НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

______________________________________________________________

ЮРОВСЬКИЙ ЮРІЙ ФЕДОРОВИЧ

УДК 523.98

Мілісекундні пульсації радіовипромінювання Сонця:

фізичні властивості та походження

Спеціальність 01.03.02 - астрофізика,

радіоастрономія

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Кримської астрофізичної обсерваторії

Міністерства освіти України, Крим

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, чл.корр. НАН України

Шульга Валерій Михайлович, Радіоастрономічний інститут НАН України,

заступник директора, кер.відділу міліметрової радіоастрономії.

доктор фізико-математичних наук

Курочка Лев Миколайович, Астрономічна обсерваторія Київського

Національного університету, провідний науковий співробітник.

Доктор фізико-математичних наук

Коржавин Анатолий Николаевич, Спеціальна астрономічна

обсерваторія Російської АН, кер.лабораторії сонячної радіоастрономії.

Провідна установа: Харківський Національний університет,

Кафедра космічної радіофізики, 61077, Харків, майд.Свободи,4.

Захист відбудеться "_24_" __травня___ 2001 року на засіданні

Спеціалізованої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній

обсерваторії НАН України (03680, м. Київ-127, Голосіїв, ГАО НАНУ).

Початок засідань о __10_ годині

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Головної

астрономічної обсерваторії НАН України.

Автореферат розісланий "_2_" _квітня___ 2001 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Гусєва Н.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження змін потоку сонячної енергії має безпосередній практичний інтерес через існування зв'язку між станом сонячної поверхні і умовами життя на Землі. Наприклад, товщина річних кілець дерев, що залежить від кліматичних умов, змінюється з циклом приблизно в 11 років і чітко корелює з площею сонячних плям. Хоча оцінки періоду циклу в межах існуючої динамо-теорії близькі до тих, які спостерігаються, однак є безліч спостережних фактів, що не вкладаються в цю теорію. В зв'язку з цим необхідне подальше накопичення спостережних даних про довгочасні варіації сонячної активності і дослідження різноманітних теоретичних можливостей її пояснення.

Стрімкий розвиток техніки на протязі останнього сторіччя поставил перед сонячною астрономією низку задач, які не існували раніше. З'ясувалося, що дистанційні системи контролю і управління (наприклад, на трансконтинентальних нафтопроводах), радіаційна безпека космонавтів на космічних кораблях, навігація, системи посадки літаків, радіозв'язок і т.д. піддаються впливу сонячної активності. Тому проблеми прогнозу і діагностики сонячної активності виявилися на передньому плані.

Фундаментальне значення має взаємодія сонячної енергії з атмосферою, іоносферою і магнітосферою Землі. Енергія Сонця надходить в широкому спектрі електромагнітних хвиль, її переносить сонячне повітря і спалахові високоенергійні частинки. Відома кореляція полярних сяйв, магнітних бурь і стійкістю радіозв'язку з сонячними спалахами, що виникають біля плям. В зв'язку з цим зрозуміла необхідність вивчення причин впливу, каналів передачі збурень, а також прогнозування таких подій і їхніх наслідків.

Випромінювання Сонця в оптичному діапазоні постійне з точністю 0.2-0.4%, незважаючи на появу сонячних плям і виникнення спалахів. На відміну від оптичного спектру радіовипромінювання Сонця змінюється досить помітно. Зміни потоку на протязі 11-річного циклу на довжині хвилі 10 см досягають 300%, а під час спалахів підвищення інтенсивності може перевищувати передспалаховий рівень у тисячі разів. Отже, радіовипромінювання є досить чутливим індикатором сонячної активності.

Поява на диску Сонця активної області супроводжується підвищенням рівня радіовипромінювання (S-компонент). Ймовірність виникнення спалаху зростає пропорційно рівню S-компоненту. Характер спалаху і її геоефективність (протонність) залежать від спектру випромінювання супроводжуючого радіосплеску (критерій Танака-Еноме). Прискорені під час спалаху частки на шляху до Землі перетинають верхні шари атмосфери Сонця, викликаючи сплески радіовипромінювання на метрових хвилях. Таким чином, сантиметрові хвилі містять інформацію про область енерговиділення спалаху, метрові хвилі переносять інформацію про розповсюдження прискорених частинок, що прямують до Землі.

Довгостроковий прогноз появи активних зон грунтується на існуванні 11-річної циклічності, що проявляється у радіодіапазоні у вигляді варіацій середньомісячного потоку випромінювання на сантиметрових хвилях. Короткостроковий прогноз грунтується на оцінці ймовірності появи спалахів у вже існуючих активних областях. Ця ймовірність залежить від характеру еволюції активної області. Без сумніву, еволюційні зміни активної області напередодні спалаху виявляються поряд з оптичним і рентгенівським діапазонами також і в радіодіапазоні, але вони ще не повністю вивчені.

Вірогідність діагностики і прогнозу сонячних явищ залежить від нашого розуміння суті фізичних процесів, наслідком яких є виникнення спалаху і супутніх радіосплесків. Отже, рішення прикладних задач тісно пов'язане з фундаментальними дослідженнями фізики сонячної плазми і проблем радіоастрономії.

