МЕТОД ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКИХ СМЕЩЕНИЙ И ЭФФЕКТА ЗЕЕМАНА ПО ОПТИЧЕСКИМ ЦИФРОВЫМ СПЕКТРОГРАММАМ СОЛНЦА И ДОЛГОПЕРИОДИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ПЯТЕН
ÓÄÊ 523.98
ÌÅÒÎÄ ÏÐßÌÎÃÎ ÈÇÌÅÐÅÍÈß ÄÎÏËÅÐÎÂÑÊÈÕ ÑÌÅÙÅÍÈÉ È ÝÔÔÅÊÒÀ ÇÅÅÌÀÍÀ ÏÎ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÌ ÖÈÔÐÎÂÛÌ ÑÏÅÊÒÐÎÃÐÀÌÌÀÌ ÑÎËÍÖÀ È ÄÎËÃÎÏÅÐÈÎÄÈ×ÅÑÊÈÅ ÊÎËÅÁÀÍÈß ÑÎËÍÅ×ÍÛÕ ÏßÒÅÍ
© 2008 ã. © 2008 ã.
Â. È. Åôðåìîâ, êàíä. ôèç-ìàò. íàóê; Ë. Ä. Ïàðôèíåíêî, êàíä. ôèç-ìàò. íàóê; À. À. Ñîëîâüåâ, äîêòîð ôèç-ìàò. íàóê
Ãëàâíàÿ (Ïóëêîâñêàÿ) àñòðîíîìè÷åñêàÿ îáñåðâàòîðèÿ ÐÀÍ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã Å-mail: solov@gao.spb.ru
Îïèñàí ðàçðàáîòàííûé è ïðèìåíÿåìûé â Ãëàâíîé (Ïóëêîâñêîé) îáñåðâàòîðèè ÐÀÍ ìåòîä ðåãèñòðàöèè äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé, à òàêæå óøèðåíèé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, âûçâàííûõ èõ çååìàíîâñêèì ðàñùåïëåíèåì, ïî îïòè÷åñêèì öèôðîâûì ñïåêòðîãðàììàì àêòèâíûõ îáëàñòåé Ñîëíöà. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè äîñòàòî÷íî äëèòåëüíûõ (áîëåå 4 ÷àñîâ) íåïðåðûâíûõ íàáëþäåíèÿõ â ñîëíå÷íûõ ïÿòíàõ è â ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ îêðóæàþùåé ôîòîñôåðû îáíàðóæèâàþòñÿ äîëãîïåðèîäè÷åñêèå âàðèàöèè ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ õàðàêòåðíûì ïåðèîäîì îêîëî 80 ìèíóò. Ýòè âàðèàöèè èíòåðïðåòèðóþòñÿ êàê âåðòèêàëüíî-ðàäèàëüíûå êîëåáàíèÿ âñåãî ïÿòíà (èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) êàê öåëîãî, âûçâàííûå âîçìóùàþùèì äåéñòâèåì ñî ñòîðîíû îêðóæàþùåé òóðáóëåíòíîé ñðåäû (ôîòîñôåðû è êîíâåêòèâíîé çîíû).
Êîäû OCIS: 230.0230.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.09.2007.
1. Ââåäåíèå
Äëÿ èçó÷åíèÿ Ñîëíöà ðàçðàáîòàíî ìíîãî ñïåöèàëüíûõ èíñòðóìåíòîâ. Èç-çà áîëüøîé ÿðêîñòè Ñîëíöà ñîëíå÷íûå òåëåñêîïû èìåþò ìàëóþ ñâåòîñèëó è ñòðîÿò áîëüøèå èçîáðàæåíèÿ Ñîëíöà. Íàðÿäó ñ àäàïòèâíûìè ñèñòåìàìè â ñîëíå÷íîé àñòðîíîìèè äëÿ ïîëó÷åíèÿ âûñîêîêà÷åñòâåííûõ èçîáðàæåíèé èñïîëüçóþò ìåòîäû ñïåêë-èíòåðôåðîìåòðèè, ñòàâøèå âîçìîæíûìè ñ ïîÿâëåíèåì ìîùíûõ áûñòðîäåéñòâóþùèõ êîìïüþòåðîâ. Èíòåðåñíîå ðàçâèòèå ïîëó÷èëà èäåÿ ñîëíå÷íîãî òåëåñêîïà îòêðûòîãî òèïà, ò. å. íå èìåþùåãî çàêðûòîé òðóáû. Ïåðâûì òàêèì òåëåñêîïîì áûë ïóëêîâñêèé 0,5-ìåòðîâîé àâòîìàòè÷åñêèé ñîëíå÷íûé ðåôëåêòîð [1], óñòàíîâëåííûé åùå â 1977 ã. íà âûñîòå 4350 ì íà Âîñòî÷íîì Ïàìèðå (èçãîòîâèòåëü – Êàçàíñêèé îïòèêî-ìåõàíè÷åñêèé çàâîä (ÊÎÌÇ)).  òå ãîäû äîìèíèðîâàëà èäåÿ ñîçäàíèÿ áîëüøèõ âàêóóìíûõ òåëåñêîïîâ è âûáîðà ìåñò ñ îñîáûì ïî êà÷åñòâó ñîëíå÷íûì àñòðîêëèìàòîì. Ðàçóìååòñÿ, âàêóóìèçàöèÿ òåëåñêîïà öåíîé áîëüøèõ ìàòåðèàëüíûõ çàòðàò ìîæåò äàòü íåïëîõèå ðåçóëüòàòû. Îäíàêî ðàáîòû ïóëêîâñêèõ àñòðîíîìîâ äîêàçàëè, ÷òî è ðåôëåêòîð îòêðûòîãî òèïà, íàõîäÿùèéñÿ â òåïëîâîì ðàâíîâåñèè ñ îêðóæàþùåé àòìîñôåðîé, îñíàùåííûé ñèñòåìîé àíàëèçàòîðà êà÷åñòâà è àâòîôîêóñèðîâêè, ñïîñîáåí îáåñïå÷èòü òåîðåòè÷åñêîå ðàçðåøåíèå ïîëóìåòðîâîãî òåëåñêîïà íå òîëüêî â ãîðàõ, íî è â ïûëüíîì Âîëüñêå, è âî äâîðå ÊÎÌÇ. Íîâûé íèäåðëàíäñêèé òåëåñêîï îòêðûòîãî òèïà DOT, ñíàáæåííûé öèôðîâîé âèäåîêàìåðîé è ñèñòåìîé ñïåêë-èíòåðôåðîìåòðèè, ïîçâî-
ëèë ïîëó÷èòü íåïðåâçîéäåííûå ïî êà÷åñòâó äëèòåëüíûå ñåðèè èçîáðàæåíèé Ñîëíöà ñ ðàçðåøåíèåì ëó÷øå 0,3″ [2].
 äàííîé ðàáîòå áóäåò îïèñàí ðàçðàáîòàííûé â Ãëàâíîé àñòðîíîìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè (ÃÀÎ) ÐÀÍ ìåòîä èçìåðåíèÿ äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé è çååìàíîâñêîãî ðàñùåïëåíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ïî öèôðîâûì ñïåêòðîãðàììàì ñîëíå÷íîãî ïÿòíà è ïðèëåãàþùèõ ê íåìó ñëîåâ ôîòîñôåðû. Ïðè îáðàáîòêå ïîëó÷åííûõ ýòèì ìåòîäîì äîñòàòî÷íî äëèòåëüíûõ (äî 4-õ ÷) ðÿäîâ íàáëþäåíèé óäàåòñÿ íàäåæíî óñòàíîâèòü, ÷òî â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è â îêðóæàþùèõ åãî ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ íàáëþäàþòñÿ íå òîëüêî øèðîêîèçâåñòíûå 3–5-ìèíóòíûå êîëåáàíèÿ, íî è íèçêî÷àñòîòíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ÷àñòü êîëåáàòåëüíîãî ñïåêòðà ñ ïåðèîäàìè îò 40 äî 80 ìèí, êîòîðàÿ äî íåäàâíåãî âðåìåíè îñòàâàëàñü ïðàêòè÷åñêè íåèññëåäîâàííîé. Èññëåäîâàíèÿìè â ýòîì íàïðàâëåíèè çàíèìàëèñü è çàíèìàþòñÿ, ãëàâíûì îáðàçîì, ïóëêîâñêèå àñòðîíîìû [3–10]. Åñëè âûñîêî÷àñòîòíûå, 3–5-ìèíóòíûå êîëåáàíèÿ, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé çàõâà÷åííûå âíóòðè âåðòèêàëüíîé ìàãíèòíîé òðóáêè ïÿòíà ìåäëåííûå ÌÃÄ-âîëíû, äàâíî èçâåñòíû è äîñòàòî÷íî õîðîøî èññëåäîâàíû [íàïðèìåð, 11–13], òî íèçêî÷àñòîòíûå îñöèëëÿöèè ïÿòíà ñ ïåðèîäîì îêîëî 1 ÷ åñòü ïðîÿâëåíèå ñîâåðøåííî äðóãîãî ïî ñâîåé ôèçè÷åñêîé ïðèðîäå ýôôåêòà.  äàííîì ñëó÷àå ìû èìååì äåëî ñ âåðòèêàëüíî-ðàäèàëüíûìè ñìåùåíèÿìè âñåãî ïÿòíà (èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) â öåëîì êàê óñòîé÷èâîãî ëîêàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ [14–17]. Ýòè êîëåáàíèÿ ïÿòíà (èëè ìåëêîìàñøòàáíîãî ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) îòíîñèòåëüíî íåêî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
9
òîðîãî ñîñòîÿíèÿ ãëîáàëüíîãî ðàâíîâåñèÿ âûçâàíû âîçìóùàþùèì äåéñòâèåì íà ïÿòíî ñî ñòîðîíû òóðáóëèçîâàííîé âíåøíåé ñðåäû (ôîòîñôåðû è êîíâåêòèâíîé çîíû).  ïðîöåññ âîâëå÷åíû äîñòàòî÷íî ãëóáîêèå (äî 2–3 òûñ. êì) è, ñîîòâåòñòâåííî, äîñòàòî÷íî ïëîòíûå ñëîè, à ïîòîìó õàðàêòåðíàÿ ÷àñòîòà òàêèõ ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé îêàçûâàåòñÿ äîâîëüíî íèçêîé. Óêàçàííûå êîëåáàíèÿ îò÷åòëèâî ïðîÿâëÿþòñÿ â íàáëþäàåìûõ ñëîÿõ ïÿòíà (èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) êàê ïî âàðèàöèÿì äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé, òàê è ïî çååìàíîâñêîìó ðàñùåïëåíèþ ìàãíèòî÷óâñòâèòåëüíûõ ëèíèé: êîãäà ïÿòíî â öåëîì ñìåùàåòñÿ ââåðõ, îíî ðàñøèðÿåòñÿ â ñòîðîíû è ìàãíèòíîå ïîëå â íåì âñëåäñòâèå ñîõðàíåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîòîêà ïàäàåò, ïðè ïîãðóæåíèè ïÿòíà â áîëåå ïëîòíûå ñëîè ôîòîñôåðû åãî ìàãíèòíîå ïîëå, íàïðîòèâ, ðàñòåò.
Íàñòîÿùàÿ ðàáîòà ñòðóêòóðèðîâàíà ñëåäóþùèì îáðàçîì: âî âòîðîì ðàçäåëå êðàòêî îïèñàíû òåëåñêîï è ïðèåìíàÿ àïïàðàòóðà, òðåòèé ðàçäåë ïîñâÿùåí ìåòîäèêå îáðàáîòêè èñõîäíûõ ñïåêòðîìåòðè÷åñêèõ äàííûõ, â ÷åòâåðòîì äàåòñÿ àíàëèç ðåçóëüòàòîâ îáðàáîòêè îäíîãî èç 4-õ ÷àñîâûõ ðÿäîâ íàáëþäåíèé è âûÿâëÿþòñÿ îñîáåííîñòè êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è ïðèëåæàùåé ôîòîñôåðå, ïÿòûé ðàçäåë ñîäåðæèò êðàòêóþ èíòåðïðåòàöèþ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ íà îñíîâå ìîäåëè “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, â øåñòîì ðàçäåëå ôîðìóëèðóþòñÿ âûâîäû ðàáîòû.
2. Òåëåñêîï è ïðèåìíàÿ àïïàðàòóðà
Äàííàÿ ðàáîòà âûïîëíåíà íà áàçå òåëåñêîïà ÀÖÓ-5, ÿâëÿþùåãîñÿ ìîäåðíèçèðîâàííûì ãîðèçîíòàëüíûì ñîëíå÷íûì òåëåñêîïîì, îñíàùåííûì ÷åòûðåõêàìåðíûì òåðìîñòàòèðîâàííûì ñïåêòðîãðàôîì. Âñå çåðêàëà òåëåñêîïà èçãîòîâëåíû èç ñèòàëëà. Öåëîñòàòíàÿ ïàðà ñâîáîäíî óñòàíîâëåíà íà îòêàòíîé ÷àñòè òåëåñêîïà, ïîäíÿòîé íà 4 ì íàä ïîâåðõíîñòüþ ïî÷âû (ñì. ðèñ. 1). Îñòàëüíàÿ ÷àñòü òåëåñêîïà ñ îáúåêòèâîì, ñïåêòðîãðàôîì è ýëåêòðîíèêîé íàõîäèòñÿ âíóòðè ïàâèëüîíà, îòäåëåííîãî îò âíåøíåé ñðåäû òîëñòîé ïëîñêîïàðàëëåëüíîé ïëàñòèíîé äèàìåòðîì d = 500 ìì, èçãîòîâëåííîé èç îïòè÷åñêîãî ñòåêëà Ê-8, ÷åðåç êîòîðóþ è ïîñòóïàåò ñîëíå÷íûé ëó÷ îò öåëîñòàòà.
