Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Декаметрове випромінювання корони спокійного Сонця

01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія

Коваль Артем Олександрович

Харків - 2013

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті Національної академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Станіславський Олександр Олександрович, Радіоастрономічний інститут НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Акімов Леонід Опанасович, НДІ астрономії ХНУ ім. В.Н. Каразіна, провідний науковий співробітник;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, доцент, Вавилова Ірина Борисівна, Головна астрономічна обсерваторія НАН України (м. Київ), завідувач лабораторії астроінформатики.

Захист відбудеться “ 31 ” травня 2013 p. о 14 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитися у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий “ 25 ” квітня 2013 p.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Ю. В. Аркуша

АНОТАЦІЯ

Коваль А. О. Декаметрове випромінювання корони спокійного Сонця. - Рукопис. сонце радіовипромінювання частота

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія. Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2013.

Дисертацію присвячено дослідженню радіовипромінювання спокійного Сонця у смузі частот 16.5-33.0 МГц за допомогою геліографічних режимів радіотелескопа УТР-2. Вперше були виконані багаточастотні вимірювання радіовипромінювання незбуреного Сонця на рекордно низьких частотах. За результатами спостережень були визначені інтегральні густини потоку спокійного Сонця. Визначено спектр радіовипромінювання спокійного Сонця водночас в метровому та декаметровому діапазонах довжин хвиль. Знайдений спектральний індекс випромінювання верхньої сонячної корони дуже близький до спектрального індексу випромінювання абсолютно чорного тіла. Це вказує на те, що основним компонентом декаметрового випромінювання спокійного Сонця є теплове випромінювання. Вперше отримані двомірні багаточастотні зображення розподілу яскравості корони Сонця в декаметровому діапазоні довжин хвиль. Визначені густини потоку, яскравісні температури і кутові розміри екваторіального та полярного діаметрів корони Сонця. Встановлено, що у роки, які близькі до мінімуму сонячної активності, форма сонячної корони на низьких частотах має еліптичний характер. Дані таких досліджень можуть бути використані для розвинення існуючих моделей розподілу електронної густини сонячної корони. Проаналізована відповідність результатів вимірювання яскравісних температур корони Сонця з висновками, що випливають з теоретичних моделей корони. Для узгодження теоретичних та експериментальних висновків запропоновано залучати ефекти розповсюдження та розсіювання декаметрових хвиль у сонячній короні. Геліографічні режими радіотелескопа УТР-2 дозволяють дослідити енергетичні та частотні характеристики декаметрового випромінювання корони Сонця з високою точністю та надійністю.

Ключові слова: спокійне Сонце, верхня корона, теплове радіовипромінювання, декаметровий діапазон довжин хвиль, геліограф.

АННОТАЦИЯ

Коваль А. А. Декаметровое излучение короны спокойного Солнца. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия. Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2013.

Диссертация посвящена исследованию радиоизлучения спокойного Солнца в полосе частот 16.5-33.0 МГц с помощью гелиографических режимов радиотелескопа УТР-2. Впервые были выполнены многочастотные измерения радиоизлучения невозмущенного Солнца на рекордно низких частотах. По результатам наблюдений были определены интегральные плотности потока спокойного Солнца. Определен спектр радиоизлучения спокойного Солнца одновременно в метровом и декаметровом диапазонах длин волн. Найденный спектральный индекс излучения верхней солнечной короны очень близок к спектральному индексу излучения абсолютно черного тела. Это указывает на то, что основным компонентом декаметрового излучения спокойного Солнца является тепловое излучение. Впервые получены двумерные многочастотные изображения распределения яркости короны Солнца в декаметровом диапазоне длин волн. Определены плотности потока, яркостные температуры и угловые размеры экваториального и полярного диаметров короны Солнца. Установлено, что в годы, близкие к минимуму солнечной активности, форма солнечной короны на низких частотах имеет эллиптический характер. Данные таких исследований могут быть использованы для развития существующих моделей распределения электронной плотности солнечной короны. Проанализировано соответствие результатов измерений яркостных температур короны Солнца с выводами, вытекающими из теоретических моделей короны. Для согласования теоретических и экспериментальных выводов предложено привлекать эффекты распространения и рассеивания декаметровых волн в солнечной короне. Гелиографические режимы радиотелескопа УТР-2 позволяют изучить энергетические и частотные характеристики декаметрового излучения короны Солнца с высокой точностью и надежностью.

Ключевые слова: спокойное Солнце, верхняя корона, тепловое радиоизлучение, декаметровый диапазон длин волн, гелиограф.

ABSTRACT

Koval A. A. Decametre radiation of the quiet-Sun corona. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in Physics and Mathematics by speciality 01.03.02 - astrophysics, radioastronomy. - V.N. Karazine National Unversity, Kharkiv, 2013.

