30 Апр

ИЗУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ УНИВЕРСАЛЬНОГО СПЕКТРОФОТОМЕТРА НА КРЫМСКОЙ АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ (КОНЕЦ 90-Х ГГ. XX СТ.−НАЧАЛО XXI СТ.)




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Развивающаяся быстрыми темпами космическая и астрономическая науки спустя 40 лет с момента активного взаимодействия и развития имеют недостаточно изученные области. Одной из таковых в начале XXI века являлась внеатмосферная солнечная астрономия. Для исследования фундаментальных физических процессов, происходящих в солнечной атмосфере, применялся количественный анализ структур, наблюдаемых с помощью различных реализованных в указанные хронологические рамки методов. Наблюдения в инфракрасной линии HeI 10830 Å давали возможность видеть с Земли верхние хромосферные слои Солнца, соответствующие высотам 2500 км и температуре 10000 К. В результате экспериментов в мягком рентгеновском диапазоне и в области вакуумного ультрафиолета ученые получали информацию о горячих солнечных структурах, соответствующих высотам от переходного слоя до нижней короны.

Сотрудниками научно-исследовательского института «Крымская астрофизическая обсерватория» (НИИ КрАО) Е.В. Долгополовой, Е.В. Маланушенко,  Н.Н. Степанян в 90-х гг. XX ст. осуществлена работа по изучению солнечных образований − корональных дыр в атмосфере Солнца, являющихся источниками высокоскоростных потоков солнечного ветра [5]. С 1999 г. исследования были несколько расширены и  продолжались до 2002 г. Р.К. Жигалкин, В.М. Малащук, В.А. Перебейнос, Н.Н. Степанян и Н.И. Штерцер  проводили количественный анализ как изображений Солнца в различных диапазонах спектра совместно с данными о магнитном поле, так и различных солнечных структур (корональных дыр, волокон, петельных структур), зарегистрированных телескопом-спектрогелиометром СПИРИТ на орбитальной станции КОРОНАС-Ф, радиотелескопом ССРТ и наземным телескопом БСТ-2 НИИ КрАО [1, с. 110].

Для проведения фотоэлектрических спектральных наблюдений НИИ КрАО сконструирован универсальный спектрофотометр (УСФ), размещенный на башне солнечного телескопа БСТ-2. Прибор позволял получать изображения всего Солнца или отдельных участков диска в разных спектральных линиях, а также регистрировать спектры солнечных образований. Высокая чувствительность приемных устройств, применяющихся в УСФ, давала возможность использовать прибор для исследования Солнца в близкой инфракрасной области, в частности, в линии HeI 10830 Å. Наблюдение проводилось преимущественно в диапазоне этой хромосферной линии, поскольку корональные дыры проявлялись в ней как более яркие области.

В эксперименте за 1999−2002 гг. получен довольно разнородный материал, для обработки и анализа которого применялись разнообразные методы. Первым этапом обработки изображений диска Солнца в линии HeI 10830 Å, получаемых с УСФ, был учет погрешностей, возникающих из-за неравномерного ведения телескопа и измерением яркости в течение записи изображения. Первоначально полученное изображение представляло собой вытянутую фигуру, которая впоследствии преобразовывалась в эллипс, а затем в окружность. Общее время записи полного диска составляло 20 минут [1, с. 115]. Второй этап обработки заключался в учете потемнения изображения Солнца к краю диска. Одновременно устранялось изменение яркости диска из-за изменения прозрачности земной атмосферы за время записи. В разработанный программный пакет были включены инструменты, обеспечивающие преобразование изображений, необходимых для сопоставления с данными других спектральных диапазонов, построение синоптических карт, процедуру фотометрического анализа изображений. При совмещении снимков, полученных аппаратурой СПИРИТ, с изображениями в линии HeI 10830 Å, сотрудники НИИ КрАО выполняли операции вычитания фона, зеркального отражения, сдвига начала координат.

При участии НИИ КрАО в программе по исследованию солнечных образований на основе наблюдений с Земли появилась возможность изучения корональных дыр, их физических свойств и особенностей эволюции. Одной из задач ученых было получение количественных фотометрических и магнитных данных о корональных дырах на разных уровнях атмосферы Солнца, анализ резкости границ крупномасштабных структур, их изменчивости со временем и в связи с развитием активных образований вблизи корональных дыр. В частности, В.М. Малащук, Н.Н. Степанян, Н.И. Штерцером изучался вопрос о действительном соответствии наблюдаемых корональных дыр и открытых магнитных трубок [2, с. 124]. Группа ученых выявила сложную картину связи указанных структур. Положения, формы и размеры оснований открытых трубок и связанных с ними корональных дыр различались в зависимости от вида используемых при проведении расчетов измеряемых магнитных полей, особенностей метода расчета поля, спектрального диапазона, в котором наблюдались корональные дыры. В некоторых случаях рассчитанным открытым магнитным трубкам не соответствовали наблюдаемые дыры и наоборот, корональные дыры наблюдались, а связанные с ними рассчитанные открытые трубки отсутствовали.

