ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава I.
§ 1.1.
§ 1.2.
§ 1.3.
Глава П.
§ 2.1.1.
§ 2.1.2.
§ 2.1.3. § 2.1.4.
Наблвдения солнечной грануляции с высоким пространственным разрешением в период 1950-1970г.
Развитие методов и аппаратуры для наблвдения Солнца с высоким пространст венным разрешением
Результаты наблюдения неоднородностей фотосферы по прямым фотографиям солнечной поверхности Изучение флуктуаций скоростей и яркостей в солнечной фотосфере по спектрограммам и фильтрограммам
Используемая аппаратура и методы исследования тонкой структуры солнечной атмосферы Камера прямых снимков на горизонтальном солнечном телесколе(ГСТ) в Цулково
Выбор моментов хороших изображений анализатором качества (АК)
Выбор оптимальных фотоэмульсий Уменьшение влияния атмосферной дисперсии
§ 2.1.5. § 2.2.1.
§ 2.2.2. § 2.3.1.
§ 2.3.2.
§ 2.4.0. § 2.4.1. § 2.4.2.
Глава Ш.
§ 3.1.
§ 3.2.
§ 3.3.
§ 3.4.
- 3 -
Результаты наблюдений на ГСТ Советская стратосферная солнечная обсерватория (СССО)
Анализ стратосферных наблюдений Наземные наблюдения на стратосферном телескопе в 1969 г.
Основные особенности Астрономического наземного комплекса (АНК)
"Памир" и результаты наблюдений Фотометрическая обработка негативов Цифровой микрофотометр с ЭВМ Построение и ввод характеристическйй кривой
Результаты статистических исследований спокойной солнечной фотосферы Определение контраста грануляции Изменение контраста и поведение флуктуаций интенсивности с длинной волны
Зависимость контраста грануляции и распределения плотности вероятности флуктуаций и интенсивности от углового расстояния на диске Солнца Определение инструментального профиля по краю диска Солнца и " точечным" объектам
58
59 61
65
66 79 79
85
88
88
89
105
126
- 4 -
Глава 1У.
§ 4.1.
§ 4.2.
§ 4.3.
§ 4.4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Характер доведения лучевых скоростей и флуктуация яркости для тонкой структуры в фотосфере Содержания Дейтерия в спокойной солнечной фотосфере Исследование тонкой структуры поля яркости в фотосфере по спектральным линиям Ре! А 6Р69-2А и РеГ А 6Я£од
Поведение поля лучевых скоростей в фотосфере
Анализ поведения флуктуаций яркости и лучевых скоростей в фотосфере
138
138
141
153
173
181
183
-5-
ВВЕДЕНИЕ
Важной особенностью всех слоёв солнечной атмосферы является наблюдаемая неоднородность или структурность.
В последние 20 лет непрерывно повышается интерес к тонкой структуре солнечной атмосферы. Появилось много работ, посвященных изучению тонких неоднородностей в фотосфере, хромосфере и в активных образованиях.
Особое внимание исследователей привлекает тонкий слой солнечной атмосферы- фотосфера, которая излучает почти всю энергию из недр Солнца в пространство и является самым глубоким слоем, доступным непосредственным наблюдениям. Роль структурных элементов фотосферы в энергетическом балансе солнечной атмосферы подлежит выяснению. Исследование неясной до сих пор природы грануляции является путем к изучению физических процессов в более глубоких слоях, недоступных наблюдению, а с другой стороны необходимо для понимания структуры слоёв, лежащих над фотосферой. Исследование неоднородностей с размерами 0.5" и менее в фотосфере могут иметь значение для задач прогнозирования солнечных явлений. Путём накопления достоверных фактов можно приблизиться к пониманию физической природы грануляции. Для этого необходима надёжная информация по наблюдательному материалу высокого пространственного разрешения.
В связи с этим непрерывно усовершенствуются методы и инструменты для наблюдения солнечной грануляции.
Созданная в конце 60-х годов Советская стратосферная солнечная обсерватория (СССО) в результате четырёх полётов дала наблюдательный материал рекордного пространственного разрешения (~ 0.25"). Отличная калибоовка, соблюдение стандартных
- 6 -
условий обработки негативов дали возможность провести надёжную фотометрическую обработку.
В настоящем исследовании использованы материалы статосфар-ных наблюдений, дополненные наземными наблюдениями хорошего качества (^0.5" ), проведенными в Пулкове на горизонтальном солнечном телескопе (ГСТ) и на астрономическом наземном комплексе (АНК) "Памир".
