УДК 523.62-726-77+523.98
О ДЕТЕКТИРОВАНИИ ВЫБРОСОВ КОРОНАЛЬНОЙ МАССЫ В МЕЖПЛАНЕТНОЙ СРЕДЕ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ МЕРЦАНИЙ РАДИОИСТОЧНИКОВ
© 2014 г. А. В. Глянцев, С. А. Тюльбашев*, И. В. Чашей, В. И. Шишов
Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Пущино Московской обл., Россия Поступила в редакцию 19.02.2014 г.; принята в печать 17.03.2014 г.
Проведен анализ данных ежедневных наблюдений мерцающих радиоисточников для годичной серии с июля 2011 г. по июнь 2012 г. Наблюдения проводились на радиотелескопе БСА ФИАН с 16-лучевой диаграммой на частоте 111 МГц. Вариации индексов мерцаний сопоставлялись с данными о всплесках рентгеновского излучения Солнца и возмущениях геомагнитного поля. Показано, что метод, основанный на сравнении наблюдаемых индексов мерцаний источников за текущий день с индексами мерцаний источников за предыдущий день, позволяет регистрировать подавляющую часть распространяющихся возмущений, связанных с корональными событиями класса М5.0 и выше.
DOI: 10.7868/80004629914090035
1. ВВЕДЕНИЕ
Как известно, выбросы корональной массы (CME) — это выбросы вещества, связанные с активными процессами в солнечной короне. Изучение таких выбросов представляет интерес для исследования физики распространения возмущения в среде.
CME можно зафиксировать различными способами. Космический аппарат ACE непосредственно измеряет энергию частиц межпланетной плазмы и регистрирует выброс по характерным энергиям частиц [1]. На космическом аппарате SOHO наблюдались CME в оптическом диапазоне с помощью коронографа LASCO [2]. Наблюдения СМЕ являются основной задачей миссии STEREO [3]. В случае прихода выброса к Земле возможны магнитные бури, индикатором которых, в частности, являются резкие падения напряженности магнитного поля экваториального кольцевого тока. Солнечные вспышки наблюдаются в рентгеновском, оптическом и радиодиапазоне. Однако наблюдения вспышечных процессов в атмосфере и нижней короне Солнца не дают полной информации о пространственной структуре и скоростях выброса, а также о его характеристиках в удаленных от Солнца областях. Детальное исследование индивидуальных СМЕ требует привлечение всего комплекса
E-mail: serg@prao.ru
данных — от атмосферы Солнца до магнитосферы и ионосферы Земли [4—6].
Одним из способов детектирования СМЕ внутри орбиты Земли является метод мерцаний. При этом используется то обстоятельство, что плазма в окрестности фронтальной части CME обладает большей плотностью и повышенным уровнем турбулентности по сравнению с невозмущенной фоновой плазмой солнечного ветра. Поэтому пересечение выбросом луча зрения на мерцающий источник должно приводить к усилению мерцаний по сравнению со спокойными условиями.
Существует несколько методов поиска возмущений в межпланетной плазме по наблюдениям мерцаний [7, 8]. В настоящей работе используется сравнение индекса мерцаний источника за текущий день наблюдений с индексом мерцаний за предыдущий день. Целью настоящей работы является исследование возможностей обнаружения СМЕ в межпланетной среде по наблюдениям мерцаний на примере длительной серии с достаточно хорошей статистикой возмущений. Для оценки надежности обнаружения CME используются данные о всплесках рентгеновского излучения Солнца по данным GOES [9] и возмущениях геомагнитного индекса Dst [10].
2. НАБЛЮДЕНИЯ И ОБРАБОТКА
Наблюдения межпланетных мерцаний в режиме мониторинга проводятся на радиотелескопе БСА
ФИАН на частоте 111 МГц. Для статистического анализа была выбрана годичная серия наблюдений с июля 2011 г. по июнь 2012 г. вблизи максимума 24-го цикла солнечной активности. Диаграмма направленности антенны имеет 16 лучей, перекрывающих область склонений от 17.5° до 25°. Диаграмма направленности была неподвижна относительно Земли, и сканирование наблюдаемой площадки происходило за счет суточного вращения. Постоянная времени составляла 0.1 с., полоса приема — 600 кГц. Эффективная площадь антенны в направлении на зенит после проведенной в 2011 г. модернизации составляет 45 000— 50000 м2, флуктуационная чувствительность телескопа — не хуже 0.1—0.15 Ян при постоянной времени 0.1 с [11]. Заметим, что медианная оценка уровня путаницы мерцающих радиоисточников на БСА — 0.14 Ян [12]. Уровень путаницы протяженных источников на антенне БСА ФИАН существенно выше, и он составляет ~ 1 Ян.
Для регистрации мерцающих источников применялся метод, описанный в работе [13]. Фильтрация коротких помех осуществлялась медианным фильтром с шагом 1.5 с. Для выделения межпланетных мерцаний из других составляющих сигнала применялся разностный фильтр (структурная функция):
D(T,t) = {[I(t + т) - I(t)]2).
(1)
Здесь I(¿) — интенсивность излучения источника в зависимости от времени, ^(0.1, ¿) с шагом т = 0.1 с соответствует уровню шумов на структурной функции и ^(1.0, £) с шагом т = 1 с соответствует уровню межпланетных мерцаний, усреднение производится по интервалу длительностью 1 мин. Согласно работе [13],
Б(т = 1 с,€) = 2(а2^ + а
72 .