The thesis is devoted to the study of the quiet-Sun radio emission in the frequency range 16.5-33.0 MHz using heliographic modes of the UTR-2 radio telescope. For the first time the multi-frequency measurements of radio emission from the undisturbed Sun have been carried out at very low frequencies. According to the results of the observations, the flux densities of the quiet Sun have been determined. Simultaneously, at meter and decameter wavelengths the spectrum of the quiet Sun radio emission has been found. The spectral index of the measured radiation of upper solar corona is very close to the spectral index of blackbody radiation. This indicates that the main component of the decameter radiation of the quiet Sun has a thermal character. First the two-dimensional multi-frequency images of the brightness distribution of the solar corona have been obtained at decameter wavelengths. The flux densities, brightness temperatures and angular sizes of the equatorial and polar diameters of the solar corona have been established. It is shown that in the years close to the minimum of solar activity the shape of the solar corona at low frequencies is elliptical. The data of such studies can be applied for the development of existing models of the electron density distributions of solar corona. It has been analyzed the relationship the results of measurements of solar-corona brightness temperatures with the outcomes from the theoretical models of the corona. For the agreement of theoretical and experimental conclusions it is proposed to account for the effects of propagation and scattering of decameter waves in the solar corona. The heliographic modes of the UTR-2 radio telescope give an opportunity to study the energy and frequency characteristics of decameter solar radiation with a high sensitivity and reliability.

Key words: quiet Sun, upper corona, thermal emission, decameter wavelength range, and heliograph.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день всесвітня наука приділяє велику увагу дослідженням фізики Сонця та сонячно-земним зв'язкам, які мають безпосередній помітний вплив на інші напрямки фундаментальних та прикладних досліджень. Це пояснюється тим, що фізичні процеси на Землі та в навколоземному космічному просторі безпосередньо залежать від сонячної активності, яка, крім того, спричиняє низку атмосферних і біологічних явищ. Вивчення радіовипромінювання Сонця та сонячної корони проводиться наземними та космічними засобами, що дозволяє отримати різноманітну інформацію про це складне явище. Треба відзначити, що спорадична компонента випромінювання Сонця, яка супроводжує сонячну активність, інтенсивно вивчається понад півстоліття. Останні роки відзначено запуском низки космічних апаратів, безпосередньо спроектованих для вивчення характеристик випромінювання Сонця, появою нових наземних радіотелескопів і розвитком технічних засобів спостережень з рекордними на наш час технічними характеристиками. Все це помітно впливає на зростаюче розуміння природи факторів, які впливають на “космічну погоду” навколо нашої планети. Проте, трохи осторонь від цих досліджень залишається, не менш важливе, вивчення континуальної компоненти Сонця, спостереження якої легше проводити у періоди мінімуму 11-річного сонячного циклу за відсутності низки характерних ознак спорадичного випромінювання Сонця, а саме сплесків, спалахів, корональних викидів маси тощо. Особливе місце у випромінюванні Сонця займає декаметровий діапазон (3-30 МГц). Насамперед тому, що декаметрове випромінювання генерується у верхньому шарі сонячної атмосфери - зовнішній короні, яка є найменш вивченою областю. В декаметровому діапазоні довжин хвиль спорадична компонента представлена широким розмаїттям різних типів сонячних сплесків. Висока інтенсивність цих сплесків, що може перевищувати континуальне випромінювання спокійного Сонця у багато разів, зумовлена нетепловими механізмами їх генерації та дозволяє реєструвати їх навіть радіоастрономам-аматорам за допомогою відносно простих антен (наприклад, півхвильового диполя). Але інтенсивність континуального випромінювання корони Сонця в цьому діапазоні вельми низька і не може бути зареєстрована так просто. До того ж, на сучасних космічних апаратах встановлено також елементарні антени, мінімально виявна густина потоку яких нижче інтенсивності континуального випромінювання Сонця, що поки унеможливлює його реєстрацію такими засобами. З іншої сторони, наземні спостереження континуальної компоненти обмежені наявністю підходящих радіотелескопів з високою просторовою здатністю та чутливістю, а також великою інтенсивністю радіозавад у денний час спостережень. Все це призвело до парадоксальної ситуації, коли на тлі прогресуючого розвитку подальшого вивчення спорадичної компоненти, дослідження випромінювання корони спокійного Сонця на низьких частотах (< 100 МГц) - області, де зароджується сонячний вітер, з яким пов'язано багато явищ космічної погоди, - практично припинилися. Разом з тим, спостереження сонячного континуума систематично виконуються на високих частотах, від міліметрового до сантиметрового діапазонів довжин радіохвиль, але це дає відомості тільки про явища у нижніх шарах атмосфери Сонця поблизу сонячної поверхні. Таким чином, на сьогоднішній день майже відсутня достатньо повна інформація про характеристики континуальної компоненти Сонця на частотах нижче 100 МГц. Стан досліджень у цьому напрямку невідкладно вимагає виправити цю неприйнятну ситуацію та усунути брак даних.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною наукових досліджень, які виконувались в Радіоастрономічному інституті Національної академії наук України, за темами “Спектр-2” (номер державної реєстрації 0112U001188), “КОФР-2” (номер державної реєстрації 0112U000034), “Мережа-3” (номер державної реєстрації 0107U012017), “Фаворит-2” (номер державної реєстрації 0110U000035).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вивчення основних параметрів континуального радіовипромінювання спокійного Сонця в діапазоні частот 16.5-33.0 МГц за допомогою геліографічних режимів радіотелескопа УТР-2.