Целью работы являлось экспериментальное исследование спектрофотометрических параметров тонкой структуры фотосферы Солнца на основе наблюдений с высоким пространственным разрешением (0.2"-0.5"); исследования флуктуаций яркостей в разных участках непрерывного спектра, их зависимости от углового расстояния от центра диска, а также флуктуаций яркостей и дуче-вых скоростей в зависимости от высоты в фотосфере.
По уникальному материалу установлен с большой надёжностью ряд новых фактов таких, как асимметричный бимодальный характер распределения флуктуаций интенсивности, существенно отличающийся от гауссова; монотонное уменьшение контраста грануляции ( К = д1'ггю5) с увеличением углового расстояния от центра Солнца / 39/ и с увеличением длины волны /38/; однородность лучевых скоростей по высоте в пределах от 50 км до 250 км/90/ при большой неоднородности на тех же высотах флуктуаций яркостей, гранулярных структур в фотосфере Солнца.
Эти факты отличались от полученных ранее другими авторами / 5,6,34,45,52,54,82,86/ и противоречили установившейся концепции о природе грануляции, однако они в настоящее время нашли подтверждение в других работах / 99,101/
Результаты исследования уникальных прямых фотографий и спектрограмм важны для понимания физических процессов в
- 7-
солнечной фотосфере, их прогнозирования и построения моделей фотосферы. Ряд фантов уже применен исследователями для эмпирических моделей /95,96/.
Полученные факты очень важны и указывают на более сложную внутреннюю физическую структуру фотосферы и не менее сложную взаимозависимость между лучевыми скоростями и флуктуациями яркости; это является основанием для пересмотра существующих моделей фотосферы, основанных на концепции проникающей конвекции.
Содержание работы.
Введение раскрывает важность изучения тонкой структуры солнечной фотосферы, актуальность, цель, практическое значение и краткое содержание работы, а также вклад автора в наблюдения и исследования.
В первой главе рассмотрено состояние проблемы к 1970г., к началу нового этапа наших наблюдений, положенных в основу настоящей работы. Даётся краткий обзор опубликованных результатов и наблюдений. Отмечено, что для получения достоверных фактов наблюдательный материал должен быть получен не только с высоким пространственным разрешением, но и с надёжной калибровкой для фотометрической обработки.
Отличные фотографии грануляции, полученные на "Страто-скопе-1" с пространственным разрешением порядка 0.4", послужили источником многих исследований ( Шварцшильд, Эдмондс, Уилсон и др.), но анализ результатов этих работ показал, что наблюдательный материал калиброван неудовлетворительно, и это поставило под сомнение полученные выводы.
- 8-
Втовая глава посвящена наблюдательной и измерительной аппаратуре. Дано краткое описание увеличительной системы, собранной на ГСТ в Пулкове для разработки методов и исследования аппаратуры для стратосферных и наземных наблюдений с высоким разрешением. Система работала одновременно на двух
. О о
камерах прямых снимков в длинах волн А 4650 А и Д 6000 А. Пространственный масштаб изображения Солнца на кадре Г'=0.55мм. Выделение нужной области спектра осуществлялось сочетанием спектральной чувствительности пленок и цветных фильтров. При этом сужались полосы пропускания системы в "синей" области
О О
до 400 А, а в "красной" до 800 А, это существенно уменьшало атмосферную дисперсию. Впервые был применен анализатор качества (АК). В результате получено большое число кадров, из которых около 30 имеют высокое качество (0.5") изображения грануляции, сравнимое с полученным на "Стратоскопе-1".
Дано краткое описание Советской стратосферной солнечной обсерватории, поднимавшейся на высоту 20.5 км, на которой одновременно получались прямые снимки Солнца, спектрограммы и фотогелиограммы. Диаметр телескопа в 3-ем полёте был 50 см, а в четвёртом -100 см. В результате за 2 последние полёта СССО получено 300 отличных прямых фотографий Солнца, которые по разрешению (0.24") превосходят все лучшие наземные и стратосферные снимки, и около 100 спектрограмм хорошего качества, причем на лучших из них достигается высокое пространственное (0.5"-1.0") и спектральное разрешение.
Отличное качество стратосферного телескопа проявилось во время наблюдений при наземных испытаниях аппаратуры. На лучших кадрах разрешение мелких деталей оказалось удовлетво-
- 9 -
рителъным и близким к теоретическому (0.24").
