.RU
Карта сайта

Солнечно-земная физика и фундаментальные космические исследования

Солнечно-земная физика
и фундаментальные космические исследования
В.Н. Ораевский,
доктор физ.- мат. наук, директор
В.Д. Кузнецов,
доктор физ.- мат. наук, первый заместитель директора
Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
Российской академии наук (ИЗМИРАН)
В мировой науке и в практических применениях исследования Солнца и солнечно-земных связей занимают одно из важных мест. Это объясняется, в частности, тем влиянием, которое солнечная активность оказывает на физические процессы, происходящие на Земле и в околоземном космическом пространстве – магнитосфере и ионосфере, а также на атмосферные и биологические явления. Изучение Солнца и солнечно-земных связей ведется наземными и космическими средствами наблюдений. При этом за последние годы наиболее значительные результаты достигнуты здесь благодаря космическим исследованиям. Многие виды наблюдений возможны только из космоса и этим определяется незаменимое место космических исследований в физике Солнца и в солнечно-земной физике. Все возрастающее понимание влияния факторов «космической погоды» на геосреду и различные сферы человеческой деятельности определяет практическое значение исследований в этой области. По-прежнему, многие фундаментальные научные проблемы физики самого Солнца, звезд и плазменной астрофизики предстоит решать, наблюдая за Солнцем.
Солнечные источники космической погоды являются основными. Они довольно часто нарушают «спокойствие» на Земле и в околоземном космическом пространстве. Достаточно сказать, что в течение 11-летнего цикла солнечной активности на Солнце происходит около 37000 вспышек (по данным за 22 цикл солнечной активности – 1986-1996 гг.). В максимуме солнечного цикла в среднем происходит 1 вспышка в 1-2 часа, в минимуме 1-2 вспышки в день. Другие наиболее мощные проявления солнечной активности – выбросы коронального вещества в среднем происходят 5-10 раз в день в максимуме цикла, и только небольшая их часть распространяется в направлении Земли и вызывает геомагнитные бури. За солнечный цикл на Земле под действием различных солнечных источников (выбросы коронального вещества, вспышки и связанные с ними ударные волны, высокоскоростные потоки солнечного ветра и т.д.) происходит около 500 магнитных бурь, которые влияют на состояние здоровья больных людей и могут проводить к опасным, а в ряде случае и к катастрофическим воздействиям на различные технические системы. Достаточно упомянуть известное событие марта 1989 года, когда на 9 часов штат Квебек (Канада) был обесточен из-за наведенных в линиях электропередач индукционных токов и отключения защитных реле. Во время магнитных бурь в подводных трансатлантических кабелях связи наблюдаются сбои из-за необычно высоких значений напряжения, спутники на низковысотных орбитах изменяют параметры орбит из-за «разбухания» ионосферы и изменения лобового сопротивления, из-за сильных ионосферных возмущений нарушается радиосвязь и работа навигационных систем, наведенные токи в протяженных трубопроводах нарушают антикоррозийную защиту, уменьшая срок их эксплуатации и нанося ощутимый экономический ущерб. Приведенные примеры говорят о глобальности воздействия солнечной активности на Землю и необходимости ее контроля в интересах устойчивого функционирования различных технических систем и народного хозяйства в целом.
В ИЗМИРАН функционирует Центр прогнозов геофизической обстановки, который ведет наблюдения за состоянием солнечной активности по наземным и космическим данным и обеспечивает информацией о состоянии магнитного поля Земли и магнитных бурях заинтересованные организации и ведомства. Так, своевременное предупреждение о предстоящей магнитной буре в июле 2000 года позволило парировать ее влияние на российский спутник «Океан-О» и сохранить его на орбите. В этот же период дорогостоящий японский спутник «Аска» был потерян. Центром был обеспечен также оперативный прогноз состояния геомагнитной активности и зависящего от него состояния ионосферы при выполнении ответственной операции по прекращению полета станции «МИР» и затоплению ее в запланированном районе.
Солнце, испытывающее 11-летний цикл солнечной активности и порождающее спорадические активные явления (вспышки, выбросы вещества и т.д.), обеспечивает всю энергию для живых организмов на Земле. Солнечная энергия является также основной движущей силой для систем циркуляции атмосферы и океанов и климата Земли. Энергия Солнца поступает в виде излучения, например, видимого свечения, которое необходимо для фотосинтеза растений, и в виде потоков заряженных частиц (см. рис.1).
Рис.1. Солнечные излучения, заполняющие солнечную систему и воздействующие различными способами на околоземное космическое пространство.
Меняющиеся в результате солнечной активности потоки излучения и заряженных частиц воздействуют на магнитосферу, ионосферу, атмосферу Земли и озоновый слой стратосферы и оказывают постоянное влияние на окружающую среду Земли (см. рис.2).
Рис. 2. Влияние космической погоды на технические системы на поверхности Земли и в космосе.
