ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................................................
1. Диагностика параметров вспышечной плазмы на основе спектральных наблюдений .............................
1.1. Общая динамика и двухкомпонентный состав излучения в импульсной фазе солнечных микроволновых всплесков .................................................
1.2. Наблюдения узкополосной компоненты излучения на импульсной фазе микроволнового всплеска и на фазе предвестника..........................................
1.3. О диагностике параметров вспышечной плазмы по тонкой структуре микроволнового излучения ...............
1.3.1. Гироспнхротронное излучение ...............
1.3.2. Радиоизлучение плазменной турбулентности___
1.3.3. Выделение узкополосной компоненты в поляризованном излучении ................................
1.4. Оценка ряда параметров плазмы вспышечной петли по характеристикам радиоизлучения предвестников .........
1.5. Оценка ряда параметров вспышечной петли по совместным спектральным наблюдениям вспышек в радио- и рентгеновском диапазонах волн.........................
1.6. Выводы...........................................
ПРИЛОЖЕНИЕ к главе 1 ................................
5
15
17
29
37
43
43
48
52
56
63
65
2
2. Исследования предвестников микроволновых вспле-
сков как возможное направление в сверхкраткосрочном прогнозировании ....................................... 67
2.1. Спектрально-временные характеристики предвестников солнечных микроволновых всплесков ..................... 67
2.1.1. Наблюдения предвестников солнечных вспышек в радиодиапазоне ....................................... 67
2.1.2. Исследование спектрально-временных характеристик микроволновых предвестников в спектрографических наблюдениях.................................. 75
2.1.3. Исследование предвспЛесковых ситуаций по наблюдениям радиоизлучения Солнца в широком диапазоне длин волп................................... 82
100
102
104
111
120
122
127
131
2.2. Связь предвестников солнечных вспышек с СМЕ ........
2.2.1. Связь СМЕ с рентгеновскими предвестниками.....
2.2.2. Связь СМЕ с микроволновыми предвестниками_____
2.3. Интерпретация микроволновых предвестников излучением из горячей корональной петли .......................
2.4. Выводы..............................................
3. Возможности создания методики краткосрочного прогнозирования вспышек на основе радионаблюдений .........................................................
3.1. Наблюдательные факты и физические основы создания методики ................................................
3.2. Научно-методические основы прогнозирования геоэф-фективных солнечных вспышек по наблюдениям долгопериодных пульсаций радиоизлучения Солнца................
3.2.1. Исследование статистических характеристик распределений амплитуд долгопериодных пульсаций радиоизлучения в периоды “относительно спокойного” Солнца ......................................... 136
3.2.2. Исследование влияния слабой вспышечной активности на статистические характеристики распределений амплитуд долгопериодных пульсаций радиоизлучения Солнца................................... 141
3.2.3. Исследование статистической достоверности эффекта увеличения амплитуд долгопериодных пульсаций радиоизлучения Солнца перед протонными вспышками ....................................... 143
3.3. Алгоритм прогнозирования протонных вспышек и его
применение............................................. 147
3.4. Результаты экзаменационных испытаний и эффективность предлагаемой методики............................... 151
3.5. Выводы................................................ 158
Заключение .................................................... 160
Литература .................................................... 164
4
ВВЕДЕНИЕ
Солнце является постоянным объектом научных исследований. Это связано как с тем, что Солнце, как астрономический объект, — ближайшая к Земле звезда, так и с тем, что Солнце оказывает определяющее воздействие на многие околоземные и земные процессы. С описанием явлений на Солнце во многом связаны такие динамично развивающиеся области физики, как физика плазмы и магнитная гидродинамика, что стимулирует в настоящее время интерес исследователей к процессам на Солнце.
Исследования Солнца ведутся во всем спектре электромагнитных волы, но радиоизлучение занимает особое место, поскольку позволяет получать информацию из слоев солнечной атмосферы, зачастую недоступных другим методам наблюдений. Спектральные наблюдения радиоизлучения обладают тем свойством, что дают возможность изучать явления на Солнце, разнесенные пространственно по высоте в хромосфере и короне.
Кроме того, нужно заметить, что, поскольку энергия, выделяющаяся при радиоизлучении (около 102° эрг/сутки спокойным Солнцем без учета всплесков) существенно меньше потока излучения в видимой области спектра (порядка 1038 эрг/сутки), то ценность изучения радиоизлучения состоит не в оценке переносимой им энергии, а в возможности получения информации об условиях в источниках излучения и их динамике.