Òàêàÿ êîíñòðóêöèÿ óìåíüøàåò âëèÿíèå êîíâåêòèâíûõ ïîòîêîâ îò ïî÷âû è ñíèæàåò àìïëèòóäó äðîæàíèé èçîáðàæåíèÿ. Ïàâèëüîí òåëåñêîïà ñòîèò ñðåäè áîëüøîãî ïîëÿ, êîòîðîå ëåòîì ïîêðûâàåòñÿ ãóñòîé òðàâîé, ÷òî òàêæå áëàãîïðèÿòíî ñêàçûâàåòñÿ íà êà÷åñòâå èçîáðàæåíèÿ. Íåäîñòàòîê êîíñòðóêöèè â òîì, ÷òî îòêàòíàÿ ÷àñòü òåëåñêîïà ñìåùàåòñÿ íà þã è åå íàãðåòàÿ êðûøà ìîæåò íàðóøàòü òåìïåðàòóð-
10
Ðèñ. 1. Îòêàòíàÿ ÷àñòü òåëåñêîïà ñ öåëîñòàòîì.
íîå ðàâíîâåñèå â îêðóæàþùåé âîçäóøíîé ñðåäå.  ðåçóëüòàòå íàèëó÷øåå êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ (â ñðåäíåì ýòî 2″, â îòäåëüíûå ìîìåíòû áûâàþò óëó÷øåíèÿ äî 0,5″) íàáëþäàåòñÿ ñ óòðà, ïîêà íå íàãðåòû ïàâèëüîí è èíñòðóìåíò.  æàðêèé äåíü ñ äûìêîé ñòàáèëüíî õîðîøåå êà÷åñòâî ìîæåò äåðæàòüñÿ âåñü äåíü. Íà ïàìèðñêîì ñîëíå÷íîì òåëåñêîïå íàèëó÷øåå êà÷åñòâî íàáëþäàëîñü îêîëî ïîëóäíÿ, ïðè ìàêñèìàëüíîé âûñîòå Ñîëíöà, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò îá îòñóòñòâèè âëèÿíèÿ èíñòðóìåíòàëüíîãî ýôôåêòà íà êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ.
Êîæóõ ñïåêòðîãðàôà – äâîéíîé ñ âîçäóøíûì ïðîìåæóòêîì è îáøèò èçíóòðè æåëåçíûìè ëèñòàìè. Âíóòðè êîæóõà ñòîÿò ñâåòîçàùèòíûå ýêðàíû, ýêðàíèðóþùèå ðàññåÿííûé ñâåò îò êîëëèìàòîðà íà ñâåòîïðèåìíèê è îò âõîäíîé ùåëè íà êàìåðíûå çåðêàëà. Äîïîëíèòåëüíî áîêîâûå ñòåíêè èçíóòðè îáèòû ÷åðíûì áàðõàòîì.  ðåçóëüòàòå ðàññåÿííûé ñâåò âíóòðè ñïåêòðîãðàôà íå ïðåâûøàåò íåñêîëüêèõ äåñÿòûõ ïðîöåíòà.
 ñïåêòðîãðàôå èñïîëüçóåòñÿ äèôðàêöèîííàÿ ðåøåòêà 140×150 ìì (600 øòð/ìì) ñ êîíöåíòðàöèåé ñâåòà â æåëòî-çåëåíîé îáëàñòè âòîðîãî ëåâîãî ïîðÿäêà è êðàñíî-æåëòîé îáëàñòè ÷åòâåðòîãî ïðàâîãî ïîðÿäêà. Äèàìåòð êîëëèìàòîðíîãî çåðêàëà 250 ìì, ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 8530 ìì. ×åòûðå êàìåðíûõ çåðêàëà èìåþò äèàìåòð 300 ìì è ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 8450 ìì. Êàìåðíûå çåðêàëà ðàñïîëîæåíû íà îäíîì óðîâíå ïî äóãå îêðóæíîñòè ñ öåíòðîì íà îñè ðåøåòêè.  ïëîñêîñòè êàìåðíûõ çåðêàë ðàñïîëîæåíî è êîëëèìàòîðíîå çåðêàëî, íî íà 307 ìì âûøå. Ðåøåòêà ðàñïîëàãàåòñÿ âíèçó ïîä ùåëüþ íà ðàññòîÿíèè 198 ìì ïî âåðòèêàëè. Ãëàâíîå çåðêàëî òåëåñêîïà äèàìåòðîì d = 440 ìì èìååò ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 17,5 ì, ÷òî äàåò íà ùåëè ñïåêòðîãðàôà ìàñøòàá 1 ìì – 11,78″.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
 êà÷åñòâå ïðèåìíîé àïïàðàòóðû èñïîëüçóåòñÿ èëè ñïåêòðîãåëèîãðàô-ìàãíèòîãðàô íà CCD-âèäåîêàìåðå VEC-135 ñ ìàòðèöåé 1,2 äþéìà ñ USB-èíòåðôåéñîì [18], èëè öèôðîâàÿ çåðêàëüíàÿ êàìåðà CANON c 8,2-ìåãàïèêñåëüíîé ìàòðèöåé ðàçìåðîì 22,2õ14,8 ìì [19]. Ìàòðèöà (âûñîêîêà÷åñòâåííûé CMOS-äàò÷èê) äàåò íåáîëüøèå øóìû äàæå ïðè ÷óâñòâèòåëüíîñòè 1600 ISO. Èçîáðàæåíèå ìîæíî âûâîäèòü íà êîìïüþòåð â ôàéë ôîðìàòà JPEG èëè RAW (12 áèò). Ñïåêòðîãåëèîãðàô-ìàãíèòîãðàô îáåñïå÷èâàåò ïîëó÷åíèå: âèäåîêàðò ìàãíèòíûõ ïîëåé è ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé àêòèâíûõ îáðàçîâàíèé â àòìîñôåðå Ñîëíöà, ìîíîõðîìàòè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé (ñïåêòðîãåëèîãðàìì) Ñîëíöà â ëþáîé äëèíå âîëíû âèäèìîãî ñïåêòðà, èçîáðàæåíèé Ñîëíöà â ÈÊ ëèíèè ÍåI 1083,0 íì (òåìíûå ãåëèåâûå òî÷êè è êîðîíàëüíûå äûðû).
Öèôðîâàÿ çåðêàëüíàÿ êàìåðà ïîçâîëÿåò àâòîìàòè÷åñêè ïîëó÷àòü âðåìåííûå ñåðèè âûñîêîêà÷åñòâåííûõ ñïåêòðîãðàìì âûáðàííîãî ó÷àñòêà Ñîëíöà íà ïðîòÿæåíèè ñâåòîâîãî äíÿ (ìèíèìàëüíûé èíòåðâàë 10 ñ).
3. Ìåòîäèêà îáðàáîòêè äàííûõ
Èñõîäíûå äàííûå, ïîëó÷åííûå íà ñîëíå÷íîì òåëåñêîïå ÀÖÓ-5 â ÃÀÎ ÐÀÍ â ïåðèîä 2004–2006 ãã., ïðåäñòàâëåíû â âèäå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðîãðàìì (áèòîâûõ êàðò â ôîðìàòå jpg) ó÷àñòêà ñîëíå÷íîãî ñïåêòðà â äèàïàçîíå 649,379–649,965 íì. Îñíîâíîé èññëåäîâàòåëüñêîé çàäà÷åé ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå êâàçèïåðèîäè÷åñêèõ íèçêî÷àñòîòíûõ êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è ìàãíèòíîãî ïîëÿ â àêòèâíûõ îáëàñòÿõ Ñîëíöà. Íàáëþäàåìàÿ ñïåêòðàëüíàÿ îáëàñòü âûáèðàëàñü êàê â ðàçíûõ äîëãîòíûõ îáëàñòÿõ, òàê è â öåíòðàëüíîé ÷àñòè ñîëíå÷íîãî äèñêà.  îñíîâíîì ùåëü ñïåêòðîãðàôà ïðîõîäèëà ÷åðåç öåíòð äîñòàòî÷íî êðóïíîãî ñîëíå÷íîãî ïÿòíà è àêòèâíîé îáëàñòè, è ëèøü äëÿ ñðàâíèòåëüíîãî àíàëèçà ìû âûáèðàëè ñïîêîéíûå îáëàñòè âáëèçè öåíòðà ñîëíå÷íîãî äèñêà. Ùåëü ñïåêòðîãðàôà âûðåçàåò íà ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà îáëàñòü ðàçìåðîì 3″×180″, åñòåñòâåííûì îáðàçîì ôèëüòðóÿ ïðàêòè÷åñêè âñå ãðàíóëÿðíîå ïîëå ñêîðîñòè [20].  çàâèñèìîñòè îò äëèòåëüíîñòè íàáëþäåíèé (îò 1 äî 4 ÷) èíòåðâàëû ìåæäó ñïåêòðîãðàììàìè âûáèðàþòñÿ â ïðåäåëàõ îò 15 äî 30 ñ. Êàê ïðàâèëî, ýòî áûëà ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èç 512 ñïåêòðîãðàìì. Îáðàáîòêó äàííîãî ìàòåðèàëà ìîæíî ðàçáèòü íà äâà îñíîâíûõ ýòàïà: ïîäãîòîâèòåëüíûé è ðàñ÷åòíûé, ïîçâîëÿþùèé ïîëó÷èòü ÷àñòîòíî-ïðîñòðàíñòâåííûå êàðòû êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è ìàãíèòíîãî ïîëÿ äëÿ èññëåäóåìîé îáëàñòè íà Ñîëíöå. Èçìåðåíèå ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â àòìîñôåðå Ñîëíöà, êàê èçâåñòíî, îñíîâàíî íà îï-
ðåäåëåíèè ñìåùåíèé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, îáóñëîâëåííîãî ýôôåêòîì Äîïëåðà, à èçìåðåíèå ñîëíå÷íûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé îñíîâàíî â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ íà ýôôåêòå Çååìàíà, êîãäà ïðè âçàèìîäåéñòâèè èçëó÷àþùèõ àòîìîâ ñ âíåøíèì ìàãíèòíûì ïîëåì ñïåêòðàëüíàÿ ëèíèÿ ïîãëîùåíèÿ ñ ÷àñòîòîé v0 ðàñùåïëÿåòñÿ â ïîïåðå÷íîì ïîëå íà òðè êîìïîíåíòà. Îäèí êîìïîíåíò ñ ÷àñòîòîé v0 ëèíåéíî ïîëÿðèçîâàí ñ ýëåêòðè÷åñêèì âåêòîðîì ïåðïåíäèêóëÿðíûì ïîëþ. Äâà äðóãèõ êîìïîíåíòà
ñ
÷àñòîòàìè
ν0 ±
e m
H 4πc
,
ãäå
e
è
m
–
çàðÿä
è
ìàññà
ýëåêòðîíà, H – íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïîëÿðèçîâàíû ëèíåéíî ñ ýëåêòðè÷åñêèì âåêòîðîì, ïàðàëëåëüíûì ïîëþ. Åñëè ñìîòðåòü âäîëü ïîëÿ, öåíòðàëüíûé π-êîìïîíåíò èñ÷åçàåò, à σ-êîìïîíåíòû èìåþò êðóãîâóþ ïîëÿðèçàöèþ.
 ñèëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëÿõ âåëè÷èíà ðàñùåïëåíèÿ ñðàâíèìà ñ øèðèíîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè, è ýòî ïîçâîëÿåò èçìåðÿòü âåëè÷èíó ðàñùåïëåíèÿ íåïîñðåäñòâåííî íà ñïåêòðîãðàììàõ.  ñëó÷àå ñëàáûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé êîìïîíåíòû ðàñùåïëåíèÿ ñèëüíî áëåíäèðîâàíû è ïðÿìàÿ ðåãèñòðàöèÿ ðàñùåïëåíèÿ íåâîçìîæíà.
Òàêèì îáðàçîì, èçìåíåíèå øèðèíû ñïåêòðàëüíîé ëèíèè δW ÿâëÿåòñÿ ïðÿìûì ñëåäñòâèåì èçìåíåíèÿ âåëè÷èíû ìàãíèòíîãî ïîëÿ δH. Ðàçóìååòñÿ, êðîìå ìàãíèòíîãî ïîëÿ, öåëûé ðÿä äðóãèõ ôèçè÷åñêèõ ýôôåêòîâ âëèÿåò íà êîíòóð ëèíèè (â ÷àñòíîñòè, ìèêðîòóðáóëåíöèÿ), íî ðàçóìíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî çà âðåìÿ íàáëþäåíèÿ â îáëàñòè ôîðìèðîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ ëèíèè ôèçè÷åñêèå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ ñðåäû èçìåíÿþòñÿ íåñóùåñòâåííî (åñëè âîîáùå êàê-òî èçìåíÿþòñÿ).
3.1. Ïîäãîòîâêà äàííûõ
Ïîäãîòîâêà â îñíîâíîì ñîñòîèò â ðàçðàáîòêå ñöåíàðèÿ äåéñòâèé íàä îäíîé ñïåêòðîãðàììîé è ïðèìåíåíèÿ åãî êî âñåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè. Êàê ïðàâèëî, â ñöåíàðèé âêëþ÷åíû ñëåäóþùèå äåéñòâèÿ: èçìåíåíèå ðàçìåðà, ïåðåâîä â 8-áèòíóþ ãðàôèêó, èíâåðñèÿ áèòîâîé êàðòû (ïðè íåîáõîäèìîñòè), èñïîëüçîâàíèå ôèëüòðîâ ñãëàæèâàíèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò âûáðàòü íóæíóþ ðàáî÷óþ îáëàñòü, óñòðàíèòü ëîêàëüíûå äåôåêòû (öàðàïèíû, ïðîáèòûå ïèêñåëû), ïîâûñèòü êîíòðàñò ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé äëÿ áîëåå òî÷íîãî îïðåäåëåíèÿ ïîëîæåíèÿ öåíòðà êîíòóðà ëèíèè.
Ñöåíàðèé ìîæåò íåñêîëüêî ìåíÿòüñÿ îò íàáëþäåíèÿ ê íàáëþäåíèþ â çàâèñèìîñòè îò êà÷åñòâà èìåþùèõñÿ ñïåêòðîãðàìì. Çàêëþ÷èòåëüíûì ýòàïîì ïîäãîòîâêè äàííûõ ÿâëÿåòñÿ ïåðåâîä áèòîâîé êàð-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
11
òû â ASCII êîäû. Äëÿ ýòîãî ìû èñïîëüçóåì ðàçðàáîòàííóþ íàìè ïðîãðàììó “bmp2sym”, êîòîðàÿ ôîðìèðóåò òåêñòîâûé ôàéë â ñòàíäàðòíîì ôîðìàòå “sym”, ïðèíÿòîì íà ôîòîìåòðè÷åñêîì êîìïëåêñå MFK-200 (ÃÀÎ ÐÀÍ) [21].
