ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 33, № 5, с. 363-370
УДК 523.985
О СВЕРХТОНКОЙ СТРУКТУРЕ СОЛНЕЧНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ВСПЛЕСКОВ
© 2007 г. А. А. Кузнецов*
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск
Поступила в редакцию 07.09.2006 г.
Солнечные микроволновые всплески с зебра-структурой часто демонстрируют сверхтонкую временную структуру: полосы "зебры" состоят из отдельных спайкоподобных импульсов. В работе исследована сверхтонкая структура в событии 21 апреля 2002 г. Показано, что импульсы излучения демонстрируют высокую периодичность (с периодом около 30 мс); между отдельными полосами "зебры" существует заметная корреляция. Данная структура динамических спектров, скорее всего, является отражением периодической инжекции электронных пучков, которые генерируют излучение на уровнях двойного плазменного резонанса.
Ключевые слова: солнечные вспышки, радиоизлучение, тонкая структура.
ON THE SUPERFINE STRUCTURE OF SOLAR MICROWAVE BURSTS, by A. A. Kuznetsov. Solar microwave bursts with a zebra pattern commonly exhibit a superfine time structure: the "zebra" stripes consist of separate spike-like pulses. We investigate the superfine structure in the April 21, 2002 event. The emission pulses are shown to exhibit a high periodicity (with a period of about 30 ms); there is a clear correlation between the individual zebra stripes. This structure of the dynamic spectra most likely reflects periodic injection of electron beams, which generate emission at the double plasma resonance levels.
PAC S numbers : 95.85.Bh; 96.60.Rd
Key words: solar flares, radio emission, fine structure.
ВВЕДЕНИЕ
Солнечные радиовсплески с тонкой спектральной структурой типа "зебра" исследуются на протяжении нескольких десятков лет. Зебра-структура наблюдается как набор практически параллельных ярких и темных полос в динамическом спектре излучения на фоне широкополосного всплеска IV типа. В настоящее время нет общепринятой интерпретации данного типа тонкой структуры — известно более десятка различных теоретических моделей (Алтынцев и др., 2005; Чернов и др., 2006).
Первоначально зебра-структуры были зафиксированы в метровом и дециметровом диапазонах (Элгарой, 1959; Слоттье, 1972, 1981). Современные исследования показывают, что аналогичные спектральные структуры наблюдаются и в микроволновом диапазоне — вплоть до частот порядка 6 ГГц (Алтынцев и др., 2005; Чернов и др., 2001, 2003, 2005, 2006). Наблюдения с высоким
Электронный адрес: a_kuzn@iszf.irk.ru
временным разрешением выявили новую особенность микроволновых зебра-структур: как оказалось, каждая полоса "зебры" представляет собой цепочку спайкоподобных импульсов, длительность и ширина полосы которых сопоставимы с разрешающей способностью инструментов (Чернов и др., 2003, 2005, 2006). Данное явление можно назвать "сверхтонкой структурой".
В работах Чернова и др. (2003, 2005) сделан вывод, что отдельные импульсы излучения в каждой полосе "зебры" располагаются хаотически, и корреляция между различными полосами отсутствует. Однако в работе Чернова и др. (2006) обнаружено взаимное соответствие импульсов в двух полосах "зебры" на частоте около 5.2 ГГц, которое можно проинтерпретировать как отражение периодической инжекции электронных пучков.
Целью данной работы является более подробное исследование характеристик сверхтонкой структуры микроволновых всплесков. Характер взаимосвязи между различными полосами зебра-
структуры может оказаться решающим фактором при разработке модели генерации излучения.
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Сверхтонкая структура микроволнового излучения рассматривается на примере события 21 апреля 2002 г. Излучение наблюдалось во время вспышки класса X1.5, которая произошла в активной области AR 9906 вблизи лимба. Данное событие подробно описано, например, в работе Чернова и др. (2005). Наблюдения Сибирского солнечного радиотелескопа и TRACE позволяют предположить, что радио- и микроволновое излучение генерировалось в послевспышечной аркаде магнитных петель на высотах 50—100 тыс. км.
Зебра-структура была зафиксирована спек-трополяриметром Национальных астрономических обсерваторий Китая (станция Хуайроу) в интервале 2.6—3.8 ГГц. Разрешающая способность данного инструмента составляет 8 мс по времени и 10 МГц по частоте (Фу и др., 2004). В рассматриваемом событии количество одновременно наблюдаемых полос зебра-структуры достигало 34 (Чернов и др., 2005), а интенсивность излучения (по отношению к фоновому всплеску IV типа) достигала сотен sfu. Все полосы "зебры" характеризовались более или менее отчетливой сверхтонкой структурой. Высокая интенсивность излучения (и соответственно высокое отношение сигнал/шум) делают данное событие особенно удобным для исследования деталей динамического спектра излучения.
АНАЛИЗ ДАННЫХ
Качественное исследование сверхтонкой структуры
На рис. 1а приведен динамический спектр с зебра-структурой, а на рис. 1б увеличенный фрагмент данного спектра, содержащий четыре полосы "зебры" (показаны контуры интенсивности излучения). Полосы являются практически параллельными, скорость частотного дрейфа составляет около —93 МГц/с (дрейф отрицательный). Видно, что каждая полоса в действительности представляет собой цепочку отдельных импульсов — спайков.
