УДК 523.98
ДИАГНОСТИКА ТЕМПЕРАТУРЫ СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ ВО ВСПЫШКАХ И АКТИВНЫХ ОБЛАСТЯХ ПО ЛИНИЯМ СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА 280-330 к В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
СПИРИТ/КОРОНАС-Ф
©2010г. С. В. Шестов1-2*, С.В.Кузин1, А. М. Урнов1-2, А.С.Ульянов1'2, С.А.Богачев1
1Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва 2Московский физико-технический институт, Долгопрудный Поступила в редакцию 04.05.2009 г.
По данным спектрогелиографа СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф проведена диагностика температуры плазмы в солнечных вспышках и активных областях. По относительным интенсивностям спектральных линий, зарегистрированных в спектральном диапазоне 280—330 Л в период с 2001 по 2005 г, определено температурное распределение дифференциальной меры эмиссии (ДМЭ). Анализ этих распределений позволил сделать вывод о существовании активных областей с различными "характерными" температурными составами. Впервые по спектральным данным ВУФ диапазона и монохроматическим изображениям в рентгеновской линии установлено наличие в активных областях горячей плазмы с температурами ^ Т = 6.8—7.2. Также впервые получено распределение ДМЭ для мощных вспышек с длительным затуханием и обнаружено подобие температурного состава для вспышек разных классов на стадиях затухания. На основе рассчитанных ДМЭ проведено моделирование исследованных спектров. Обсуждаются систематические расхождения рассчитанных и измеренных интенсивностей линий.
Ключевые слова: ОС КОРОНАС-Ф, СПИРИТ, ВУФ-спектры, вспышки, активные области, дифференциальная мера эмиссии.
ВВЕДЕНИЕ
Температура, плотность и мера эмиссии (МЭ) — важнейшие параметры, характеризующие состояние астрофизической и лабораторной плазмы. Получение экспериментальной информации о различных распределениях этих величин, в частности, температурного распределения для МЭ, необходимы для построения теоретических моделей устойчивых плазменных структур и явлений активности в солнечной короне — вспышек, активных областей, корональных петель и др. Наиболее полные данные о физических условиях в солнечной плазме могут быть получены методами спектроскопической диагностики на основе анализа спектральных изображений в коротковолновых областях спектра. В рентгеновской области, однако, этот метод был осуществлен лишь с помощью широкополосных фильтров в экспериментах Yohkoh и Hinode с небольшим количеством спектральных каналов.
Электронный адрес: sshestov@dgap.mipt.ru
В связи с этим весьма актуальной является задача диагностики по спектральным изображениям, содержащих большое число линий, излучаемых в ВУФ-диапазоне. Благодаря относительно низким порогам возбуждения таких линий по сравнению с рентгеновскими, возможные искажения, вносимые нетепловыми электронами с Е ^ кТ, не влияют на скорость их возбуждения, и, таким образом, электронное распределение можно считать макс-велловским.
Спектроскопические наблюдения в ВУФ-диапазоне, выполненные при помощи спектрографов БЕРТБ, БОНО/СОБ, БОМЕР, КОРО-НАС-Ф/СПИРИТ для отдельных компактных областей солнечной короны в отсутствии вспышек, свидетельствуют об одновременном существовании плазмы с различной температурой — от Т ~ 80 тыс. К до Т ~ 5 млн. К (МК), например, в активных областях (Бросиус и др., 1996; Ланди, Ландини, 1998; Житник и др., 2006), корональ-
ных петлях (Ланди, Фельдман, 2008; Шмельц и др., 2008) и стримерах (Уоррен, Уоршелл, 2002).
Весьма важным для решения проблемы нагрева активных областей является вопрос о наличии плазмы с высокой температурой > 5 MK. Отметим, что хотя в спектральные диапазоны указанных выше спектрографов попадают "горячие" линии Fe XVII (SERTS), Fe XVI, Si XII, Fe XXIII (CDS) и Ni XIX, Fe XIX (SUMER), их использование для температурной диагностики плазмы на практике встречает определенные сложности. Это связано с невысокой точностью определения интенсивностей этих линий в связи с малой относительной интенсивностью в исследованных областях (Бросиус, др., 2000; Ланди, Ландини, 1998). Поэтому для получения наиболее полной и точной характеристики явлений необходимы многочисленно повторенные измерения спектральных линий, формируемых в широком диапазоне температур, в том числе при "вспышечных" температурах >10 МКдля большого числа плазменных структур.
В настоящее время особую актуальность представляет исследование горячей плазмы вспышек, поскольку количество зарегистрированных спектров вспышек в ВУФ-диапазоне невелико, а наблюдения сильных вспышек практически отсутствуют. Сложность регистрации вспышек связана с их плохой предсказуемостью, компактными размерами и малым временем жизни. В случае спектрографов с ограниченным полем зрения (как в экспериментах SERTS, CDS/SOHO) вероятность зарегистрировать вспышку мала ввиду невозможности одновременного наблюдения всего Солнца. До сих пор основным источником информации по спектральным линиям, наблюдавшихся во время вспышки, является каталог спектральных линий, составленный по наблюдениям в 70-х гг. бесщелевым спектрогелиографом на станции Skylab (Дере, 1978) на основе вспышки класса М2.
Указанные ограничения были частично преодолены в эксперименте СПИРИТ (Житник и др., 2002) на спутнике КОРОНАС-Ф (Ораев-ский, Собельман, 2002). В состав аппаратуры СПИРИТ входили два независимых спектрогелиографа ВУФ-диапазона, которые регистрировали монохроматические изображения полного диска Солнца в спектральных диапазонах 176—207 A и 280-330 A (см. Бейгман и др., 2005).