3.2. Ñîçäàíèå äîïëåð-êàðò è êàðò ïîëóøèðèí ëèíèé
Ýòî îñíîâíîé ýòàï îáðàáîòêè äàííûõ, òðåáóþùèé áîëüøèõ ðåñóðñîâ êîìïüþòåðà è âðåìåíè. Íà ïðîöåññîðàõ òèïà AMD Athlon XP 1700+ äëÿ ñîçäàíèÿ 7 äîïëåð-êàðò (ò. å. äëÿ 7 ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé â âûáðàííîì èíòåðâàëå ñîëíå÷íîãî ñïåêòðà), èñïîëüçóÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èç 512 ñïåêòðîãðàìì, òðåáóåòñÿ 8–10 ÷ ñ÷åòíîãî âðåìåíè. Ïðåäâàðèòåëüíî äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëÿ äîïëåð-ñìåùåíèé â ñîëíå÷íîì ïÿòíå ïðèìåíÿåòñÿ ïðîöåäóðà ôèëüòðàöèè èíòåíñèâíîñòè ñàìîãî ïÿòíà – ñíÿòèå ðåëüåôà ïÿòíà, ÷òî òðåáóåò äîïîëíèòåëüíî 2,5–3 ÷ ðàáîòû êîìïüþòåðà. Áåç ýòîé ïðîöåäóðû ïðàêòè÷åñêè íå óäàåòñÿ ïîñòðîèòü êîíòóð ñïåêòðàëüíîé ëèíèè â ýòîé îáëàñòè è, ñëåäîâàòåëüíî, îïðåäåëèòü äîïëåðîâñêîå ñìåùåíèå â íåé. Äëÿ êàæäîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè îïðåäåëÿþòñÿ ãðàíèöû îáëàñòè ñïåêòðà (ñïåêòðàëüíîé ïîëîñû) òàê, ÷òîáû ôëóêòóàöèè ëèíèè íå âûõîäèëè çà ãðàíèöû ïîëîñû çà âñå âðåìÿ íàáëþäåíèÿ. Ðàçìåðû ïîëîñû âûáèðàþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò øèðèíû ñïåêòðàëüíîé ëèíèè òàê, ÷òîáû êîíòóð ëèíèè â êðûëüÿõ áûë äîñòàòî÷íî ïîëîãèì. Ýòî ïîçâîëÿåò ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ îïðåäåëÿòü ïîëîæåíèÿ ìàêñèìóìà, âåëè÷èíó ïîëóøèðèíû êîíòóðà ñïåêòðàëüíîé ëèíèè è, ñîîòâåòñòâåííî, âåëè÷èíû ñìåùåíèé åãî îòíîñèòåëüíî ñëåäóþùèõ ñêàíîâ. Ñêàíèðîâàíèå ñïåêòðàëüíîé ëèíèè âûïîëíÿåòñÿ íà ïðîãðàììíîì óðîâíå: â êàæäîì ðàçðåçå (ïîïåðåê ñïåêòðàëüíîé ëèíèè) ñòðîèòñÿ êîíòóð, â êîòîðîì öåíòðàëüíàÿ åãî ÷àñòü àïïðîêñèìèðóåòñÿ ïîëèíîìîì 2-é èëè 4-é ñòåïåíè, çà ñ÷åò ÷åãî óñòðàíÿþòñÿ îòäåëüíûå ëîêàëüíûå âûáðîñû íà ïðîôèëå ëèíèè. Ðàçìåðû àïïðîêñèìèðóåìîé ÷àñòè êîíòóðà çàâèñÿò îò ïàðàìåòðà çàõâàòà. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ äîïëåð-ñìåùåíèé dx îí, êàê ïðàâèëî, âàðüèðóåòñÿ â ïðåäåëàõ 60–80% îò âåëè÷èíû öåíòðàëüíîé äåïðåññèè, à äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëóøèðèíû êîíòóðà dw – â ïðåäåëàõ 40–60%. Âûáîð òàêèõ çíà÷åíèé ïàðàìåòðà çàõâàòà ñâÿçàí ñ òåì, ÷òî èìåííî “äîïëåðîâñêàÿ” ÷àñòü êîíòóðà íàèáîëåå ÷óâñòâèòåëüíà ê èçìåíåíèÿì ìàãíèòíîãî ïîëÿ, â òî âðåìÿ êàê òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé âûøå â öåíòðàëüíîé ÷àñòè êîíòóðà, åñëè åå àïïðîêñèìàöèîííàÿ ÷àñòü íå ñëèøêîì âåëèêà. Âåëè÷èíà ïîëóøèðèíû îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ çíà÷åíèé òî÷åê çàõâàòà íà êîíòóðå ñïåêòðàëüíîé ëèíèè.
Îïðåäåëèâ ïðè ïåðâîì ñêàíèðîâàíèè ïîëîæåíèå öåíòðà êîíòóðà ëèíèè (öåíòðà òÿæåñòè), ìû âûáèðàåì ýòó òî÷êó â êà÷åñòâå ðåïåðíîé äëÿ ïîñëåäóþùèõ ñêàíîâ. Òàêèì îáðàçîì, ïðè êàæäîì ñêàíèðîâàíèè ìû îïðåäåëÿåì òðè ïàðàìåòðà: ñìåùåíèå, ïîëóøèðèíó è ôîòîìåòðè÷åñêèé îòñ÷åò â öåíòðå êîíòóðà ëèíèè.  ðåçóëüòàòå ñêàíèðîâàíèÿ ëèíèè ìû ïîëó÷àåì âåêòîð ñìåùåíèé (ôàéë lndat.dx), âåêòîð ïîëóøèðèí (ôàéë lndat.dw) è âåêòîð ôëóêòóàöèè ÿðêîñòè â öåíòðàëüíîé ÷àñòè êîíòóðà ëèíèè (ôàéë lndat.df).  âåêòîðå ñìåùåíèé ïðèñóòñòâóþò òðåíäû, íî ïîðÿäîê èõ íåâûñîê: ïàðàìåòðû íåéòðàëüíûõ òå÷åíèé äëÿ êàæäîé òî÷êè ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà (òî÷êè ùåëè ñïåêòðîãðàôà) íà âûñîòàõ ôîðìèðîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ â ÿäðå êàæäîé èç ðàññìàòðèâàåìûõ ëèíèé èçìåíÿþòñÿ íåñóùåñòâåííî, òàê ÷òî ñêîðîñòü òàêèõ òå÷åíèé âõîäèò â îáùåå ïîëå ñêîðîñòè êàê êîíñòàíòà. Íàêëîí ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé äàåò ëèíåéíûé òðåíä, à äèñòîðñèÿ – òðåíä âòîðîãî ïîðÿäêà ñî ñìåùåííûì èëè íåñìåùåííûì öåíòðîì äèñòîðñèè ñîîòâåòñòâåííî. Ïîýòîìó íà ïðåäâàðèòåëüíîì ýòàïå èññëåäîâàíèÿ â öåëÿõ ýêîíîìèè ñ÷åòíîãî âðåìåíè îñíîâíîãî ýòàïà î÷åíü âàæíî ïðàâèëüíî îïðåäåëèòü ïîðÿäîê ïîëèíîìà ôèëüòðàöèè. Ïðîâåäÿ òàêóþ ïðîöåäóðó äëÿ êàæäîé òî÷êè ñïåêòðàëüíîé ëèíèè ïî âñåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðîãðàìì, ìû ïîëó÷àåì äâà ôëóêòóàöèîííûõ ïîëÿ: äîïëåð-ñìåùåíèé äëÿ äàííîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè è ôëóêòóàöèé ïîëóøèðèí. Ó÷èòûâàÿ äèñïåðñèþ â äàííîé ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè, èç êàðòû ñìåùåíèé îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì êàðòó äîïëåð-ñêîðîñòåé, à èç êàðòû èçìåíåíèÿ ïîëóøèðèí – êàðòó ôëóêòóàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ (â ñèëüíîì ïîëå ìàãíèòî÷óâñòâèòåëüíàÿ ëèíèÿ ðàñùåïëÿåòñÿ íà ñèãìà-êîìïîíåíòû, ÷òî óñëîæíÿåò, íî íå èçìåíÿåò ïðèíöèï èçìåðåíèÿ).
Ïîëó÷åííûå òàêèì îáðàçîì êàðòû ïîçâîëÿþò ïðîâåñòè íåîáõîäèìûé äëÿ ðåøåíèÿ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è àíàëèç äàííûõ: ùåëü ñïåêòðîãðàôà âûðåçàåò îïðåäåëåííóþ îáëàñòü íà Ñîëíöå, çàõâàòûâàþùóþ ñîëíå÷íîå ïÿòíî, à äèàïàçîí âûáðàííûõ ëèíèé ïîçâîëÿåò ðàññìîòðåòü ðàñïðåäåëåíèå äîïëåð-ñêîðîñòåé ïî âñåé âûñîòå ôîòîñôåðû. Ñ÷èòàÿ, ÷òî ôëóêòóàöèè ñêîðîñòè îáóñëîâëåíû âîëíîâûìè è êîëåáàòåëüíûìè äâèæåíèÿìè ïëàçìû àêòèâíûõ îáëàñòåé, à ôëóêòóàöèè ïîëóøèðèíû êîíòóðà ñïåêòðàëüíîé ëèíèè – èçìåíåíèÿìè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îáóñëîâëåííûìè ýòèìè æå êîëåáàòåëüíûìè ïðîöåññàìè, ìû ìîæåì îïðåäåëèòü õàðàêòåðèñòèêè ýòèõ ïîëåé, óñòàíîâèòü õàðàêòåðíûå ÷àñòîòû íàáëþäàåìûõ êâàçèïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé è ñîïîñòàâèòü èõ ñ èìåþùèìèñÿ òåîðåòè÷åñêèìè çàâèñèìîñòÿìè.
12 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
×àñòîòà, ìÃö
×àñòîòà, ìÃö
4 (a)
3
2
1
100 200 300 400 500
4 (á)
3
2
1
100 200 300 400 500 Íîìåð ðàçðåçà
Ðèñ. 2. ×àñòîòíî-ïðîñòðàíñòâåííûå ñïåêòðû êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé. à – ñïåêòðàëüíàÿ êàðòà ñèëüíîé ëèíèè (h ≈ 500 êì), á – ñëàáîé ëèíèè (h ≈ 190 êì).
4. Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ îáðàáîòêè è îñîáåííîñòè êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ
â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è â ïðèëåæàùåé ôîòîñôåðå  êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåì ðåçóëüòàòû îáðàáîòêè 4-÷àñîâîé ñåðèè íàáëþäåíèé àêòèâíîé îáëàñòè 7 ìàÿ 2006 ã. Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíû ÷àñòîòíî-ïðîñòðàíñòâåííûå êàðòû êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â ëèíèè FeI λ = 649,499 íì, èçëó÷àþùåé ñ âûñîòû 535 êì (ðèñ. 2à), è â ëèíèè FeI λ = 649,647 íì ñ âûñîòû 190 êì (ðèñ. 2á) [22]. Ñðàçó îáðàùàåò íà ñåáÿ âíèìàíèå òîò ôàêò, ÷òî êîëåáàíèÿ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå (îáëàñòü ìåæäó 300-ì è 400-ì ïèêñåëàìè ïî îñè àáñöèññ) ÿðêî âûðàæåíû âî âòîðîì è îòñóòñòâóþò â ïåðâîì ñëó÷àå. Ïðè ýòîì â ïÿòíå ïðåîáëàäàåò íèçêî÷àñòîòíàÿ 80-ìèíóòíàÿ ìîäà êîëåáàíèé. Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû ôóðüå-ñïåêòðû, ïîñòðîåííûå ïî îäèíî÷íûì ñêàíàì öåíòðàëüíîé ÷àñòè ïÿòíà äëÿ êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è äëÿ êîëåáàíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñîîòâåòñòâåííî. Âèäíî, ÷òî â ïîëå äîïëåð-ñìåùåíèé (ðèñ. 3à) ìîùíîñòü êîëåáàíèé ñêîðîñòè ìàêñèìàëüíà íà ïÿòîé ãàðìîíèêå – ýòî ñîîòâåòñòâóåò ïåðèîäó T = 256/5 = 51 ìèí. Äëèíà
ðåàëèçàöèè 256 ìèí. Çäåñü 1 px â ñìåùåíèÿõ (íà áèòîâîé êàðòå) – 31 ì/ñ, ò. å. ñ òàêîé òî÷íîñòüþ èçìåðÿåòñÿ äîïëåð-ñêîðîñòü.  ïîëå èçìåíåíèé ïîëóøèðèíû êîíòóðà ëèíèé ïðèñóòñòâóþò äâà çíà÷èìûõ ïåðèîäà: Ò1 ~ 40 ìèí è Ò2 ~ 18 ìèí. Ïîñëåäíèé åñòü è â ïîëå ñêîðîñòè, íî òàì îí ñòàòèñòè÷åñêè íåçíà÷èì (< 1σ). Íåêîòîðîå ðàçëè÷èå çíà÷åíèé ïåðèîäîâ T1 äëÿ ðàçíûõ ïîëåé ñâÿçàíî ñ ïàäåíèåì ÷àñòîòíîãî ðàçðåøåíèÿ íà íèçêèõ ÷àñòîòàõ. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ðÿäîì ñ ïÿòíîì èçìåíåíèÿ ïîëóøèðèíû êîíòóðà ëèíèé dw, ò. å. âàðèàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îòñóòñòâîâàëè. Ýòî äàåò âåðõíþþ îöåíêó èçìåíåíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ δH ≤ 300 Ãñ.  òî æå âðåìÿ â ïÿòíå ñîîòâåòñòâóþùèå îöåíêè äàþò δH ~ 600–700 Ãñ. Îáà ñïåêòðàëüíûåõ êîìïîíåíòà (ïèêè T1 è T2 â ñïåêòðå ìîùíîñòè äëÿ ïÿòíà) ïðåâûøàþò óðîâåíü äîâåðèÿ 3σ.
