научная статья по теме ПАРАМЕТРЫ ТУРБУЛЕНТНОСТИ МЕЖПЛАНЕТНОЙ ПЛАЗМЫ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ МЕРЦАНИЙ КВАЗАРОВ 3C 48 И 3C 298 В ПЕРИОД МАКСИМУМА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ПАРАМЕТРЫ ТУРБУЛЕНТНОСТИ МЕЖПЛАНЕТНОЙ ПЛАЗМЫ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ МЕРЦАНИЙ КВАЗАРОВ 3C 48 И 3C 298 В ПЕРИОД МАКСИМУМА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 92, № 1, с. 38-45

УДК 523.62-726-466+523.98

ПАРАМЕТРЫ ТУРБУЛЕНТНОСТИ МЕЖПЛАНЕТНОЙ ПЛАЗМЫ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ МЕРЦАНИЙ КВАЗАРОВ 3C 48 И 3C 298 В ПЕРИОД МАКСИМУМА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

(© 2015 г. С. К. Глубокова, А. В. Глянцев, С. А. Тюльбашев*, И. В. Чашей, В. И. Шишов

Пущинская радиоастрономическая обсерватория им. В.В. Виткевича Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Пущино Московской обл., Россия Поступила в редакцию 07.05.2014 г.; принята в печать 21.05.2014 г.

Приведены результаты анализа временны х спектров межпланетных мерцаний радиоисточников 3С 48 и 3С 298, наблюдавшихся на частоте 111 МГц на радиотелескопе БСА ФИАН в период максимума 24-го цикла солнечной активности. По измеренным временным спектрам мерцаний получена оценка скорости движения неоднородностей и показателя степени пространственного спектра турбулентности. Показано, что зависимость спектрального индекса турбулентности от скорости солнечного ветра существует и в период высокой активности Солнца. При этом глобальная пространственная структура солнечного ветра сильно модулируется циклом активности.

DOI: 10.7868/80004629915010041

1. ВВЕДЕНИЕ

Межпланетные мерцания (IPS — interplanetary scintillation) были обнаружены Хьюишем и др. [1] в 1964 г. Мерцания обусловлены дифракцией радиоволн на неоднородностях плотности межпланетной плазмы. Для источников, имеющих достаточно большие угловые размеры, уровень мерцаний может быть сильно подавлен, поэтому для изучения IPS используют наблюдения компактных (<1") радиоисточников, таких как квазары или активные ядра галактик. Временные характеристики IPS зависят от параметров межпланетной плазмы (уровень и форма спектра мелкомасштабной турбулентности плотности, скорость солнечного ветра) и от угловых размеров источников. Таким образом, изучая IPS, можно получить информацию об угловом размере источника и состоянии межпланетной плазмы.

В течение 11-летнего цикла солнечной активности структура солнечного ветра изменяется. В минимуме солнечной активности наблюдается устойчивая бимодальная структура солнечного ветра: медленный ветер преобладает на низких гелио-широтах, а быстрый — на средних и высоких ге-лиоширотах; в период высокой активности (в отсутствие распространяющихся возмущений вспы-шечной природы) на всех гелиоширотах истекает медленный солнечной ветер [2].

E-mail: serg@prao.ru

В работе [3] по наблюдениям мерцаний на частоте 327 МГц шести компактных источников получены указания на то, что имеется связь между спектральным индексом турбулентности и скоростью неоднородностей межпланетной плазмы для периодов высокой и низкой активности Солнца (22-й цикл, 1986-1990 гг.).

Во время минимума солнечной активности определяются два режима истечения солнечного ветра: быстрый (скорость у> 600 км/с) и медленный (у < 400 км/с). Для быстрого солнечного ветра спектр турбулентности круче, чем для медленного. Во время максимума солнечной активности наблюдается в отсутствие распространяющихся возмущений в основном медленный солнечный ветер. Для такого периода получено увеличение спектрального индекса турбулентности с увеличением скорости солнечного ветра [3]. Нужно отметить также, что в период низкой солнечной активности наблюдается зависимость спектрального индекса турбулентности от гелио-широты: на низких гелиоширотах (медленный солнечный ветер) значение спектрального индекса турбулентности ниже, чем на высоких гелио-широтах (быстрый солнечный ветер). Во время высокой активности Солнца спектральный индекс турбулентности остается почти постоянным на всех гелиоширотах.

Исследование зависимости между спектральным индексом турбулентности и скоростью солнеч-

ного ветра было проведено также в работах [4, 5]. Было получено подтверждение зависимости, полученной Манохараном [3], для периода низкой активности Солнца (23-й цикл, 2007—2009 гг.) по наблюдениям на частоте 111 МГц. В целом для периода низкой солнечной активности гелиоширотная зависимость спектрального индекса турбулентности, отражающая, по-видимому, различие в режимах мелкомасштабной турбулентности в быстрых и медленных потоках плазмы, является следствием упорядоченного пространственного распределения скорости сформировавшегося солнечного ветра.

В настоящей работе рассматривается зависимость спектрального индекса турбулентности от скорости солнечного ветра в период высокой солнечной активности с учетом влияния высокочастотных шумов на уплощение спектра мощности [5]. Полученные результаты сравниваются с аналогичными для периода низкой солнечной активности [4].