Відповідно до мети дослідження були поставлені такі конкретні задачі:

· модернізація та розвиток двомірного геліографа відповідно до можливостей нової апаратури цифрової реєстрації;

· здійснення щоденних вимірювань параметрів радіовипромінювання Сонця протягом декількох серій спостережень в діапазоні 16.5-33.0 МГц за допомогою одномірного та двомірного геліографічних режимів радіотелескопа УТР-2;

· розробка алгоритму “чищення” двомірних зображень сонячної корони з урахуванням особливостей діаграми спрямованості радіотелескопа УТР-2;

· обробка й аналіз даних геліографічних вимірювань з метою визначення кутових розмірів сонячної корони, частотних та енергетичних параметрів випромінювання спокійного Сонця.

Об'єктом дослідження дисертації є радіовипромінювання корони Сонця у декаметровому діапазоні довжин хвиль у період слабкої сонячної активності.

Предмет дослідження - енергетичні, кутові та частотні властивості континуального сонячного радіовипромінювання у декаметровому діапазоні довжин хвиль.

Методи дослідження - експериментальний метод радіоастрономічних спостережень за допомогою радіотелескопа УТР-2 у багатопроменевому режимі супроводу, метод швидкого дискретного перетворення Фур'є для обчислення крос-спектральної густини потужності радіовипромінювання спокійного Сонця, статистичні методи обробки даних для визначення основних параметрів випромінювання спокійного Сонця.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше в неперервній смузі частот від 16.5 до 33.0 МГц виконані спостереження радіовипромінювання спокійного Сонця та визначені кутові розміри корони Сонця, а також частотні й енергетичні параметри сонячного континуального випромінювання з високою надійністю.

2. Вперше здійснено порівняльний аналіз характеристик випромінювання спокійного Сонця за результатами систематичних багатоденних спостережень у 2010-2012 роках.

3. Побудовано розширений і уточнений спектр радіовипромінювання спокійного Сонця в декаметровому діапазоні довжин хвиль. Показано, що у континуальному випромінюванні корони Сонця в декаметровому діапазоні довжин хвиль домінує теплова компонента.

4. Вперше побудовані двомірні багаточастотні радіомапи розподілу яскравості спокійного Сонця в декаметровому діапазоні довжин хвиль.

5. Розроблена та застосована нова методика для реконструкції двомірних зображень, отриманих за допомогою радіогеліографа, яка полягає у створенні алгоритму відновлення геліограм з урахуванням особливостей діаграми спрямованості радіотелескопа УТР-2.

Наукове і практичне значення одержаних результатів.

1. У роботі отримано нові дані про характеристики радіовипромінювання спокійного Сонця у декаметровому діапазоні довжин хвиль.

2. З аналізу виконаних спостережень встановлено, що радіовипромінювання верхньої корони спокійного Сонця має спектральний індекс, близький до спектрального індексу випромінювання абсолютно чорного тіла, а середовище, через яке воно поширюється, майже не змінює його значення.

3. З отриманих результатів випливає, що зображення корони спокійного Сонця у декаметровому діапазоні має форму, яка близька до еліпса, що може бути використано для уточнення існуючих або побудови нових моделей розподілу електронної концентрації сонячної корони.

4. Одержані результати показують узгодження радіоастрономічних даних декаметрових спостережень з даними, отриманими завдяки більш високочастотним вимірюванням параметрів континуального випромінювання Сонця.

5. Отримані результати мають практичну цінність у вивченні змін сонячної активності та її впливу на корону Сонця, з якою тісно пов'язана еволюція сонячно-земних зв'язків.

Особистий внесок автора. Дисертант виконав модернізацію геліографа з метою його ефективного використання відповідно до оновленого реєструючого апаратного комплексу. Ним було проведене удосконалення блоків геліографа, що забезпечило належне сполучення геліографа з новою апаратурою реєстрації й отримання достовірних геліограм. Протягом 2010-2012 років здобувач особисто проводив спостереження випромінювання спокійного Сонця у геліографічних режимах на радіотелескопі УТР-2, обладнаному широкосмуговим цифровим спектроаналізатором нового покоління DSPZ. Дисертант брав безпосередню участь у написанні статей [1-3], в яких був зроблений детальний опис конструкції та принципа роботи геліографа. Результати спостережень були використані при написанні здобувачем статей [3,4,5]. Крім цього, у статтях [3,4] дисертант представив перші попередні двомірні зображення розподілу яскравості спокійного Сонця у декаметровому діапазоні довжин хвиль, приймав активну участь в обговоренні та написанні текстів статей; у статті [4] проаналізував потенційні можливості радіотелескопа УТР-2 щодо досліджень незбуреного Сонця, представив попередні результати спостережень у режимі одномірного та двомірного геліографа, запропонував оригінальну процедуру отримання двомірних зображень сонячної корони за допомогою одномірного сканування. В праці [5] дисертант виконав обробку даних спостережень у режимі одномірного геліографа, визначив основні характеристики радіовипромінювання спокійного Сонця у полосі частот від 16.5 до 33.0 МГц, одержав спектр випромінювання сонячної корони та її кутові характеристики на цих частотах, був активним учасником при обговоренні результатів та написанні тексту цієї статті.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися і обговорювалися на таких наукових конференціях та школах:

10th Kharkiv Young Scientist Conference on Electromagnetics, Photonics And Biophysics within the framework of Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW), 2010 International Kharkiv Symposium (Харків, Україна, 2010); 18th Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics (Київ, Україна, 2011); Международная научная конференция “Астрономическая школа молодых ученых” (Чернігів, Україна, 2011); 41st Young European Radio Astronomers' Conference (Манчестер, Англія, 2011); XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium (Стамбул, Туреччина, 2011); 11th Kharkiv Young Scientist Conference on Electromagnetics, Photonics And Biophysics (Харків, Україна, 2011); The 3rd Azarquiel School of Astronomy “A Bridge Between East and West” (Стамбул, Туреччина, 2012); 12th Kharkiv Young Scientist Conference on Electromagnetics, Photonics And Biophysics (Харків, Україна, 2012).

Попередні результати дисертації доповідалися і обговорювалися неодноразово на радіоастрономічних семінарах в Радіоастрономічному інституті НАН України (Харків). Цикл статей здобувача “Геліограф радіотелескопа УТР-2”, який вміщує результати дисертаційної роботи, був удостоєний премії ім. С. А. Песковацького (2011) у галузі радіоелектроніки та приладобудування. Доповіді здобувача на 11th, 12th Kharkiv YSC (2011, 2012) були відзначені як найкращі доповіді у секціях “Geoscience and Remote Sensing” та “Radio astronomy and astrophysics”, відповідно. Дисертант відзначений нагородою “The Young Scientist Award” (2011), яка надається Генеральною Асамблеєю Міжнародного Радіосоюзу (URSI General Assembly).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 5 статтях у вітчизняних наукових журналах, для яких анонімне рецензування є обов'язковою процедурою і які задовольняють вимогам ДАК України. Результати дисертації також представлені в 4 збірках праць міжнародних конференцій і в 4 тезах конференцій.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 127 сторінки, у тому числі 11 ілюстрацій, 6 таблиць, список цитованої літератури з 111 найменувань на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обгрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи, вказано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, зазначено особистий внесок дисертанта, рівень апробації результатів.

Перший розділ містить огляд літератури, присвячений дослідженню радіовипромінювання спокійного Сонця у різних діапазонах довжин хвиль.

Відзначається, що велика кількість спостережень континуального випромінювання Сонця була реалізована за допомогою радіотелескопів та геліографів, які функціонують у робочих діапазонах від субміліметрових до сантиметрових довжин хвиль. Це сприяло появі значної низки праць та докладних оглядів про особливості випромінювання спокійного Сонця. Відомо, що випромінювання цих діапазонів зароджується у нижній фотосфері та хромосфері Сонця. Наукова цінність і значимість досліджень випромінювання Сонця на низьких частотах (метровий та декаметровий діапазони) полягає у можливості виявити та дослідити фізичні процеси у навколосонячній плазмі - верхній короні Сонця. Цей шар сонячної атмосфери майже не доступний для наземних і космічних спостережень у інших діапазонах.

Звертається увага на те, що до теперішнього часу існує невелика кількість робіт, присвячених вивченню континуального випромінювання Сонця на частотах нижче 100 МГц. Лише декілька з них виконані у декаметровому діапазоні довжин хвиль (3-30 МГц) [1]. Наведені основні фактори, що заважають дослідженням випромінювання спокійного Сонця, найбільш істотними з яких є низька потужність цього випромінювання, відсутність радіоастрономічних інструментів з достатньою роздільною здатністю та чутливістю на декаметрових хвилях, висока інтенсивність радіозавад різного типу. Особливо треба зазначити труднощі в реалізації радіоастрономічних інструментів з високими експлуатаційними характеристиками. Радіотелескоп УТР-2 є найбільшим в світі за ефективною площею та найнизькочастотним сучасним декаметровим радіоастрономічним інструментом, що працює у полосі частот 8-33 МГц, близько до граничної частоти пропускання іоносфери.

Декаметрове випромінювання Сонця виникає безпосередньо у зовнішній сонячній короні та проходить крізь неї. Саме в цій частині корони зароджується сонячний вітер. Вкрай різноманітні фізичні процеси, які мають місце в плазмі корони Сонця, роблять її предметом цікавих та корисних наукових досліджень, які недоступні для лабораторних експериментів. Окремим напрямком у таких дослідженнях є вивчення властивостей корони спокійного Сонця, зокрема, отримання радіомап розподілу яскравості сонячної корони, що дозволяє зробити уявлення про фізичні характеристики цього явища. За допомогою радіотелескопа УТР-2 можливо отримати інформацію про густини потоку випромінювання, яскравісні температури, та кутові характеристики сонячної корони. Зазначено, що суттєві переваги надає геліограф також при дослідженні сонячних сплесків, розмаїття яких проявляється особливо у декаметровому діапазоні радіохвиль.

