УДК 523.62-726+523.98:520.876
НАБЛЮДЕНИЯ ВЫБРОСА КОРОНАЛЬНОЙ МАССЫ В ЯНВАРЕ 1997 г. ПРИ РАДИОЗОНДИРОВАНИИ ОКОЛОСОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ СИГНАЛАМИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА GALILEO
© 2007 г. А. И. Ефимов1, Л. Н. Самознаев1, В. К. Рудаш1, И. В. Чашей2, М. К. Берд3, Д. Плеттемейер4
1Институт радиотехники и электроники, Москва, Россия
2Пущинская радиоастрономическая обсерватория Физического института им. П.Н. Лебедева, Москва, Россия 3Астрономический институт им. Аргеландера, Бонн, Германия 4Дрезденский технический университет, Дрезден, Германия Поступила в редакцию 02.12.2006 г.; после доработки 27.12.2006 г.
Представлены и проанализированы результаты измерений флуктуаций частоты радиосигнала космического аппарата GALILEO в интервале времени с 6 по 11 января 1997 г. В этот период было зарегистрировано прохождение через трассу радиосвязи "космический аппарат—наземный пункт" коронального выброса массы, наблюдавшегося коронографом LASCO обсерватории SOHO 6 января 1997 г. Радиозондирование осуществлялось на несущей частоте 2295 МГц, сигнал принимался на трех наземных пунктах, а лучевая линия была расположена на гелиоцентрическом расстоянии около 32 радиусов Солнца. Обнаружено, что при пересечении выброса массы через радиотрассу происходит увеличение средней частоты сигнала и усиление флуктуаций частоты с длительностью в несколько часов. Спектральный анализ частотных флуктуаций показал, что режим турбулентности плазмы и ее уровень существенно отличаются между собой в различных сечениях спокойного солнечного ветра и возмущенного плазменного образования. Обнаружена корреляция между интенсивностью и временным спектром флуктуаций частоты. Показано, что концентрация плазмы в ведущей области коронального выброса массы более чем на порядок превышает среднее фоновое значение. На основе корреляционного анализа флуктуаций частоты, измеренных одновременно на двух разнесенных на большое расстояние измерительных пунктах, обнаружено прохождение через трассу радиосвязи двух составляющих: спокойного солнечного ветра и возмущенного потока, имеющих различные скорости. Данные радиозондирования сравнивались с результатами наблюдений коронального выброса массы коронографом SOHO/LASCO и плазменными измерениями вблизи орбиты Земли на спутнике WIND. Выявлена четкая корреляция между изменением средней частоты зондирующего сигнала и концентрацией плазмы в околоземном пространстве.
PACS: 96.50.Ci, 96.60.ph, 95.85.Bh
1. ВВЕДЕНИЕ
Метод радиозондирования для обнаружения
и исследования крупномасштабных плазменных
структур — транзиентов, корональных выбросов масс, распространяющихся в околосолнечной плазме ударных волн — был впервые реализован в эксперименте 1968 г. с космическим аппаратом (КА) PIONEER-6 [1, 2]. Достоинством этого дистанционного метода является то, что он позволяет находить характеристики плазмы в областях, недоступных для прямых измерений, расположенных на гелиоцентрических расстоя-
ниях меньше 0.3 а.е. Прохождение ударных волн плотности плазмы через трассу радиосвязи "КА— наземный пункт" может быть зарегистрировано по изменению параметров принимаемого сигнала. Для изучения транзиентов использовались различные типы данных — уширение спектральной линии сигнала [1, 3, 4], фарадеевские вариации плоскости поляризации [2, 5], изменение интенсивности мерцаний [3, 6], групповое запаздывание сигналов различных частот [6], флуктуации частоты принимаемых наземным пунктом сигналов [7—9]. Исследование солнечного ветра и его возмущений
по данным частотных флуктуаций оказалось наиболее эффективным средством [7].
К настоящему моменту накоплен большой объем подобного рода данных, полученных в нескольких крупномасштабных циклах радиозатменных экспериментов с долгоживущими КА. Статистический анализ материалов одного из этих циклов, выполненного при использовании КА PIONEERVENUS ORBlTER, функционировавшего с 1979 по 1987 гг., позволил выявить основные закономерности поведения транзиентов в околосолнечной плазме при различных гелиоцентрических расстояниях и фазах цикла солнечной активности, обнаружить корреляцию между радиоэффектами, вызванными транзиентами, с оптическими наблюдениями коронального выброса масс [5, 7, 8] и плазменными измерениями на борту КА HELIOS-1 [9]. Дополнительную возможность изучения транзиентов предоставляют материалы другого большого цикла экспериментов радиозондирования, проведенного с помощью КА GALILEO в период с 1994 по 2002 гг. Об этом свидетельствуют первые полученные результаты, следующие из анализа материалов радиозондирования, полученных в первой половине февраля 1997 г. [10]. В этот период времени через трассу радиосвязи проходило крупномасштабное плазменное образование, обусловленное корональным выбросом масс.
Целью данной работы является исследование другого коронального выброса масс, относящегося к январю этого же года. Анализ этого явления представляет особый интерес, поскольку он стал первым событием такого рода, за которым удалось проследить в реальном масштабе времени, начиная от момента его генерации на Солнце до его воздействия на магнитосферу и ионосферу Земли [11]. Изучаемой и анализируемой характеристикой являлись флуктуации частоты сигнала, зарегистрированного в период с 8 по 11 января 1997 г. тремя американскими станциями слежения за КА: "Мадрид", "Голдстоун", "Канберра".
