УДК 523.985.7-77
ПУЛЬСАЦИИ МИКРОВОЛНОВОГО ВСПЫШЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В НИЗКО- И ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА
© 2007 г. В. Э. Резникова1'2, В. Ф. Мельников2, И. Су1, Г. Хуанг1
1Обсерватория Пурпурной горы, Нанкин, Китай 2ФГНУ "Научно-исследовательский радиофизический институт", Нижний Новгород, Россия Поступила в редакцию 14.10.2006 г.; после доработки 27.12.2006 г.
Проведен анализ квазипериодических вариаций интенсивности во время солнечной вспышки, наблюдавшейся радиогелиографом Нобеяма на частотах 17 и 34 ГГц и радиоспектрометром Обсерватории Пурпурной горы на частотах 4.5—7.5 ГГц. Установлено, что сигналы содержат хорошо выраженную периодичность с периодом 14—17 с и стабильным синфазным поведением на частотах выше и ниже спектрального максимума. Проведены модельные расчеты модуляции гиросинхротронного излучения радиальными быстрыми магнито-звуковыми колебаниями для условий с низкой и повышенной плотностью плазмы в радиоисточнике. Показано, что синфазное поведение пульсаций на низких и высоких частотах реализуется только при достаточно высокой плотности плазмы, когда низкочастотный завал микроволнового спектра обусловлен не самопоглощением, а эффектом Разина.
PACS: 96.60.Tf, 96.60.qe, 95.85.Bh
1. ВВЕДЕНИЕ
Корональная сейсмология является новым эффективным инструментом, который использует колебания и волны, наблюдаемые в короне Солнца, для определения физических параметров плазмы. В последнее время интерес к ней резко усилился в связи с открытием МГД-осцилляций корональных магнитных петель, непосредственно наблюдаемых в ультрафиолетовых лучах. Поперечные изгиб-ные колебания наблюдались с помощью спутника TRACE [1,2], продольные медленные магнитоаку-стические колебания — на спутнике SUMER [3, 4]. Радиальная мода быстрых магнито-звуковых колебаний (БМЗ) вспышечной петли, представляющая собой последовательные сжатия—расширения магнитной трубки, обнаружена по микроволновым наблюдениям на радиогелиографе Нобеяма (NoRH) [5—7].
В данной работе, являющейся продолжением [6, 7], представлены дальнейшие исследования квазипериодических пульсаций микроволнового излучения лимбовой вспышки 12 января 2000 г. Предыдущий анализ, выполненный по наблюдениям NoRH на частотах 17 и 34 ГГц с высоким пространственным разрешением (10" и 5", соответственно), показал наличие синхронных квазипериодических вариаций интенсивности в различных частях вспышечной петли (ногах и вершине) с периодом P = 14—17 с, уверенно интерпретируемых основной модой радиальных БМЗ-колебаний.
Микроволновая и рентгеновская диагностика показала [6], что концентрация плазмы и магнитное поле внутри петли в вершине достигают значений п0 & 1011 см"3 и В < 100 Гс, а в основаниях петли В < 200 Гс. Это означает, что эффект Разина [8, 9], представляющий собой подавление излучения в среде с показателем преломления п < 1, должен играть важную роль, по крайней мере в вершине вспышечной петли, вследствие чего излучение на частотах ниже частоты спектрального максимума / < /ре^ может быть оптически тонким.
В Обсерватории Пурпурной горы (РМО, Китай) эта вспышка наблюдалась спектрометром на значительно более низких частотах: 4.5-7.5 ГГц. Поскольку в данном событии спектральный пик находился в области /ре^ ~ 20 ГГц, это дает нам шанс проверить вывод о значительной роли эффекта Разина в данном вспышечном событии. Если источник действительно является оптически тонким на / < /'рето пульсации излучения на этих частотах должны быть синфазными с пульсациями на частоте 34 ГГц. В случае оптически толстого источника, пульсации на 4.5—7.5 ГГц должны быть в противофазе (как, например, наблюдалось в событии 23 мая 1990 г. [10, 11]).
В разделах 2 и 3 проводится детальное сравнение низко- (/ < /реак) и высокочастотных (/ > /реак) квазипериодических пульсаций микроволнового излучения, включая их вейвлет-анализ. В разделах 4 и 5 обсуждены обнаруженные
особенности связи пульсаций в низко- и высокочастотной областях спектра и проведены модельные расчеты модуляции гиросинхротронного излучения радиальными БМЗ-колебаниями для условий с низкой и повышенной плотностью плазмы в радиоисточнике.
2. ВРЕМЕННЫЕ ПРОФИЛИ
Частота спектрального максимума в спектре микроволнового излучения, полученного по данным радиополяриметра Нобеяма в течение всплеска смещалась в диапазоне 8—25 ГГц с наиболее вероятным значением около 20—22 ГГц в момент пика всплеска [6, рис. 2].
Для анализа микроволновых высокочастотных пульсаций (/ > /ремы использовали наблюдения радиогелиографа Нобеяма (N0^). Этот инструмент имеет высокую чувствительность по плотности потока (5 х 10_3 с.е.п.) и хорошее временное разрешение (0.1 с). Временные профили потоков радиоизлучения на частотах 17 и 34 ГГц показаны на рис. 1а и 1б, соответственно. Плотность потока Fрассчитывалась интегрированием яркостной температуры Тв по боксу 150" х 150", охватывающему весь радиоисточник на изображениях, полученных радиогелиографом. Рис. 1в демонстрирует относительные вариации плотности потока излучения AF/F на частоте 17 ГГц (жирная линия) и на частоте 34 ГГц (тонкая линия). Эта величина рассчитывалась как AF/F = ^(^ — Fo)/Fo, и она соответствует глубине модуляции. Плавная подложка F0 получена сглаживанием сигнала по 10 с интервалу. Из рис. 1в видно, что вариации потока на этих двух частотах происходят в фазе практически на всем протяжении всплеска. Средняя глубина модуляции около 15% на частоте 17 ГГц и 14% на частоте 34 ГГц в течение импульсной фазы всплеска с 01:35:30 до 01:36:30 ит (временной интервал II на приведеном далее рис. 3).