Ïðåäñòàâëåííûå âûøå ïðîñòðàíñòâåííî-÷àñòîòíûå ñïåêòðû (â âèäå êîíòóðíûõ êàðò) äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé è ìàãíèòíûõ âàðèàöèé ïîêàçûâàþò, ÷òî â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è â îêðóæàþùåé åãî ôîòîñôåðå èìåþòñÿ äâå îñíîâíûå ÷àñòîòíûå îáëàñòè, â êîòîðûõ àìïëèòóäû êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ âûðàæåíû íàèáîëåå îò÷åòëèâî. Ýòî, êàê óæå îòìå÷àëîñü âî ââåäåíèè, – âûñîêî÷àñòîòíàÿ (2,8–4,2 ìÃö) ïîëîñà ñ õàðàêòåðíûì ïåðèîäîì êîëåáàíèé 5 ìèí è ÷åòêî îòäåëåííàÿ îò íåå ïðàêòè÷åñêè ïóñòûì ïðîìåæóòêîì îáëàñòü íèçêî÷àñòîòíûõ êîëåáàíèé, â êîòîðîé îñíîâíàÿ, “íåñóùàÿ” ÷àñòîòà (ïðèìåð-
T1 T2
3σ
(à)
Îòíîñèòåëüíàÿ ìîùíîñòü
T1 T2
3σ 2σ
(á)
20 40 60 80 Íîìåð ãàðìîíèêè
100
Ðèñ. 3. Ôóðüå-ñïåêòðû â ïîëÿõ äîïëåð-ñìåùåíèé è èçìåíåíèÿ óøèðåíèÿ ëèíèé. à – ôóðüå-ñïåêòð, ïîëó÷åííûé â öåíòðàëüíîé ÷àñòè ïÿòíà (ñêàí ¹ 395) â ïîëå äîïëåð-ñìåùåíèé; á – ôóðüå-ñïåêòð òîãî æå ñêàíà, íî â ïîëå èçìåíåíèé ïîëóøèðèíû êîíòóðà ëèíèè.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
13
íî 0,2 ìÃö) ñîîòâåòñòâóåò ïåðèîäó êîëåáàíèé îêîëî 80 ìèí (ñì. ðèñ. 2á).
Ïîä÷åðêíåì, ÷òî â ñïîêîéíîé àòìîñôåðå, ãäå íåò íå òîëüêî ïÿòåí, íî è çàìåòíûõ âêðàïëåíèé äîñòàòî÷íî ñèëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé (ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ), íèçêî÷àñòîòíàÿ ÷àñòü ñïåêòðà êîëåáàíèé ïîëíîñòüþ îòñóòñòâóåò. Ýòîò ýôôåêò áûë íàìè ñïåöèàëüíî òùàòåëüíî èññëåäîâàí, ïîýòîìó ìû ñ ïîëíîé óâåðåííîñòüþ ìîæåì óòâåðæäàòü, ÷òî äîëãîïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ õàðàêòåðíû òîëüêî äëÿ ìàãíèòíûõ ñòðóêòóð; â ñïîêîéíîé ôîòîñôåðå, ñâîáîäíîé îò ñèëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îíè íå íàáëþäàþòñÿ.
Âìåñòå ñ òåì, åñòü çàìåòíûå ðàçëè÷èÿ â ñòðóêòóðå ñïåêòðà äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé è åãî ðàñïðåäåëåíèè ïî âûñîòå äëÿ íåáîëüøèõ ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ (ïîð) è äëÿ ñàìîãî ïÿòíà.
Âî-ïåðâûõ, äëÿ ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ, íàáëþäàþùèõñÿ â îêðåñòíîñòè ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, óêàçàííîå âûøå ðàçäåëåíèå ÷àñòîòíûõ ïîëîñ âûðàæåíî î÷åíü îò÷åòëèâî, â ïðîìåæóòêå ìåæäó äâóìÿ îñíîâíûìè ïîëîñàìè êîëåáàíèé íåò.  òî æå âðåìÿ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå èíòåðâàë ìåæäó îñíîâíûìè ïîëîñàìè ñ ïåðèîäàìè 3–5 è 80 ìèí çàïîëíåí ïðîìåæóòî÷íûìè êîëåáàòåëüíûìè ìîäàìè (îáåðòîíàìè) ñ ïåðèîäàìè ïðèáëèçèòåëüíî 10, 20 è 40 ìèí (ðèñ. 2á).
Âî-âòîðûõ, òàêàÿ êàðòèíà õîðîøî ïðîðèñîâûâàåòñÿ òîëüêî äëÿ êîëåáàíèé íà ìàëûõ âûñîòàõ (h < 200 êì).  ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ, îáðàçóþùèõñÿ âûøå (h > 500 êì), íèçêî÷àñòîòíûå ìîäû â ïÿòíå óæå íå ïðîÿâëÿþòñÿ (ðèñ. 2à). Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî â ïÿòíå àìïëèòóäû äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé çàòóõàþò ñ âûñîòîé äîñòàòî÷íî áûñòðî íà øêàëå, ñðàâíèìîé ñ âûñîòîé îäíîðîäíîé àòìîñôåðû.  ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ àìïëèòóäà äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé òàêæå ïàäàåò ñ âûñîòîé, íî íà áîëåå ïðîòÿæåííîé øêàëå. Âèäèìî, ýòî ðàçëè÷èå ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî âåëè÷èíà âèëüñîíîâñêîé äåïðåññèè (ζ) (ðèñ. 4) â ïÿòíå çàìåòíî áîëüøå, ÷åì â ìàãíèòíîì ýëåìåíòå, êîòîðûé õàðàêòåðèçóåòñÿ è ìåíüøåé íàïðÿæåííîñòüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, è ìåíüøåé ñòåïåíüþ îõëàæäåíèÿ ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ ïëàçìû. Àíàëîãè÷íûå ýôôåêòû äëÿ äðóãîé àêòèâíîé îáëàñòè îòìå÷àëèñü íàìè â ðàáîòå [23], íî òàì ðå÷ü øëà òîëüêî î ïîëå äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé, âàðèàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ âîîáùå íå ðàññìàòðèâàëèñü.
5. Èíòåðïðåòàöèÿ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ íà îñíîâå ìîäåëè “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî ïÿòíà
Îñíîâíîé èíòåðåñ äëÿ íàñ ïðåäñòàâëÿþò èìåííî íèçêî÷àñòîòíûå êîëåáàíèÿ, ïîñêîëüêó èõ ôèçè÷åñêàÿ ïðèðîäà ïðèíöèïèàëüíî îòëè÷àåòñÿ îò ïðè-
ðîäû âûñîêî÷àñòîòíîé ñîñòàâëÿþùåé, êîòîðàÿ îáóñëîâëåíà îñîáåííîñòÿìè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ìàãíèòîçâóêîâûõ âîëí âíóòðè ìàãíèòíîé òðóáêè ïÿòíà. Ýòîò òèï êîëåáàíèé ñ ïåðèîäàìè 3–5 ìèí â ïÿòíàõ äàâíî îáíàðóæåí, øèðîêî îáñóæäàåòñÿ â ëèòåðàòóðå, è åãî ìåõàíèçì íåïëîõî èçó÷åí [íàïðèìåð, 11–13].  ñëó÷àå æå êîëåáàíèé ñ ïåðèîäàìè ïîðÿäêà ÷àñà è áîëåå ìû èìååì äåëî ñ êâàçèïåðèîäè÷åñêèìè âåðòèêàëüíûìè ñìåùåíèÿìè âñåãî ïÿòíà èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà êàê öåëîãî. Äàëåå ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü òîëüêî ìîäåëü ïÿòíà è ãîâîðèòü òîëüêî î ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèÿõ ïÿòíà, èìåÿ â âèäó, ÷òî âñå ñêàçàííîå îòíîñèòñÿ è ê ìàãíèòíîìó ýëåìåíòó, êîòîðûé ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ìàëîå ïÿòíî (ïîðó) ñ íåáîëüøèì çíà÷åíèåì íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îêîëî 1–2 êÃñ è îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèì ïàäåíèåì ýôôåêòèâíîé òåìïåðàòóðû ïî îòíîøåíèþ ê íåâîçìóùåííîé ôîòîñôåðå. Óêàçàííûå ñìåùåíèÿ ïëàçìû ïÿòíà íîñÿò êîëåáàòåëüíûé õàðàêòåð, ïîñêîëüêó ñîëíå÷íîå ïÿòíî â öåëîì ÿâëÿåòñÿ óñòîé÷èâûì äîëãîæèâóùèì îáðàçîâàíèåì. Ýòè ñìåùåíèÿ, ñîõðàíÿÿ îáùóþ ñòðóêòóðó ïÿòíà, çàòðàãèâàþò ãëóáîêèå åãî ñëîè, âïëîòü äî ãëóáèí 2–3 òûñ. êì. Áëàãîäàðÿ ýòîìó â êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ âîâëåêàþòñÿ áîëüøèå ìàññû ãàçà è ïåðèîäû êîëåáàíèé îêàçûâàþòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèìè.
Ìû ãîâîðèì î êîëåáàíèÿõ ïÿòíà êàê öåëîãî, èìåÿ â âèäó, ÷òî ýòî ìàãíèòíîå îáðàçîâàíèå ÷åòêî ëîêàëèçîâàíî â ñîëíå÷íîé àòìîñôåðå íå òîëüêî ïî ðàäèóñó, íî è ïî ãëóáèíå. Òåîðåòè÷åñêè åùå â íà÷àëå 80-õ ãã. îäíèì èç àâòîðîâ íàñòîÿùåé ðàáîòû áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìàãíèòíàÿ ñèëîâàÿ òðóáêà, ôîðìèðóþùàÿ ïÿòíî, óæå íà ãëóáèíàõ îêîëî 3000 êì ðåçêî ðàñøèðÿåòñÿ â ñòîðîíû è èäåò äàëüøå, â ãëóáîêèå ñëîè êîíâåêòèâíîé çîíû, óæå â ñèëüíî îñëàáëåííîì, äèôôóçíîì âèäå [8, 14, 24]. Òàêèì îáðàçîì, ñîëíå÷íîå ïÿòíî êàê îáëàñòü îòíîñèòåëüíî áîëåå õîëîäíîé ïëàçìû è ñèëüíî ñæàòîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ íàïðÿæåííîñòü 2–5 êÃñ îêàçûâàåòñÿ ñóãóáî ïîâåðõíîñòíûì îáðàçîâàíèåì, îíî ïðîíèêàåò âãëóáü Ñîëíöà ëèøü íà 2–4 òûñ. êì.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ýòîò òåîðåòè÷åñêèé âûâîä î ìàëîé ýôôåêòèâíîé ãëóáèíå ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, âïåðâûå ñäåëàííûé áîëåå 20 ëåò íàçàä [24], íàäåæíî ïîäòâåðæäåí äàííûìè ñîâðåìåííîé ëîêàëüíîé ãåëèîñåéñìîëîãèè, ìåòîäû êîòîðîé ïîçâîëÿþò, “çàãëÿíóâ” ïîä ñîëíå÷íîå ïÿòíî, âîññòàíîâèòü ïîëå òåìïåðàòóð è òå÷åíèé íà ãëóáèíàõ îò 0 äî 25–45 òûñ. êì [25, 26]. Îêàçàëîñü, ÷òî, äåéñòâèòåëüíî, îáëàñòü, â êîòîðîé ìàãíèòíîå ïîëå ñèëüíî ñæàòî (äî íåñêîëüêèõ êÃñ), à òåìïåðàòóðà çàìåòíî ïîíèæåíà, ïðîñòèðàåòñÿ âñåãî ëèøü äî ãëóáèí â 3–4 òûñ. êì.  áîëåå ãëóáîêèõ ñëîÿõ òåìïåðàòóðà ïëàçìû â ìàãíèòíîé òðóáêå ïÿòíà ñòàíîâèòñÿ óæå çàìåòíî âûøå, ÷åì â îêðóæàþùåé ñðåäå. Ïî óñ-
14 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
v Ô
(à) B
(á) zB
λm
v ζ
L
0 Ô
b aζ
L
h
Ðèñ. 4. Ñõåìà ìîäåëè “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî ïÿòíà. à – âåðòèêàëüíûé ðàçðåç ñîëíå÷íîãî ïÿòíà. Ìàãíèòíîå ïîëå ïÿòíà èìååò ïåðåòÿæêó íà ãëóáèíå íåñêîëüêèõ òûñ. êì. ζ – âèëüñîíîâñêàÿ äåïðåññèÿ, L – ãëóáèíà íèæíåé ìàãíèòíîé ãðàíèöû. Òîëñòûå ñåðûå ëèíèè – òå÷åíèÿ âíå ïÿòíà: ñõîäÿùèåñÿ ïðè h < L è ðàñõîäÿùèåñÿ ïðè h > L; á – óïðîùåííàÿ ìîäåëü ïÿòíà íà ãëóáèíàõ ζ < h < L. Λm – ìàãíèòíàÿ øêàëà âûñîòû íàä ïÿòíîì, à – ðàäèóñ òåíè, b – ðàäèóñ ïÿòíà ñ ïîëóòåíüþ. Õàðàêòåðíîå çíà÷åíèå âíåøíåãî âåðòèêàëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ â îêðóæàþùåé ïÿòíî ôîòîñôåðå (Ô) 250 Ãñ.