Еще одним достижением сотрудников НИИ КрАО в исследовании корональных дыр считаем разработку метода измерения площадей долгоживущих крупномасштабных структур. В 2000-х гг. в научном обществе отсутствовали четкие рекомендации по определению границ корональных дыр и их идентификации. Чаще использовались различные критерии, а исследование в целом носило субъективный характер. Основными причинами применения такого рода «технологий» являлись редкие изменения характеристик области солнечной атмосферы в пространстве, отсутствие резких границ корональных дыр. Разработанный метод предполагал предварительное нахождение границы области в солнечной короне и сводился к следующему. Первоначально на нормированных по средней яркости изображениях Солнца, полученных в один и тот же день в разных спектральных линиях по двум фотометрическим критериям (яркость и контраст) очерчивалась единая область, заведомо включающая корональные дыры на всех изображениях. Затем по каждому наблюдению. определялась часть этой области, занятая элементами с яркостью, характерной для корональной дыры на изображениях в данной линии. Площадь выделенного таким образом участка солнечной поверхности в кв.км и принималась за площадь корональной дыры. И с применением данного метода отсутствовало понятие границы, но появлялась возможность рассчитать площадь структуры.

Ученые НИИ КрАО В.М. Малащук, Н.Н. Степанян, Н.И. Штерцер с помощью метода «мгновенного» распределения магнитного поля проводили сравнение положения корональных дыр с положениями оснований открытых магнитных трубок в области измерения поля. Такое сопоставление было одним из первых сопоставлений «мгновенных» открытых магнитных трубок и корональных дыр. Большая часть предшествующих сравнений такого рода использовали открытые магнитные трубки, рассчитанные с помощью синоптических карт магнитного поля. Это означало, что корональные дыры сравнивались с магнитными трубками, рассчитанные по усредненному за несколько дней полю.

Исследователи визуально оценивали степень согласия открытых магнитных трубок и корональных дыр. Данные, полученные ими в результате расчетов открытых магнитных трубок, подтверждали интерпретацию двух классов корональных дыр. Корональные дыры, площадь которых уменьшалась с высотой, находилась в области с замкнутыми линиями поля. Участки короны пониженной светимости, площадь которых с увеличением высоты возрастала, находились в области с открытыми линиями поля.

Для всех зафиксированных корональных дыр сотрудниками НИИ КрАО были рассчитаны магнитные поля на различных высотах в атмосфере Солнца: 0, 3, 10, 15, 20, 30 тыс. км [2, с. 130]. Также были определены площади вкраплений областей, знак поля в которых был противоположным преимущественному знаку поля фоновой структуры, в которой  располагалась корональная дыра. В.М. Малащук, Н.Н. Степанян, Н.И. Штерцер установили, что во всех рассмотренных корональных дырах вкрапления составляли 20−25 % площади корональной дыры. С возрастанием высоты площадь вкраплений уменьшалась, на высоте 15−20 тыс. км поле становилось униполярным. Для промежуточных областей доля вкраплений на начальной высоте достигала 40 % [2,  с. 130]. При определении доли площади корональных дыр, которую занимали магнитные элементы противоположной полярности, использовались расчеты поля с разложением потенциала поля по 90 сферическим гармоникам. Это соответствовало усреднению измеряемого поля по площадкам с угловым размером 2º × 2º.

Для успешного развития астрофизики и космической науки сотрудниками НИИ КрАО в составе В.М. Малащука, Н.Н. Степаняна и Н.И. Штерцера разрабатывался вопрос определения границ корональных дыр и их связь с активными образованиями. В линии HeI 10830 Å ученые выделили область, на периферии которой элементы с яркостью корональных дыр были перемешаны с более темными элементами. При таком расположении некоторые отдельные яркие области оказывали на значительном удалении от основного поля корональной дыры − компактной яркой области [3, с. 137].  В результате на изображении Солнца в линии HeI 10830 Å формировалась многосвязная область, соответствовавшая заданному критерию корональной дыры. для такой области исследователями была определена граница.