Для анализа пульсаций в низкочастотном (/ < /Реа,Ь:) диапазоне использовались спектрометрические наблюдения Обсерватории пурпурной горы (РМО). Спектрометр РМО регистрирует данные в диапазоне частот 4.5—7.5 ГГц с временным разрешением 5 мс и спектральным разрешением 10 МГц. Чувствительность спектрографа составляет около 2% от фоновой плотности потока. На рис. 2 показаны временные профили микроволнового излучения, усредненные по 10 низкочастотным каналам 4.5—4.6 ГГц (рис. 2а) и по 10 высокочастотным каналам 7.4—7.5 ГГц (рис. 2б). Излучение на частоте 4.5 ГГц достигает максимума на минуту позднее, чем излучение на частоте 7.5 ГГц. Две временные серии пульсаций
показывают синхронное поведение (рис. 2в) со средней глубиной модуляции около 8% на частоте 4.5 ГГц и 9% на частоте 7.5 ГГц на временном интервале II (отмечен далее на рис. 3).
Сравнение рис. 1 и 2 показывает, что всплеск на низких частотах более длительный, причем поток его излучения довольно высок даже после момента 01:37 ит, когда на высоких частотах наблюдается резкий спад интенсивности.
На рис. 3 мы сравниваем квазипериодические пульсации радиоизлучения, зарегистрированного на частоте 34 ГГц (сплошная линия) и РМО на частоте 4.5 ГГц (пунктирная линия). Эти две частоты безусловно расположены по разные стороны от частоты /ре^ в спектре всплеска, и, следовательно, их синфазное или противофазное поведение может служить критерием наличия или отсутствия сильного подавления Разина в этом вспышечном событии. Глубина модуляции на этих двух частотах одинакова на временном интервале I и на 40% больше на частоте 34 ГГц в течение временного интервала II. На временно)м интервале III высокочастотные пульсации уже не видны, а на частоте 4.5 ГГц они все еще существуют. Как видно, пульсации практически синхронны на временном интервале II и показывают противофазное поведение на интервале I. Данный факт, очевидно, связан с присутствием нескольких спектральных составляющих в этих двух временных сериях пульсаций. Для выяснения разницы фаз для конкрект-ных спектральных составляющих необходимо проведение спектрального анализа.
3. ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗ
Микроволновые наблюдения были обработаны посредством вейвлет-анализа [12] с использованием вейвлета Морле, который имеет наилучший баланс между локализацией по времени и по частоте. Вейвлет-спектры мощности сигналов на частотах 4.5 и 34 ГГц показаны на рис. 4а и 4в, соответственно. Соответствующие нормированные интегральные вейвлет-спектры, полученные временным усреднением спектров мощности, показаны на рис. 4б,г. Сплошным контуром на рис. 4а,в и пунктирной линией на рис. 4б,г показаны 95%-ные доверительные уровни относительно красного шума. Таким образом, на спектрах мощности показаны только области выше 95% порога обнаружения сигнала в шумах. Для спектральной обработки мы использовали временные серии на полном временном интервале, показанном на рис. 3. Поэтому области, в которых краевые эффекты становятся важными, находятся вне временного интервала приведенных на рис. 4 спектров мощности, и треугольник достоверности не показан.
с
CD О
W О н о
с
с
CD О
о н о
с
800600400 200
0 800
600 h
(а)
17 ГГц.
s s
я «
о
а
X S
1^-0.1
Г -0.2
-0.3
400-
200-
01:35:00 01:35:30 01:36:00 01:36:30 01:37:00 01:37:30 01:38:00 01:38:30
Время ит
Рис. 1. Временные профили микроволнового излучения солнечной вспышки 12 января 2000 г., полученные радиогелиографом Нобеяма на частотах 17 ГГц (а) и 34 ГГц (б), и глубина модуляции плотности потока излучения (в) на частотах 17 ГГц (жирная линия) и 34 ГГц (тонкая линия), рассчитанные как AF/F = ^(£) — Fo)/Fo (Го получено 10-с сглаживанием сигнала).
Как следует из вейвлет-спектров мощности, оба анализируемых сигнала содержат хорошо выраженную спектральную составляющую с периодом P\ = 14—17 с в течение временного интервала II. В течение временно го интервала III излучение на частоте 4.5 ГГц имеет вторую спектральную компоненту P2 меньшей мощности, период которой изменяется в интервале от 10 до 12 с. Сигнал на частоте 34 ГГц также имеет еще один характерный период P3 9 с, который хорошо виден на спектре мощности (рис. 4г). Результат вейвлет-анализа для излучения на 34 ГГц находится в хорошем согласии с фурье-анализом, сделанным в предыдущем исследовании [6, 7]. Отметим, что спектры мощности
временных серий, соответствующих частотам 7.5 и 17 ГГц, содержат те же самые компоненты, что и сигнал на 34 ГГц со средними периодами Р\ ^ 15 с и Р3 « 9 с.
Поскольку нас интересует разница фаз между двумя
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.