Систематичні дані для вивчення фізичних умов в сонячній короні і для оперативної діагностики та прогнозу спалахів краще усього одержувати на спеціалізованих сонячних радіотелескопах невеликих розмірів. Спостереження на таких інструментах реалізуються багатьма науковими центрами, розташованими на різноманітних довготах, в результаті чого вони утворюють світову мережу станцій Служби Сонця. Одержувані на них дані регулярно публікуються в щомісячних національних і міжнародних довідкових виданнях. Протягом 40 років автор дисертації здійснював такі спостереження в Кримській обсерваторії.

Незважаючи на значний прогрес, який був досягнутий за останні роки в вивченні спорадичного радіовипромінювання Сонця, деякі деталі цього цікавого явища ще недостатньо з'ясовані. На протязі перших 40 років історії сонячної радіоастрономії радіосплески сантиметрового діапазону вважалися безструктурним континуумом, позбавленим деталей. Однак, з поліпшенням спостережної техніки було виявлено, що їхня інтенсивність може пульсувати з характерним часом порядку мілісекунд. Ця властивість радіовипромінювання була розцінена як ознака фрагментації енерговиділення під час сонячних спалахів і викликала необхідність істотної корекції моделі спалахового явища. Оскільки мілісекундні пульсації були виявлені порівняно нещодавно, то обсяг спостережних даних про їхні властивості ще недостатній для впевненого визначення природи їхнього походження, що свідчить про необхідність створення радіоастрономічних комплексів, здатних реєструвати радіовипромінювання спалахів з високою роздільною здатністю порядку 10-2 - 10-3 с.

Історія сонячної радіоастрономії почалася з відкриття в 1942 р. спорадичного радіовипромінювання Сонця, що уявляло собою шумову бурю (ШБ). Значна інтенсивність, висока частота появи і тривалість сприяли швидкому накопичуванню відомостей про характер її випромінювання. Однак пошуки механізму генерації ШБ, що були зроблені трьома поколіннями радіоастрономів, не призвели до успіху. Про це свідчать багато гіпотез походження ШБ, серед яких одна виключала іншу. Жодна з цих гіпотез не є загальновизнаною, бо не пояснює в достатній мірі властивості, що спостерігаються. Інтерес до вивчення ШБ викликаний тим, що цей тип радіовипромінювання виникає на тих висотах в атмосфері Сонця, які обмежено доступні для спостережень в інших діапазонах електромагнітного спектру. Оскільки ШБ часто спостерігаються до виникнення спалаху, то їхні параметри можна використати для вивчення передспалахової еволюції активної області. Однак, цьому перешкоджає недостатньо ясна уява про природу походження ШБ. Отже, вивчення властивостей ШБ є дуже важливою частиною дослідження проблеми сонячної активності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика досліджень, що увійшли в дисертацію, визначалася планом наукової роботи Кримської астрофізичної обсерваторії. Ключова проблема "Радіоастрономія" в різні роки містила теми:

* "Апаратура і засоби. Створення радіоастрономічних інструментів" (1955-2000 рр),

* "Сонце і сонячна активність. Вивчення фізичних процесів в сонячній оболонці" (1955-1970 рр),

* "Дослідження Сонця, навколосонячного простору і сонячно-земних зв'язків радіоастрономічними засобами" (1960-1980 рр),

* "Активне Сонце. Еволюція активної області, вивчення структур хромосфери і корони за спостереженнями в радіодіапазоні" (1980-1990 рр),

* "Природа і радіовипромінювання активних областей на Сонці". Дослідження механізмів прискорення часток в спалахах, генерації і розповсюдження електромагнітного випромінювання за спостереженнями мілісекундних пульсацій в метровому і дециметровому діапазонах довжин хвиль. Проекти: "Спайк" (1983-1990рр), "Структура" (1991-1995), "Кореляція" (1996-2000).

Таким чином, зміст дисертації повністю відповідає темам планових досліджень, що проводились в Кримській обсерваторії, де була виконана дана робота.

Мета і задачі дослідження. Пошук природи спорадичного радіовипромінювання Сонця на основі експериментальних даних з мілісекундною роздільною здатністю, отриманих за сорокарічний період спостережень на створеній автором апаратурі, що складає основу станції CRIM. Ця станція є складовою частиною світової мережі станцій радіо служби Сонця і забезпечує отримання систематичних однорідних даних про стан сонячної активності в радіодіапазоні. Для досягнення поставленої мети були вирішені такі задачі:

·

· Всебічно вивчені чинники, що впливають на точність вимірів і розроблена методика отримання однорідних даних на протязі тривалого часу.

· Проведені на протязі 40 років щоденні спостереження рівня потоку радіовипромінювання Сонця незалежно від погодних умов з метою отримання спостережних даних для вивчення фізичних умов у верхніх шарах атмосфери Сонця, обмежено доступних для спостережень в оптичному діапазоні спектру.

· Вивчені 11-річні варіації радіовипромінювання незбуреного Сонця. Визначена ефективна температура, висота шару, що випромінює, і розподіл радіояскравості на диску.

· З'ясована геометрична будова локальних джерел за результатами спостережень з високою кутовою роздільною здатністю під час сонячних затемнень.

· Отримані дані про мілісекундну структуру сонячних сплесків. Проведена інтерпретація властивостей, що спостерігаються, в рамках звичайних гіпотез генерації спалахового радіовипромінювання.

· Виконаний аналіз нових властивостей радіосплесків, пояснення яких з точки зору традиційних механізмів спорадичного радіовипромінювання майже неможливе.