Систематические наблюдения Солнца аппаратурой СПИРИТ проводились с сентября 2001 по декабрь 2005 г. Было зарегистрировано несколько десятков тысяч спектрогелиограмм, в т.ч. более сотни спектрогелиограмм, содержащих солнечные вспышки. Впервые были зарегистрированы спектры мощнейших солнечных вспышек рентгеновского класса X на разных стадиях их развития.
В настоящей работе приводятся методика и результаты диагностики температурного состава плазмы солнечных вспышек и активных областей на основе анализа дифференциальной меры эмиссии (ДМЭ). ДМЭ определялась по относительным интенсивностям спектральных линий диапазона 280—330 A, полученных на основе данных СПИРИТ. Основные задачи настоящей работы заключались в выборе спектральных линий в диапазоне 280—330 A для определения ДМЭ по данным спектрогелиографа СПИРИТ/КОРОНАС-Ф, определении ДМЭ для плазмы различных явлений и структур солнечной короны по данным спектрогелиографа, моделировании спектров диапазона 280—330 A для обнаружения возможных систематических отклонений в экспериментально зарегистрированных и модельных спектрах. При расчетах использовались данные и программное обеспечение (ПО) CHIANTI 5.2.1 (Ланди и др., 2006).
НАБЛЮДЕНИЯ
ВУФ-спектрогелиограф на борту спутника КОРОНАС-Ф
Спутник КОРОНАС-Ф (Ораевский, Собель-ман, 2002), второй спутник российско-украинской программы по исследованию активности Солнца, работал на орбите с середины 2001 до конца 2005 г. На его борту находился комплекс приборов СПИРИТ (Житник и др., 2002), разработанный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.
В состав аппаратуры СПИРИТ входили спектрогелиографы ВУФ-диапазона на спектральные интервалы 176—207 A и 280—330 A. Спектрогелиографы были реализованы по бесщелевой схеме с плоской дифракционной решеткой скользящего падения. Оптическая схема и характеристики спектрогелиографов ВУФ-диапазона приведены в работе Бейгмана и др. (2005). При использовании бесщелевой схемы на детекторе спектрогелиографа строятся монохроматические изображения полного диска Солнца. К особенностям схемы можно отнести отсутствие излучения в высших порядках дифракции, а малая ширина изображения Солнца вдоль оси дисперсии, составлявшая 0.5 A, уменьшает переналожение изображений в соседних спектральных линиях. Применение такой оптической схемы в ВУФ-спектрогелиографах аппаратуры СПИРИТ позволило зарегистрировать более 100 спектрогелиограмм, содержащих солнечные вспышки, в том числе было зарегистрировано более 10 спектрогелиограмм диапазона 280—330 A, содержащих мощнейшие солнечные вспышки класса Х.
Таблица 1. Список объектов наблюдения
№ Время, UT Объект Примечание
1 06:38 04.11.2001 AR NOAA9684, SOT
2 21:21 28.12.2001 AR NOAA 9742
3 00:34 20.04.2002 AR NOAA 9906, SOT
4 19:24 20.04.2002 AR »
5 20:32 21.04.2002 AR »
6 18:41 24.12.2002 AR NOAA 0223, 0225, 0229
7 09:06 27.12.2002 AR NOAA 0223, 0225, 0229
8 03:21 11.01.2003 AR NOAA 0254
9 04:06 02.02.2003 AR NOAA 0276
10 16:48 25.02.2004 AR NOAA 0564
11 17:02 13.03.2004 AR -
12 17:07 25.07.2004 AR NOAA 0652 SOT
13 03:59 16.09.2001 F Вспышка Мб. 1 (max ~ 03:53)
14 05:21 17.11.2001 F Вспышка M2.8 (max - 05:20)
15 08:29 17.11.2001 F Вспышка М2.8(»)
16 13:20 11.09.2005 F Вспышка M3.2 (max — 13:11), измерена n*e*
17 02:17 16.09.2005 F Вспышка M4.8 (max — 01:49) + M2.2(max - 02:20), измерена n**
18 21:21 28.12.2001 F Вспышка X3.4 (max ~ 20:30), опубликован спектр*, SOT
19 02:08 16.07.2004 F Вспышка XI .4 (max — 02:06), измерена n*e*
20 03:29 16.07.2004 F Вспышка XI.4 (»)
21 10:42 17.01.2005 F Вспышка X4.1(max-09:50), SOT
22 18:34 07.09.2005 F Вспышка X17 (max - 17:40)
23 20:04 07.09.2005 F Вспышка XI7 (»), измерена n*e*
24 21:35 07.09.2005 F Вспышка XI7 (»), измерена п*е*
25 21:48 08.09.2005 F Вспышка Х5.5 (max — 21:06), измерена п**
26 23:19 08.09.2005 F Вспышка Х5.5 (»), измерена п*е*
27 20:29 09.09.2005 F Вспышка Х6.2 (max — 20:03), измерена п*е*
28 21:59 09.09.2005 F Вспышка Х6.2 (»), измерена п*е*
29 22:12 10.09.2005 F Вспышка Х2.2 (max - 22:05)
30 23:43 10.09.2005 F Вспышка Х2.2 (»)
31 19:48 13.09.2005 F Вспышка XI .5 (max — 19:28), измерена п*е*
32 21:19 13.09.2005 F Вспышка XI .5 (max — 20:04), измерена п*е*
Примечание. AR — активная область, F — вспышка. Время — начальный момент регистрации спектрогелиограммы. Активные области и вспышки, зарегистрированные одновременно, наблюдались в разных местах солнечного диска. Для вспышек рентгеновский класс и время максимума вспышки указаны по данным GOES. Номера активных областей приведены по классификации NOAA. * — каталог спектральных линий опубликован в работе Бейгмана и др. (2005), ** — измеренные плотности опубликованы в работе Шестова и
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.