важнейшем диапазоне спектра начались только в начале 1950-х годов с появлением возможности вывода приборов за пределы атмосферы с помощью ракет. Первые изображения Солнца в рентгеновском диапазоне были получены с использованием камсры-обскуры в ракетном эксперименте [33], проведенном в апреле 1960 г. (рис. 1.3). В сочетании с полученными в этот же период данными о спектрах излучения в диапазоне от линии Lya 1216 А до жесткого рентгена с X - 0.1 А, изображения показали, что поток коротковолнового излучения Солнца испытывает быстрые изменения, он неравномерно распределен но солнечному диску, и большая часть потока исходит из локализованных областей вспышек,
Рис. 1.1. Рисунок солнечной вспышки 1 сентября 1859 г. выполненный Р. Кэррингтоном
Рис. 1.2. Первое наблюдение коронального выброса массы во время полного солнечного
затмения 1860 г. [30]
19
участков активных областей, а также из небольшого слоя солнечной атмосферы над оптическим лимбом [34].
Первое изображение Солнца в рентгеновском диапазоне с использованием телескопа скользящего падения, установленного на ракете, было получено в 1963 г. [35]. Применение изображающей оптики дало возможность существенно повысить чувствительность измерений и получить фотографии Солнца в диапазоне короче 20 Л с разрешением в Г. Исследования солнечного рентгеновского и ВУФ - излучения продолжились на спутнике OSO-4 (1967-68) [36] и OSO-7 (1971-74) [37]. На космической обсерватории Skylab (1973-74) работали 3 изображающих инструмента рассматриваемого диапазона с фотографической регистрацией: дифракционный спектрогелиограф нормального падения S-082A на область 170-630 Л [38] и два рентгеновских телескопа скользящего падения - S-054 (0.2 - 6 КэВ) [39] и S-056 (0.4-2 КэВ) [40]. Спектрогелиограф ВУФ - диапазона S-082A впервые получил высококачественные фотографии полного диска Солнца в монохроматических спектральных линиях с разрешением порядка 2" (рис. 1.4), однако изображения диска в разных спектральных линиях, находящихся в пределах области дисперсии 25 Ä, частично накладывались друг на друга.
Наблюдения Солнца на обсерватории Skylab в рентгеновском и ВУФ - диапазонах спектра с достаточно высоким угловым разрешением показали наличие в солнечной короне структурных элементов различных пространственных масштабов, которые в значительной степени определяются особенностями магнитного ноля и процессами иересоединения [41]. Помимо пространственных масштабов, структурные элементы короны различаются величиной и временными вариациями яркости в разных длинах волн. В глобальном масштабе (сотни тысяч км) наблюдаются квазистацнонарные структуры - области спокойного Солнца, активные области, корональные дыры, гигантские протуберанцы, которые существуют от нескольких суток до нескольких солнечных оборотов. В меньших пространственных масштабах (десятки тысяч км и менее) наблюдаются как длительно существующие структуры - корональные петли, волокна, так и многочисленные корональные транзиенты - вспышки, джеты, яркие точки, димминги (транзиентные корональные дыры). В пределе доступного пространственного разрешения (десятки - сотни км) практически у всех солнечных объектов проявляется тонкая структура. Динамика активной короны проявляется в виде значительных изменений яркости (вспышки, возникновение и исчезновение корональных петель) и пространственных движений (эрупция протуберанцев, корональные выбросы массы, джеты и другие транзиенты). Эти изменения связывают с процессами бысгрого выделения
20
SOI AR X'RAY PHOTOGRAPH NRL. APRIL 19. I960
Рис. 1.3. Первые фотографии Солнца в рентгеновском диапазоне, полученные в ракетных наблюдениях: (а) в 1960 г. с помощью камеры-обскуры; (б) в 1965 г. с помощью
телескопа скользящего падения [32].
Рис. 1.4. Фотографии Солнца, полученные на станции Skylab: (а) рентгеновским телескопом S-056 в диапазоне 6 - 49 Ä1; (б) ВУФ-гелиографом S-082A в линии Hell 304 Ä.
http://spaccscicncc.spaceref.com/ssI/pad/solar/skylab.htm