У другому розділі наведено структурну схему двомірного геліографа та показано еволюційний розвиток його технічних особливостей, представлено сучасний вигляд геліографа та зроблено детальний опис його основних структурних блоків. Докладний опис технічної реалізації геліографа у цьому розділі наводиться тому, що без нього неможливо зрозуміти принцип роботи цього радіоастрономічного інструменту, а також інтерпретувати результати його застосувань. Використання для побудови геліографа наявної антенної системи багато в чому визначило його структурну схему. Радіотелескоп УТР-2, який функціонує у полосі частот від 8 до 33 МГц, детально описаний у роботі [2].

Проект реалізації двомірного декаметрового геліографа на основі антенної решітки УТР-2 був розроблений та виконаний у середині 1970-х років. Відзначено, що за майже тридцять років досліджень за допомогою геліографа основна увага була зосереджена на вивченні сплескової активності Сонця. Дослідженням випромінювання спокійного Сонця було присвячено лише дві серії спостережень, що були виконані у 1976-77 рр. на окремій частоті 25.0 МГц. Результати таких вимірювань мали попередній характер та були опубліковані тільки у формі препринта для використання у межах Радіоастрономічного інституту [3]. Важливість цих результатів беззаперечна, але дослідження сонячного континууму на радіотелескопі УТР-2 потребує подальшого розвитку. Через низку технічних причин геліографічні спостереження Сонця на радіотелескопі УТР-2 були припинені наприкінці 90-х років. З 2010 року дослідження характеристик випромінювання спокійного Сонця за допомогою геліографічних режимів радіотелескопа УТР-2 були поновлені у програмі спостережень на Радіоастрономічній обсерваторії ім. С.Я. Брауде.

Показано, що після облаштування радіотелескопа УТР-2 новою апаратурою цифрової реєстрації, в якості якої використовується спектроаналізатор нового покоління DSPZ, була виявлена невідповідність старої конструкції геліографа до нових вимог проведення радіоастрономічних досліджень. Відзначається, що була проведена модернізація блока управління геліографа та зроблені зміні у структурній схемі геліографа. Це дозволило отримувати коректні геліограми в широкій смузі частот.

Відмічається, що найбільш важливим елементом геліографа є фазообертач швидкого сканування променів діаграми спрямованості УТР-2. Саме за допомогою цього фазообертача формується зображення у даному геліографі послідовної дії.

Завдяки своїй універсальності радіогеліограф дає можливість отримувати зображення протяжних об'єктів, проводячи достатньо повільне сканування цих джерел та формуючи геліограми, наприклад, корони спокійного Сонця. Також об'єктами досліджень, які можливо виконувати за допомогою геліографа, можуть бути і більш швидкі у часі події, так звані транзієнти. Супроводжуючи сонячну активність - різні типи сплесків, корональні викиди маси тощо - вони безсумнівно становлять науковий інтерес, тому що можуть бути пов'язані з таким важливим напрямком радіоастрономічних досліджень, як космічна погода.

У третьому розділі викладені основні результаті досліджень випромінювання спокійного Сонця, виконані за допомогою одномірного геліографа.

У підрозділі 3.1 наведені фізичні особливості випромінювання спокійного Сонця у декаметровому діапазоні довжин хвиль. Континуальне сонячне випромінювання збуджується через розсіювання електромагнітних хвиль на вільних електронах в електричному полі іонів атмосфери Сонця. Тобто, генерація випромінювання корони спокійного Сонця виникає завдяки тепловому тормозному механізму. Густина потоку випромінювання сонячної корони описується законом Релея-Джинса наступним чином

де k - стала Больцмана, Т - температура, Щ_s - тілесний кут джерела, л - довжина хвилі випромінювання.

Показано, що існує пряма залежність розподілу яскравісної температури корони Сонця від оптичної товщини, яка у свою чергу залежить від розподілу електронної концентрації. Як наслідок, еліптична модель розподілу електронної концентрації призводить до радіозображення корони Сонця у вигляді еліпса, а сферична модель - у формі круга.