· Виявлена причина невідповідності передбачень існуючих гіпотез даним спостережень, і обговорений механізм утворення мілісекундних пульсацій, здатний пояснити відомі й нові властивості радіовипромінювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена і виготовлена апаратура для цифрової реєстрації мілісекундних пульсацій радіовипромінювання Сонця. Протягом 22-го циклу сонячної активності це була єдина в колишньому СРСР апаратура з такою часовою роздільною здатністю. Це відкрило новий напрямок в діагностиці сонячної плазми за характером мілісекундних пульсацій радіовипромінювання. Лише через 10 років в 1993 р. подібні спостереження були розпочаті на РАТАН-600 і на Сибірському сонячному радіотелескопі (ССРТ).

2. На основі даних, отриманих протягом 40 років спостережень, виміряні варіації ефективної температури незбурених ділянках диску Сонця на протязі 11-річного циклу сонячної активності. Визначена висота шару, що випромінює, і уточнений розподіл радіояскравості на лімбі спокійного Сонця. Підтверджено, що радіодиск Сонця на хвилі 10 см має еліптичний вигляд.

3. Вперше при спостереженнях затемнень застосований різницевий засіб виділення локальних джерел, який дозволив уточнити висоту розташування шару, що випромінює, підтвердити трьохкомпонентну структуру джерела і виявити її збереження на протязі 1-3 діб після розпаду групи плям.

4. Вперше на диску Сонця під час затемнень виявлені "крапкові" джерела радіовипромінювання. Виміряна їхня ефективна температура і визначене положення відносно оптичних видимих деталей активної області. Ці результати підтвердилися за 15 років, коли були створені антенні системи з високим кутовим розділенням.

5. Експериментально доведене сонячне походження мілісекундних (МС) пульсацій радіовипромінювання через погодження спостережень в ВАО (Пекін), КрАО (Крим) та IAP (Швейцарія).

6. Встановлено за даними спостережень за 1983-1999 рр., що сантиметрові мілісекундні події поділяються на спайки, часовий профіль яких різний на частотах 2.5 2.85 ГГц, і на синхронні на цих частотах пульсації потоку. Виявлено, що спайки можуть виглядати як "імпульси поглинань" і мають тенденцію з'являтися під час мінімуму місячних змін потоку радіовипромінювання Сонця. Показано, що властивості спайків, що спостерігаються, можуть бути наслідком дії регулярної рефракції та розсіювання радіохвиль в турбулентній атмосфері Сонця.

7. Проведений вперше кореляційний аналіз спайків з часовим розділенням, в 10 разів переважаючим за опубліковані спектрографічні дані. Він дозволив з'ясувати, що МС структура є дрейфуючою по частоті подією, подібною сплескам III типу. Виявлена невідома раніше зміна швидкості їхнього дрейфу на протязі спалаху.

8. Показано, що найкраще узгодження з мілісекундними пульсаціями, що спостерігаються, дає механізм нелінійних коливань ленгмюрівських хвиль. В рамках цієї гіпотези вперше за результатами спостережень мілісекундної структури оцінена густина фонової плазми, кінетична температура електронів, рівень ленгмюрівської турбулентності, яскравісна температура випромінювання і розміри джерела.

9. З'ясовано за допомогою аналізу МС структури з застосуванням засобів теорії динамічних систем, що МС події є суперпозицією білого гаусового шуму та флікер-шуму, тобто події не містять признаків існування магнітно-гідродинамічних коливань спалахової петлі і автоколивальних режимів прискорення електронів.

10. Вперше доказано, що серії сплесків з ймовірністю 95% мають властивості пуасонівського потоку випадкових подій і не можуть бути результатом коливань будь-якої резонансної системи. Для доказу цього був розроблений і застосований новий спосіб виявлення прихованої періодичності радіосплесків і використаний класичний засіб оцінки добротності коливальної системи.

11. Знайдено збільшення кореляції сплесків шумових бурь (ШБ) на частотах 235 і 280 МГц за одну годину перед потужним сплеском радіовипромінювання. Отже, коефіцієнт кореляції може слугувати індексом, що уточнює прогноз спалаху.

12. Встановлено, що традиційний спосіб розділу ШБ на компоненти апріорно виключає з розгляду довготривалі імпульси, що містять більше, ніж 90% всієї енергії сплескового компоненту, в зв'язку з чим була уточнена методика дослідження ШБ.

13. Математично доведено, що частота появи заданої тривалості імпульсу D описується розподілом зворотної величини 1/D, а не розподілом самої тривалості D. Це дозволило вперше встановити, що джерело ШБ витрачає в 10 раз більше часу на випромінювання довготривалих імпульсів, ніж на випромінювання всіх короткотривалих імпульсів, що докорінно змінює підхід до інтерпретації походження цього типу радіовипромінювання Сонця.

14. З'ясовано, що виникнення експоненціального розподілу сплескового компоненту ШБ може розглядатися як результат модуляції інтенсивності при розсіюванні радіохвиль на неоднорідностях електронної густини корони подібно відомому мерехтінню дискретних космічних радіоджерел, а не як накладення незалежних імпульсів випромінювання.

15. Показано, що спрямованість випромінювання сплесків I типу, їхня тривалість і смуга частот, утворення континууму ШБ, флуктуації розташування джерела на диску Сонця, зміщення джерела сплесків відносно джерела фонового компоненту, висота області, що випромінює, над фотосферою, зворотний рух джерела в момент заходження за радіо горизонт можуть бути природним наслідком регулярної рефракції і розсіювання радіохвиль в турбулентній плазмі сонячної корони.