Магнитосфера, ионосфера и атмосфера Земли тесно связаны с атмосферой и гелиосферой Солнца (см. рис.3).
Рис.3. Иллюстрация связи магнитосферы, ионосферы и атмосферы Земли с атмосферой и гелиосферой Солнца.
Во время геомагнитных возмущений в системе магнитосфера-ионосфера возникают сильные токи (см. рис.4), которые воздействуют на наземные системы снабжения электроэнергией (протяженные линии электропередач) и могут вызывать аварии, подобные Квебекской.
Рис.4. Токи в системе магнитосфера-ионосфера, обусловленные обтеканием магнитосферы Земли солнечным ветром.
Статистическими исследованиями российского ученого Чижевского были заложены основы гелиомедицины – влияния факторов солнечной активности на человека и состояние его здоровья. Такие исследования, хотя и давали результаты на грани статистической достоверности, но послужили толчком для более детального анализа как самих статистических данных, так и возможных механизмов влияния. Кроме непосредственного прямого радиационного воздействия солнечных вспышек на космонавтов, летчиков и пассажиров высотной авиации имеет место влияние магнитных бурь на состояние здоровья больных сердечно-сосудистыми заболеваниями. Исследования, выполненные в ИЗМИРАН в кооперации с медицинскими учреждениями показали, что в периоды магнитных бурь в организме человека происходит увеличение адреналина, в микрокапиллярах происходит изменения характера кровотока – вместо однородного он становится прерывистым, вызывая изменения пульса и кровяного давления. Число госпитализаций тяжело больных сердечно-сосудистыми заболеваниями в эти периоды резко возрастает, и именно этот показатель, а не просто вызовы скорой помощи, как было установлено в последнее время, имеют высокую степень корреляции с магнитными бурями. В настоящее время рассматривается несколько возможных механизмов влияния магнитных бурь на здоровье человека. По-видимому, причиной такого влияния является резонанс магнитных возмущений с биоритмами человека. Давно известно, что одним из чувствительных магнито-реценторов человека являются надпочечники, которые ответственны за выделение адреналина. В первых экспериментах по проверке выделения адреналина во время магнитных бурь, выполненных Т.И.Андроновой, а затем академиком Ф.И.Комаровым и профессором С.И.Рапопортом, было получено подтверждение этой гипотезы. Поскольку выделение адреналина у человека происходит также во время стресса, то и магнитные бури могут рассматриваться как своего рода стрессовое воздействие на организм человека, последствия которого хорошо известны, и они особенно заметны и существенны для больных сердечно-сосудистыми заболеваниями. В настоящее время имеется большое количество данных, свидетельствующих и о других изменениях в организме человека во время магнитных бурь. Большинство работ в этой области выполнено российскими учеными-медиками, а также геофизиками. Максимум текущего 23-го цикла солнечной активности был достигнут в апреле 2000 года, а высокий уровень активности сохраняется в течение 2-3-х лет. Максимум следующего 24-го солнечного цикла ожидается в 2010-2013 годах.
Рис.5. Запись чисел Вольфа, характеризующих число пятен на Солнце, для текущего 23-го цикла солнечной активности в сравнении с предыдущими близкими по амплитуде 11-ти летними циклами.
Многие проблемы физики Солнца и солнечно-земных связей, представляющие интерес, как для фундаментальной астрофизики, так и для практических целей, остаются до конца неразрешенными и требуют дальнейших научных исследований.
Среди этих проблем можно выделить такие, как:
происхождение наиболее мощных проявлений солнечной активности – корональных выбросов массы и солнечных вспышек;
· нагрев солнечной короны и ускорение солнечного ветра;
· механизм солнечного цикла;
· глобальная структура гелиосферы и идущих от Солнца возмущений;
· прогноз геоэффективности солнечных явлений (солнечной обусловленности околоземных и земных процессов).
На решение этих и многих других проблем направлены действующие и разрабатываемые космические проекты раздела фундаментальных космических исследований Федеральной космической программы России.
Программа КОРОНАС и проект КОРОНАС-Ф
Для исследования Солнца и солнечно-земных связей на разных фазах 11-летнего солнечного цикла ИЗМИРАНом разработана и успешно осуществляется международная программа КОРОНАС (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца). В рамках этой программы первый спутник
КОРОНАС-И (запущен в 1994 году) наблюдал Солнце вблизи минимума его активности. Второй спутник КОРОНАС-Ф, запущенный 31 июля 2001 г., исследует солнечную активность вблизи максимума текущего 23-го цикла.