Затем был создан Астрономический наземный комплекс "Памир", подобный по конструкции стратосферному и приспособленный для работы в высокогорном районе Памира. Телескоп диаметром 50 см устанавливается на высоте 6.6 м над поверхностью земли.За 2.5 месяца наблюдений в 1978г. получено 26 прямых снимков солнечной фотосферы, на которых достигается предельное угловое разрешение, но качество изображения на них неоднородно. Спектрограмм хорошего пространственного разрешения получено 15, из них четыре не уступают по качеству стратосферным.
Для фотометрической обработки уникального наблюдательного материала был создан на базе МФ-2 цифровой микрофотометр ЦМФ в интенсивностях с выходом для дальнейших расчётов на ЭВМ.
В третьей главе проводится статистический анализ данных фотометрической обработки наблюдательного материала. Отмечается, что среднеквадратичная величина амплитуды флуктуаций интенсивности поля грануляции, названная контрастом, является важной объективной характеристикой не только для оценки качества снимка, но и для измерений амплитуды флуктуаций интенсивности на разных уровнях в фотосфере. Определены зависимость контраста от длины волны и от углового расстояния от центра Солнца. Показано по стратосферным и памирским спектрограммам, что контраст грануляции уменьшается с увеличением длины волны от Я 3900 А до А 6600 А примерно в 1.5 раза, тогда как картины грануляции в разных областях спектра подобны, и даже между флуктуациями интенсив-
- 10 -
. о
ности в областях^очень удаленных друг от друга, в л 3900 А
. О
и А6600 А,коэффициент корреляции£ц= 0.90. По наземным пулковским прямым снимкам фотосферы, полученным одновременно в областях А 4650 А и АбООО А, также не обнаружены различающиеся детали ни в центре диска, ни на краю, ни в полутени пятен/38/.
Полученное монотонное уменьшение величины контраста от центра к краю диска Солнца К (©) /39/ существенно отличается от результата Эдмондса, который лёг в основу ряда моделей ( Эдмондс, Уилсон, Турон) / 45,51-55/ солнечной атмосферы. Позже наш результат получил независимое подтверждение и использован в моделях ( Альтрок, Мусман, Нельсон, Шмидт и др.)
/ 95, 96,98,101/. По лучшим кадрам распределение плотности вероятности флуктуаций интенсивности в центре диска Солнца асимметрично и бимодально, т.е. существенно отличается от нормального закона. Смещение вершины кривой получилось больше чем в предыдущих исследованиях /45/. Центр тяжести распределения приходится на д1 = -4.5/, а заметная дйпрессия на л 1=+ 3/ придает кривой бимодальный двугорбый:.: вид. Бимодальная форма кривой плотности вероятности соответствует только отличным кадрам с наблюдённой величиной контраста К * 8/. Кривые распределения строились для разных 9, и вычислялись также их центральные моменты. У края диска Солнца форш распределения становится близкой к нормальной, возможно, это связано с уменьшением размеров гранулярных структур и с возрастанием роли погрешностей, сглаживающих истинное распределение.
Дано описание фотометрической обработки края диска Солнца. По стратосферным снимкам построен наблюденный про-
- II -
филь края. Из профиля края и анализа мелких "точечных" деталей в фотосфере и в ядрах пятен получен инструментальный контур стратосферного телескопа. У него оказалось очень узкое ядро, отсвда реальная разрешающая сила по Рэлею практически совпадает с теоретической 0.24", но наряду с этим инструментальный контур имеет очень протяженные крылья шириной около 2", поэтому исправление за инструментальное искажение приводит к повышению контраста грануляции в 3.3 раза для лучших стратосферных снимков.
На стратосферных снимках грануляция видна на самом краю диска. Особенно интересно, что несмотря на уменьшение к краю диска Солнца, контраст на "краю" (ЭД= 0.30) и даже над краем О/?е~0.26) достаточно велик ( КЛ'2$), а исправление за инструментальное искажение повышает его до 7-10$. Нет заметной разницы значений контрастов в точках на краю с градиентом 120$ на I" и на расстоянии в 2" от края 3/% =0.64, где градиент на порядок меньше. Это говорит об отсутствии "изгибов" края. Вблизи края видны яркие круглые по форле полярные факельные гранулы размером меньше 0.5", которые отличаются от обычных гранул края очень большим перепадом яркости д 7= 7 ф^ед - У фон» которому соответствует
перепад яркостей температуры Т ^ 900°К. Подобно факельным полярным гранулам в ядрах пятен имеются яркие точечные образования (менее 0.5") с ещё большим перепадом яркости/127/.
В первом параграфе четвертой главы приводятся результаты исследования по спектрограммам СССО (третьего и четвертого полетов) относительного содержания дейтерия в " спокой-ной" фотосфере. Получено, что ъ/н 10 , т.е. существенно
- 12 -
меньше, чем в земной атмосфере ( ^1.5.10 ). /129/.