2. НАБЛЮДЕНИЯ

Ниже представлены результаты анализа двух серий наблюдений мерцаний, выполненных в период вблизи максимума солнечной активности: в апреле—мае 2013 г. (источник 3С 48) и в сентябре—ноябре 2013 г. (источник 3С 298). Наблюдения проведены на модернизированной антенне БСА ФИАН в режиме мониторинга на центральной частоте 110.25 МГц c постоянной времени 0.1 с в 6 спектральных каналах суммарной шириной 2.5 МГц. Сигнал из всех спектральных каналов суммировался. Модернизированная диаграмма направленности радиотелескопа БСА ФИАН насчитывает 96 лучей, перекрывающих область склонений от —8° до 42°. Для наблюдения источника выбирался ближайший по склонению луч. Многолепестковая диаграмма направленности меридианного радиотелескопа БСА ФИАН располагается в плоскости меридиана места, поэтому источник проходит через максимум диаграммы направленности в момент кульминации [6]. Наблюдаемый момент кульминации может отличаться от истинного из-за влияния ионосферы. Для уточнения момента кульминации использовалась свертка сигнала с расчетной диаграммой направленности. По данным GOES [7] в период наблюдений было зарегистрировано несколько вспышек классов Х и М.

Элонгация е (угловое расстояние между направлениями на Солнце и на источник) радиоисточников в период наблюдений составляла 23°—40°. На таких элонгациях мерцания регистрируются с достаточным для анализа спектров превышением над шумами. Данные по наблюдениям мерцаний радиоисточников в переходной

зоне между дифракционными и рефракционными мерцаниями (е = 18°—23°) были исключены из анализа с тем, чтобы был заведомо реализован режим слабых мерцаний. Для анализа использовались записи с отношением сигнал/шум больше 15. Записи с помехами, зашкалами и другими техническими дефектами исключены из анализа. Полное число используемых записей для радиоисточника 3С 48 составило 34, а для 3С 298 — 36. Время прохождения источника через диаграмму направленности радиотелескопа составляло около 7 мин, однако спектр мощности мерцаний определялся на интервале около 3 мин (2048 точек), в окрестности максимального отклика. Методика обработки наблюдений подробнее описана в работе [4].

На достаточно высоких частотах шумы преобладают над мерцаниями, вследствие чего измеряемый спектр мощности становится плоским. При низких значениях отношения сигнал/шум это влияние, которое приводит к систематическому уменьшению оценок показателя степени, становится существенным при определении спектрального индекса турбулентности. Как показано в работе [5], влияние шумов может быть учтено введением зависящей от отношения сигнал/шум поправки Да к спектральному индексу спектра мощности мерцаний аизм:

а = аизм + Да.

Спектральный индекс а связан со спектральным индексом турбулентности простым соотношением n = а + 1 (детали см. в работе [5]).

Значение поправки для спектрального индекса турбулентности зависит от отношения сигнал/шум в первичной записи. В среднем ее величина равна 0.2, что составляет примерно 5% от значения спектрального индекса турбулентности. Все зависимости для спектрального индекса турбулентности, полученные в настоящей работе, построены с учетом этой поправки.

На рис. 1 представлены зависимости спектрального индекса турбулентности n от скорости солнечного ветра. Светлые кружки на рисунках соответствуют дням со спокойным состоянием межпланетной плазмы, темные квадратики — ожидаемое прохождение выброса корональной массы, соответствующее вспышкам класса М и Х по данным GOES [7] и уменьшению геомагнитного индекса Dst [8]. Ожидалось также, что будет наблюдаться и усиление мерцаний радиоисточника 3С 48. Как уже упоминалось, антенна БСА ФИАН является меридианным инструментом. Поэтому для регистрации увеличения индекса мерцаний необходимо проводить наблюдения многих источников на разных элонгациях. Возмущение, распространяющееся в сторону наблюдателя, должно отражаться в

п

5 г

2 1-

3C 48

о ° 00

0 0 £ о 0 О о °0 0

0 0 ср

о

300

400

500

300

600

700

3C 298

400 500 600 Скорость, км/с

700

Рис. 1. Зависимость спектрального индекса турбулентности от скорости солнечного ветра по наблюдениям источников 3С 48 (апрель—май 2013 г.) и 3С 298 (сентябрь—ноябрь 2013 г.).

4

3

виде усиления степени мерцаний радиоисточников (индекс д = т/т£, где т — наблюдаемый в данный день индекс мерцаний, а т£ — эталонный индекс мерцаний, соответствующий данной элонгации для данного источника), образуя на д-картах довольно узкие кольца и дуги. В частности, усиление мерцаний радиоисточника 3С 48 не было подтверждено, хотя сам факт прихода возмущения на Землю был четко зафиксирован по падению Dst-индекса. В то же время на рис. 1 видно, что темные квадратики, соответствующие по датам дням прохождения возмущений, концентрируются в области малых скоростей и малых спектральных индексов.

Проанализируем эту зависимость более детально на примере источника 3С 48. На рис. 2 представлены примеры оригинальных записей и спектров мощности источника 3С 48 в период от-

носительно спокойного состояния межпланетной плазмы (12 мая 2013 г.; п = 3.97, у ~ 450 км/с) и во время прохождения коронального выброса массы (13 мая 2013 г.; п = 2.45, у « 300 км/с). Исходные записи и соответствующие им спектры мощности не искажены помехами, отношение сигнал/шум практически совпадает, а спектральные индексы турбулентности п отличаются более чем в 1.5 раза.

Предположим, что низкие скорости, оценки которых делаются по спектрам мощности, связаны с

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.

Показать целиком