Орбита спутника КОРОНАС-Ф (наклонение орбиты – 82,49°, минимальное удаление от поверхности Земли – 500,9 км, максимальное удаление от поверхности Земли – 548,5 км, период обращения 94,859 мин.) обеспечивает периодически повторяющиеся периоды непрерывных наблюдений за Солнцем длительностью приблизительно 20 суток, что особенно важно для патрулирования солнечных явлений и вспышек, для регистрации глобальных колебаний Солнца. Основными научными задачами проекта КОРОНАС-Ф являются наблюдения глобальных колебаний Солнца и изучение на их основе сейсмологии его недр и внутреннего строения, комплексные исследования мощных динамических процессов активного Солнца (активные области, вспышки, выбросы плазмы) в широком диапазоне длин волн от оптики до гамма, изучение солнечных космических лучей, ускоренных во время активных явлений на Солнце, условий их выхода, распространения в межпланетном магнитном поле и воздействия на магнитосферу Земли.
Рис.6. Спутник КОРОНАС-Ф, пристыкованный к ракете "Циклон" перед запуском на космодроме Плесецк.
Рис.7. Вид спутник КОРОНАС-Ф на орбите.
Спутник КОРОНАС-Ф, имеющий в своем составе 16 приборов и систему сбора научной информации успешно работает на орбите, обеспечивая получение и передачу на Землю научной информации о солнечной активности и ее проявлениях в околоземном космическом пространстве. По своему составу и характеристикам комплекс научной аппаратуры спутника КОРОНАС-Ф является уникальным. Он регистрирует солнечные излучения и солнечные космические лучи в широком диапазоне энергий, обеспечивая комплексность исследований Солнца и солнечно-земных связей. Хорошая стабилизация спутника позволяет получать высокое пространственное разрешение наблюдений и важную для исследований локализацию активных явлений на Солнце в диапазоне излучений от ультрафиолета до рентгена.
Диапазоны
измерительных каналов спутника КОРОНАС-Ф (заштрихованные области)
Широкий диапазон измерений электромагнитного спектра и потоков солнечных космических частиц, как нейтральных (нейтронов), так и заряженных (электронов, протонов и ядер) позволяет получать наиболее полную картину физических процессов в активных областях на Солнце. Измерения приборами космической солнечной обсерватории КОРОНАС-Ф дополняются наземными наблюдениями по скоординированной программе.
В реализации проекта КОРОНАС-Ф принимает участие большой коллектив ученых, инженеров и специалистов широкой кооперации российских, украинских и зарубежных организаций и предприятий при головной роли ИЗМИРАН. В научных
экспериментах проекта КОРОНАС-Ф принимают участие ФИАН, ФТИ, ИПГ, НИИЯФ МГУ, ИКИ РАН, МИФИ.
Научные руководители проекта КОРОНАС-Ф – академик РАЕН, директор ИЗМИРАН, профессор В.Н.Ораевский и член-корреспондент РАН, директор Отделения Оптики ФИАН, профессор И.И.Собельман.
Глобальные колебания Солнца и его внутреннее строение
Наблюдаемая активность Солнца является отражением процессов происходящих в глубинных его слоях. В ядре Солнца происходят термоядерные реакции, выделяемая энергия которых переносится к внешним слоям, порождая сложную структуру и динамику этих слоев – конвективную зону, фотосферу, хромосферу, корону и солнечный ветер. Взаимодействие вращения Солнца с конвекцией приводит к дифференциальному характеру вращения среды в конвективной зоне (нетвердотельному вращению с зависимостью угловой скорости вращения от глубины и широты) и определяет сложную картину регенерации магнитного поля, которая в свою очередь определяет появление на поверхности Солнца активных областей и связанных с ними проявлений солнечной активности – вспышек, выбросов, корональных дыр, а также 11-летний цикл солнечной активности. Изучение внутреннего строения Солнца, таким образом, является ключевым моментом для понимания природы солнечной активности. Важными являются такие характеристики внутренних слоев Солнца как распределение плотности и температуры с глубиной, зависимость угловой скорости от радиуса и широты, глубина конвективной зоны и т.д.
Рис.8. Структура Солнца, иллюстрирующая p- и g-моды глобальных колебаний Солнца.
Гелиосейсмология наука о внутреннем строении Солнца
Одним из наиболее действенных современных методов изучения внутреннего строения Солнца является гелиосейсмология, которая основана на изучении спектра собственных колебаний Солнца. Гелиосейсмология, как новый раздел физики Солнца, родилась в 60-х годах, когда были обнаружены 5-ти минутные колебания (в области периодов 3-10 минут), охватывающие всю поверхность Солнца. В последствии было установлено, что их спектр не является непрерывным, а состоит из множества отдельных линий. Каждая составляющая спектра является отдельной модой (р-модой) собственных глобальных акустических колебаний Солнца, которое рассматривается как газообразное тело в форме шара.
Рис.9. Интегральный (частотный) спектр амплитуды колебаний Солнца по данным спектрофотометра ДИФОС спутника КОРОНАС-Ф в шести измеряемых каналах, показывающий наличие в области частот 2500-3500 мкГц (периоды около пяти минут) повышенной (над уровнем шумов) амплитуды колебаний, обусловленной собственными модами акустических колебаний Солнца, так называемыми р-модами.