Для современного этапа исследований Солнца одним из характерных направлений является использование имеющихся экспериментальных данных для получения информации о процессах, происходящих в ат-мосфере Солнца, и физических параметрах областей излучения. Дальнейшее развитие исследований состоит в использовании полученных
5
результатов наблюдений и теории для восстановления пространственной и временной картины явлений на масштабах, составляющих всего несколько тысяч и менее километров. Это позволяет рассматривать солнечные структуры и протекающие в них процессы как естественную плазменную лабораторию с многообразием реализуемых в них условий. Поэтому возникает большой интерес к задачам диагностики физических параметров в различных солнечных структурах. Возможности диагностики физических условий в источниках различных компонент радиоизлучения рассмотрены во многих работах (см., например, монографии [1-6] и обзоры [7-9] и цитируемую там литературу). В то же время остаются актуальными вопросы геоэффективности происходящих на Солнце процессов п прогноз наиболее важных из них для обеспечения необходимых защитных мер на Земле и околоземном пространстве. Естественно, что наиболее перспективными являются физически обоснованные методы прогноза, то есть опирающиеся на понимание условий и физических процессов в различных структурах солнечной атмосферы. Эти актуальные вопросы и составили содержание данной работы.
Целью диссертационной работы является развитие методов диагностики и прогнозирования солнечных вспышек с использованием спектральных наблюдений радиоизлучения Солнца.
Научную новизну представленной работы характеризуют следующие положения.
- Обнаружена узкополосная (Д/ ~ 2 -г 3 ГГц) с положительным частотным дрейфом (г'др ~ 1 -г 2 ГГп/с) компонента излучения в микроволновых всплесках и на переднем фронте предвестника.
- Разработана система диагностики физических параметров вспы-шечиых петель, опирающаяся на спектральные микроволновые наблюдения и развитые в работе модельные представления.
- Показана устойчивость свойств предвспышечных явлений в радиодиапазоне и проведен анализ использования их в задачах диагно-
6
стики и прогнозирования солнечных вспышек и корональных выбросов массы (СМЕ).
- Разработана методика прогнозирования геоэффективных солнечных вспышек на основе эффекта возрастания амплитуды долгопериодных (Т ^ 20 мин) пульсаций радиоизлучения за 2-3 дня до вспышки.
Научное и практическое значение диссертации определяется следующими положениями.
Для понимания природы такого сложного явления как солнечная вспышка, необходимо накопление информации о физических условиях, происходящих в солнечной атмосфере, как во время самой вспышки, так и в предвспыпючные периоды. Задачи, рассмотренные в диссертации, являются вкладом в решение этой проблемы. В частности, но данным спорадического микроволнового излучения Солнца, имеющего характерные времена жизни порядка единиц и десятков секунд, определены параметры вспышечной петли; выявлены свойства и параметры предвспышечных явлений в радиодиапазоне; предложены и рассчитаны модели микроволнового излучения на предвспышечной стадии.
Исследования солнечно-земных связей показали определяющее влияние различных солнечных явлений на состояние среды Солнце-Земля, биосферу и сложные технические системы. Поэтому применение разработанных методов диагностики и прогнозирования солнечных вспышек, позволяющее, например, предусмотреть своевременную защиту экипажей космических кораблей, показывает практическую значимость рассмотренных в диссертации методов прогнозирования.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения ы приложения.
Во Введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируется цель работы, её научная значимость и кратко излагается содержание.
•Первая глава посвящена исследованию возможностей диагностики
физических параметров солнечной плазмы на основе спектральных наблюдений излучения Солнца в радио и рентгеновском диапазонах. Обсуждаются результаты наблюдений радиоизлучения Солнца с применением спектрографов последовательного анализа диапазона 8-12 ГГц с высоким угловым разрешением.
В разделе 1.1 проведен анализ поведения спектрального индекса радиоизлучения во всплесках, на основе которого обнаружен двухкомпонентный состав излучения. Характер изменения спектрального индекса в компонентах позволяет отпести первую из них к тепловому излучению вспышечной плазмы, а вторая может быть связана с излучением ускоренных во вспышке электронов. На основе решения самосогласованной задачи о выделении второй компоненты излучения и в предположении гиросинхротронного механизма излучения ускоренных на импульсной фазе электронов оценено их количество, хорошо согласующееся со значением, полученным по рентгеновским данным.