Підрозділ 3.2 присвячений опису методики одномірних геліографічних досліджень на радіотелескопі УТР-2. Вона полягає у скануванні сонячної корони, при якому відбувається проходження Сонця через нерухомий промінь діаграми спрямованості радіотелескопа УТР-2 (на початку він встановлюється попереду руху Сонця). Головна особливість полягає в тому, що при такому скануванні використовується добове обертання Землі. Після проходження Сонця через діаграму спрямованості УТР-2 остання перемикається в нове положення, знову попереду руху Сонця. І все повторюється стільки раз, поки можна проводити спостереження. В результаті здійснюється одномірне сканування сонячної корони і, таким чином, вдається зареєструвати до десяти сканів радіовипромінювання за день. Одномірні геліографічні вимірювання Сонця були виконані впродовж трьох серій спостережень у період з 4 по 6 вересня 2010 року, з 9 по 12 квітня 2012 року, а також 11 та 12 серпня 2012 року. Відзначається, що спостереження припали на тривалий мінімум 23-го сонячного циклу та початок повільного зростання активності Сонця, надаючи змогу зробити порівняльний аналіз характеристик континуального сонячного випромінювання на фазі розвитку активності Сонця. Показано, що отримані записи вимірювань сонячної корони являють собою одномірні скани, що складаються з багатьох амлітудно-часових профілей, які відповідають реєстраціям на різних частотах спостережень (див. рис. 1).

У підрозділі 3.3 представлені основні параметри випромінювання спокійного Сонця, які було визначено за результатами всіх кампаній одномірних геліографічних спостережень у діапазоні частот 16.5-33.0 МГц. Отримані дані можуть бути представлені в одиницях, які пропорційні антенній температурі Т_А або видимій густині потоку S_А, тому повна густина потока може бути обчислена, як інтеграл по тілесному куту радіоджерела (корони Сонця), а саме

Рис. 1. Приклад типових одномірних амплітудно-часових профілей випромінювання спокійного Сонця на окремих частотах, що були зареєстровані у режимі одномірного геліографа (05.09.2010 р.). Початок відліку за часовою віссю відповідає 09:01:59 UT.

Середні значення густини потоку спокійного Сонця було нанесено на графік, який зображено на рис. 2, та визначено спектральний індекс випромінювання спокійного Сонця. На цьому графіку крім вимірювань, які було отримано нами у цій роботі, також нанесені результати з відомих робіт інших радіоастрономів в метровому та декаметровому діапазонах довжин хвиль. Визначено, що показник спектрального індексу континуального випромінювання спокійного Сонця у діапазоні 16.5-200.0 МГц дуже близький до спектрального індексу теплового випромінювання абсолютно чорного тіла. Декаметрове випромінювання спокійного Сонця генерується у короні вище шару з відповідної критичної плазмової частотою, та поширюється крізь оптично щільне середовище - плазму корони, яка характеризується певною оптичною товщиною. З отриманих результатів випливає, що середовище майже не змінює спектральний індекс випромінювання, яке реєструється радіотелескопом, внаслідок чого він виявляється таким, як у абсолютно чорного тіла. Нетривіальність отриманих результатів полягає у тому, що в період мінімальної сонячної активності спектральний характер випромінювання корони незбуреного Сонця майже не залежить від середовища (верхні шари корони), через яке воно спостерігається. Проте, така поведінка спектрального індексу слабо збуреного Сонця може змінитися на інших фазах циклу сонячної активності. Це потребує подальшого аналізу, що являє собою майбутню перспективу досліджень континуального радіовипромінювання корони Сонця на декаметрових хвилях у цілому.

Рис. 2. Спектр випромінювання спокійного Сонця в метровому да декаметровому діапазонах: трикутники - відомі дані спостережень спокійного Сонця, всі інші позначення - значення густини потоку за результатами спостережень на УТР-2, лінія - апроксимація лінійною залежністю у логарифмічному масштабі (~л^-2.1).

Встановлено частотну залежність кутового екваторіального діаметра спокійного Сонця нижче 100 МГц, яка має наступний вигляд

де D - екваторіальний діаметр Сонця, приведений у кутових хвилинах, а f - частота спостережень у МГц, f₀ - частота нормування.

У підрозділі 3.4 розглядаються методи калібрування радіоастрономічних вимірювань, які необхідні для визначення справжньої густини потоку випромінювання корони Сонця. Спочатку ми отримуємо значення потоку в деякій відносній шкалі (наприклад, у відліках АЦП), а далі його порівнюємо з вихідними величинами калібрувального сигналу у тій же шкалі. Основними та найбільш поширеними з таких методів є наступні. В якості калібрувального сигналу може використовуватися радіовипромінювання космічного джерела, яке має добре відомий спектр. В іншому випадку калібрувальний сигнал отримують за допомогою спеціально розробленого генератора шуму з відомою спектральною густиною сигналу, яка встановлена з лабораторних вимірювань. В цьому підрозділі вказані методи застосовуються у контексті вимірювань декаметрового випромінювання спокійного Сонця, що дозволяє отримати найбільш достовірні результати спостережень.

Підрозділ 3.5 присвячений аналізу та врахуванню похибок виконаних радіоастрономічних вимірювань. Точність проведених спостережень обмежена низкою факторів: статистичними помилками, які пов'зані з флуктуаційною чутливістю радіотелескопа УТР-2; помилками при обчисленні ефективної площі антенної системи (необхідно враховувати параметри землі); помилками при визначенні спектральної потужності калібрувального генератора шума. Крім того, існують випадкові помилки, що пов'зані з нестабільністю роботи апаратури, а також можливі похибки, які приносять варіації величини поглинання радіохвиль в іоносфері. Вплив цих помилок на результати вимірювання детально вивчається у цьому підрозділі.