Рис.10. Общий вид спектра мощности наблюдаемых 5-ти минутных глобальных колебаний (p-мод) по результатам наблюдений прибором MDI спутника SOHO. Целое число l характеризует горизонтальную длину волны колебания l = 2pR/ [l(l+1)]1/2
Наблюдения собственных колебаний открыли уникальную возможность изучения внутреннего строения Солнца, которое до этого казалось совершенно недоступным для непосредственных исследований за исключением крайне дорогостоящей нейтринной астрономии. Более того, возможности гелиосейсмологии существенно шире нейтринной астрономии, которая позволяет получить информацию о протекании ядерных реакций только в самых глубоких областях Солнца. С помощью гелиосейсмологии можно исследовать строение Солнца, начиная с конвективной зоны вплоть до солнечного ядра. В спектре собственных колебаний содержатся сведения о температуре, давлении, магнитных полях, скорости вращения в зависимости от глубины. Сравнение наблюдаемых частот глобальных колебаний, выделяемых по пикам в спектре мощности, с результатами расчетов по теоретическим моделям и составляет основу для изучения реальной внутренней структуры и динамики Солнца. Поэтому первичной задачей гелиосейсмологии по аналогии с оптической спектроскопией является точное определение характеристик спектра, таких, как частоты, амплитуды и фазы мод колебаний, ширина, асимметрия и расщепление линий.
Космическая (внеатмосферная) гелиосейсмология
Наземные наблюдения глобальных колебаний сталкиваются с рядом трудностей. Стремление добиться максимально возможного пространственного и частного разрешения спектра глобальных колебаний требует обеспечить непрерывность наблюдений в течение, по крайней мере, двух недель, так как частотное разрешение обратно пропорционально времени наблюдения. При наблюдениях с поверхности Земли это возможно лишь при наличии нескольких пунктов наблюдений, разнесенных по долготе и имеющих одинаковую аппаратуру, либо при наблюдениях из полярных областей. Но и в этих случаях получение длинных рядов данных зависит от хорошей погоды. Помимо этого, нестабильность земной атмосферы и присутствие в ней своих собственных колебаний значительно снижают соотношение сигнал-шум, а наблюдения в некоторых частях спектра, например, в ультрафиолете, оказываются невозможными из-за сильного поглощения атмосферой солнечного излучения. Поэтому наблюдения глобальных колебаний Солнца лучше проводить из космоса. Космические эксперименты позволяют устранить помехи, связанные с нестабильностью земной атмосферы, исключить суточную модуляцию длительного ряда данных при наземных наблюдениях (ночные пропуски), и получить за счет этого наиболее надежные результаты о р-модах низких степеней. В этом плане солнечно-синхронная орбита спутника КОРОНАС-Ф, обеспечивающая непрерывный ряд наблюдений в 20 суток, позволяет надежно проследить динамику различных мод глобальных колебаний – фазы роста, насыщения и уменьшения амплитуды, которые имеют характерные времена от нескольких часов до нескольких дней.
Во время проведения эксперимента ДИФОС на первом спутнике КОРОНАС-И (запущен 4 марта 1994 года) был получен непрерывный ряд данных о вариациях интенсивности солнечного излучения в трех спектральных диапазонах продолжительностью 52 суток, на основе которых были определены спектральные характеристики 50-ти мод собственных колебаний Солнца и получено с высокой точностью соответствие частот и амплитуды выделенных р-мод колебаний с данными наземных наблюдений. Экспериментально было показано также частотное расщепление р-мод вследствие вращения Солнца.
На спутнике КОРОНАС-Ф спектрофотометр ДИФОС извлекает информацию о солнечных колебаниях на основе фотометрического метода - измеряет изменения яркости от всего Солнца, вызванные глобальными колебаниями. При таких наблюдениях (без пространственного разрешения) доступными для изучения являются колебательные моды низких степеней с l ? 3, которые представляют исключительный интерес для астрофизики, так как они чувствительны к условиям в самых глубоких слоях Солнца, существенно глубже конвективной зоны. Амплитуда изменения яркости Солнца вследствие собственных колебаний крайне мала и составляет всего несколько миллионных долей от полной яркости, поэтому спектрофотометр ДИФОС обладает высокой стабильностью и большой разрешающей способностью (2х10-6 от полной интенсивности излучения Солнца) для выделения столь малых сигналов на фоне полного солнечного потока излучения.