В разделе 1.2 описана методика выделения узкополосной компоненты радиоизлучения в микроволновом всплеске и на фазе предвестника, основанная на последовательном вычитании текущих спектров радиоизлучения. При анализе семи всплесков в четырех из них выделена узкополосная дрейфующая по частоте компонента с параметрами Д/ ~ ~ 2-=-3 ГГц и г/др ~ 1 Ч- 2 ГГц/с. Аналогичные результаты получены для узкополосной компоненты на предвестнике “ступенчатого” типа, когда при быстром времени нарастания регистрируется медленный спад или практически постоянный уровень излучения (континуум) вплоть до начала импульсной фазы всплеска.
В разделе 1.3 развита модель генерации узкополосной компоненты радиоизлучения на основе известной модели вспышечной магнитной петли с распространяющимися тепловыми фронтами и плазменного квазилинейного механизма генерации вблизи фронтов [10-13]. Получены соотношения, связывающие параметры узкополосного излучения со структурными параметрами петли. На основе результатов наблюдений узкополосной компоненты и выведенных соотношений проведены
8
оценки концентрации в области источника, поперечного размера области энерговыделения в петле, продольного масштаба неоднородности плазмы в области источника излучения. Предложена модель генерации микроволнового предвестника ступенчатого типа. Излучение обусловлено плазменной турбулентностью, вызванной малой высыпающейся порцией надтепловых электронов, продолжающих существовать в течение длительного времени в вершине корональной магнитной петли. Проведено сравнение эффективности генерации радиоизлучения в рамках предложенного плазменного и обычно применяемого гиросинхро-тронного механизма. Рассчитаны параметры обеих моделей для различных значений магнитного поля. Из приведенного анализа следует, что плазменный механизм излучения может рассматриваться как альтернативный для объяснения солнечного радиоизлучения, по крайней мере, до частот 10 ГГц. В соответствии с оценками плотность потока высыпающихся частиц с энергиями Е3 ~ ЗОкэВ составляет .]3 ~ ~ 101осм~2 с“1. Наблюдаемая частотная зависимость длительности “ступенчатых” всплесков служит подтверждением гипотезы о плазменном механизме излучения.
Предсказано появление узкополосной компоненты в наблюдениях поляризованного излучения на переднем фронте “ступеньки” на основании отличия в степенях поляризации узкополосной компоненты, имеющей пучковое происхождение, и континуума, связанного с излучением плазменной турбулентности вследствие развития конусной неустойчивости в области энерговыделения. Наличие такого излучения обнаружено с использованием предложенной в разделе 1.2 методики выделения узкополосного излучения.
В разделе 1.4 приведены оценки параметров плазмы вспышечной петли, полученные на основе предложенной в разделе 1.3 модели излучения и расчетов поляризации континуального излучения: величины магнитного поля в области источника излучения, а также ширины углового спектра плазменных волн, связанных с развитием конусной неустойчивости.
9
Раздел 1.5 посвящен анализу совместных спектральных наблюдений в радио и рентгеновском диапазонах излучения с высоким временным разрешением. Сопоставление временного хода интенсивностей и спектральных индексов радио и рентгеновского излучения мощной вспышки со сложной временной структурой (05.11.81 в 08Ь33Ш11Т) свидетельствует о различии механизмов радиоизлучения во время первого и второго максимумов.
В наиболее предпочтительной модели данного события (ловушка с высыпающимися частицами) оценено общее количество электронов в микроволновом источнике для первого максимума и магнитное поле.
В ПРИЛОЖЕНИИ к главе 1 описана автоматизированная система сбора и обработки данных, обеспечивающая обработку большого объема информации, полученной на спектрографах и использованной в проведенных исследованиях.
Вторая глава посвящена исследованию предвестников микроволновых всплесков.
В разделе 2.1 дано состояние проблемы по изучению предвспышеч-ных явлений, приводится их классификация и основные параметры, подтвержденные проведенными в работе исследованиями. Наблюдаемые характеристики предвестников являются отражением процессов, связанных с всплыванием новых магнитных потоков, их взаимодействием с существующей структурой активной области и, таким образом, проявлением новых источников радиоизлучения.
Проведен анализ данных наблюдений микроволновых предвестников, полученных на спектрографе 8-12 ГГц в экспериментах на РТ-22 КрАО. Показано, что не менее 30% всплесков средней интенсивности связаны с предвестниками типа ступенчатого подъема излучения. По экспериментальным данным рассмотрена динамика формы спектра предвестников и характеристики волновых движений, существующих в солнечной атмосфере на стадии излучения континуума предвестника. Из спектрально-корреляционного анализа показано, что такие волновые движения соответствуют распространению возмущения сверху-вниз
10
в атмосфере Солнца в периоды, предшествующие взрывной фазе.