16. Пояснене виникнення "гармонік" на некратних частотах за рахунок інтерференції хвиль кратної довжини, що пов'язане з залежністю показника заломлення корональної плазми від частоти.

Практичне значення отриманих результатів.

·

· Щоденні спостереження проводяться на протязі 40 років, дані загальнодоступні для ретроспективного аналізу і опубліковані в бюлетені "Солнечные данные" (РАН), в "Solar Geophysical Data" (Канада), акумульовані в Світовому Центрі Даних СЦД-2 (м. Москва), опубліковані в стані "Каталога необычных явлений в радиоизлучении Солнца на частоте 208 МГц за период МГГ и МГСС".

· В теперішній час радіоастрономічна станція CRIM є єдиною в Україні, що входить в світову мережу станцій Служби Сонця і проводить систематичний моніторинг сонячної активності в радіодіапазоні. В зв'язку з цим вона присутня в проекті "Національний центр попередження негативного впливу сонячної активності на навколоземний космічний простір, біо- і техносферу (Центр "Контроль навколишнього середовища").

· Спостереження на радіотелескопах станції CRIM плануються як наземне супроводження російсько-українського космічного проекту 'КОРОНАС-ФОТОН" Національного космічного агентства України, основною метою якого є: а) вивчення жорстких і корпускулярних випромінювань Сонця за допомогою бортової наукової апаратури і ідентифікація цих випромінювань з сонячними спалахами за наземними спостереженням, б) дослідження в різноманітних діапазонах довжин хвиль впливу сонячної активності на стан електромагнітної і радіаційної обстановок навколо Землі. (Договір 1314/Д-003 від 15.01.98, затверджений віце-президентом НАНУ акад. В. Г. Барьяхтаром і віце-президентом РАН акад. Н. П. Лаверовим.

· Універсальність створеної апаратури дозволяє проводити крім спостережень Сонця також пошук магнітосферного радіовипромінювання спалахових частинок, що досягли меж Землі. Такі експерименти проводяться спільно з сектором космічних досліджень Харківського національного університету за допомогою радіотелескопу метрових хвиль шляхом одночасних спостережень в пунктах Крим-Харьків, розташованих за 700 км один від одного, що забезпечує усунення випадкових завад.

· Методика отримання довгочасного ряду однорідних даних заснована на багаторічному досвіді і може бути корисна при спостереженнях на інших радіотелескопах.

· Отримана за спостереженнями затемнень ефективна температура, висота радіовипромінюючого шару, розташування джерела, радіорадіус і інші параметри дозволяють уточнити модель сонячної корони з використанням радіоданих.

· Розроблений в дисертації спосіб пошуку прихованої періодичності може бути застосований для вивчення обертання астероїдів, періодичності пульсарів і подвійних зірок, флуктуацій наведення телескопів та в інших випадках, коли необхідно виявити періодичність навіть при дефіциті вхідних даних.

· Математично обгрунтоване визначення ймовірності спостереження випадкової величини за розподілом її зворотного значення раніше не застосовувалось і тому може призвести до перегляду результатів, опублікованих раніше, в яких ймовірність була знайдена за розподілом самої випадкової величини.

· Отримані в цій роботі нові дані про властивості МС пульсацій корисні для подальшого розвитку теорії випромінювання сонячної плазми, істотно скорочують кількість гіпотез, придатних для пояснення природи швидких варіацій радіовипромінювання, і повинні братися до уваги при розробці моделей сплесків і уточнення фізичних умов в атмосфері Сонця.

Особистий внесок здобувача. Автору належать технічні рішення, втілені в конструкції і електричних схемах радіотелескопів, формулювання задачі, спостереження і інтерпретація результатів, надрукованих в 20 самостійних статтях. Внесок в праці, виконані в співавторстві з іншими дослідниками, такий:

·

· Спостереження затемнень (7 публікацій) - формулювання задачі, виготовлення апаратури, організація експедицій, спостереження, обробка даних, аналіз і публікація результатів.

· В 4 статтях, виконаних за матеріалам спостережень Гаванської радіоастрономічної станції - формулювання задачі, обробка даних, інтерпретація результатів.

· В спільних з Радіоастрономічним Інститутом НАН України (м. Харків) дослідженнях статистичних властивостей мілісекундних пульсацій (3 статті) - участь в поставленні задачі, спостереження і підготовка даних у формі, придатній для аналізу, участь в інтерпретації результатів.

· В 7 працях, виконаних з іншими співробітниками Лабораторії радіоастрономії КрАО - участь в розробці напрямку дослідження, підготовка апаратури і спостереження, створення алгоритмів (програм) обробки даних, участь в інтерпретації результатів.