ëîâèÿì âåðòèêàëüíîãî ðàâíîâåñèÿ ïëîòíîñòü ïëàçìû â îáëàñòè, ãäå ìàãíèòíîå ïîëå ïàäàåò ñ ãëóáèíîé, òàêæå íå ìîæåò áûòü ìåíüøå, ÷åì â êîíâåêòèâíîé çîíå áåç ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà òîì æå ãåîìåòðè÷åñêîì óðîâíå. Ñëåäîâàòåëüíî, èç ïðîñòîãî óñëîâèÿ ïîïåðå÷íûõ äàâëåíèé âûòåêàåò, ÷òî óæå íà ãëóáèíå îêîëî 3–4 òûñÿ÷ êì ìàãíèòíîå ïîëå â ñèëîâîé òðóáêå, ôîðìèðóþùåé ïÿòíî, äîëæíî áûòü ïðåíåáðåæèìî ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñ ãàçîâûì äàâëåíèåì è ñ ìàãíèòíûì ïîëåì â åå õîëîäíîé ÷àñòè, ò. å. ñîáñòâåííî â ïÿòíå.  ýíåðãåòè÷åñêîì ñìûñëå ìàãíèòíîå ïîëå ñîëíå÷íîãî ïÿòíà íåýôôåêòèâíî íà ãëóáèíàõ â 3–4 òûñ. êì, õîòÿ ãåîìåòðè÷åñêè ìàãíèòíûå ñèëîâûå ëèíèè, ðàçóìååòñÿ, îáðûâàòüñÿ íå ìîãóò, ïîñêîëüêó div B = 0. Îíè ïðîõîäÿò è äàëüøå, ìîæåò áûòü, âïëîòü äî îñíîâàíèÿ êîíâåêòèâíîé çîíû, íî ýòî ìàãíèòíîå ïîëå – ñëàáîå, äèôôóçíîå, ðàññåÿííîå òóðáóëåíòíûìè ïóëüñàöèÿì. Òàêèì îáðàçîì, ñîãëàñíî èçëîæåííîìó ìîäåëü ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, ïðåäñòàâëåííàÿ íà ÿçûêå ñðåäíèõ ïî åãî ñå÷åíèþ âåëè÷èí è îáîáùåííûõ èíòåãðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê (ìû íå ó÷èòûâàåì ïðè òàêîì ïîäõîäå îáû÷íî ïðèñóòñòâóþùóþ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå òîíêóþ ñòðóêòóðó ìàãíèòíîãî ïîëÿ), ìîæåò áûòü îïèñàíà íå òîëüêî ñðåäíåé íàïðÿæåííîñòüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïÿòíå Â, ðàäèóñîì òåíè a, ìàãíèòíîé øêàëîé âûñîò Λm, âåëè÷èíîé âèëüñîíîâñêîé äåïðåññèè ζ, íî òàêæå è ãëóáèíîé íèæíåé ìàãíèòíîé ãðàíèöû ïÿòíà L.
Èìåííî ôèçè÷åñêîå ñóùåñòâîâàíèå òàêîé õàðàêòåðíîé ãðàíèöû è ïîçâîëÿåò íàì ãîâîðèòü î êîëåáàíèÿõ ñîëíå÷íîãî ïÿòíà êàê öåëîãî. Íà ðèñ. 4 ïðåäñòàâëåíà ñõåìàòè÷íî ìîäåëü “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî
ïÿòíà. Áîëåå ïîäðîáíîå îïèñàíèå ìîäåëè ìîæíî íàéòè â ðàáîòå [17], à çäåñü ìû îãðàíè÷èìñÿ ëèøü åå îñíîâíûì ðåçóëüòàòîì â âèäå òåîðåòè÷åñêîé çàâèñèìîñòè ÷àñòîòû ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé ïÿòíà îò íàïðÿæåííîñòè åãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ (îò ðàçìåðà
ω, (2π/T(s))
1
0,002 0,001
2 3
0 1 2 3 Â, êÃñ
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòb ÷àñòîòû îñíîâíîé ìîäû è ñóáãàðìîíèê îò âåëè÷èíû ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïÿòíà. 1 – òåîðåòè÷åñêàÿ çàâèñèìîñòü ω1(B) äëÿ îñíîâíîé ìîäû, êîãäà êîëåáëåòñÿ òîëüêî òåíü ïÿòíà (ìàãíèòíûé öèëèíäð ñ ðàäèóñîì ñå÷åíèÿ a è äëèíîé L); 2, 3 – òà æå çàâèñèìîñòü äëÿ âòîðîé è òðåòüåé ñóáãàðìîíèê. ω2 = ω1/2, ω3 = ω1/3, âîçíèêàþùèõ, êîãäà â êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ âîâëåêàåòñÿ ïîëóòåíü ïÿòíà [17]. Ðîìáèêàìè îòìå÷åíû çíà÷åíèÿ ω(B), ïîëó÷åííûå ïî äàííûì î âðåìåííûõ âàðèàöèÿõ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïÿòåí [15, 17]. Êâàäðàòû – äàííûå, ïîëó÷åííûå íåçàâèñèìî ïî èçìåðåíèÿì ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â ïÿòíàõ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
15
ïÿòíà ýòà ôóíêöèÿ íå çàâèñèò, ïîýòîìó âñå ñêàçàííîå íèæå î ïÿòíå ìîæíî îòíåñòè è ê ïîðå, è ê ëþáîìó ìàëîìó ìàãíèòíîìó ýëåìåíòó).
Íà ðèñ. 5 çíà÷åíèå öèêëè÷åñêîé ÷àñòîòû 0,00052 ñ–1 ñîîòâåòñòâóåò ïåðèîäó êîëåáàíèé â 200 ìèí, à 0,0026 ñ–1 – ïåðèîäó â 40 ìèí.  ýòèõ ïðåäåëàõ è íàõîäÿòñÿ ïåðèîäû ðåàëüíî íàáëþäàåìûõ ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé ïÿòíà. Îáëàñòü óñòîé÷èâîñòè ïÿòíà îãðàíè÷åíà, êàê âèäíî èç ïðèâåäåííîãî ðèñóíêà, çíà÷åíèÿìè ìàãíèòíîãî ïîëÿ 0,8–3,5 êÃñ (íàïîìíèì, ÷òî çäåñü ðå÷ü èäåò î íàïðÿæåííîñòè ñðåäíåãî ïî òåíè ïÿòíà ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ëîêàëüíûå çíà÷åíèÿ ïîëÿ â öåíòðå ïÿòíà ìîãóò ïðåâîñõîäèòü ýòó ñðåäíþþ âåëè÷èíó â 1,2–1,5 ðàçà). Íàéäåííûé òåîðåòè÷åñêè èíòåðâàë óñòîé÷èâîñòè ñîëíå÷íûõ ïÿòåí ïîëíîñòüþ ñîîòâåòñòâóåò íàáëþäàåìûì ôàêòàì.
6. Âûâîäû
1. Áëàãîäàðÿ ïðèìåíåíèþ ñîâðåìåííûõ öèôðîâûõ äâóìåðíûõ CCD-ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü ñèñòåìàòè÷åñêè èçó÷àòü òîíêóþ ñòðóêòóðó êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ àòìîñôåðû Ñîëíöà ïî ñïåêòðàì, ðåãèñòðèðóåìûì íà ìàëîñâåòîñèëüíûõ êëàññè÷åñêèõ ñîëíå÷íûõ òåëåñêîïàõ ãîðèçîíòàëüíîãî òèïà.
2. Ïðèìåíåííàÿ â íàñòîÿùåé ðàáîòå ìåòîäèêà ðåãèñòðàöèè äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé è çååìàíîâñêèõ óøèðåíèé, ïðîâîäÿùåéñÿ îäíîâðåìåííî äëÿ âñåõ ëèíèé, ïîïàäàþùèõ íà ìàòðèöó, äàåò âîçìîæíîñòü èññëåäîâàòü èçìåíåíèÿ õàðàêòåðèñòèê êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ ñ âûñîòîé â ñîëíå÷íîé àòìîñôåðå â çàâèñèìîñòè îò óðîâíÿ îáðàçîâàíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé.
3. Äëèòåëüíûå ðÿäû íåïðåðûâíûõ íàáëþäåíèé âàðèàöèé ïîëÿ ñêîðîñòè è ìàãíèòíîãî ïîëÿ â àêòèâíûõ îáëàñòÿõ ïîçâîëÿþò íàäåæíî âûÿâèòü äîëãîïåðèîäè÷åñêèå (îò 40 äî 80 ìèí) êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí è ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ, ðàñïîëîæåííûõ â ïðèëåæàùåé ê ïÿòíó ôîòîñôåðå. Ýòîò ýôôåêò ÿâëÿåòñÿ ìàëîèññëåäîâàííûì è íóæäàåòñÿ â äàëüíåéøåì òùàòåëüíîì èçó÷åíèè.
4. Íàáëþäàåìûå äîëãîïåðèîäè÷åñêèå âàðèàöèè ëó÷åâîé ñêîðîñòè â ïÿòíàõ áûëè ïðåäñêàçàíû â ðàìêàõ ñîâðåìåííîé ìîäåëè ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, ó÷èòûâàþùåé ñóùåñòâîâàíèå âûðàæåííîé “íèæíåé ìàãíèòíîé ãðàíèöû” ïÿòíà, è èíòåðïðåòèðóþòñÿ êàê ñîáñòâåííûå âåðòèêàëüíî-ðàäèàëüíûå êîëåáàíèÿ ïÿòíà êàê öåëîãî îêîëî ïîëîæåíèÿ óñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Ïðîãðàììû Ïðåçèäèóìà ÐÀÍ ¹ 16 “Ñîëíå÷íàÿ àêòèâíîñòü è ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû â ñèñòåìå “Ñîëíöå–Çåìëÿ”, à òàêæå ãðàíòà ÑÏá ÍÖ ¹ 23.
16
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ïàðôèíåíêî Ë.Ä. Íàáëþäåíèÿ Ñîëíöà íà Ïàìèðå // Ìåæäóíàðîäíûé åæåãîäíèê. “Çíàíèå”. Ñåð. “Íàóêà è ×åëîâå÷åñòâî”. 1981. 317 ñ.
12. Sobotka M., Su..tterlin P. Fine structure in sunspots. IV. Penumbral grains in speckle reconstructed images // A&A. 2001. V. 380. P. 714–718.
13. Borzov V.V., Vialshin G.F., Nagovitsyn Yu.A. Variations of the Field Strengths in the Sunspots of 1982 June and July Groups and 1984 June Group // Contrib. Astr. Obs. Skalnate Pleso. 1986. V. 15. P. 75–85.
14. Íàãîâèöûí Þ.À., Íàãîâèöûíà Å.Þ. Îïðåäåëåíèå òî÷íûõ ãåëèîãðàôè÷åñêèõ êîîðäèíàò íà Ãîðíîé ñòàíöèè ÃÀÎ ÀÍ ÑÑÑÐ // Ñîëí. äàííûå. 1984. ¹ 11. Ñ. 76–81.
15. Gelfreikh G.B., Shibasaki K., Nagovitsyna E.Yu., Nagovitsyn Yu.A. Analysis of quasi-periodic oscillations of position and brightness of details of the radio sources of the solar active regions based on observations made with the radio heliograph Nobeyama // Proc. of IAU Symposium ¹ 223. Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity. St. Petersburg. 2004. P. 525–528.
16. Gelfreikh G., Nagovitsyn Yu.A, Nagovitsyna E.Yu. Quasiperiodic oscillations of the radio emission of the solar plasma structures and their nature // Publ. Astron. Soc. Japan. 2006. V. 58. ¹ 1. P. 29–35.
17. Ãåëüôðåéõ Ã.Á., Íàãîâèöûí Þ.À., Íàãîâèöûíà Å.Þ., Ãîëüäâàðã Ò.Á., Ðÿáîâ Á.È. Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàòåëüíûå ïðîöåññû íàä ñîëíå÷íûìè ïÿòíàìè ïî äàííûì ðàäèîãåëèîãðàôà Íîáåÿìà // Òð. Ìåæäóíàð. êîíô. “Êëèìàòè÷åñêèå è ýêîëîãè÷åñêèå àñïåêòû ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè”. ÑÏá., 2003. Ñ. 111–116.
18. Íàãîâèöûí Þ.À. Êðóòèëüíûå êîëåáàíèÿ è ýôôåêòèâíàÿ ãëóáèíà ñîëíå÷íûõ ïÿòåí // Ïèñüìà â Àñòðîí. æóðí. 1997. Ò. 23. ¹ 11–12. Ñ. 859–862.
19. Nagovitsyn Yu.A., Vyalshin G.F. Quasi-periodic Variations of Magnetic Field Strength in Sunspots // Àñòðîí. öèðêóëÿð. 1992. ¹ 1553. Ñ. 1–2.
10. Íàãîâèöûí Þ.À., Íàãîâèöûíà Å.Þ. Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí íà âðåìåííûõ øêàëàõ äåñÿòêè ìèíóò è ñîòíè ÷àñîâ // Òð. Õ Ïóëêîâñêîé êîíô. ïî ôèçèêå Ñîëíöà “Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå ïðîöåññû íà Ñîëíöå è èõ ãåîýôôåêòèâíûå ïðîÿâëåíèÿ”. ÑÏá.: ÃÀÎ ÐÀÍ, 2006. Ñ. 73–104.
11. Thomas J.H., Cram L.E., Ney A.H. Five-minite oscillationas as a subsurface probe of sunspot structure // Nature. 1982. Ò. 297. P. 485.
12. Bogdan T.J. Sunspot oscillations: review // Solar Phys. 2000.V. 192. P. 373–394.
13. Zhukov V.I. Îï the calculation of the sunspot umbral oscillations // A&A. 2005. V. 433. P. 1127–1132.
14. Ñîëîâüåâ À.À. Ýëåìåíòàðíàÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ ìîäåëü ñîëíå÷íîãî ïÿòíà // Àñòðîíîìè÷åñêèé æóðíàë. 1984. Ò. 61. Â. 4. Ñ. 764–770.
15. Ñîëîâüåâ À.À., Íàãîâèöûí Þ.À. Äîëãîïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí // Òð. êîíô. “Ñîëíå÷íàÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
àêòèâíîñòü êàê ôàêòîð êîñìè÷åñêîé ïîãîäû”. ÑÏá., 2005. Ñ. 593–598.
16. Ñîëîâüåâ À.À. Ìîäåëü ñîëíå÷íîãî ïÿòíà ñ ãðàâèòàöèîííîé ýíåðãèåé ñâÿçè // Òð. êîíô. “Ñîëíå÷íàÿ àêòèâíîñòü êàê ôàêòîð êîñìè÷åñêîé ïîãîäû”. ÑÏá., 2005. Ñ. 577–588.