В статистическое исследование предвестников вошли данные радиослужбы Солнца станции “Зименки” за более, чем два одиннадцатилетних цикла солнечной активности (1970-1994 гг.). Рассмотрено 195 двухчасовых интервалов, предшествующих мощным солнечным всплескам, которые разбиты на два массива, связанных и не связанных с протонными событиями.
Построены распределения числа предвестников в зависимости от времени их появления до начала импульсной фазы микроволновых всплесков. Показано, что протопным событиям соответствуют пред-вспышечные явления в более широком диапазоне длин волн — широкополосные предвестники. Наблюдается также существенное различие в среднем времени существования предвестников, составляющее 30 и более минут для протонных событий в 80% случаев и не превышающее 20-ти минут для непротонных событий в 75% случаев. При этом наблюдается зависимость времени существования предвестников от балла протокпостп.
Проведены статистические исследования зависимости характеристик предвестников от положения источника излучения на диске Солнца. Обнаружено снижение времени появления широкополосных предвестников для событий, происходящих близко к краю солнечного диска и за его лимбом — эффект “направленности” в излучении предвестников.
Проведенное исследование динамики спектров радиоизлучения, предшествующего протонным событиям, указывает на существенную зависимость вида спектра от типа предвестника 57^, 5).
В разделе 2.2 рассмотрена связь предвестников солнечных вспышек с коропальнымп транзиентами (СМЕ). Показано состояние современных исследований по данной проблеме, основанное на наблюдениях предвестников в рентгеновском диапазоне: существует пространственная и временная зависимость между источниками предвестников в мягком рентгеновском излучении и СМЕ. Проведено сопоставление времен ре-
11
гистрации первого микроволнового предвестника и времени регистрации СМЕ для 31 события за 1989 год. Показано, что среднее время опережения регистрации предвестников составляет 20-60 минут. При этом для высокоскоростных СМЕ, связанных с протонными событиями, это время уменьшается до 10-15 минут.
В разделе 2.3 приведена интерпретация микроволнового предвестника излучением из горячей корональної! петли. Рассмотрено влияние спирального магнитного поля на ожидаемую тонкую структуру микроволнового излучения. Проведены численные расчеты спектральных и поляризационных характеристик циклотронного излучения из тепловой магнитоактивной плазмы для различных углов а между лучом зрения и продольным магнитным полем (60° и 30°). Показано, что излучение на четвертой гармонике гирочастоты может давать заметный вклад в излучение горячих петель, в спиральном магнитном поле её излучение может быть превалирующим.
Третья глава гюсвящеыа исследованиям по созданию методики краткосрочного прогнозирования вспышек на основе наблюдений радиоизлучения Солнца. Обсуждается современное состояние проблемы создания методов краткосрочного прогнозирования геоэффективных явлений на Солнце. Впервые вопрос о возможности использования данных долгопериодных с Т £ 20 минут пульсаций солнечного радиоизлучения (дпр) для целей прогнозирования протонных вспышек на Солнце был поднят в работе [14], посвященной активным событиям августа 1972 года.
В разделе 3.1 изучены физические основы создания методики прогнозирования: на основе модельных представлении показана эффективность использования наблюдений дифференциальной спектральной характеристики потока микроволнового излучения Солнца (разность интенсивностей на двух близких частотах — наклон спектра.) для исследований ряда динамических процессов на Солнце.
В разделе 3.2 приведены научно-методические основы прогнозирования для эффективных солнечных вспышек по наблюдениям долго-
12
периодных пульсаций радиоизлучения Солнца. Дальнейшие исследования проведены на основе использования данных наблюдений на специально разработанном комплексе радиотелескопов трехсантиметрового диапазона, регистрирующем интенсивность и наклон спектра излучения [15]. При проведении исследований статистических характеристик распределении дпр рассматривались данные интервалов наблюдений 1978-1980гг., проводившихся на радиотелескопе РТ-2Ф в ГАС ГАО АН СССР.
Для создания алгоритма прогноза мощных солнечных вспышек определены основные исходные параметры: указан исходный уровень амплитуды дпр, доказана достоверность обнаруженного эффекта и задано пороговое значение амплитуды дпр. Возможность статистической обработки показана с помощью стандартных статистических методов анализа малых рядов. Установлено, что исходный уровень амплитуд не зависит от погодных условий и слабой всиышечной активности с 5-процентным уровнем значимости. Доказана статистическая достоверность факта увеличения амплитуды долгопериодных пульсаций радиоизлучения Солнца Ап перед протонной вспышкой и спад после нее с 10-процентным уровнем значимости.