· В дослідженні періодичності сплесків (3 статті), виконаному спільно з Інститутом прикладної фізики (IAP, Швейцарія), - поставлення задачі, математичне обгрунтування і розробка математичної моделі, обчислення та інтерпретація результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на 20-ти конференціях і симпозіумах:

1) на сесії Наукової ради з Радіоастрономії, ІЗМІРАН, жовтень, 1970 р.; 2) Всесоюзній Нараді секції радіовипромінювання Сонця, м. Рига, 1975 р.; 3) Segunda Jornada cientifica IGA AC Cuba, Habana, 1979; 4) XVI Всесоюзній конференції з радіоастрономічних досліджень Сонячної системи, Звенигород, жовтень 1984 р.; 5) Республіканській конференції " Радіоастрономічні дослідження Сонячної системи", Одеса, вересень 1985 р.; 6) XVIII Всесоюзній конференції "Радіотелескопи та інтерферометри", Іркутськ, 1986; 7) XXI Всесоюзній конференції "Радіоастрономічна апаратура", м. Єреван, жовтень 1989 р.; 8) Resumenes V Jornada cientifica IGA AC Cuba, Habana, 1989; 9) Workshop Flares-22 "Dynamics of Solar Flares", Chantilly, 1991; 10) 4 CESRA Workshop, Halkidiki, Greece, 1991;

11) IAU Colloq. No 141, sept. 1992, Beijing, China; 12) Міжрегіональній конференції "Радіоастрономічні Дослідження Сонячної системи", Н. Новгород, 1992; 13) La Tercera Conferencia Latinoamericana de Geofisica, Nov. 1993, Habana, Cuba; 14) Workshop "Fragmented Energy Release in Sun and Stars", okt. 1993, Utrecht, Netherlands; 15) XXV Радіоастрономічній Конференції, вересень 1993 р., Пущино; 16) Міжнародному семінарі "Фізика космічної плазми", червень 1993, Київ, Україна; 17) CESRA Workshop on "Coronal Magnetic Energy Releases", May 1994, Caputh, Germany; 18) XXVI Радіоастрономічній Конференції, вересень 1995 р., С. Петербург; 19) XXVII Радіоастрономічній конференції "Проблеми сучасної радіоастрономії", 1997 р., С. Петербург; 20) Конференції "Фізика Сонця" Української Астрономічної Асоціації, червень 1998, КрАО, Крим.

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 70 працях: в 47 статтях в наукових журналах, 14 з яких - рецензуються, і в 23 тезах всесоюзних і міжнародних конференцій.

Структура і обсяг праці. Дисертаційна праця складається зі вступу, п'ятьох розділів і висновку, містить 290 сторінок основного тексту, 132 рисунки, 7 таблиць і список літератури з 265 найменувань. Загальний обсяг дисертації - 332 сторінки.

ЗМІСТ ПРАЦІ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, показані наукова новизна і практичне значення дисертації, представлені особистий внесок автора і апробація результатів. На початку кожного розділу дається стислий огляд літератури з питань, що стосуються до даного розділу, а в кінці сформульовані висновки.

Розділ 1. Радіотелескопи для регулярних спостережень Сонця з мілісекундною роздільною здатністю. Для рішення багатьох питань фізики Сонця необхідні тривалі ряди однорідних регулярних радіоданих. Такі дані можна отримати за допомогою порівняно простих радіотелескопів невеликих розмірів. Оскільки промисловість не виробляє такі інструменти, то для рішення поставлених задач в першу чергу було необхідно спроектувати і виготовити радіотелескопи, що мають необхідні параметри. Для отримання даних про фізичні умови в районі енерговиділення спалаху обрані частоти спостережень 2.5 та 2.85 ГГц, випромінювання на яких генерується на висоті (20ё50) 103 км. Рух спалахового збурення через корону супроводжується радіовипромінюванням в метровому діапазоні хвиль і для його реєстрації обрані частоти 235 і 280 МГц, що надходять з рівня (100ё150) 103 км над фотосферою.

У підрозділі 1.1 перераховані відомі на час проектування характеристики спорадичного радіовипромінювання Сонця, що визначили вимоги до технічних параметрів радіотелескопів. Головні вимоги полягали в необхідності реєстрації мілісекундних подій з постійною часу не більш, ніж 0.01 с, реалізація безперервного динамічного діапазону 30 дБ для усунення фрагментації запису інтенсивних радіосплесків і тривала стабільність одержуваних даних.

У підрозділі 1.2 визначена необхідна ефективна площа антени радіотелескопу метрового діапазону, обгрунтована конструкція антени у вигляді синфазного полотна зі 112 елементів, розрахована діаграма спрямованості і обчислена ефективна температура при наведенні антени на "спокійне" Сонце, що визначила вимоги до параметрів радіометру (приймача) радіотелескопу. Розроблена програма розрахунку відгуку радіометру (математичне моделювання) на проходження локального джерела випромінювання. Ця програма була використана далі у підрозділі 2.4. Приводиться оригінальна конструкція антенного модулятора для послаблення заважаючої дії радіовипромінювання Галактики, на фоні якого спостерігається Сонце. Виконаний розрахунок і дається стислий опис модуля НВЧ радіотелескопу метрових хвиль, що був спроектований у вигляді приймача прямого підсилення на базі стандартних транзисторних підсилювачів УТР-4.

У підрозділі 1.3 стисло описана конструкція радіотелескопу сантиметрового діапазону та особливості модуляційного засобу виділення сигналу в режимі квазинульового методу реєстрації сигналу. Встановлено, що існує природна межа точності реєстрації мілісекундних подій, яка дорівнює 3.5%, і вона не залежить від розмірів і якості радіотелескопу. Визначена необхідна точність супроводу Сонця. Відповідно, вона дорівнює 10 кутових хвилин. В зв'язку з цим антенна була встановлена на прецизійному поворотному пристрої оптичного телескопу і розміщена в радіопрозорому шатрі для захисту від вітрових навантажень.

У підрозділі 1.4 описана функціональна схема низькочастотних приладів, однакових для метрового і сантиметрового радіотелескопів. Особлива увага приділена засобу створення безперервного динамічного діапазону 30 дБ та вирішенню проблеми точності квантування сигналу аналого-цифрового перетворювача, що виникає при цьому.