17. Ñîëîâüåâ À.À., Êèðè÷åê Å.À. Ìàãíèòíàÿ ñòðóêòóðà, ðàâíîâåñèå, óñòîé÷èâîñòü è äîëãîïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí // Òð. X Ïóëêîâñêîé êîíô. ïî ôèçèêå Ñîëíöà “Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå ïðîöåññû íà Ñîëíöå è èõ ãåîýôôåêòèâíûå ïðîÿâëåíèÿ”. ÑÏá.: Ïóëêîâî, ÃÀÎ ÐÀÍ, 2006. Ñ. 49–72.
18. Parfinenko L.D. Research of sunspot oscillations. The Pulkovo CCD spectroheliograph-magnitograph // Solar Phys. 2003. V. 213. ¹ 2. P. 291–299.
19. Åôðåìîâ Â.È, Ïàðôèíåíêî Ë.Ä. Ïîëó÷åíèå ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé èç öèôðîâûõ èçîáðàæåíèé ñîëíå÷íîãî ñïåêòðà // Èçâ. ÃÀÎ. 2004. ¹ 217. Ñ. 531–535.
20. Deubner F.L. The Sun as a Star // NASA. SP-450. 1981. P. 75.
21. Âàõòîâ Â.Í. è äð. Ìèêðîôîòîìåòðè÷åñêèé êîìïëåêñ ÌÔÊ-200 // Èçâåñòèÿ ÃÀÎ. 1996. ¹ 211. Ñ. 213–220.
22. Weihr E., Kneer F. Spectroscopy of the solar photosphere with high spatial resolution // A&A. 1988. V. 195. P. 310–314.
23. Åôðåìîâ Â. È., Ïàðôèíåíêî Ë. Ä., Ñîëîâüåâ À. À. Èññëåäîâàíèå äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â ïÿòíå è âáëèçè ñîëíå÷íîãî ïÿòíà íà ðàçíûõ óðîâíÿõ ôîòîñôåðû // Àñòðîí. Æóðíàë. 2007. Ò. 84. Â. 5. Ñ. 450–460.
24. Ñîëîâüåâ À.À. Êðóòèëüíûå êîëåáàíèÿ ïÿòåí// Ñîëíå÷íûå äàííûå. 1984. ¹ 1. Ñ. 73–78.
25. Zhao J., Kosovichev A. G., Duval T.L. Investigation of mass flows beneath a sunspot by time-distance helioseismology // Astrophys. J. 2001. V. 557. P. 384–388.
26. Zhao J., Kosovichev A. G. Torsional Oscillation, Meridional Flows, and Vorticity Inferred in the Upper Convection Zone of the Sun by Time-Distance Helioseismology // Astrophys. J. 2004. V. 603. P. 776–784.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
17
ÌÅÒÎÄ ÏÐßÌÎÃÎ ÈÇÌÅÐÅÍÈß ÄÎÏËÅÐÎÂÑÊÈÕ ÑÌÅÙÅÍÈÉ È ÝÔÔÅÊÒÀ ÇÅÅÌÀÍÀ ÏÎ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÌ ÖÈÔÐÎÂÛÌ ÑÏÅÊÒÐÎÃÐÀÌÌÀÌ ÑÎËÍÖÀ È ÄÎËÃÎÏÅÐÈÎÄÈ×ÅÑÊÈÅ ÊÎËÅÁÀÍÈß ÑÎËÍÅ×ÍÛÕ ÏßÒÅÍ
© 2008 ã. © 2008 ã.
Â. È. Åôðåìîâ, êàíä. ôèç-ìàò. íàóê; Ë. Ä. Ïàðôèíåíêî, êàíä. ôèç-ìàò. íàóê; À. À. Ñîëîâüåâ, äîêòîð ôèç-ìàò. íàóê
Ãëàâíàÿ (Ïóëêîâñêàÿ) àñòðîíîìè÷åñêàÿ îáñåðâàòîðèÿ ÐÀÍ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã Å-mail: solov@gao.spb.ru
Îïèñàí ðàçðàáîòàííûé è ïðèìåíÿåìûé â Ãëàâíîé (Ïóëêîâñêîé) îáñåðâàòîðèè ÐÀÍ ìåòîä ðåãèñòðàöèè äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé, à òàêæå óøèðåíèé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, âûçâàííûõ èõ çååìàíîâñêèì ðàñùåïëåíèåì, ïî îïòè÷åñêèì öèôðîâûì ñïåêòðîãðàììàì àêòèâíûõ îáëàñòåé Ñîëíöà. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè äîñòàòî÷íî äëèòåëüíûõ (áîëåå 4 ÷àñîâ) íåïðåðûâíûõ íàáëþäåíèÿõ â ñîëíå÷íûõ ïÿòíàõ è â ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ îêðóæàþùåé ôîòîñôåðû îáíàðóæèâàþòñÿ äîëãîïåðèîäè÷åñêèå âàðèàöèè ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ õàðàêòåðíûì ïåðèîäîì îêîëî 80 ìèíóò. Ýòè âàðèàöèè èíòåðïðåòèðóþòñÿ êàê âåðòèêàëüíî-ðàäèàëüíûå êîëåáàíèÿ âñåãî ïÿòíà (èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) êàê öåëîãî, âûçâàííûå âîçìóùàþùèì äåéñòâèåì ñî ñòîðîíû îêðóæàþùåé òóðáóëåíòíîé ñðåäû (ôîòîñôåðû è êîíâåêòèâíîé çîíû).
Êîäû OCIS: 230.0230.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.09.2007.
1. Ââåäåíèå
Äëÿ èçó÷åíèÿ Ñîëíöà ðàçðàáîòàíî ìíîãî ñïåöèàëüíûõ èíñòðóìåíòîâ. Èç-çà áîëüøîé ÿðêîñòè Ñîëíöà ñîëíå÷íûå òåëåñêîïû èìåþò ìàëóþ ñâåòîñèëó è ñòðîÿò áîëüøèå èçîáðàæåíèÿ Ñîëíöà. Íàðÿäó ñ àäàïòèâíûìè ñèñòåìàìè â ñîëíå÷íîé àñòðîíîìèè äëÿ ïîëó÷åíèÿ âûñîêîêà÷åñòâåííûõ èçîáðàæåíèé èñïîëüçóþò ìåòîäû ñïåêë-èíòåðôåðîìåòðèè, ñòàâøèå âîçìîæíûìè ñ ïîÿâëåíèåì ìîùíûõ áûñòðîäåéñòâóþùèõ êîìïüþòåðîâ. Èíòåðåñíîå ðàçâèòèå ïîëó÷èëà èäåÿ ñîëíå÷íîãî òåëåñêîïà îòêðûòîãî òèïà, ò. å. íå èìåþùåãî çàêðûòîé òðóáû. Ïåðâûì òàêèì òåëåñêîïîì áûë ïóëêîâñêèé 0,5-ìåòðîâîé àâòîìàòè÷åñêèé ñîëíå÷íûé ðåôëåêòîð [1], óñòàíîâëåííûé åùå â 1977 ã. íà âûñîòå 4350 ì íà Âîñòî÷íîì Ïàìèðå (èçãîòîâèòåëü – Êàçàíñêèé îïòèêî-ìåõàíè÷åñêèé çàâîä (ÊÎÌÇ)).  òå ãîäû äîìèíèðîâàëà èäåÿ ñîçäàíèÿ áîëüøèõ âàêóóìíûõ òåëåñêîïîâ è âûáîðà ìåñò ñ îñîáûì ïî êà÷åñòâó ñîëíå÷íûì àñòðîêëèìàòîì. Ðàçóìååòñÿ, âàêóóìèçàöèÿ òåëåñêîïà öåíîé áîëüøèõ ìàòåðèàëüíûõ çàòðàò ìîæåò äàòü íåïëîõèå ðåçóëüòàòû. Îäíàêî ðàáîòû ïóëêîâñêèõ àñòðîíîìîâ äîêàçàëè, ÷òî è ðåôëåêòîð îòêðûòîãî òèïà, íàõîäÿùèéñÿ â òåïëîâîì ðàâíîâåñèè ñ îêðóæàþùåé àòìîñôåðîé, îñíàùåííûé ñèñòåìîé àíàëèçàòîðà êà÷åñòâà è àâòîôîêóñèðîâêè, ñïîñîáåí îáåñïå÷èòü òåîðåòè÷åñêîå ðàçðåøåíèå ïîëóìåòðîâîãî òåëåñêîïà íå òîëüêî â ãîðàõ, íî è â ïûëüíîì Âîëüñêå, è âî äâîðå ÊÎÌÇ. Íîâûé íèäåðëàíäñêèé òåëåñêîï îòêðûòîãî òèïà DOT, ñíàáæåííûé öèôðîâîé âèäåîêàìåðîé è ñèñòåìîé ñïåêë-èíòåðôåðîìåòðèè, ïîçâî-
ëèë ïîëó÷èòü íåïðåâçîéäåííûå ïî êà÷åñòâó äëèòåëüíûå ñåðèè èçîáðàæåíèé Ñîëíöà ñ ðàçðåøåíèåì ëó÷øå 0,3″ [2].
 äàííîé ðàáîòå áóäåò îïèñàí ðàçðàáîòàííûé â Ãëàâíîé àñòðîíîìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè (ÃÀÎ) ÐÀÍ ìåòîä èçìåðåíèÿ äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé è çååìàíîâñêîãî ðàñùåïëåíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ïî öèôðîâûì ñïåêòðîãðàììàì ñîëíå÷íîãî ïÿòíà è ïðèëåãàþùèõ ê íåìó ñëîåâ ôîòîñôåðû. Ïðè îáðàáîòêå ïîëó÷åííûõ ýòèì ìåòîäîì äîñòàòî÷íî äëèòåëüíûõ (äî 4-õ ÷) ðÿäîâ íàáëþäåíèé óäàåòñÿ íàäåæíî óñòàíîâèòü, ÷òî â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è â îêðóæàþùèõ åãî ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ íàáëþäàþòñÿ íå òîëüêî øèðîêîèçâåñòíûå 3–5-ìèíóòíûå êîëåáàíèÿ, íî è íèçêî÷àñòîòíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ÷àñòü êîëåáàòåëüíîãî ñïåêòðà ñ ïåðèîäàìè îò 40 äî 80 ìèí, êîòîðàÿ äî íåäàâíåãî âðåìåíè îñòàâàëàñü ïðàêòè÷åñêè íåèññëåäîâàííîé. Èññëåäîâàíèÿìè â ýòîì íàïðàâëåíèè çàíèìàëèñü è çàíèìàþòñÿ, ãëàâíûì îáðàçîì, ïóëêîâñêèå àñòðîíîìû [3–10]. Åñëè âûñîêî÷àñòîòíûå, 3–5-ìèíóòíûå êîëåáàíèÿ, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé çàõâà÷åííûå âíóòðè âåðòèêàëüíîé ìàãíèòíîé òðóáêè ïÿòíà ìåäëåííûå ÌÃÄ-âîëíû, äàâíî èçâåñòíû è äîñòàòî÷íî õîðîøî èññëåäîâàíû [íàïðèìåð, 11–13], òî íèçêî÷àñòîòíûå îñöèëëÿöèè ïÿòíà ñ ïåðèîäîì îêîëî 1 ÷ åñòü ïðîÿâëåíèå ñîâåðøåííî äðóãîãî ïî ñâîåé ôèçè÷åñêîé ïðèðîäå ýôôåêòà.  äàííîì ñëó÷àå ìû èìååì äåëî ñ âåðòèêàëüíî-ðàäèàëüíûìè ñìåùåíèÿìè âñåãî ïÿòíà (èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) â öåëîì êàê óñòîé÷èâîãî ëîêàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ [14–17]. Ýòè êîëåáàíèÿ ïÿòíà (èëè ìåëêîìàñøòàáíîãî ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) îòíîñèòåëüíî íåêî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
9
òîðîãî ñîñòîÿíèÿ ãëîáàëüíîãî ðàâíîâåñèÿ âûçâàíû âîçìóùàþùèì äåéñòâèåì íà ïÿòíî ñî ñòîðîíû òóðáóëèçîâàííîé âíåøíåé ñðåäû (ôîòîñôåðû è êîíâåêòèâíîé çîíû).  ïðîöåññ âîâëå÷åíû äîñòàòî÷íî ãëóáîêèå (äî 2–3 òûñ. êì) è, ñîîòâåòñòâåííî, äîñòàòî÷íî ïëîòíûå ñëîè, à ïîòîìó õàðàêòåðíàÿ ÷àñòîòà òàêèõ ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé îêàçûâàåòñÿ äîâîëüíî íèçêîé. Óêàçàííûå êîëåáàíèÿ îò÷åòëèâî ïðîÿâëÿþòñÿ â íàáëþäàåìûõ ñëîÿõ ïÿòíà (èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà) êàê ïî âàðèàöèÿì äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé, òàê è ïî çååìàíîâñêîìó ðàñùåïëåíèþ ìàãíèòî÷óâñòâèòåëüíûõ ëèíèé: êîãäà ïÿòíî â öåëîì ñìåùàåòñÿ ââåðõ, îíî ðàñøèðÿåòñÿ â ñòîðîíû è ìàãíèòíîå ïîëå â íåì âñëåäñòâèå ñîõðàíåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîòîêà ïàäàåò, ïðè ïîãðóæåíèè ïÿòíà â áîëåå ïëîòíûå ñëîè ôîòîñôåðû åãî ìàãíèòíîå ïîëå, íàïðîòèâ, ðàñòåò.
Íàñòîÿùàÿ ðàáîòà ñòðóêòóðèðîâàíà ñëåäóþùèì îáðàçîì: âî âòîðîì ðàçäåëå êðàòêî îïèñàíû òåëåñêîï è ïðèåìíàÿ àïïàðàòóðà, òðåòèé ðàçäåë ïîñâÿùåí ìåòîäèêå îáðàáîòêè èñõîäíûõ ñïåêòðîìåòðè÷åñêèõ äàííûõ, â ÷åòâåðòîì äàåòñÿ àíàëèç ðåçóëüòàòîâ îáðàáîòêè îäíîãî èç 4-õ ÷àñîâûõ ðÿäîâ íàáëþäåíèé è âûÿâëÿþòñÿ îñîáåííîñòè êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è ïðèëåæàùåé ôîòîñôåðå, ïÿòûé ðàçäåë ñîäåðæèò êðàòêóþ èíòåðïðåòàöèþ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ íà îñíîâå ìîäåëè “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, â øåñòîì ðàçäåëå ôîðìóëèðóþòñÿ âûâîäû ðàáîòû.