Во втором параграфе по стратосферной спектрограмме в результате исследования флуктуаций интенсивностей в линиях
О О
РвГ к 6569 А и РеГЛ6575 А получено, что контрасты флуктуаций интенсивностей в обоих крыльях лилий одинаково выше контраста в непрерывном спектре, но коэффициент корреляции между флуктуациями интенсивности в непрерывном спектре и в синем'крыле линии близок к нулю, в то время как флуктуации интенсивности "красного1'крыла и непрерывного спектра имеют практически стопроцентную корреляцию /89/. Эти факты опровергали результаты исследования проведенные по фильтрограммам /82-87/ и ставили под сомнение вывод о стопроцентной корреляции между лучевыми скоростями и флуктуациями яркости.
В третьем и четвертом параграфах проведен анализ поведения лучевых скоростей и флуктуаций яркостей по лучшим памирской и стратосферной спектрограммам. По выбранному ряду линии, поглощение в которых соответствует разным высотам в фотосфере выявилась однородность по высоте лучевых скоростей, имеющих вид вертикальных колонок в фотосфере /89/. В то же время флуктуации яркости на высоте уже в 100 км существенно отличаются от флуктуаций в непрерывном спектре, а для магнитных линий флуктуации отличаются уже на расстоянии 150 км от непрерывного спектра.
Пространственные размеры структур лучевых скоростей и флуктуаций яркостей одинаковы.
Среднеквадратичные величины флуктуаций яркости и лучевых скоростей практически постоянны по всей высоте в фотосфере.
- 13 -
Различный характер поведения по высоте в фотосфере полей лучевых скоростей и флуктуаций яркости говорит о более сложной взаимосвязи между ними, чем предполагается в существующих моделях, основанных на теории проникающей конвекции .
В заключении работы приводятся основные выводы.
Из анализа результатов можно вывести, что поле яркостей в фотосфере хотя и можно рассматривать как случайный стационарный процесс, но оно имеет сложную структуру и не подчиняется нормальному закону.
Поле яркостей очень неоднородно по высоте и состоит из структур с наклонными границами. Однородность поля лучевых скоростей по высоте и малая линейная зависимость их с полем яркости говорит о более сложной связи между ними.
Полученные результаты могут быть использованы для построения эмпирической модели солнечной фотосферы.
На защиту выносится:
1. Результат статистического исследования амплитуды флуктуаций яркости. Обнаружение ярко выраженной асимметрии (бимодальности) кривой распределения плотности вероятности флуктуаций яркости.
2. Определение величины контраста флуктуаций яркости.
Вывод о монотонном уменьшении контраста грануляции:
- от центра диска Солнца к краю;
- с увеличением длины волны в видимой части спектра.
3. Обнаруженная:
- неизменность среднеквадратичной величины флуктуаций яркостей и лучевых скоростей почти по всей высоте в фотосфере;
- 14 -
- однородность поведения лучевых скоростей в фотосфере в интервале высот Ь = 50 * 260 км;
- неоднородность флуктуаций яркостей в пределах высот менее 100 км, объясняющаяся наличием наклонных границ у яркостных стуктур.
4. Оценка содержания дейтерия в "спокойной" фотосфере
СЙ /Н 10"5 ).
Диссертация содержит 136 страниц машинописного текста,
16 таблиц, 33 рисунка и 10 фотографий. Список используемой литературы насчитывает 146 наименований. Основные результаты опубликованы в 9 работах.
Вклад автора в исследования.
Автор принимала участие в наблюдениях на ССС0 при наземных исследованиях аппаратуры, в анализе полученного материала всех полётов ССС0; наблюдала на АНК "Памир";6 автором собрана увеличительная система и получены прямые фотографии грануляции на ГСТ в Пулкове; автор принимала участие в создании, отладке и исследовании ЦШ>.
В совместных печатных работах автору принадлежит фотометрическая обработка, расчеты, составление алгоритмов и ряда программ для вычисления на ЭВМ "МИР-1" и УВК СМ-3. Дискуссия результатов проводилась совместно. В работе /140/ автору принадлежат наблюдательный материал и фотометрическая обработка.
- 15 -
ГЛАВА I
НАБЛЮДЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ГРАНУЛЯЦИИ С ВЫСОКИМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В ПЕРИОД 1950-1970 гг.
1.1. Развитие методов и аппаратуры для наблюдения о высоким про стране твенным разрешением.