У четвертому розділі наведені результати спостережень радіовипромінювання спокійного Сонця, які були виконані за допомогою двомірного геліографа радіотелескопа УТР-2.

У підрозділі 4.1 представлено короткий огляд досліджень, які було проведено за допомогою двомірного геліографа з часу його введення в дію. Головним чином, вони були сфокусовані на вивченні спорадичного випромінювання Сонця. Систематичні дослідження сонячних сплесків IIId типу за допомогою позиційних спостережень двомірним геліографом виконувались епізодично до початку 90-х років, після чого були припинені для здійснення його удосконалення. В 2010 році після модернізації деяких блоків геліографа його робота була поновлена, завдяки цьому були виконані перші успішні багаточастотні спостереження спокійного Сонця.

У підрозділі 4.2 розглядається методика геліографічних досліджень, які було проведено у період з 28 серпня по 3 вересня 2010 року. Вона полягає у наступному. У режимі двомірного геліографа задіяно багатопроменевий режим діаграми спрямованості, тобто п'ять олівцевих променів діаграми спрямованості. Третій промінь з п'ятірки орієнтувався приблизно на центр сонячного диску, а потім відводився від нього на певну величину вперед за часовим кутом. Штатна система фазування радіотелескопа УТР-2 виконувала супровід траєкторії руху Сонця таким чином, щоб центр області огляду геліографа співпадав з центром сонячного диску. Темп перемикання кодів променів був обраний рівним 16 хвилинам. Час формування кожного кадру геліографа було обрано рівним 2 хвилинам. Переміщення променів у межах області огляду геліографа реалізовано завдяки фазообертачу швидкого сканування. Таким чином, за 16 хвилин здійснювалась реєстрація восьми 2-хвилинних кадрів. Двомірний геліограф є геліографом послідовної дії, тобто запис сигналу від кожного елементу зображення відбувається послідовно один за одним. При процедурі обробки такий вид запису було перетворено в набір двомірних числових масивів даних, які являють собою “чорнові” зображення розподілу яскравості корони Сонця.

У підрозділі 4.3 розглядається процедура відновлення справжніх радіомап сонячної корони з “чорнових” реєстрацій, які представляють собою зображення з урахуванням вкладу бокових пелюстків діаграми спрямованості, що суттєво змінює дійсну картину розподілу яскравості об'єкта спостережень. Основним методом, який використовується для відновлення зображень радіогеліографа, є добре відомий алгоритм “CLEAN” [4]. Для впровадження цього алгоритму в реконструкції двомірних зображень розподілу яскравості необхідно знати двомірну діаграму спрямованості антенної решітки. У випадку, коли антенна решітка складається з ідентичних випромінювачів, її діаграма спрямованості залежить від добутку двох функцій - діаграми спрямованості одного елементу та множника решітки. У радіотелескопі УТР-2 застосована ялинкова система фазування сигналів по двом координатам U та V. Таким чином, діаграми спрямованості кожного плеча представляють собою добуток всіх множників кожної решітки, а діаграма спрямованості радіотелескопа УТР-2 є добутком діаграм спрямованостей її плечей та має доволі складний вигляд. Через таку технічну реалізацію системи фазування сигналів, при зміні позиції головного променя діаграми спрямованості телескопа УТР-2 на небесній сфері, форма, рівень та положення бокових пелюстків помітно змінюються. Оскільки кожна позиція променя відповідає окремому елементу геліограми, то вклад бокових пелюстків може суттєво викривляти справжню картину розподілу яскравості сонячной корони. Цю особливість необхідно оперативно враховувати в процесі реконструкції радіомап.

.

Рис. 3. Приклади радіомап розподілу яскравості корони Сонця на частоті 20 МГц (ліва колонка) записані 29 серпня 2010 року для ~10:00 UT та на частоті 26 МГц (права колонка) отримані 31 серпня 2010 року близько ~09:12 UT. Чотири кадри (див. зверху вниз) на кожній частоті відповідають зміні положення Сонця через рух небесної сфери (добове обертання Землі). Інтенсивність зареєстрованого випромінювання нормована до одиниці.

У підрозділі 4.4 визначаються параметри декаметрового випромінювання спокійного Сонця з одержаних геліограм. Після проведеної реконструкції на отриманих “чистих” зображеннях розподілу яскравості очевидно виявляється корона Сонця (див. рис. 3), як витягнутий уздовж однієї з координат яскравий об'єкт. За отриманими геліограмами було визначено полярний та екваторіальний діаметри корони Сонця, її густини потоку та яскравісні температури на різних частотах. Їх величини зведені в табл. 1.

Таблиця 1. Густини потоку, яскравісні температури та кутові розміри корони Сонця за даними спостережень у режиму двомірного геліографа.