2. Òåëåñêîï è ïðèåìíàÿ àïïàðàòóðà
Äàííàÿ ðàáîòà âûïîëíåíà íà áàçå òåëåñêîïà ÀÖÓ-5, ÿâëÿþùåãîñÿ ìîäåðíèçèðîâàííûì ãîðèçîíòàëüíûì ñîëíå÷íûì òåëåñêîïîì, îñíàùåííûì ÷åòûðåõêàìåðíûì òåðìîñòàòèðîâàííûì ñïåêòðîãðàôîì. Âñå çåðêàëà òåëåñêîïà èçãîòîâëåíû èç ñèòàëëà. Öåëîñòàòíàÿ ïàðà ñâîáîäíî óñòàíîâëåíà íà îòêàòíîé ÷àñòè òåëåñêîïà, ïîäíÿòîé íà 4 ì íàä ïîâåðõíîñòüþ ïî÷âû (ñì. ðèñ. 1). Îñòàëüíàÿ ÷àñòü òåëåñêîïà ñ îáúåêòèâîì, ñïåêòðîãðàôîì è ýëåêòðîíèêîé íàõîäèòñÿ âíóòðè ïàâèëüîíà, îòäåëåííîãî îò âíåøíåé ñðåäû òîëñòîé ïëîñêîïàðàëëåëüíîé ïëàñòèíîé äèàìåòðîì d = 500 ìì, èçãîòîâëåííîé èç îïòè÷åñêîãî ñòåêëà Ê-8, ÷åðåç êîòîðóþ è ïîñòóïàåò ñîëíå÷íûé ëó÷ îò öåëîñòàòà.
Òàêàÿ êîíñòðóêöèÿ óìåíüøàåò âëèÿíèå êîíâåêòèâíûõ ïîòîêîâ îò ïî÷âû è ñíèæàåò àìïëèòóäó äðîæàíèé èçîáðàæåíèÿ. Ïàâèëüîí òåëåñêîïà ñòîèò ñðåäè áîëüøîãî ïîëÿ, êîòîðîå ëåòîì ïîêðûâàåòñÿ ãóñòîé òðàâîé, ÷òî òàêæå áëàãîïðèÿòíî ñêàçûâàåòñÿ íà êà÷åñòâå èçîáðàæåíèÿ. Íåäîñòàòîê êîíñòðóêöèè â òîì, ÷òî îòêàòíàÿ ÷àñòü òåëåñêîïà ñìåùàåòñÿ íà þã è åå íàãðåòàÿ êðûøà ìîæåò íàðóøàòü òåìïåðàòóð-
10
Ðèñ. 1. Îòêàòíàÿ ÷àñòü òåëåñêîïà ñ öåëîñòàòîì.
íîå ðàâíîâåñèå â îêðóæàþùåé âîçäóøíîé ñðåäå.  ðåçóëüòàòå íàèëó÷øåå êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ (â ñðåäíåì ýòî 2″, â îòäåëüíûå ìîìåíòû áûâàþò óëó÷øåíèÿ äî 0,5″) íàáëþäàåòñÿ ñ óòðà, ïîêà íå íàãðåòû ïàâèëüîí è èíñòðóìåíò.  æàðêèé äåíü ñ äûìêîé ñòàáèëüíî õîðîøåå êà÷åñòâî ìîæåò äåðæàòüñÿ âåñü äåíü. Íà ïàìèðñêîì ñîëíå÷íîì òåëåñêîïå íàèëó÷øåå êà÷åñòâî íàáëþäàëîñü îêîëî ïîëóäíÿ, ïðè ìàêñèìàëüíîé âûñîòå Ñîëíöà, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò îá îòñóòñòâèè âëèÿíèÿ èíñòðóìåíòàëüíîãî ýôôåêòà íà êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ.
Êîæóõ ñïåêòðîãðàôà – äâîéíîé ñ âîçäóøíûì ïðîìåæóòêîì è îáøèò èçíóòðè æåëåçíûìè ëèñòàìè. Âíóòðè êîæóõà ñòîÿò ñâåòîçàùèòíûå ýêðàíû, ýêðàíèðóþùèå ðàññåÿííûé ñâåò îò êîëëèìàòîðà íà ñâåòîïðèåìíèê è îò âõîäíîé ùåëè íà êàìåðíûå çåðêàëà. Äîïîëíèòåëüíî áîêîâûå ñòåíêè èçíóòðè îáèòû ÷åðíûì áàðõàòîì.  ðåçóëüòàòå ðàññåÿííûé ñâåò âíóòðè ñïåêòðîãðàôà íå ïðåâûøàåò íåñêîëüêèõ äåñÿòûõ ïðîöåíòà.
 ñïåêòðîãðàôå èñïîëüçóåòñÿ äèôðàêöèîííàÿ ðåøåòêà 140×150 ìì (600 øòð/ìì) ñ êîíöåíòðàöèåé ñâåòà â æåëòî-çåëåíîé îáëàñòè âòîðîãî ëåâîãî ïîðÿäêà è êðàñíî-æåëòîé îáëàñòè ÷åòâåðòîãî ïðàâîãî ïîðÿäêà. Äèàìåòð êîëëèìàòîðíîãî çåðêàëà 250 ìì, ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 8530 ìì. ×åòûðå êàìåðíûõ çåðêàëà èìåþò äèàìåòð 300 ìì è ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 8450 ìì. Êàìåðíûå çåðêàëà ðàñïîëîæåíû íà îäíîì óðîâíå ïî äóãå îêðóæíîñòè ñ öåíòðîì íà îñè ðåøåòêè.  ïëîñêîñòè êàìåðíûõ çåðêàë ðàñïîëîæåíî è êîëëèìàòîðíîå çåðêàëî, íî íà 307 ìì âûøå. Ðåøåòêà ðàñïîëàãàåòñÿ âíèçó ïîä ùåëüþ íà ðàññòîÿíèè 198 ìì ïî âåðòèêàëè. Ãëàâíîå çåðêàëî òåëåñêîïà äèàìåòðîì d = 440 ìì èìååò ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 17,5 ì, ÷òî äàåò íà ùåëè ñïåêòðîãðàôà ìàñøòàá 1 ìì – 11,78″.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
 êà÷åñòâå ïðèåìíîé àïïàðàòóðû èñïîëüçóåòñÿ èëè ñïåêòðîãåëèîãðàô-ìàãíèòîãðàô íà CCD-âèäåîêàìåðå VEC-135 ñ ìàòðèöåé 1,2 äþéìà ñ USB-èíòåðôåéñîì [18], èëè öèôðîâàÿ çåðêàëüíàÿ êàìåðà CANON c 8,2-ìåãàïèêñåëüíîé ìàòðèöåé ðàçìåðîì 22,2õ14,8 ìì [19]. Ìàòðèöà (âûñîêîêà÷åñòâåííûé CMOS-äàò÷èê) äàåò íåáîëüøèå øóìû äàæå ïðè ÷óâñòâèòåëüíîñòè 1600 ISO. Èçîáðàæåíèå ìîæíî âûâîäèòü íà êîìïüþòåð â ôàéë ôîðìàòà JPEG èëè RAW (12 áèò). Ñïåêòðîãåëèîãðàô-ìàãíèòîãðàô îáåñïå÷èâàåò ïîëó÷åíèå: âèäåîêàðò ìàãíèòíûõ ïîëåé è ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé àêòèâíûõ îáðàçîâàíèé â àòìîñôåðå Ñîëíöà, ìîíîõðîìàòè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé (ñïåêòðîãåëèîãðàìì) Ñîëíöà â ëþáîé äëèíå âîëíû âèäèìîãî ñïåêòðà, èçîáðàæåíèé Ñîëíöà â ÈÊ ëèíèè ÍåI 1083,0 íì (òåìíûå ãåëèåâûå òî÷êè è êîðîíàëüíûå äûðû).
Öèôðîâàÿ çåðêàëüíàÿ êàìåðà ïîçâîëÿåò àâòîìàòè÷åñêè ïîëó÷àòü âðåìåííûå ñåðèè âûñîêîêà÷åñòâåííûõ ñïåêòðîãðàìì âûáðàííîãî ó÷àñòêà Ñîëíöà íà ïðîòÿæåíèè ñâåòîâîãî äíÿ (ìèíèìàëüíûé èíòåðâàë 10 ñ).
3. Ìåòîäèêà îáðàáîòêè äàííûõ
Èñõîäíûå äàííûå, ïîëó÷åííûå íà ñîëíå÷íîì òåëåñêîïå ÀÖÓ-5 â ÃÀÎ ÐÀÍ â ïåðèîä 2004–2006 ãã., ïðåäñòàâëåíû â âèäå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðîãðàìì (áèòîâûõ êàðò â ôîðìàòå jpg) ó÷àñòêà ñîëíå÷íîãî ñïåêòðà â äèàïàçîíå 649,379–649,965 íì. Îñíîâíîé èññëåäîâàòåëüñêîé çàäà÷åé ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå êâàçèïåðèîäè÷åñêèõ íèçêî÷àñòîòíûõ êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è ìàãíèòíîãî ïîëÿ â àêòèâíûõ îáëàñòÿõ Ñîëíöà. Íàáëþäàåìàÿ ñïåêòðàëüíàÿ îáëàñòü âûáèðàëàñü êàê â ðàçíûõ äîëãîòíûõ îáëàñòÿõ, òàê è â öåíòðàëüíîé ÷àñòè ñîëíå÷íîãî äèñêà.  îñíîâíîì ùåëü ñïåêòðîãðàôà ïðîõîäèëà ÷åðåç öåíòð äîñòàòî÷íî êðóïíîãî ñîëíå÷íîãî ïÿòíà è àêòèâíîé îáëàñòè, è ëèøü äëÿ ñðàâíèòåëüíîãî àíàëèçà ìû âûáèðàëè ñïîêîéíûå îáëàñòè âáëèçè öåíòðà ñîëíå÷íîãî äèñêà. Ùåëü ñïåêòðîãðàôà âûðåçàåò íà ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà îáëàñòü ðàçìåðîì 3″×180″, åñòåñòâåííûì îáðàçîì ôèëüòðóÿ ïðàêòè÷åñêè âñå ãðàíóëÿðíîå ïîëå ñêîðîñòè [20].  çàâèñèìîñòè îò äëèòåëüíîñòè íàáëþäåíèé (îò 1 äî 4 ÷) èíòåðâàëû ìåæäó ñïåêòðîãðàììàìè âûáèðàþòñÿ â ïðåäåëàõ îò 15 äî 30 ñ. Êàê ïðàâèëî, ýòî áûëà ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èç 512 ñïåêòðîãðàìì. Îáðàáîòêó äàííîãî ìàòåðèàëà ìîæíî ðàçáèòü íà äâà îñíîâíûõ ýòàïà: ïîäãîòîâèòåëüíûé è ðàñ÷åòíûé, ïîçâîëÿþùèé ïîëó÷èòü ÷àñòîòíî-ïðîñòðàíñòâåííûå êàðòû êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è ìàãíèòíîãî ïîëÿ äëÿ èññëåäóåìîé îáëàñòè íà Ñîëíöå. Èçìåðåíèå ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â àòìîñôåðå Ñîëíöà, êàê èçâåñòíî, îñíîâàíî íà îï-
ðåäåëåíèè ñìåùåíèé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, îáóñëîâëåííîãî ýôôåêòîì Äîïëåðà, à èçìåðåíèå ñîëíå÷íûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé îñíîâàíî â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ íà ýôôåêòå Çååìàíà, êîãäà ïðè âçàèìîäåéñòâèè èçëó÷àþùèõ àòîìîâ ñ âíåøíèì ìàãíèòíûì ïîëåì ñïåêòðàëüíàÿ ëèíèÿ ïîãëîùåíèÿ ñ ÷àñòîòîé v0 ðàñùåïëÿåòñÿ â ïîïåðå÷íîì ïîëå íà òðè êîìïîíåíòà. Îäèí êîìïîíåíò ñ ÷àñòîòîé v0 ëèíåéíî ïîëÿðèçîâàí ñ ýëåêòðè÷åñêèì âåêòîðîì ïåðïåíäèêóëÿðíûì ïîëþ. Äâà äðóãèõ êîìïîíåíòà
ñ
÷àñòîòàìè
ν0 ±
e m
H 4πc
,
ãäå
e
è
m
–
çàðÿä
è
ìàññà
ýëåêòðîíà, H – íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïîëÿðèçîâàíû ëèíåéíî ñ ýëåêòðè÷åñêèì âåêòîðîì, ïàðàëëåëüíûì ïîëþ. Åñëè ñìîòðåòü âäîëü ïîëÿ, öåíòðàëüíûé π-êîìïîíåíò èñ÷åçàåò, à σ-êîìïîíåíòû èìåþò êðóãîâóþ ïîëÿðèçàöèþ.
 ñèëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëÿõ âåëè÷èíà ðàñùåïëåíèÿ ñðàâíèìà ñ øèðèíîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè, è ýòî ïîçâîëÿåò èçìåðÿòü âåëè÷èíó ðàñùåïëåíèÿ íåïîñðåäñòâåííî íà ñïåêòðîãðàììàõ.  ñëó÷àå ñëàáûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé êîìïîíåíòû ðàñùåïëåíèÿ ñèëüíî áëåíäèðîâàíû è ïðÿìàÿ ðåãèñòðàöèÿ ðàñùåïëåíèÿ íåâîçìîæíà.
Òàêèì îáðàçîì, èçìåíåíèå øèðèíû ñïåêòðàëüíîé ëèíèè δW ÿâëÿåòñÿ ïðÿìûì ñëåäñòâèåì èçìåíåíèÿ âåëè÷èíû ìàãíèòíîãî ïîëÿ δH. Ðàçóìååòñÿ, êðîìå ìàãíèòíîãî ïîëÿ, öåëûé ðÿä äðóãèõ ôèçè÷åñêèõ ýôôåêòîâ âëèÿåò íà êîíòóð ëèíèè (â ÷àñòíîñòè, ìèêðîòóðáóëåíöèÿ), íî ðàçóìíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî çà âðåìÿ íàáëþäåíèÿ â îáëàñòè ôîðìèðîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ ëèíèè ôèçè÷åñêèå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ ñðåäû èçìåíÿþòñÿ íåñóùåñòâåííî (åñëè âîîáùå êàê-òî èçìåíÿþòñÿ).
