21.04.23 1

Исследование высотной структуры активной области с

использованием многоволновых радио наблюдений

Богод В.М., Ступишин А.Г., Яснов Л.В.

СПб Ф САО РАН, СПб ГУ

21.04.23

Введение.Проблема получения информации о высотной свойствах солнечной плазмы

на уровнях верхней хромосферы, переходной зоны и нижней короны всегда рассматривалась как трудно достижимая.Эти слои солнечной атмосферы трудно доступны как для наземных, так и для спутниковых наблюдений, Методы солнечной радиоастрономии, позволяют получать стратифицированную по слоям информацию о напряженности магнитных полей и их распределений с высотой.Однако при этом требуется использование крупных радиотелескопов и соответствующая спектральная приемная аппаратура.

21.04.23

Введение.Проблема получения информации о высотной свойствах солнечной плазмы

на уровнях верхней хромосферы, переходной зоны и нижней короны всегда рассматривалась как трудно достижимая.Эти слои солнечной атмосферы трудно доступны как для наземных, так и для спутниковых наблюдений, Методы солнечной радиоастрономии, позволяют получать стратифицированную по слоям информацию о напряженности магнитных полей и их распределений с высотой.Однако при этом требуется использование крупных радиотелескопов и соответствующая спектральная приемная аппаратура.

Расположение гирорезонансных слоев в активной области на Солнце

21.04.23 4

НОВЫЙ МНОГООКТАВНЫЙ КОМПЛЕКС ВЫСОКОГО СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗРЕШЕНИЯ НА РАТАН-600

Диапазон частот 0.75-18.2 ГГцСпектральное разрешение 1%Точность измерения поляризации 1-2 %Число частотных каналов 112Число каналов регистрации 224

ПАРАМЕТРЫ

В этом докладе, мы представляем методы высотных измерений, которые становятся доступными в результате улучшений радиотелескопа РАТАН-600 и аппаратурного солнечного комплекса

Спиральные облучатели на две круговые поляризации

СВЧ – часть многоктавного комплекса, 112 фильтров с 1% полосой

Многоканальная система сбора данных, 224 каналов регистрации

Данные поступают в интернет- сеть на сайты www.sao.ru и www.spbf.sao.ru/prognoz/

21.04.23 6

РАСПОЛОЖЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ КАНАЛОВ КОМПЛЕКСА

0 5 10 15 20 25 30 350,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Freq

uenc

ies,

GH

z

Number of channels

32 42 52 62 72 82 92 102 112

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Freq

uenc

y,G

Hz

Number of channels

3.0 GHz – 18 GHz0.75 GHz – 3.0 GHz

21.04.23 7

Ежедневное представление данных на сайте

http://www.spbf.sao.ru/prognoz

Ежедневное представление данных на сайтеhttp://www.spbf.sao.ru/prognoz

21.04.23 8

Solar disk

РАТАН-600. Многоазимутальный режим. Спектр вспышки 12.06.2010 в диапазоне 2 -10 см с 1% частотным

разрешением в течение 4 часов с 4 минутным интервалом

Wav

elen

gth

, cm

21.04.23 9

ВЫСОТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ.Метод многоволновой динамической стереоскопии

Основа:

Детальный многоволновый спектр (3-18 ГГц с 1% разрешением)

Высокая точность поляризационных измерений (1-2 %)

Высокая относительная координатная точность (доли угл.сек.)

Пространственное разрешение до 15 угл.сек на 17 ГГц.

Многоазимутальные наблюдения с врем. разрешением 4 мин.

в диапазоне азимутальных углов +- 14 град в течение 4 часов.

21.04.23 10

Basic Principles of Dynamic Stereoscopy

Метод был применен на VLA Aschwanden & Bastian 1994, ApJ 426, 434

Измерялось движение стабильных образований в картинной плоскости ( в гелиоцентрической системе координат) и находилось положение близкое к наблюдаемому корреляционным методом.

Метод многоволновой стереоскопииреализован на РАТАН-600 (Bogod and Yasnov, Astrophysical Bulletin, 2009, Vol. 64, No. 4, pp. 372–385) и был адаптирован к условиям наблюдений с 1-D диаграммой направленности.