' noise
(2)
где а1Рз и anoi.se — среднеквадратические отклонения межпланетных мерцаний и шумов, соответственно. Использовался также диаграммный фильтр с шагом 3 мин, выделяющий в записях мерцающие источники (рис. 1).
Амплитуда мерцаний радиоисточника определяется угловым размером и текущей элонгацией (угловым расстоянием между направлением на Солнце и на наблюдаемый источник), а также состоянием межпланетной плазмы. Использованный метод поиска источников не требует раздельного учета этих параметров, позволяя автоматически выбирать в исследуемой площадке источники с наибольшей амплитудой мерцаний на момент наблюдения. Однако список наиболее сильно мерцающих источников будет медленно меняться день ото дня из-за изменения элонгаций. В настоящей
работе данные усреднялись по месячным интервалам, и для каждого месяца отбиралось 100—150 наиболее сильно мерцающих источников.
В качестве характеристики мерцаний используется индекс мерцаний
„2 <(■Т~(1))2)
771 (I)2 '
(3)
Удобство применения индекса мерцаний в таком виде заключается в том, что это безразмерный параметр. Для его определения не требуется знать абсолютное значение потока мерцающего компонента источника, которое не всегда известно, особенно на низких частотах. В то же время для источников, у которых интегральная плотность потока сравнима с уровнем путаницы на БСА ФИАН, оценка {I) будет некорректной и, следовательно, будет неправильной оценка т2. В качестве характеристики уровня мерцаний будем использовать вместо т2 среднеквадратичную величину флуктуирующего потока ({512))1/2 = а1Р^), которая пропорциональна индексу мерцаний.
На частоте наблюдений БСА ФИАН источники подвержены не только межпланетным, но и ионосферным мерцаниям. В связи с этим для оценки уровня межпланетных мерцаний вычислять индекс мерцаний на интервале длительностью более 10 с непосредственно по формуле (3) нельзя. Межпланетные мерцания можно отделить от ионосферных, используя спектр мощности, поскольку характерные частоты межпланетных и ионосферных мерцаний различаются примерно на порядок (~1 Гц и ~10_1 Гц, соответственно (рис. 2)). Индекс мерцаний определялся по формуле
« {М2)1/2 = /р(!)Ш (4)
где р(Ш) — спектр мощности. При этом низкочастотная часть спектра, соответствующая ионосферным мерцаниям, заменялась средней спектральной плотностью сигнала на более высоких частотах в плоской части спектра Р(1)
Классический способ поиска возмущений требует наличия эталонной зависимости индекса мерцаний от элонгации. Для ее построения делаются как можно более частые наблюдения на оптимальных элонгациях. В метровом диапазоне длин волн (на частотах 80—300 МГц) оптимальные элонгации для наблюдений мерцающих радиоисточников составляют 10°—90°. Окно оптимальных элонгаций зависит от частоты наблюдений. Затем в полученные данные вписываются теоретические зависимости. Таким образом появляется зависимость ожидаемого индекса мерцаний источника от его элонгации (эталонная зависимость). Индекс мерцаний источника за данный день сравнивается с
m
I
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
8 10 t, мин
12
14
(б)
I
0.20 0.15 0.10 0.05 0
-0.05 -0.10
Рис. 1. Пример исходной записи источника В0409+231 за 5.08.2011 (а) и трехлепестковой записи, получившейся после обработки сигнала (б). По оси ординат отложена интенсивность в условных единицах.
12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 t, мин
ожидаемым по эталонной зависимости. Однако, как показано в работе [14], зависимость индекса мерцаний от элонгации различна в годы спокойного и активного Солнца. Поэтому зависимость, полученную по данным одного года, нельзя использовать как эталонную для другого года.
Теоретическая зависимость индекса мерцаний от элонгации гладкая [15]. Поэтому, построив для набора источников зависимость индекса мерцаний от элонгации по наблюдениям за данный конкретный год, можно обнаружить всплески мерцаний как резкие выбросы вверх на этой зависимости.
В данной работе используется сравнение индекса мерцаний за текущий день наблюдений с индексом мерцаний за предыдущий день. В силу теоретической зависимости индекса мерцаний от элонгации при отсутствии возмущений индекс мерцаний за один день меняется мало. Ошибки в оценке индекса мерцаний по наблюдениям на БСА ФИАН, как правило, не превышают 30% [16]. Следовательно, если для ряда источников отношение индексов мерцаний текущего дня к предыдущему для выбранного источника различается в 1.5 раза
и выше, можно считать, что наблюдается возмущение.
100—150 мерцающих источников в наблюдаемой площадке соответствуют плотности в один источник на 20—30 кв. град. Однако количество мерцающих источников, наблюдавшееся в данный конкретный день, может быть меньше за счет того, что часть источников, отобранных для данного месяца, вышло из зоны оптимальных элонгаций (использовались элонгации от 30о до 90о, приемлемые для наблюдений на частоте 111 МГц). В зависимости от направления распространения СМЕ область возмущения может охватывать большую или меньшую часть наблюдаемой площадки. Кроме то
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.