К отдельной корональной дыре ученые отнесли все яркие участки, размещающиеся на заданном расстоянии. После подобного выделения структуры исследователи формально вводили понятие «границы» дыры как линии, отделяющей объединенные элементы с большей яркостью от менее ярких. В таком случае граница корональной дыры, определенная на основании низких арочных структур, охватывала не только область с характерной для структуры яркостью, но и примыкающую промежуточную область пониженного контраста и яркости. Характер распределения ярких и темных областей на краю выделенной таким образом корональной дыры зависел от примыкающего к ней участка солнечной поверхности. В.М. Малащуком, Н.Н. Степаняном и Н.И. Штерцером установлено, что изменчивость границ структур со временем разнообразно. Одним из следствий изменения границ корональных дыр является изменение площади структур. Данная методика хотя не отличалась высокой точностью, однако метод построения открытых и замкнутых силовых линий внутри дыры и ее окрестности открывал широкие перспективы для дальнейшего изучения физических процессов, происходящих в корональных дырах и на их границах.

Третьей задачей ученых НИИ КрАО в составе Р.К. Жигалкина, В.М. Малащука, В.А. Перебейноса, Н.Н. Степаняна, Н.И. Штерцера было изучение связи двух классов корональных дыр, регистрируемых в различных линиях солнечного излучения, с открытыми магнитными трубками, полученными из расчетов поля в короне в потенциальном приближении, а также с квазистационарными высоко-скоростными потоками солнечного ветра на орбите Земли. К первому классу исследователи отнесли корональные дыры, площадь которых не изменялась или возрастала с высотой («открытые»), ко второму классу − дыры, площадь которых уменьшалась с высотой («замкнутые»).

Для решения поставленной задачи группой отечественных исследователей применялись различные методики. Одна из многих − скорректированная методика определения площадей корональных дыр на трех уровнях в атмосфере Солнца и выделение дыр с открытой и замкнутой магнитной конфигурацией. Характерными интенсивностями для корональных дыр при наблюдениях в линии НеI 10830˚A считались интенсивности > 1, а при наблюдениях в корональных линиях Fe IX, X 171˚A, Fe XI 195˚A − интенсивности <1 на нормированных по яркости изображениях Солнца. Ученые не рассматривали корональные дыры, центры которых находились на расстояниях от центра Солнца более 0.9 R0 (R0 – радиус Солнца) [4, с. 133].

Также применялся метод расчета «мгновенного» распределения магнитного поля в короне в рамках модели «потенциальное поле – поверхность источника» с использованием Blu-ray Disc – технологии. Этот метод позволил по ежедневной магнитограмме – распределению на видимой поверхности Солнца измеряемой компоненты поля по лучу зрения Blu-ray Disc, рассчитать над видимой полусферой Солнца все компоненты поля (в сферической системе координат с центром в центре Солнца) между поверхностью Солнца и поверхностью источника – сферой с радиусом RSS=2.5R0 [4, с. 133].

Для выделения высокоскоростных потоков солнечного ветра на орбите Земли по распределениям по времени модуля направленной скорости солнечного ветра использовался формальный критерий. К высокоскоростным потокам исследователи НИИ КрАО отнесли участки квазистационарного солнечного верта со скоростью 400 км/с. Данный показатель означал, что из рассмотрения исключались спорадические потоки с повышенной скоростью: области солнечного ветра за фронтом ударной волны, магнитные облака и другие межпланетные корональные выбросы массы. Проводя сравнение расчетов открытых магнитных трубок с корональными дырами различных типов, Р.К. Жигалкин, В.М. Малащук, В.А. Перебейнос, Н.Н. Степанян, Н.И. Штерцер установили, что основания рассчитанных открытых магнитных трубок расположены не только в области корональных дыр. Они зафиксированы также вне их, в том числе вблизи активных областей и вдоль протяженных волокон, что отражало физическую реальность в распределении магнитного поля в короне. В зависимости от класса корональных дыр исследователями установлена их различная магнитная структура. Согласно гипотезе сотрудников НИИ КрАО магнитная структура корональных дыр первого класса сформирована открытыми силовыми линиями поля, а магнитная структура корональных дыр второго класса – замкнутыми.

Для установления связи корональных дыр различных типов с высокоскоростными потоками солнечного ветра на орбите Земли была проанализирована каждая из отобранных корональных дыр. При установлении связи учитывался следующий факт. Если на высокоскоростном потоке солнечного ветра фиксировались две равноценные корональные дыры, и отдать предпочтение одной из них не представлялось возможным, связанной с корональной дырой считалась одна из дыр без конкретизации. Группа ученых НИИ КрАО установила, что большая часть «открытых» корональных дыр, для которых возможные высокоскоростные потоки должны пересекать плоскость эклиптики, связана с высокоскоростными потоками солнечного ветра на орбите Земли, а большинство «замкнутых» корональных дыр не связаны с вышеуказанными потоками. Часть «замкнутых» корональных дыр, оказавшихся связанными с расчетными открытыми магнитными трубками, превышала пределы, обусловленные неустановленными факторами. Это исследователи связывали с погрешностью расчетов магнитных трубок. Выявленное большое число замкнутых корональных дыр, оказавшихся связанными с высокоскоростными потоками, ученые связали с ошибкой в определении класса корональных дыр («открытая» или «замкнутая») в некоторых случаях. Согласно данным эксперимента из десяти «замкнутых» дыр, связанных с высокоскоростными потоками, 6 связаны с открытыми магнитными трубками. Эта доля существенно больше доли «открытых» корональных дыр, связанных с открытыми магнитными трубками.