Результаты измерений сопоставлялись с реконструкцией фотосферных магнитных полей

Analysis limited to only two days of observations

О реконструкции магнитного поля по фотосферным данным

Обычно моделируют магнитное поле короны экстраполяцией фотосферных наблюдений магнитного поля, на основе потенциального или бессилового (линейного и нелинейного) приближения. Но потенциальные поля и линейные бессиловые поля не содержат свободную энергию и являются плохим приближением для вспышечно-активной области. Нелинейное бессиловое поле (NLFF) может, однако, диссипировать к линейному бессиловому полю. В этом смысле нелинейное бессиловое поле имеет свободную энергию, необходимую для вспышки.

С наблюдательной точки зрения нелинейная реконструкция является более сложной, потому что требуются данные измерений на вектор-магнитографе для измерения поперечной составляющей (Hinode). Sandman и др.. (2009) пришли к выводу что для петель, наблюдаемых на STEREO, лучше подходит потенциальная экстраполяция, чем NLFF или даже поле нескольких диполей.

До сих пор считается, что не существует единого способа экстраполяции магнитного поля от фотосферной границы до короны (например, Mok, Y. et al. 2008). Один из способов получить информацию о высоте это опираться на модель магнитного поля и подгонять радио контуры на соответствующие изогауссовые поверхности.

На основе многоволновых наблюдений мы развиваем подход, предложенный Alissandrakis и Кунду (1984); Aschwanden и Бастиан (1994); Aschwanden и др.. (1995), а именно, использование солнечного вращения для оценки 3D расположения GR источников над относительно стабильной активной областью.

О реконструкции магнитного поля по фотосферным данным

BB const

Нами в качестве начального приближения было выбрано линейное бессиловое приближение, которое достаточно легко определялось по фотосферным данным SOHO MDI (Seehafer, 1978) .

в предположении

Поскольку поперечная компонента магнитного поля не учитывалась, то для большей точности эти реконструкции использовались, в основном, для активных областей недалеко от центра диска.

В качестве следующего шага использовался метод (Wiegelman, 2004).Здесь в приближении бессилового магнитного поля использовалась минимизация функционала

xdrotBzyxwLV

3222 ])[,,( BBB

Функционал минимизируется методом градиентных итераций Ландвебера, 1951

Примеры для АО с простой и стабильной

структурой06.01.2007 07.01.2007

1

h, [1

0 c

m]

9

1.5

2

700 800 900 1000 1100 1200 1300

B, Gs

06-07_01_2007

NOAA 0933

0,0

06-07_01_2007

NOAA 0933

5-5

1

h, [1

0 c

m]

9

1.5

2

x, [10 cm]9

List of wavelengthssun: 12:20:09 UT

-1346" -674" -2" 669" WE

Jan.7, 2007Jan.8, 2007I

VAR10933

AR10934

03.02cm

03.08cm

03.14cm

03.21cm

02.54cm

02.58cm

02.63cm

02.67cm

02.72cm

02.76cm

02.81cm

02.87cm

02.90cm

02.96cm

02.16cm

02.20cm

03.73cm

03.81cm

03.91cm

04.02cm

04.10cm

04.21cm

04.32cm

04.45cm

04.73cm

05.02cm

03.27cm

03.35cm

03.40cm

03.48cm

03.55cm

03.64cm

02.23cm

02.26cm

02.28cm

02.32cm

02.39cm

02.43cm

02.47cm

02.51cm

01.84cm

01.93cm

01.98cm

02.00cm

02.02cm

02.05cm

02.08cm

02.11cm

02.13cm

4000 K

500 K

L a

L b

0,0

0.5

1.0

1.5

2.007-08_01_2007

NOAA 0933

x, [10 cm]90,0 1-1

h, [1

0 c

m]

9

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000,0

h, [1

0 c

m]

9

1

1.5

2

2.5

0.5

07-08_01_2007

NOAA 0933

B, Gs

21.04.23 14

21.04.23 15

21.04.23 16

АО с сложной структурой магнитных полей.Пример АО 10956 с 16-21 мая 2007

-514" 196"-336" -159" 19"

sun: 2007/05/18: 2.96[cm]