Измерения спектрофотометром ДИФОС позволяют получать высококачественные непрерывные ряды данных об интенсивности солнечного излучения в широком диапазоне спектра от ближнего ультрафиолета до инфракрасного (в шести спектральных диапазонах наблюдения - 350, 500, 650, 850, 1100 и 1500 нм, 1 нм = 10 м), которые используются для построения спектров собственных колебаний Солнца, вычисления характеристик и тонкой структуры р-мод колебаний Солнца и уточнения на их основе модели внутреннего строения Солнца или более конкретно позволяют определить с более высокой точностью частоты, амплитуды и фазы p-мод солнечных колебаний в диапазоне частот от 0 до 5 мГц; провести изучение зависимости относительной мощности солнечных колебаний от длины волны наблюдения и проверить теоретические расчеты, дающие значительное увеличение мощности колебаний в наиболее информативной ультрафиолетовой части спектра;
изучить взаимодействия акустических и тепловых волн в верхних слоях конвективной зоны, в частности, с использованием наблюдений в диапазоне 1500 нм, в котором излучение выходит из наиболее глубоких слоев фотосферы; выяснить природу вариаций "солнечной постоянной" и выделить вклад в эти вариации солнечных пятен, факелов, хромосферной сетки и других проявлений солнечной активности; установить связь параметров собственных колебаний (спектральный состав, мощность, время жизни, вариации частоты) с проявлениями солнечной активности и определить условия возникновения колебаний; изучить зависимость параметров наблюдаемых глобальных колебаний от 11-летнего цикла солнечной активности; определить значения скорости звука, распределение плотности и скорости вращения внутренних слоев Солнца.
На рис.11 показаны относительные амплитуды мод 5-ти минутных колебаний Солнца (частотный спектр) на длине волны 650 нм по результатам обработки данных спектрофотометра ДИФОС. Анализ таких спектров дает уверенную идентификацию р-мод со степенями гармоник l = 0, 1, 2. На каждом таком спектре в диапазоне 2,5-3,5 мГц выделяется 10-15 гармоник колебаний. Числа над спектральными пиками определяют значения l и n для данных мод колебаний.
Средние относительные амплитуды колебаний составляют от 10-6 до 10-5 в зависимости от спектрального диапазона наблюдения.
Практически все параметры собственных мод колебаний (частоты, ширины линий в спектре мощности, величины вращательного расщепления частот) обнаруживают слабые изменения со временем, которые коррелируют с фазой цикла солнечной активности и отражают происходящие в недрах Солнца возмущения, вызываемые солнечной активностью. Кроме этого, в отдельные интервалы времени в течение коротких периодов (порядка нескольких часов) обнаруживаются быстрые и не зависящие от степени и порядка мод изменения амплитуды пиков мод. Частоты колебаний р-мод значительно изменяются за период времени порядка месяца и эти изменения коррелируют с изменениями солнечной активности и ее индексами, характеризующими величину среднего магнитного поля и состояние хромосферы.
Рис.11.Относительные амплитуды мод 5-ти минутных колебаний Солнца на длине волны 650 нм по результатам обработки данных спектрофотометра ДИФОС спутника КОРОНАС-Ф.
Как уже отмечалась, отражением процессов происходящих в глубинных слоях Солнца является наблюдаемая на его поверхности активность в виде локализованных магнитных полей - активных областей и солнечных пятен, вспышек,
выбросов, корональных дыр и т.д.
Изображающая рентгеновская спектроскопия Солнца
Визитной карточкой любого современного солнечного космического проекта стало получение изображений Солнца, отображающих наиболее характерные «черты его лица». На спутнике КОРОНАС-Ф в рамках эксперимента СПИРИТ (ФИАН) реализовано новое направление в солнечной астрофизике – изображающая рентгеновская спектроскопия, позволяющая по монохроматическим изображениям Солнца восстанавливать трехмерную структуру и исследовать динамику плазменных образований солнечной атмосферы в широком диапазоне существующих на Солнце температур – от 50 тыс. до 50 млн. градусов Кельвина. Суть этих наблюдений состоит в том, что рентгеновский телескоп спутника КОРОНАС-Ф имеет важную особенность, заключающуюся в возможности наблюдать Солнце с высоким пространственным, спектральным и временным разрешением одновременно в нескольких спектральных каналах, каждому из которых отвечают на Солнце области излучения с определенной температурой (монотемпературные слои). Наблюдения в этих спектральных каналах дают интенсивности излучения срезов солнечной атмосферы по этих слоям, которые и используются для восстановления реальной структуры и диагностики солнечной атмосферы и существующих в ней образований – активных областей, корональных петель и аркад, корональных дыр, ярких точек, протуберанцев и т.д. Реализованная в рентгеновском телескопе спутника КОРОНАС-Ф одновременность наблюдения в разных спектральных каналах (т.е. разных по температуре, а значит и по высоте, слоев солнечной атмосферы) обеспечивает возможность прослеживать динамику плазменных образований солнечной атмосферы (вспышек, выбросов и т.д.) на основе сравнения последовательных снимков, и таким образом, создавать фильмы о «жизни Солнца».
В результате таких наблюдений в монохроматических рентгеновских изображениях Солнца впервые обнаружены динамические плазменные структуры с температурами в десять миллионов градусов, что почти в десять раз превышает температуру солнечной короны.
За время работы спутника на период конца 2002 года получено более 300 000 снимков Солнца в различных линиях рентгеновского диапазона (8.42-335 A) и восстановлены трехмерные изображения и динамика солнечной короны для
отдельных периодов активности Солнца. Ежедневно регистрируется более 200 изображений Солнца.