За последние двадцать лет резко возрос интерес к исследованию тонкой структуры атмосферы Солнца. Важность исследования тонкой структуры фотосферы и ее изменение со временем для понимания процессов происходящих в фотосфере и для интерпретации многих явлений в активных областях Солнца отмечалось в / I /. Особая роль фотосферных структур с размерами 1,0"-0,1" в переносе энергии из недр в корону и межпланетное пространство подчеркивалась в / 2 /.
Первые хорошие ( с разрешением 1"-2") фотографии тонкой структуры фотосферы (грануляции) были получены в конце 19-го и в начале 20-го столетия Жансеном /1877/ в Медоне, А.П.Ганским/1905/ в Пулкове и Шевалье /1908/ в осерваторш Цо-Зе.
Эти фотографии почти пятьдесят лет оставались непревзойден-яыми.
Для выяснения формы, размера гранул, величины флуктуаций их интенсивности, изменения этих величин не диску Солнца от центра к краю и со временем требовалась последовательность фотографий грануляции с высоким разрешением. В 50-ые- 60-ые годы отличными считались кадры с разрешением в 1"-2". В наземных условиях на существовавших телескопах получить фотографии, а тем более спектрограммы хорошего качества было очень сложно и требовало большого искусства наблюдателя. Трудность этой
- 16 -
задачи заключается в особенности дневных наблюдений. В искажения изображения Солнца ( размытость, вытяцутость) основной вклад вносят, во-первых, тепловые потоки от нагретых Солнцем деталей телескопа, во-вторых, температурные неоднородности внутри башни или помещения ( в случае горизонтального телескопа), в-третьих, атмосферные неоднородности на разных высотах.
Для устранения первой причины наблюдателя (Бернар Лио, а затем Рёш) на Пик да Мида применяли диафрагму с водяным охлаждением в фокальной плоскости. Кроме того, они использовали также кинематографию, чтобы из большого числа кадров можно было бы выбрать несколько хороших. Таким образом Рёш в 1957 году получил несколько отдельных кадров удовлвтворительного качества
/ 1.5"/.
В Пулкове с 1954 года грануляцию фотографировали на горизонтальном солнечном телескопе (ГСТ) в кассегреновском фокусе. Гранулы на полученных снимках были хотя и резкие, но все же вытянутые из-за воздушных линз и атмосферной дисперсии / 3 /. Применение кинематографии на ГСТ в Пулкове / 4 / показало, что всплески хорошего качества очень редки и кратковременны. В связи с £тим надо заметить, что попытка использовать фотоэлектрический метод для тонкой структуры с довольно медленной записью разрезов вдоль участка изображения поверхности Солнца не оправдала себя / 5 /, так как изменение качества изображения происходит быстрее записи разреза. Серии разрезов, записанных последовательно на одном и том же участке, не будут отражать истинную картину поведения грануляции. Впоследствии подобный фотоэлектрический метод применялся только для крупномасштабных образований солнечной атмосферы / 6 /, для которых достаточно низкого
- 17 -
пространственного разрешения.
Традиционным башенным и горизонтальным солнечным телескопам с их длинными оптическими путями присущи тепловые потоки внутри телескопа, искажающие изображения. Для таких телескопов условия наблюдения с хорошим разрешением / 1"-2п/ бывают только в утренние часы, когда телескоп еще не успел нагреться. Кролю того, при фотографировании грануляции часто приходилось существенно уменьшать апертуру телескопа диафрагмой ( Маунт Вилсон до 10 см.). Наш опыт наблюдения на ГСТ в Пулково это подтверждает ( также уменьшали отверстие телескопа до 24-15см). Раньше чаще всего крупные солнечные телескопы ставились в местах удобных для строительствами почти не проводились исследования по изучению " солнечного астроклимата" с целью определения возможности получения фотографий с высоким пространственным разрешением. Исключением является только солнечная обсерватория Маунт-Вилсон, построенная после тщательного исследования Хэлом качества изображения Солнца. Первые спек^бграммы
с хорошим / 2" / пространственным разрешением, с явно выра-ть
женными доплеровскими сдвигами были получены на Маунт Вилсон (Ричардсон и Шварвдшльд в 1950 г.) / 7 /.
Благодаря накопленному опыту многие наблюдатели начали понимать, что получение фотографий солнечной грануляции с высоким разрешением меньше <■« I" потребует особых условий для расположения солнечного телескопа. Стало очевидным, что большое число ясных солнечных дней в году не самое главное условие.
В конце 50-60-х годов появляются первые наземные солнечные инструменты, созданные специально для систематических наблюдений с высоким пространственным разрешением. В 1957 году
- Київ+380960830922