Спайки, расположенные в различных полосах, можно соединить прямыми линиями. Из рисунка видно, что данные прямые являются практически параллельными. Как правило, на одну прямую попадают не два, а три или четыре спайка. Эти особенности свидетельствуют, что спайки в каждой полосе расположены не случайным образом, и между отдельными полосами существует очевидная корреляция. Вместе с тем, необходимо
отметить два обстоятельства. Во-первых, иногда указанное соответствие нарушается: некоторые спайки заметно отклоняются от проведенных прямых. Это связано с ограниченной разрешающей способностью спектрополяриметра: некоторые импульсы попадают на границу частотных каналов и в результате искажаются или теряются. Во-вторых, соответствие спайков в различных полосах не является однозначным: можно провести несколько семейств параллельных прямых. На рис. 1б приведен только один вариант, чтобы не загромождать рисунок (проведенные прямые соответствуют скорости частотного дрейфа —1.17 ГГц/с). Возможны и другие варианты, соответствующие различным скоростям и направлениям дрейфа. Если интерпретировать временной сдвиг между спайками в соседних полосах как отражение движения некоторого излучающего агента, то проведенные линии являются траекториями движения данного агента. Спайки в каждой полосе "зебры" характеризуются высокой периодичностью (с периодом следования около 30 мс).
На рис. 1в, г и 1д, е приведены два других фрагмента динамического спектра, отстоящие от изображенного на рис. 1а, б на 3 и 15 мин соответственно. На данных рисунках также хорошо видна спайковая структура полос "зебры" и корреляция между отдельными полосами. Однако со временем характеристики зебра-структуры меняются. Так, на рис. 1г скорость частотного дрейфа полос "зебры" составляет около —76 МГц/с, а прямые линии, соединяющие спайки в различных полосах, соответствуют скорости дрейфа —1.80 ГГц/с. На рис. 1е скорость частотного дрейфа полос "зебры" составляет около —52 МГц/с, а прямые линии, соединяющие спайки в различных полосах, соответствуют скорости дрейфа —1.43 ГГц/с. Период следования спайков (около 30 мс) остается практически постоянным.
Исследование временных профилей интенсивности излучения
Оценим количественно характеристики сверхтонкой временной структуры. В качестве примера будем использовать фрагмент динамического спектра, выделенный на рис. 1в белой рамкой. На рис. 2а данный фрагмент приведен в увеличенном виде. На рис. 2б приведены временные профили интенсивности излучения вдоль полос зебра-структуры (т.е. вдоль проведенных на рис. 2а прямых линий). Данные профили получены с помощью интерполяции двумерного массива данных I = I(£, /): значения вычисляются с шагом по времени 1 мс; для каждого момента £ соответствующая частота / вычисляется как / = /0 +
О СВЕРХТОНКОЙ СТРУКТУРЕ
365
(а)
(б)
1 2 3 4 5 6
02:00:45 02:00:50
Время, ит
0.1 0.2 0.3
Время, с
Рис. 1. (а), (в), (д) — Динамические спектры, зафиксированные 21 апреля 2002 г. на обсерватории Хуайроу (более темные области соответствуют большей интенсивности излучения). (б), (г), (е) — Увеличенные фрагменты динамических спектров. Линии проведены через точки максимумов интенсивности.
0
(а)
(б)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Время, с
Рис. 2. (а) — Фрагмент динамического спектра, выделенный на рис. 1в белой рамкой. (б) Временные профили интенсивности излучения вдоль полос зебра-структуры, отмеченных на (а).
(а)
(б)
10
^ 5 8
m
Ьч 4 8
Ьч 4
5
С 3 1
1 1 ill i
А—' v V V 1 1
.^м^Ы^пЩ 1 » 1 \J IV-ji V
-0 0
10 20 30 40 50 6070 90
1/f, мс
-40 -
20 0 20 т, мс
40
Рис. 3. (а) — Коэффициенты дискретного преобразования Фурье (в относительных единицах) временных профилей интенсивности излучения, приведенных на рис. 2б, в зависимости от обратной частоты; (б) — Коэффициенты кросс-корреляции между указанными временными профилями интенсивности излучения.
где u — скорость частотного дрейфа полосы зебра-структуры; для полученной точки (t, f) интенсивность излучения находится как результат интерполяции исходного массива данных двумерным кубическим сплайном. В данной работе для расчетов использована система Research Systems IDL, интерполяция производилась функцией congrid с параметром cubic= —0.5.
На рис. 3а приведены результаты преобразования Фурье временных профилей интенсивности излучения. На фурье-спектрах четко выделяется
максимум, соответствующий осцилляциям с периодом 29—30 мс. Таким образом, результаты преобразования Фурье подтверждают сделанный выше вывод о высокой периодичности следования импульсов. В различных полосах периоды импульсов практически совпадают.
На рис. 3б приведены графики функций кросс-корреляции временных профилей интенсивности излучения, соответствующих соседним полосам "зебры". Перед вычислением коэффициентов кросс-корреляци
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.