У підрозділі 1.5 обгрунтовується число рівнів квантування, обраний формат цифрових даних, частота дискретизації, режими реєстрації (очікування події / швидкісний запис) і обговорюється радіотехнічна сумісність ЕОМ з реєстрацією слабких сигналів, що визначила вибір типу ЕОМ. Наведені технічні параметри аналога -цифрового перетворювача і перераховані функціональні можливості алгоритму (програми) управління радіотелескопами і реєстрації даних (текст розробленої програми в дисертацію не включений, бо вона орієнтована на використання з конкретними радіотелескопами і, на думку здобувача, не викликає загального інтересу). У висновках розділу перелічені технічні параметри створених радіотелескопів.

Розділ 2. Методика спостереження мілісекундних пульсацій та калібрування радіотелескопів. Спостереження тонкої структури сонячного радіовипромінювання ускладнюється флуктуаціями сигналу в земній атмосфері. На сантиметрових хвилях флуктуації виникають із-за розсіювання радіохвиль на неоднорідностях показника заломлення в тропосфері, в метровому діапазоні нестабільність пов'язана з варіаціями електронної концентрації в іоносфері. Метою дослідження цього розділу є не вивчення властивостей середовища розповсюдження, а з'ясування ступеня її впливу на параметри сонячних сплесків, що спостерігаються.

Підрозділ 2.1. Спеціальні спостереження на двох радіотелескопах в діапазоні см хвиль в режимі компенсації рівня радіовипромінювання Сонця показали, що тропосферні флуктуації інколи досягають величини 7-10%, стаючи порівняними по амплітуді з мілісекундними пульсаціями сонячного радіовипромінювання. Вивчення функції кореляції і спектру флуктуацій дозволило з'ясувати, що їхнім впливом на сонячні сплески тривалістю 0.4 с і менше можна зневажити.

Підрозділ 2.2. На хвилях метрового діапазону вимірювалося мерехтіння локальних джерел на неоднорідностях земної іоносфери шляхом одночасних спостережень Сонця на частоті 220 МГц на ідентичних радіотелескопах, один з яких розташований в Криму, а інший - на Кубі. Виявлено, що кожному сплеску на записі в одному пункті відповідає пік інтенсивності на записі в другому пункті, але відношення амплітуд сплесків змінюється від 15% до 200% при переміщенні області, що випромінює, від центрального меридіану до лімбу Сонця. Отриманий результат однозначно свідчить про вплив умов розповсюдження радіохвиль на характеристики сплесків, що спостерігаються, але причина залежності розкиду амплітуд сплесків від положення активної області на диску Сонця залишається неясною, бо цей ефект може бути пов'язаний також зі зміною стану іоносфери із-за супутніх варіацій іонізуючого випромінювання. Для з'ясування цього питання потрібні позаатмосферні спостереження.

Підрозділ 2.3. Для отримання однорідних даних на протязі декількох 11-річних циклів сонячної активності на сантиметрових хвилях в КрАО застосовується калібрування радіотелескопу по радіовипромінюванню Місяця. Розроблена методика мінімізування похибки калібрування до 10% через спостереження на непорушній антені і компенсації теплового випромінювання земної атмосфери.

Підрозділ 2.4. Для калібрування радіотелескопу метрового діапазону по радіовипромінюванню дискретного джерела Касіопея-А розроблене математичне моделювання обставин спостережень, яке дозволяє врахувати розподілене випромінювання Галактики. Виміряний відгук радіотелескопу на це випромінювання в площині екліптики на протязі року. Цей відгук використовується для корекції щоденних спостережень. В результаті точність даних на метрових хвилях складає близько 12%.

Підрозділ 2.5. Для практичного використання радіоданих з метою прогнозування радіаційної обстановки в навколоземному просторі проведений статистичний аналіз 500 днів спостережень, на протязі яких відбулося більше ніж 3000 сплесків. Цей аналіз показав, що по відомій густині потоку можна передбачати очікувану кількість сплесків з ймовірним відхиленням 30%. Імовірність протонних подій виявилася менш ніж 0.01, якщо потік не перевищував величини 200 10-22 Вт/м2Гц. Радіодані і знайдені чисельні співвідношення вперше використовувались при забезпеченні польотів космічних кораблів в 60-х роках.

Розділ 3. Просторова будова сонячної атмосфери і центрів сонячної активності. Радіодані дозволяють визначити фізичні умови на тих висотах в короні, спостереження яких в оптичному діапазоні обмежено доступні в звичайних умовах. Сонячні затемнення надають сприятливу можливість для виміру в радіодіапазоні ефективної температури і висоти шару, що випромінює, завдяки винятково високій роздільній здатності цього методу спостережень.

Підрозділ 3.1. По спостереженням 7 затемнень розрахований розподіл радіо яскравості на лімбі спокійного Сонця. На хвилі 10 см за видимим краєм диску виявлене збільшення яскравості, величина якого залежить від геліо широти. Знайдено, що ефективна температура незбурених центральних дільниць диску Сонця змінюється на протязі 11-річного циклу.