Magnetic field

Intensity

Polarization

A)

B)

C)

D)

3000 K

200 K

W EРадиоданные параметр V (2.6 см)Данные в линии 171 ангстремФотосферные данные MDI

Циклотронный источник B (16-17/05-07)

H(f)

H(L)

Циклотронный источник C (16-17/05-07)

H(f)

H(L)

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400-5

0,0

5

10

15

202007/05/16-17 NOAA 10956

source B

H_c

or, M

m

Magnetic Fields, Gs

Reconstruction

Measured

-2 0,0 2 4 6 8-5

0,0

5

10

15

20 2007/05/16-17 NOAA 10956

source B

H_c

or, M

m

Longitude, Mm

Reconstruction

Measured

-2

0,0

2

4

6

8

10

12

14

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

2007/05/16-17, source C

Reconstruction 16 may

Measured

Magnetic Fields, Gs

H_c

or, M

m

-2 0,0 2 4 6 8 10 12

0,0

2

4

6

8

10 2007/05/16-17 NOAA 10956 source C

Reconstruction16 may

Measured

H_c

or, M

m

Longitude, Mm

ССРТССРТ

21.04.23 18

Соответствие фотосферного и реконструированного магнитного поля с изображением активной области линии 171 Å.

Магнитное поле представлено в трехмерном виде: z – координата по высоте, координаты x и y – по поверхности фотосферы Солнца.

21.04.23 19

О сопоставлении высот для радиоисточников в сложной активной области

(NLS и циклотронные источники B и C)

-1003" 66"-736" -468" -201"

Sun: 2007/05/18: 3.48[cm]Ta,I

3250

7500

11750

16000Ta,V

-1625

-850

-75

700

-2400

A)

B)

C)

D)V

I

Параметры I, V

-1029" 57"-758" -486" -215"

Sun: 2007/05/18: 3.48[cm] Параметры R, LTa,R

3750

8500

13250

18000

-1000

Ta,L

3750

8500

13250

18000

-1000

R source

L source

Положение источников A, B, C и D в канале V и в каналах R и L на сканах за

период с 16 по 20 мая 2007г.

6 8 10 12 14 16

-450

-440

-430

-420

-410

-400

-390

-380

-370

-360

-350

Pos

["]

Frq

PosB["] PosC["] PosD["] PosR["] PosL["]

2007/05/17

6 8 10 12 14 16

-630

-620

-610

-600

-590

-580

-570

-560

-550

-540

-530

Pos

["]

Frq

PosB["] PosC["] PosD["] PosR["] PosL["]

207/05/16

6 8 10 12 14 16

-260

-250

-240

-230

-220

2007/05/18 NOAA 10956 Az-24

Pos

(")

Frq (GHz)

PosC PosB PosR PosL

6 8 10 12 14 16-310

-300

-290

-280

-270

-260

-250

-240

-230

-220

-210

Pos

["]

Frq

PosB["] PosC["] PosD["] PosR["] PosL["]

2007/05/18

6 8 10 12 14 16

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Pos

["]

Frq

PosB["] PosC["] PosD["] PosR["] PosL["]

2007/05/19

6 8 10 12 14 16

180

190

200

210

220

230

240

250

260

Pos

["]

Frq

PosB["] PosC["] PosD["] PosR["] PosL["]

2007/05/20

О КРУПНОМАСШТАБНОЙ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЕ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ

Средние значения нормированных положений источников В, С и D за 16-20 мая 2007 г. которые отражают направления (к востоку или западу по диску Cолнца) излучающих областей (и соответственно наиболее интенсивных магнитных полей) в зависимости от частоты (и

соответственно от высоты над фотосферой)

В SOURCE

D SOURCEС SOURCEB SOURCE

D SOURCE

B source

C source

D source

Freq

uenc

y,G

Hz

8

6

10

to the EastDPos(')

to the West

0 4-4 128-8к востоку

к западу

О КРУПНОМАСШТАБНОЙ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЕ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ

Средние значения нормированных положений источников В, С и D за 16-20 мая 2007 г. которые отражают направления (к востоку или западу по диску Cолнца) излучающих областей (и соответственно наиболее интенсивных магнитных полей) в зависимости от частоты (и

соответственно от высоты над фотосферой)

В SOURCE

D SOURCEС SOURCEB SOURCE

D SOURCE

B source

C source

D source

Freq

uenc

y,G

Hz

8

6

10

to the EastDPos(')

to the West

0 4-4 128-8

21.04.23 23

Относительное перемещение радиоисточников(NLS и циклотронных) по диску Солнца

Перемещение в картинной плоскости Высотное перемещение

16 17 18 19 20 21

0

5

10

15

20

25

30

35

40

L source

R source

B source

C source

Pos-

Pos

B(")

Time - May, 2007

Источник NLS находится на 1500-2000 км ниже циклотронных радиоисточников B и C

Расчет радиоизлучения активной области NOAA 10946 на основе реконструированного магнитного поля для I, V, R и L излучения(a) расчет R и L по реконструкции H b) расчет I и V по реконструкции H(a)

(b)

Для неполяризованного излучения расчетные высоты 8-12 Mm и соответствуют наблюдениям

Для циклотронных радиоисточников расчетныевысоты равны 4-6 Mm и противоречат наблюдениям

Для соответствия наблюдаемых и расчетных спектров требуются корректирующие множители 1.5-2 на величину фотосферного магнитного поля и учет неоднородного распределения температуры и

плотности электронов.

К противоречиям экспериментов и модельных реконструкций(Спектр размеров циклотронного радиоисточника С)

-475"

28"-

349"-

224"-98"

sun:2007/05/18 09:10 UT

1.88cm

2.32cm

3.02cm

3.73cm

5.02cm

Flx,V

A

B

C

D

0.1 s.f.u.

A

B

CD

6 8 10 12 14 160

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

2007.05.18 AR 10956source 2

Size

_cle

an_I

_max

, arc

sec

Frequency,GHz

Theta_clean_I_maxreconstruction_1000reconstruction_2000reconstruction_3000

Modelled

70

Measured

О высотной структуре радиоисточников на лимбе

АО 1095613.05.2010Скан на частоте 5.7 ГГц наложен На карту ССРТ.

Прямое измерение высоты активной области

NOAA 10956 по наблюдениям на лимбе Солнца

H,

Mm

6 8 10 12 14 16

12

14

16

18 2007/05/13 Az-+24NOAA 10956

Frq (GHz)

5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5

30

32

Frq (GHz)

2007/05/12 Az-+24NOAA 10956

H,

Mm

13 мая AZ +2412 мая AZ +24

H,

Mm

6 8 10 12 14 16

12

14

16

18 2007/05/13 Az-+24NOAA 10956

Frq (GHz)

Измерение разностных высот. Абсолютные измерения высот нуждаются в привязке.

Проблема сопоставления величин фотосферных магнитных полей и корональных магнитных полей по

измерениям в радиодиапазоне.

6 7 8 9 10 11 12 13 14

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

Inte

nsity

Flu

x, s

.f.u.

Frequency, GHz

2007.05.18 NOAA 10956 I

Source A

Source D

6 8 10 12 14

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Pol

ariz

atio

n de

gree

, P

Pola

rizat

ion

Flux

, s.f.

u.

Frequency, GHz

Flux FDegree P

H_opt=1066 Gs

GsH Hrad 1670)3(

GsH Hrad 1250)4(

Source D

ВЫВОДЫ Разработан новый алгоритм, позволяющий определять

высотную структуру магнитного поля в активной области по результатам многоволновых измерений на РАТАН-600.

Два независимых подхода к исследованию корональногомагнитного поля активных областей (измерение высотной структуры поля и размеров источников) показали один и тот же результат:

а именно, что широко применяемая многими исследователями реконструкция коронального магнитного поля по радиальной компоненте фотосферного магнитного поля в рамках нелинейного бессилового приближения, по-видимому, не дает верных результатов.

Новые перспективы по повышению точности мы ожидаем с улучшением точности работы РАТАН-600 в азимутах и расширения его возможностей в мм-диапазоне волн.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!