В разделе 3.3 предлагается правило, позволяющее прогнозировать факт протонной вспышки по характеристикам дпр. Проведен анализ имеющихся наблюдений с использованием таблиц сопряженности. Показано, что предложенное прогностической правило имеет статистически значимое превышение оправдываемости над “слепым” прогнозом. Проведена проверка предложенной методики прогнозирования на данных долгопериодных пульсаций наклона спектра потока солпечпого радиоизлучения за 1977-1980 годы. Получено, что оправдываемость успешного прогноза протонной вспышки по дпр составляет около 80%, оправдываемость прогноза отсутствия протонной вспышки превышает 90%.
В Заключении перечислены основные результаты диссертации.
13
Диссертация выполнена в НИРФИ. Её результаты опубликованы в работах [21-24, 26, 31, 33, 42, 44, 47, 55, 59, 60, 87, 88, 106, 114, 115, 123-125, 129, 140, 162, 200, 201, 205, 206, 209] и обсуждались на семинарах НИРФИ, Рижской Астрофизической обсерватории (Латвия), радиоастрономической группы Института Астрономии ЕТН (Цюрих, Швейцария).
Материалы диссертации докладывались на симпозиумах и совещаниях КАПГ (Рига, 1982; Самарканд, 1989), Рижских школах по физике космической плазмы (1980; 1982; 1984), Всесоюзных конференциях по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы (Звенигород, 1984; Одесса, 1985; Симферополь, 1988; Пущино, 1993; II. Новгород, 1994), международных Волжских школах по физике космической плазмы (Н. Новгород, 1993; 1995; 1997), конференциях Сообщества европейских солнечных радиоастрономов (Утрехт, 1993; Потсдам, 1994; Эспу-Хедьсинки, 1998), Европейских конференциях по Солнечной физике (Катания, 1993; Салоники, 1996; Флоренция, 1999), Международной научной конференции “Структура и динамика солнечной короны”, посвященной памяти проф. Г.М.Никольского (Троицк, 1999), а также представлялись на ежегодных научных семинарах секции “Радиофизические исследования солнечной системы” научных советов РАН но проблемам “Радиоастрономия” и “Физика солнечно-земных связей” в период с 1981 по 1998 годы.
Основные результаты диссертации изложены в 31 работе: в 17 статьях, (из которых 14 опубликовано в отечественных и зарубежных рецензируемых научных журналах, 3 в сборниках трудов международных научных конференций), 2 препринтах НИРФИ и 12 аннотациях докладов на всесоюзных и международных конференциях.
Работа выполнена при частичной поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (грант N 97-02-17297) ы Федеральной научно-технической программы “Астрономия” (гранты 4-89 и 1.5.5.5).
14
1. ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ ВСПЫШЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Изучение спектрально-временных характеристик микроволнового излучения Солнца дает информацию о природе явлении в активных областях, происходящих на всех стадиях развития активности. Время жизни активной области варьируется от дней до нескольких недель. При этом магнитное поле, особенно на фазе своего роста, меняется на временных масштабах порядка нескольких часов. Эта эволюция магнитного потока играет важную роль в дестабилизации квазистатиче-ского магнитного поля в короне и соответствующем выделении энергии на временных масштабах от секунд до десятков секунд в форме солнечных вспышек. На рис. 1.1 показан показан адаптированный временной профиль из реальных наблюдений солнечной вспышки в сантиметровом радиоизлучении с отчетливой импульсной фазой и предвспышечными явлениями [69]
Исследование излучения на импульсной фазе вспышки позволяет проводить непосредственную диагностику плазмы в области энерговыделения, судить о механизмах вспышки (см., например, [16, 8]).
В данном разделе обсуждаются некоторые результаты таких исследований по наблюдениям солнечных всплесков в непрерывном частотном диапазоне на радиотелескопе РТ-22 Крымской астрофизической Обсерватории и возможности применения таких наблюдений для диагностики физических параметров вспышечной плазмы.
Используются результаты наблюдении радиоизлучения Солнца с применением спектрографов последовательного анализа диапазона 8 12 ГГц [113] (ноябрь 1981г.) и спектрографа-поляриметра того же диапазона [17] (октябрь 1983 г.). В наблюдениях регистрировались спектры радиоизлучения отдельных областей Солнца (угловое разрешение
15
TIME, mins
Рис. 1.1. Идеализированный временной профиль потока радиоизлучения вспышки. “О” — начало импульсной фазы [69j.
16
- Київ+380960830922