Підрозділ 3.2. Отримані нами на стаціонарному атмосферно-фотосферному рефракторі АФР-2 фотографії фаз затемнення були оброблені на вимірювальній апаратурі "Аскорекорд-2". Знайдені координати оптичних об'єктів з похибкою 0.002 R¤ і визначена їхня зміна на протязі затемнення. Співставлення з радіо спостереженнями затемнення показало, що локальне джерело на хвилі 10 см складається з поляризованого плямового, неполяризованого міжплямового і більш слабкого флокульного компоненту. Виявлено, що над флоккулом, розташованому на місці групи плям, що розпалася напередодні, збереглось трьохкомпонентне радіо джерело, деталі якого мали розміри і ефективну температуру, характерну для джерел над існуючими плямами. Після спалаху в районі його виникнення спостерігалось локальне радіо джерело з ефективною температурою 3.4 108 К. Розроблений різницевий спосіб виділення лімбових радіоджерел, що усуває вплив збільшення яскравості на краю сонячного диску на розподіл радіо яскравості по джерелу. Його застосування показало, що на хвилі 10 см шар, відповідальний за спорадичне радіовипромінювання, знаходиться в короні, де кінетична температура електронів перевищує 106 К.

Підрозділ 3.3. Розроблений і здійснений диференційний спосіб спостережень затемнення шумових бурь метрового діапазону на однаковій апаратурі з двох рознесених пунктів, що дозволяє розрізнити власні варіації інтенсивності радіоджерела і ефекти його закриття диском Місяця. Спостереження проводилися в Ла-Пасі (Південна Каліфорнія, Мексика) та на Кубі. З'ясовано, що смуга частот, займана флуктуаціями (сплесками) шумової бурі, збільшується зі зростанням тривалості флуктуацій. Вперше по спостереженням затемнення отримані з високим кутовим розділенням справжні розміри джерела шумової бурі, не обтяжені власними варіаціями його інтенсивності. Визначена висота джерела, його розміри, ефективна температура і положення на диску Сонця.

Підрозділ 3.4. Під час чотирьох затемнень спостерігалися зміни потоку, морфологічно збіжні з теоретичною дифракційною кривою. Оцінка шорсткості лімбу Місяця і точності реєстрації сигналу з застосуванням квазинульового способу спостережень показали, що ці зміни могли бути викликані відкриттям/закриттям локальних джерел випромінювання. Ці результати були підтверджені лише через 8-15 років, коли були створені антенні системи з високою роздільною здатністю.

Розділ 4. Мілісекундна (МС) структура сплесків радіовипромінювання Сонця на сантиметрових хвилях. Швидкі варіації радіовипромінювання під час спалахів в літературі розглядаються як результат фрагментації енерговиділення. В зв'язку з відносно нещодавнім відкриттям цих варіацій їх властивості ще не повністю вивчені, а механізми випромінювання остаточно не встановлені.

Підрозділ 4.1. Деякі властивості МС пульсацій не підтверджувалися при незалежних спостереженнях, в зв'язку з чим були висловлені сумніви в існуванні МС варіацій взагалі, і потрібно було довести їхнє сонячне походження. Це було зроблено міжнародною групою учених шляхом одночасних спостережень з рознесених пунктів Китай-Крим-Швейцарія. З'ясувалося, що МС пульсації повністю співпадають на записах Крим-Китай, виконаних на одній частоті 2.85 ГГц, і в загальних рисах співпадають з записом в Швейцарії, отриманим на частоті 3.1 ГГц. Цей експеримент однозначно підтвердив сонячне походження МС структури.

Підрозділ 4.2. Аналіз накопичених спостережних даних привів до висновку, що МС структури за спектральними властивостями поділяються на спайки, часовий профіль яких істотно відрізняється на частотах 2.5 і 2.85 ГГц, і пульсації потоку, синхронні на цих частотах. З'ясовано, що спайки можуть виникати одночасно або зі значною розбіжністю в часі. Ця розбіжність перевищує їхню тривалість на кожній частоті. Структура навіть одночасних спайків на двох частотах істотно різноманітна. Іноді спайки уявляють собою "імпульси поглинання", які йдуть не менше часто, ніж "імпульси випромінювання". Фурьє-аналіз спайків не виявив будь-якої переважної частоти їх руху. Висловлене припущення, що поява спайків в мінімумі місячних змін потоку S-компоненту, тобто в моменти сходу/заходу активної області, може бути пов'язане з тимчасовим зникненням джерела випромінювання за "радіогоризонтом", розташування якого змінюється із-за турбулентності сонячної атмосфери.

Підрозділ 4.3. Проведений Фурьє-аналіз синхронних на 2.5 і 2.85 ГГц пульсацій потоку, який показав, що їхня потужність зосереджена в діапазоні частот від 8 до 40 Гц. Пульсації зберігають когерентність на протязі 1-4 с, а їхня амплітуда коливається в межах від 5 до 500 10-22 Вт м-2 Гц-1, тобто може вдвічі перевищувати рівень випромінювання всього незбуреного Сонця.

Підрозділ 4.4. Прискорені під час спалаху заряджені частинки розповсюджуються в сонячній атмосфері і генерують радіовипромінювання. Нерівномірність концентрації часток в потоці (наявність згустків) веде до модуляції виникаючого випромінювання, тобто до появи флуктуацій інтенсивності радіовипромінювання і в тому числі МС структури. Незалежно від конкретного механізму випромінювання радіохвиль, області генерації на різних частотах розташовані, ймовірно, на деякому віддаленні одне від одного. Отже, потік частинок, що генерував випромінювання в одному джерелі, після цього витрачає деякий час на подолання відстані до іншого джерела. Із-за дисперсії швидкостей частинок в потоці відбувається їхній перерозподіл, в зв'язку з чим варіації інтенсивності на іншій частоті виявляються не ідентичними варіаціям на першій частоті. Тому спроба порівняння часу появи окремих МС деталей на двох частотах може призвести до неоднозначності результатів.