У підрозділі 4.5 пропонується оригінальний метод відновлення картини розподілу яскравості Сонця, який можна використовувати в метровому та декаметровому діапазонах довжин хвиль. На сьогоднішній день у різних областях науки та техніки застосовуються методи реконструкції багатомірних функцій за їхніми профілями. В якості математичного апарату використовують пряме та зворотнє перетворення Радона. В радіоастрономії таку техніку можливо застосувати для відновлення істинної картини розподілу яскравості протяжного космічного радіоджерела за допомогою сканування його вузьким промінем діаграми спрямованості радіотелескопа під різними кутами. Для простих за формою зображень за допомогою обмеженої кількості одномірних сканів такий підхід дозволяє знайти двумірний розподіл яскравості об'єкта досліджень. Відзначається, що розподіл яскравості спокійного Сонця на низьких частотах можна описати двомірною функцією Гаусса с більшою віссю, яка орієнтована в екваторіальному напрямку. Показано, що завдяки відносно простому вигляду картини розподілу яскравості сонячної корони, техніка відновлення радіомап може бути цілком застосована для реконструкції зображень корони Сонця за допомогою невеликої кількості одномірних сканувань променем діаграми спрямованості радіотелескопа УТР-2.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена радіовимірюванням характеристик випромінювання спокійного Сонця у декаметровому діапазоні довжин хвиль, які були виконані за допомогою радіотелескопа УТР-2 у режимах одномірного та двомірного гелиографа. Результати роботи представляють собою наукову цінність та важливість, тому що основна їх частина була отримана вперше за допомогою нового радіоастрономічного інструмента.

Основні результати дисертаційної роботи:

1. Вперше виконані багаточастотні вимірювання параметрів радіовипромінювання спокійного Сонця на рекордно низьких частотах у полосі 16.5-33.0 МГц за допомогою одномірного та двомірного геліографів радіотелескопа УТР-2. Геліографічні режими дозволили дослідити енергетичні та частотні характеристики випромінювання спокійного Сонця, визначити кутові розміри корони Сонця в даному частотному діапазоні.

2. Вперше визначені інтегральні густини потоку спокійного Сонця у широкій смузі частот від 16.5 до 33.0 МГц.

3. Встановлено спектр радіовипромінювання спокійного Сонця у декаметровому діапазоні довжин хвиль. В смузі частот 16.5-200.0 МГц з урахуванням результатів, опублікованих іншими радіоастрономами, залежність густини потоку від довжини хвилі приймає вигляд Sл^-2.1. Знайдений спектральний індекс радіовипромінювання сонячної корони дуже близький до спектрального індексу випромінювання абсолютно чорного тіла. Це вказує на те, що основним компонентом декаметрового випромінювання спокійного Сонця є теплове тормозне випромінювання.

4. Вперше отримані двомірні багаточастотні зображення розподілу яскравості корони Сонця в декаметровому діапазоні довжин хвиль. Визначені густини потоку, яскравісні температури та кутові розміри екваторіального та полярного діаметрів корони Сонця. Прямі спостереження безперечно вказують на еліптичний характер сонячної корони у роки, наближені до мінімуму сонячної активності.

5. Вперше розвинений підхід до розв'язання задачі реконструкції двомірних зображень, отриманих за допомогою радіогеліографа телескопа УТР-2. Візначена роль метода томографії корони Сонця в якості альтернативного способу отримання двомірних зображень об'єкта спострежень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Станиславский A. A. Гелиограф радиотелескопа УТР-2. I. Общая схема / А. А. Станиславский, Э. П. Абранин, А. А. Коноваленко, А. А. Коваль // Радиофизика и Радиоастрономия. -- 2011. -- Т. 16, № 1. -- С. 5-14.

2. Абранин Э. П. Гелиограф радиотелескопа УТР-2. II. Конструктивные особенности / Э. П. Абранин, А. А. Станиславский, А. А. Коваль, А. А. Коноваленко // Радиофизика и Радиоастрономия. -- 2011. -- Т. 16, № 2. -- С. 135-143.

3. Коноваленко А. А. Гелиограф радиотелескопа УТР-2. III. Наблюдения / А. А. Коноваленко, А. А. Станиславский, А. А. Коваль, Э. П. Абранин // Радиофизика и Радиоастрономия. -- 2011. -- Т. 16, № 3. -- С. 235-240.

4. Коваль А. А. Анализ радионаблюдений спокойного Солнца с помощью декаметрового телескопа УТР-2 / А. А. Коваль // Вестник Астрономической школы. -- 2011. -- Т. 7, № 1-2. -- С. 34-41.

5. Браженко А. И. Особенности континуального излучения верхней короны Солнца в декаметровом диапазоне длин волн / А. И. Браженко, А. А. Коваль, А. А. Коноваленко, А. А. Станиславский, Э. П. Абранин, В. В. Доровский, В. Н. Мельник, Р. В. Ващишин, А. В. Французенко, О. В. Борысюк // Радиофизика и Радиоастрономия. -- 2012. -- Т. 17, № 1. -- С. 3-14.

Размещено на Allbest.ru