Итак, согласно данным  Р.К. Жигалкина, В.М. Малащука, В.А. Перебейноса, Н.Н. Степаняна, Н.И. Штерцера характер связи корональных дыр, зарегистрированных одновременно в различных спектральных линиях хромосферы и короны, с полученными из расчетов открытыми магнитными трубками и высокоскоростными потоками квазистационарного солнечного ветра на орбите Земли радикально различался для двух рассмотренных классов корональных дыр («открытых» и «замкнутых»). Большая часть «открытых» корональных дыр связана с открытыми магнитными трубками и высокоскоростными потоками, а большая часть «замкнутых» корональных дыр не связана с открытыми магнитными трубками и быстрыми потоками солнечного ветра. Разделение корональных дыр на два класса по характеру изменения их площади с высотой, предложенное отечественными учеными, считалось обоснованным рядом фактов.

Список литературы:

1.Бугаенко О.И. Исследование солнечных образований на основе комплексных наблюдений с Земли и на спутнике КОРОНАС-Ф: I. Методы наблюдений и анализа солнечных изображений, зарегистрированных в различных спектральных диапозонах излучения / О.И. Бугаенко, В.В. Гречнев, Р.К. Жигалкин, Н.Н. Степанян // Изв. Крым астрофиз. обс. – 2004. − Т. 100. − С. 110−122.

2.Бугаенко О.И. Исследование солнечных образований на основе комплексных наблюдений с Земли и на спутнике КОРОНАС-Ф: II. Магнитные поля в корональных дырах на разных высотах / О.И.  Бугаенко, И.А. Житник, А.П. Игнатьев, С.В. Кузин, В.М. Малащук, В.Н. Обридко, А.А. Перцов, Г.В. Руденко, В.С. Слемзин, Н.Н. Степанян, В.Г. Файнштейн, Н.И. Штерцер // Изв. Крым. астрофиз. обсерв. – 2004. − Т. 100. − С. 123−135.

3.Бугаенко О.И. Исследование солнечных образований на основе комплексных наблюдений с Земли на спутнике КОРОНАС-Ф: III. Границы корональных дыр и их связь с активными образованиями / О.И.  Бугаенко, И.А. Житник, А.П. Игнатьев, С.В. Кузин, В.М. Малащук, В.Н. Обридко, А.А. Перцов, Г.В. Руденко, В.С. Слемзин, Н.Н. Степанян, В.Г. Файнштейн, Н.И. Штерцер  // Изв. Крым. астрофиз. обсерв. – 2004. − Т. 100. − С. 136−151.

4.Житник И.А. Исследование солнечных образований на основе комплексных наблюдений с Земли и на спутнике КОРОНАС-Ф: IV. Корональные дыры, открытые магнитные трубки и их связь с высокоскоростными потоками солнечного ветра / И.А. Житник, Р.К. Жигалкин, А.П. Игнатьев, В.М. Малащук, В.А. Перебейнос, Н.Н. Степанян, Н.И. Штерцер // Изв. Крым. астрофиз. обс. – 2005. – Т. 101. – С. 128–145.

5.Степанян Н.Н. Солнечный Универсальный Спектрофотометр / Н.Н. Степанян, Е.В. Долгополова, А.И. Елизаров, Е.В. Маланушенко, К.В. Парчевский, Г.А. Суница // Изв. Крым. астрофиз. обс. – 2000. – Т. 96. – С. 194−204.

ИЗУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ УНИВЕРСАЛЬНОГО СПЕКТРОФОТОМЕТРА НА КРЫМСКОЙ АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ (КОНЕЦ 90-Х ГГ. XX СТ.−НАЧАЛО XXI СТ.)
В статье на основе анализа репрезентативных источников освещены этапы и задачи научно-исследовательской деятельности сотрудников Крымской астрофизической обсерватории по изучению солнечных образований на основе наблюдений с Земли. Установлен вклад отечественных ученых в развитие космических исследований на Крымском полуострове (конец 90-х гг. XX ст.−начало XXI ст.), а именно в разработку универсального спектрофотометра для проведения фотоэлектрических спектральных наблюдений, в изучение корональных дыр, их физических свойств и особенностей эволюции. Детализирован процесс разработки и апробации методов для определения границ крупномасштабных структур.
Written by: Мерко Ольга Михайловна, Щербина Андрей Дмитриевич
Published by: Басаранович Екатерина
Date Published: 03/31/2017
Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)
Available in: Ebook