Оскільки енергія радіовипромінювання пропорційна загальній кількості збуджуючих часток і вони надходять в джерела з запізненням, то можна очікувати, що в середньому енерговиділення в одному джерелі буде зсунуте за часом відносно енерговиділення в іншому джерелі. Функція взаємної кореляції якраз і характеризує загальну частину енергії, що входить в обидва розглядуваних процеси, а положення максимуму цієї функції визначає відносний час запізнення енерговиділення. Після аналізу взаємної кореляції було встановлено, що 86% МС подій є дрейфуючими, причому випромінювання на частоті 2.5 ГГц випереджає випромінювання на більш високій частоті 2.85 ГГц. Це відповідає руху збуджуючих часток до поверхні Сонця. Виявлено, що величина випередження в 70% випадків зменшується на протязі спалаху, в 40% звертаючись в нуль. Співставлення зі спектрограмою, отриманою в Цюриху, підтвердило знайдені результати.

Підрозділ 4.5. Проведений аналіз події 12 березня 1989 г., який показав, що ймовірним механізмом випромінювання мілісекундних спайків є плазмовий механізм. На його основі оцінений рівень ленгмюрівської турбулентності і густина електронів в джерелі випромінювання.

Підрозділ 4.6. Розглянуті три різноманітних моделі мікрохвильових мілісекундних пульсацій і проведене їхнє порівняння з даними спостережень. Показано, що пульсації краще усього пояснюються нелінійними плазмовими коливаннями при взаємодії типу "хвиля-хвиля" (нелінійне розсіювання ленгмюрівських хвиль на частинках фонової плазми). Застосування цієї моделі дозволило визначити параметри плазми в області розташування радіовипромінювання.

Підрозділ 4.7. Для з'ясування природи і структури МС випромінювання були застосовані методи теорії динамічних систем, що дозволили визначити ефективне число ступенів свободи, відповідальних за виникнення означеного випромінювання. Встановлено, що для більшості випадків число ступенів свободи надто значне (перевищує 10), і з достатньо великим ступенем певності ці процеси можна розглядати як шумові. Для визначення характеру цього шуму нами застосовувались методи аналізу, основані на вейвлетному перетворенні сигналу, що в теперішній час застосовуються в багатьох задачах обробки одновимірних, двовимірних, тривимірних сигналів, включаючи фільтрацію і кодування зображень, вивчення турбулентного руху і так далі. Метод базується на алгоритмі оцінки максимуму функції правдоподібності, записаної для вейвлетних коефіцієнтів сигналу. Показано, що для МС подій, що спостерігалися, привабливою моделлю мікрохвильового випромінювання є флікер-шум зі спектром вигляду 1/f на фоні відносно маломіцного білого гаусового шуму.

Підрозділ 4.8. В деяких публікаціях повідомляється про спостереження періодичності в серіях сплесків, що не узгоджується з висновками об'єктивного дослідження пульсацій, наведеними вище в п. 4.7. Уважний аналіз цих публікацій показав, що в них доведена лише вузька смуга пульсацій, що не є знаком періодичності (аперіодичний шум також може бути вузькосмуговим). В зв'язку з цим в першій частині підрозділу описана розроблена нами методика відкриття прихованої періодичності, основана на вимірі фази сигналу і її адаптація для дослідження серій радіоімпульсів, що містять обмежену кількість подій. Показано, що процес, що вивчається, періодичний, якщо розподіл пауз між імпульсами симетричний. Аналіз тих самих 260-ти груп, що містили 3296 імпульсів і що припускалися періодичними, привів до висновку про те, що з ймовірністю 95% імпульси утворюють пуасоновський потік випадкових подій. Далі, використовуючи ті самі дані, знайдена добротність коливань, що свідчить про те, що серії імпульсів не можуть бути наслідком коливань резонансної системи. Отримані результати істотно скорочують кількість гіпотез, що можуть бути застосовані для пояснення природи МС пульсацій.

Розділ 5. Швидкі варіації сонячного радіовипромінювання на метрових хвилях (шумові бури). В метровому діапазоні МС варіації потоку виявляються найчастіше у вигляді тривалих шумових бурь (ШБ), існуючих до спалаху, що приводить до думки про можливість діагностики передспалахового стану активної області за зміною характеру ШБ.

Підрозділ 5.1. Виявлено, що кореляції записів на частотах 235 і 280 МГц не було при слабкій спалаховій активності групи плям і зросла до 0.450. 1 за годину до потужного сплеску на хвилі 4 см. Ця властивість ШБ може бути використана для уточнення короткострокового прогнозу сонячних спалахів.

Підрозділ 5.2. Вивчені флуктуації інтенсивності ШБ, що утворюють послідовність подій зростаючої або зменшуваної тривалості. Показано, що кількість таких послідовностей в ШБ описується законом, притаманним випадковому процесу. Фурье-спектр ШБ не містить компонент, що виділяються, і його огинаюча приблизно пропорційна 1/f. Таким чином встановлено, що механізм утворення ШБ має флуктуаційний характер.

Підрозділ 5.3. Показано, що традиційний розклад ШБ на "прості" "ізольовані" імпульси виключає з розгляду з ймовірністю 0.99 сплески тривалістю 4-5 с і