Рис.12. Изображения Солнца в каналах рентгеновского телескопа, соответствующих температурным слоям в интервале 0.05 – 2 МК (эксперимент СПИРИТ спутника КОРОНАС-Ф).
На рис.12 в качестве примера приведены изображения Солнца в каналах рентгеновского телескопа, соответствующих температурным слоям в интервале 0.05 – 2 МК (1 МК = 10 млн.град К). На изображениях видны локальные и крупномасштабные плазменные образования, разнообразная структура магнитных полей, а также область вспышки.
На рис.13 представлено монохроматическое изображение в линии Mg XII 8.42 A области солнечной короны, разогретой до температуры 10 МК. Это изображение совмещено с изображением в канале 175 A, соответствующем температуре 1.3 МК (шарообразная структура в правом верхнем углу рисунка). Высокотемпературные (10 МК) динамические плазменные структуры с различным временем жизни (от минут до десятков часов), разной формы (шлемовидные, шарообразные, паукообразные и др.) и с различным распределением по высоте до сотен тысяч км над диском Солнца обнаружены в монохроматических рентгеновских изображениях впервые.
На рис.14 показана спектрогелиограмма Солнца 16.09.01 (03.59 UT) вместе со спектром вспышки в области 177-207Е, где показаны также основные интенсивные линии ионов Fe X – XXIV, возбуждаемые в широком диапазоне температур от 1 до 16 МК, а также ряд линий ионов других элементов (O, Ca и Ni), соответствующих температурам 0.3 – 5 МК. Область вспышки видна как компактное изображение на спектрогелиограмме в "горячей" линии Fe XXIV 192.04Е, имеющей максимум светимости при 16 МК.
Рис.13.Монохроматическое изображение в линии Mg XII 8.42 A области солнечной короны, разогретой до температуры 10 МК (эксперимент СПИРИТ спутника КОРОНАС-Ф).
Рис.14.Спектрогелиограмма Солнца 16.09.01 (03.59 UT) вместе со спектром вспышки в области 177-207 A (эксперимент СПИРИТ спутника КОРОНАС-Ф).
Солнечные вспышки
Солнечные вспышки являются наиболее мощными проявлениями солнечной активности. Во время вспышек на Солнце происходит выделение огромного количества энергии (до 10 33 эрг и более), запасаемой в магнитных полях в виде токовых систем. Заряженные частицы (электроны, протоны, ядра) ускоряются до высоких энергий (электроны до ультрарелятивистских энергий, более 200 кэВ, протоны до 10-100 МэВ и в очень редких случаях до 1-10 ГэВ). При взаимодействии с плазмой солнечной атмосферы пучки ускоренных частиц порождают жесткое электромагнитное излучение в диапазоне от рентгена до гамма (при распространении пучков вглубь солнечной атмосферы) и радиовсплески, ударные волны и возмущения солнечного ветра (при распространении в корону). Аналогичные солнечным вспышкам мощные процессы выделения энергии происходят и на удаленных от нас звездах, но только на Солнце мы можем в деталях изучить физику вспышек и понять их механизм. Исследование солнечных вспышек на спутнике КОРОНАС-Ф осуществляется комплексом научных приборов, который регистрирует вспышечное излучение в широком диапазоне энергий с высоким временным и спектральным разрешением. Совокупность этих наблюдений и измерений, которые выполняются приборами спутника КОРОНАС-Ф по солнечным космическим лучам, позволит лучше понять механизмы ускорительного процесса частиц в солнечных вспышках, одного из наиболее мощных в Солнечной системе и наиболее близкого во Вселенной.
Рис.15. Схематическое изображение солнечной вспышки.
Получаемые приборами РЕСИК и ДИОГЕНЕСС рентгеновские спектры солнечного излучения сравнимы по спектральному и временному разрешению с самыми лучшими наблюдениями, выполненными до сих пор. Если при больших потоках рентгеновского излучения детекторы всех действующих в настоящее время на орбите приборов насыщаются, то прибор ДИОГЕНЕСС является на настоящий момент единственным в мире работающим спектрометром, который регистрирует спектры мощных вспышек - балла свыше M2 (пример – вспышка класса X5.3 25 августа 2001 г.). По спектрам, получаемым приборами ДИОГЕНЕСС и РЕСИК, определяются эффекты изменения ширины спектральных линий и изучается плазменная турбулентность при эволюции вспышки. Относительные интенсивности излучения в линиях содержат информацию об энергетическом балансе во вспышках, роли немаксвелловских и неравновесных процессов в области выделения энергии вспышки. В спектральном диапазоне (3-7 A) для вспышек Х-класса подобные спектры с высоким пространственным разрешением (~ 5?) получены впервые. Спектры этих приборов показывают также наличие множества линий излучения, которые образованы за счет процессов столкновительного возбуждения атомов, возбуждения внутренних оболочек атомов и диэлектронной рекомбинации, и позволяют осуществить детальную диагностику вспышечной плазмы.