6 января 1997 г. коронографом LASCO, установленном на КА SOHO, примерно в 17h34m (здесь и далее время всемирное), был зарегистрирован выброс корональной массы, классифицированный как выброс типа гало. Интересно отметить, что спутники GOES не зафиксировали связанной с выбросом вспышки, рентгеновские изображения Солнца, полученные на КА YOHKOH, также были сравнительно спокойными [12]. В этот же день на изображениях Солнца в линии Ha было обнаружено исчезновение филамента вблизи центрального меридиана, что указывало на возможный выброс вещества в направлении к Земле. В дальнейшем это событие привело к многочисленным и разнообразным последствиям, наблюдавшимся в
межпланетной среде и околоземном пространстве. Распространение крупномасштабного возмущения через межпланетную плазму на гелиоцентрическом расстоянии около 90RS (где RS — радиус Солнца) сопровождалось километровым радиоизлучением II типа на локальной плазменной частоте электронов и ее гармониках, которое было зафиксировано прибором WAVES на КА WIND 8 января 1997 г. около 02h00m [12, 13].
Связанная с выбросом корональной массы ударная волна наблюдалась вблизи орбиты Земли на КА WIND 10 января 1997 г. примерно в 01h00m. Время запаздывания по отношению к данным КА SOHO соответствует средней скорости распространения ударного фронта через межпланетную среду около 500 км/с. Послеударной волны между 05h00m 10 января и 01h00m 11 января на КА WIND наблюдалось прохождение характерного магнитного облака, которое было достаточно протяженным.
Задний филамент магнитного облака, проходивший между 01h00m и 02h00m 11 января, характеризовался значительным повышением плотности плазмы, максимальное значение которой достигало беспрецедентной для орбиты Земли (гелиоцентрическое расстояние a = 1 а.е.) величины 185 см"3 [12]. Возмущение января 1997 г. сопровождалось глобальным сжатием земной магнитосферы, сильным возрастанием плотности в магни-тосферном плазменном слое, его приближении к поверхности Земли и рядом других явлений [14].
2. ВАРИАЦИИ ЧАСТОТЫ РАДИОСИГНАЛА ПРИ ПРОСВЕЧИВАНИИ ОКОЛОСОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ
Нестационарность и неоднородность среды приводят к модуляции амплитуды, фазы и частоты распространяющихся электромагнитных волн. Рассмотрим вариации частоты радиоволн в турбулентном солнечном ветре с проходящим через радиотрассу "КА—Земля" крупномасштабным возмущением. Фаза монохроматической волны частоты ш0 в момент времени t в точке приема определяется соотношением
L
Ф(£) = u0t - J n(z, t)dz,
(1)
где с — скорость света в вакууме, п^,^) — показатель преломления, ось 02 направлена вдоль луча зрения, L — длина радиотрассы. Мгновенное значение частоты сигнала ш определяем как
Ш = Ц' (2)
Принимая для показателя преломления известное выражение
1/2
п(г,г) =[1 -
шр
Шп
Аш = 2пAF = Хге Vdis
Л
Движущиеся неоднородности концентрации турбулентного характера будут приводить к случайным флуктуациям частоты волны. Предположим, что пространственный энергетический спектр
турбулентности PN(д) в инерционном интервале является степенным, а именно,
(3)
ФN(д) = С^(г)(д2 + д2)-р/2 ехр
-д2
д2
Чт
(7)
шр = а 4пN— — плазменная частота, N(г,г) — V т
концентрация плазмы, е и т — заряд и масса электрона, находим из (1), (2) при ш » шр с учетом движения КА относительно наблюдателя (лучевая скорость vz) мгновенную частоту
L
ш = ш0 (1 - + Хге N (г, г)йг, (4)
о
с ее2
где Л = 2п— — длина волны, ге = —„ — класси-ш0 тс2
ческий радиус электрона. Значение лучевой скорости vz известно из баллистических данных, и связанный с ней допплеровский сдвиг частоты может быть исключен, поэтому временные вариации частоты обусловлены нестационарностью распределения концентрации плазмы на радиотрассе.
В работе [15] рассматривались медленные изменения частоты, связанные со смещением луча зрения, а также обсуждалось возможное влияние распространяющихся от Солнца транзиентов. Ниже будут рассмотрены случайные флуктуации частоты, обусловленные турбулентными флуктуа-циями концентрации, на фоне регулярных изменений, обусловленных прохождением выбросов ко-рональной массы. С этой целью представим электронную концентрацию
N (г,г) = N (г, г)) + 5N (г, г) (5)
в виде суммы двух составляющих: регулярной N (г,г)), имеющей характерное время изменения, превосходящее период усреднения, и случайной 5N(г, г) с равным нулю средним значением. Если превышение средней концентрации {Ndisturbance) = = {Ndis) в возмущении над фоновым значением {Nbackground) = {Щд) составляет Ndis = {Ndis) -— {^д) ~ ^^, а возмущение имеет поперечную к лучу зрения скорость Vdis и характерные масштабы Лц и Л± вдоль и поперек луча зрения, соответственно, то регулярное изменение частоты волны Аш = ш - ш0 за счет увеличения средней концентрации можно оценить, ис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.