Рис.16. Рентгеновские спектры солнечного излучения, полученные прибором ДИОГЕНЕСС спутника КОРОНАС-Ф.
Вспышечный спектрометр ИРИС выполняет спектральные измерения с высоким временным разрешением, которые до настоящего времени не проводилось ни в одном эксперименте по исследованию рентгеновского излучения Солнца.
Наблюдения тонкой временной структуры потоков жесткого рентгеновского излучения дают прямую информацию о развитии процессов энерговыделения на взрывной фазе вспышек и позволят продвинуться в понимании их физического
механизма. На рис.17 показана запись интенсивности жёсткого рентгеновского излучения в 4-х энергетических каналах в диапазоне 20-100 кэВ с высоким временным разрешением для события 27 сентября 2001 г., 18:26 UT.
Рис.17. Запись интенсивности жёсткого рентгеновского излучения в 4-х энергетических каналах в диапазоне 20-100 кэВ с высоким временным разрешением для события 27 сентября 2001 г., 18:26 UT (вспышечный спектрометр ИРИС спутника КОРОНАС-Ф).
С помощью прибора ГЕЛИКОН осуществляется слежение за радиационной обстановкой в околоземном космическом пространстве и солнечными вспышками с мягким энергетическим спектром, обнаружение и детальная регистрация жестких вспышек и гамма-всплесков. На рис.18-20 приведена временная динамика одной из мощных солнечных вспышек, которая была зарегистрирована на взрывной фазе 24 декабря 2001 г. в T0=0 h 31 m 41.895 s UT. в восьми энергетических каналах и энергетические спектры, полученные последовательно на различных фазах события.
Рис.18. Показан временной профиль излучения мощной вспышки 24 декабря 2001 г. (T0=0 h 31 m 41.895 s UT) на взрывной фазе в восьми энергетических каналах (гамма-спектрометр ГЕЛИКОН спутника КОРОНАС-Ф).
Рис.19. Энергетические спектры мощной вспышки 24 декабря 2001 г., полученные последовательно на различных фазах события (0-109 сек) (гамма-спектрометр ГЕЛИКОН спутника КОРОНАС-Ф).
Рис.20. Энергетические спектры мощной вспышки 24 декабря 2001 г., полученные последовательно на различных фазах события (109 – 235 сек) (гамма-спектрометр ГЕЛИКОН спутника КОРОНАС-Ф).
Событий типа солнечная вспышка - гамма-всплеск исследуются с помощью амплитудно-временного спектрометра АВС, который позволяет получать энергетические спектры для разных фаз события, восстанавливать дифференциальный энергетический спектр и изучать различные спектральные особенности, обусловленные аннигиляцией электрон-позитронных пар, рождающихся во вспышках, и другими высокоэнергичными процессами.
Наблюдение вспышечных излучений на спутнике КОРОНАС-Ф в широком спектральном диапазоне позволит продвинуться в понимании механизма вспышек, изучить физику и построить модели этого важного для астрофизики явления, а также сформулировать вероятностные критерии их прогноза, как наиболее мощных и опасных солнечных источников космической погоды.
Запущенный недавно американский спутник RHESSI (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager), на борту которого находится фактически один многоканальный прибор, сможет дополнить проводимые спутником КОРОНАС-Ф наблюдения жесткого рентгеновского и гамма-излучения Солнца в части локализации источников этих излучений на Солнце.
Достигая Земли вспышечные излучения, ускоренные частицы и возмущения солнечного ветра воздействуют на ее магнитосферу и атмосферу, повышают радиационную опасность в околоземном космическом пространстве и приводят к многочисленным эффектам, которые стали предметом исследований по космической погоде. Комплекс научной аппаратуры СКЛ, состоящий из трех приборов, выполняет комплексные исследования солнечных космических лучей и их проявлений в околоземном космическом пространстве. С помощью прибора СОНГ регистрируются спектры рентгеновского и гамма-излучений, детальные спектры гамма-линий, нейтроны, потоки заряженных частиц космических лучей - протонов с энергиями и электронов. Прибор МКЛ измеряет потоки и спектры протонов и электронов, а прибор СКИ-3 измеряет химический состав и спектры ионов. По сравнению с приборами, установленными на действующих космических аппаратах SOHO и Yohkoh, спектрометр СОНГ обладает способностью регистрации энергичных (с энергиями до 100 МэВ) гамма-квантов, что, в свою очередь, дает возможность наблюдать гамма-кванты от распада p-0 мезонов, образующихся во взаимодействиях высокоэнергичных протонов.
Приборы спутника регистрируют также ультрафиолетовое излучение Солнца как звезды, которое воздействует на верхние слои атмосферы Земли и является важной характеристикой активности Солнца на временах его цикличности.
Солнечный ультрафиолетовый радиометр СУФР-Сп-К и ультрафиолетовый солнечный спектрофотометр ВУСС-Л измеряют потоки ультрафиолетового излучения Солнца как звезды и помимо научных задач выполняют задачи мониторинга одного из наиболее существенных элементов космической погоды - геоэффективного излучения Солнца.
Продолжающиеся комплексные наблюдения активности Солнца со спутника КОРОНАС-Ф позволят получить новые знания о внутреннем строении Солнца, его активности вблизи максимума солнечного цикла, лучше понять солнечно-земные связи и механизмы воздействия солнечной активности на околоземное космическое пространство и земную атмосферу.
Проект КОРОНАС-Ф является составной частью перспективной программы исследований Солнца, разрабатываемой ИЗМИРАН под эгидой Росавиакосмоса и Российской академии наук в кооперации с другими российскими и зарубежными организациями. Эта программа включает проект «Интергелиозонд» для исследований Солнца с близких расстояний, а также проект «Полярно-эклиптический патруль» для глобального обзора Солнца и контроля космической
погоды.
Проект «Интергелиозонд».
Рис.21. Баллистическая схема проекта «Интергелиозонд».
В проекте «Интергелиозонд» космический аппарат, находясь на гелиоцентрической орбите, совершит многократные гравитационные маневры у Венеры и за счет ее притяжения по скручивающейся траектории приблизится к Солнцу на близкие расстояния, где осуществит режим частичной коротации с Солнцем, т.е. зависнет над заданным участком солнечной поверхности в течение недели, что позволит установить важные для солнечно-земных связей прямые корреляции явлений на Солнце и в межпланетной среде. Облетая вокруг Солнца примерно за треть года «Интергелиозонд» будет занимать разные положения по отношению к линии Солнце-Земля, располагаясь и наблюдая Солнце сбоку от этой линии и с обратной невидимой с Земли стороны. На последующих фазах миссии космический аппарат за счет тех же гравитационных маневров у Венеры наклонит плоскость своей орбиты по отношению к плоскости эклиптики и сможет наблюдать полярные области Солнца, в которых происходят важные для понимания солнечного
цикла процессы взаимодействия магнитного поля, вращения и конвекции. Проект позволит ответить на ключевые для солнечно-земной физики и астрофизики вопросы о механизмах нагрева солнечной короны, происхождения и ускорения
солнечного ветра, происхождения наиболее мощных проявлений солнечной активности – солнечных вспышек и выбросов коронального вещества.
Проект «Полярно-эклиптический патруль».
Рис.22. Баллистическая схема построения полярно-эклиптического патруля.
В рамках разрабатываемого в ИЗМИРАН проекта «Полярно-эклиптический патруль» (ПЭП) предполагается обеспечить непрерывный мониторинг солнечной активности и солнечного ветра, идущих в направлении Земли солнечных выбросов и гелиосферных возмущений, а также наблюдения за полярными областями и обратной стороной Солнца. Два малых КА помещаются на полярные (или наклоненные под углом 45 град. к плоскости эклиптики) гелиоцентрические орбиты
на расстоянии 0.5 а.е., так что их плоскости орбит взаимно перпендикулярны друг другу, а на орбитах аппараты разнесены на четверть периода (период около 130 дней). При такой орбитальной схеме с одного из КА непрерывно обеспечивается контроль линии Солнца-Земля, а в течение длительного времени с обоих КА. Когда один КА находится в плоскости эклиптики, другой располагается над одним из полюсов Солнца, а когда один из КА удаляется от плоскости эклиптики, другой приближается к ней. Таким образом, одновременный мониторинг осуществляется как в приэклиптических, так и в приполярных областях. Это дает возможность непрерывного изучения как низко- так и высокоскоростного солнечного ветра, объемной картины солнечной короны и солнечных выбросов. В отдельные периоды один из КА будет располагаться по отношению к линии Солнце-Земля в другой, чем Земля полусфере, и, таким образом, этот КА будет наблюдать обратную невидимую с Земли сторону Солнца. Проект «Полярно-эклиптический патруль» обеспечит,
таким образом, непрерывный поток наиболее важной научной информации, необходимой для контроля космической погоды, исследования солнечно-земных связей и предупреждения о «земных эха» солнечных бурь.
Программа космических исследований Солнца, разрабатываемая ИЗМИРАН под эгидой Росавиакосмоса в в кооперации с другими российскими и зарубежными институтами, позволит ученым лучшее понять строение Солнца и происходящие на нем процессы и явления, изучить влияние солнечной активности на Землю и различные сферы человеческой деятельности. Ее реализация позволит также контролировать происходящие на Солнце активные явления и вызываемые ими геомагнитные бури. Действующий проект КОРОНАС-Ф один из важных шагов в
этом направлении.
В.Н. Ораевский, В.Д. Кузнецов. 2014-07-19 18:44
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • © sanaalar.ru
    Образовательные документы для студентов.