3.1. Ïîäãîòîâêà äàííûõ
Ïîäãîòîâêà â îñíîâíîì ñîñòîèò â ðàçðàáîòêå ñöåíàðèÿ äåéñòâèé íàä îäíîé ñïåêòðîãðàììîé è ïðèìåíåíèÿ åãî êî âñåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè. Êàê ïðàâèëî, â ñöåíàðèé âêëþ÷åíû ñëåäóþùèå äåéñòâèÿ: èçìåíåíèå ðàçìåðà, ïåðåâîä â 8-áèòíóþ ãðàôèêó, èíâåðñèÿ áèòîâîé êàðòû (ïðè íåîáõîäèìîñòè), èñïîëüçîâàíèå ôèëüòðîâ ñãëàæèâàíèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò âûáðàòü íóæíóþ ðàáî÷óþ îáëàñòü, óñòðàíèòü ëîêàëüíûå äåôåêòû (öàðàïèíû, ïðîáèòûå ïèêñåëû), ïîâûñèòü êîíòðàñò ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé äëÿ áîëåå òî÷íîãî îïðåäåëåíèÿ ïîëîæåíèÿ öåíòðà êîíòóðà ëèíèè.
Ñöåíàðèé ìîæåò íåñêîëüêî ìåíÿòüñÿ îò íàáëþäåíèÿ ê íàáëþäåíèþ â çàâèñèìîñòè îò êà÷åñòâà èìåþùèõñÿ ñïåêòðîãðàìì. Çàêëþ÷èòåëüíûì ýòàïîì ïîäãîòîâêè äàííûõ ÿâëÿåòñÿ ïåðåâîä áèòîâîé êàð-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
11
òû â ASCII êîäû. Äëÿ ýòîãî ìû èñïîëüçóåì ðàçðàáîòàííóþ íàìè ïðîãðàììó “bmp2sym”, êîòîðàÿ ôîðìèðóåò òåêñòîâûé ôàéë â ñòàíäàðòíîì ôîðìàòå “sym”, ïðèíÿòîì íà ôîòîìåòðè÷åñêîì êîìïëåêñå MFK-200 (ÃÀÎ ÐÀÍ) [21].
3.2. Ñîçäàíèå äîïëåð-êàðò è êàðò ïîëóøèðèí ëèíèé
Ýòî îñíîâíîé ýòàï îáðàáîòêè äàííûõ, òðåáóþùèé áîëüøèõ ðåñóðñîâ êîìïüþòåðà è âðåìåíè. Íà ïðîöåññîðàõ òèïà AMD Athlon XP 1700+ äëÿ ñîçäàíèÿ 7 äîïëåð-êàðò (ò. å. äëÿ 7 ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé â âûáðàííîì èíòåðâàëå ñîëíå÷íîãî ñïåêòðà), èñïîëüçóÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èç 512 ñïåêòðîãðàìì, òðåáóåòñÿ 8–10 ÷ ñ÷åòíîãî âðåìåíè. Ïðåäâàðèòåëüíî äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëÿ äîïëåð-ñìåùåíèé â ñîëíå÷íîì ïÿòíå ïðèìåíÿåòñÿ ïðîöåäóðà ôèëüòðàöèè èíòåíñèâíîñòè ñàìîãî ïÿòíà – ñíÿòèå ðåëüåôà ïÿòíà, ÷òî òðåáóåò äîïîëíèòåëüíî 2,5–3 ÷ ðàáîòû êîìïüþòåðà. Áåç ýòîé ïðîöåäóðû ïðàêòè÷åñêè íå óäàåòñÿ ïîñòðîèòü êîíòóð ñïåêòðàëüíîé ëèíèè â ýòîé îáëàñòè è, ñëåäîâàòåëüíî, îïðåäåëèòü äîïëåðîâñêîå ñìåùåíèå â íåé. Äëÿ êàæäîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè îïðåäåëÿþòñÿ ãðàíèöû îáëàñòè ñïåêòðà (ñïåêòðàëüíîé ïîëîñû) òàê, ÷òîáû ôëóêòóàöèè ëèíèè íå âûõîäèëè çà ãðàíèöû ïîëîñû çà âñå âðåìÿ íàáëþäåíèÿ. Ðàçìåðû ïîëîñû âûáèðàþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò øèðèíû ñïåêòðàëüíîé ëèíèè òàê, ÷òîáû êîíòóð ëèíèè â êðûëüÿõ áûë äîñòàòî÷íî ïîëîãèì. Ýòî ïîçâîëÿåò ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ îïðåäåëÿòü ïîëîæåíèÿ ìàêñèìóìà, âåëè÷èíó ïîëóøèðèíû êîíòóðà ñïåêòðàëüíîé ëèíèè è, ñîîòâåòñòâåííî, âåëè÷èíû ñìåùåíèé åãî îòíîñèòåëüíî ñëåäóþùèõ ñêàíîâ. Ñêàíèðîâàíèå ñïåêòðàëüíîé ëèíèè âûïîëíÿåòñÿ íà ïðîãðàììíîì óðîâíå: â êàæäîì ðàçðåçå (ïîïåðåê ñïåêòðàëüíîé ëèíèè) ñòðîèòñÿ êîíòóð, â êîòîðîì öåíòðàëüíàÿ åãî ÷àñòü àïïðîêñèìèðóåòñÿ ïîëèíîìîì 2-é èëè 4-é ñòåïåíè, çà ñ÷åò ÷åãî óñòðàíÿþòñÿ îòäåëüíûå ëîêàëüíûå âûáðîñû íà ïðîôèëå ëèíèè. Ðàçìåðû àïïðîêñèìèðóåìîé ÷àñòè êîíòóðà çàâèñÿò îò ïàðàìåòðà çàõâàòà. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ äîïëåð-ñìåùåíèé dx îí, êàê ïðàâèëî, âàðüèðóåòñÿ â ïðåäåëàõ 60–80% îò âåëè÷èíû öåíòðàëüíîé äåïðåññèè, à äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëóøèðèíû êîíòóðà dw – â ïðåäåëàõ 40–60%. Âûáîð òàêèõ çíà÷åíèé ïàðàìåòðà çàõâàòà ñâÿçàí ñ òåì, ÷òî èìåííî “äîïëåðîâñêàÿ” ÷àñòü êîíòóðà íàèáîëåå ÷óâñòâèòåëüíà ê èçìåíåíèÿì ìàãíèòíîãî ïîëÿ, â òî âðåìÿ êàê òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé âûøå â öåíòðàëüíîé ÷àñòè êîíòóðà, åñëè åå àïïðîêñèìàöèîííàÿ ÷àñòü íå ñëèøêîì âåëèêà. Âåëè÷èíà ïîëóøèðèíû îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ çíà÷åíèé òî÷åê çàõâàòà íà êîíòóðå ñïåêòðàëüíîé ëèíèè.
Îïðåäåëèâ ïðè ïåðâîì ñêàíèðîâàíèè ïîëîæåíèå öåíòðà êîíòóðà ëèíèè (öåíòðà òÿæåñòè), ìû âûáèðàåì ýòó òî÷êó â êà÷åñòâå ðåïåðíîé äëÿ ïîñëåäóþùèõ ñêàíîâ. Òàêèì îáðàçîì, ïðè êàæäîì ñêàíèðîâàíèè ìû îïðåäåëÿåì òðè ïàðàìåòðà: ñìåùåíèå, ïîëóøèðèíó è ôîòîìåòðè÷åñêèé îòñ÷åò â öåíòðå êîíòóðà ëèíèè.  ðåçóëüòàòå ñêàíèðîâàíèÿ ëèíèè ìû ïîëó÷àåì âåêòîð ñìåùåíèé (ôàéë lndat.dx), âåêòîð ïîëóøèðèí (ôàéë lndat.dw) è âåêòîð ôëóêòóàöèè ÿðêîñòè â öåíòðàëüíîé ÷àñòè êîíòóðà ëèíèè (ôàéë lndat.df).  âåêòîðå ñìåùåíèé ïðèñóòñòâóþò òðåíäû, íî ïîðÿäîê èõ íåâûñîê: ïàðàìåòðû íåéòðàëüíûõ òå÷åíèé äëÿ êàæäîé òî÷êè ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà (òî÷êè ùåëè ñïåêòðîãðàôà) íà âûñîòàõ ôîðìèðîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ â ÿäðå êàæäîé èç ðàññìàòðèâàåìûõ ëèíèé èçìåíÿþòñÿ íåñóùåñòâåííî, òàê ÷òî ñêîðîñòü òàêèõ òå÷åíèé âõîäèò â îáùåå ïîëå ñêîðîñòè êàê êîíñòàíòà. Íàêëîí ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé äàåò ëèíåéíûé òðåíä, à äèñòîðñèÿ – òðåíä âòîðîãî ïîðÿäêà ñî ñìåùåííûì èëè íåñìåùåííûì öåíòðîì äèñòîðñèè ñîîòâåòñòâåííî. Ïîýòîìó íà ïðåäâàðèòåëüíîì ýòàïå èññëåäîâàíèÿ â öåëÿõ ýêîíîìèè ñ÷åòíîãî âðåìåíè îñíîâíîãî ýòàïà î÷åíü âàæíî ïðàâèëüíî îïðåäåëèòü ïîðÿäîê ïîëèíîìà ôèëüòðàöèè. Ïðîâåäÿ òàêóþ ïðîöåäóðó äëÿ êàæäîé òî÷êè ñïåêòðàëüíîé ëèíèè ïî âñåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðîãðàìì, ìû ïîëó÷àåì äâà ôëóêòóàöèîííûõ ïîëÿ: äîïëåð-ñìåùåíèé äëÿ äàííîé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè è ôëóêòóàöèé ïîëóøèðèí. Ó÷èòûâàÿ äèñïåðñèþ â äàííîé ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè, èç êàðòû ñìåùåíèé îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì êàðòó äîïëåð-ñêîðîñòåé, à èç êàðòû èçìåíåíèÿ ïîëóøèðèí – êàðòó ôëóêòóàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ (â ñèëüíîì ïîëå ìàãíèòî÷óâñòâèòåëüíàÿ ëèíèÿ ðàñùåïëÿåòñÿ íà ñèãìà-êîìïîíåíòû, ÷òî óñëîæíÿåò, íî íå èçìåíÿåò ïðèíöèï èçìåðåíèÿ).
Ïîëó÷åííûå òàêèì îáðàçîì êàðòû ïîçâîëÿþò ïðîâåñòè íåîáõîäèìûé äëÿ ðåøåíèÿ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è àíàëèç äàííûõ: ùåëü ñïåêòðîãðàôà âûðåçàåò îïðåäåëåííóþ îáëàñòü íà Ñîëíöå, çàõâàòûâàþùóþ ñîëíå÷íîå ïÿòíî, à äèàïàçîí âûáðàííûõ ëèíèé ïîçâîëÿåò ðàññìîòðåòü ðàñïðåäåëåíèå äîïëåð-ñêîðîñòåé ïî âñåé âûñîòå ôîòîñôåðû. Ñ÷èòàÿ, ÷òî ôëóêòóàöèè ñêîðîñòè îáóñëîâëåíû âîëíîâûìè è êîëåáàòåëüíûìè äâèæåíèÿìè ïëàçìû àêòèâíûõ îáëàñòåé, à ôëóêòóàöèè ïîëóøèðèíû êîíòóðà ñïåêòðàëüíîé ëèíèè – èçìåíåíèÿìè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îáóñëîâëåííûìè ýòèìè æå êîëåáàòåëüíûìè ïðîöåññàìè, ìû ìîæåì îïðåäåëèòü õàðàêòåðèñòèêè ýòèõ ïîëåé, óñòàíîâèòü õàðàêòåðíûå ÷àñòîòû íàáëþäàåìûõ êâàçèïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé è ñîïîñòàâèòü èõ ñ èìåþùèìèñÿ òåîðåòè÷åñêèìè çàâèñèìîñòÿìè.
12 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
×àñòîòà, ìÃö
×àñòîòà, ìÃö
4 (a)
3
2
1
100 200 300 400 500
4 (á)
3
2
1
100 200 300 400 500 Íîìåð ðàçðåçà
Ðèñ. 2. ×àñòîòíî-ïðîñòðàíñòâåííûå ñïåêòðû êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé. à – ñïåêòðàëüíàÿ êàðòà ñèëüíîé ëèíèè (h ≈ 500 êì), á – ñëàáîé ëèíèè (h ≈ 190 êì).
4. Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ îáðàáîòêè è îñîáåííîñòè êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ
â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è â ïðèëåæàùåé ôîòîñôåðå  êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåì ðåçóëüòàòû îáðàáîòêè 4-÷àñîâîé ñåðèè íàáëþäåíèé àêòèâíîé îáëàñòè 7 ìàÿ 2006 ã. Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíû ÷àñòîòíî-ïðîñòðàíñòâåííûå êàðòû êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â ëèíèè FeI λ = 649,499 íì, èçëó÷àþùåé ñ âûñîòû 535 êì (ðèñ. 2à), è â ëèíèè FeI λ = 649,647 íì ñ âûñîòû 190 êì (ðèñ. 2á) [22]. Ñðàçó îáðàùàåò íà ñåáÿ âíèìàíèå òîò ôàêò, ÷òî êîëåáàíèÿ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå (îáëàñòü ìåæäó 300-ì è 400-ì ïèêñåëàìè ïî îñè àáñöèññ) ÿðêî âûðàæåíû âî âòîðîì è îòñóòñòâóþò â ïåðâîì ñëó÷àå. Ïðè ýòîì â ïÿòíå ïðåîáëàäàåò íèçêî÷àñòîòíàÿ 80-ìèíóòíàÿ ìîäà êîëåáàíèé. Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû ôóðüå-ñïåêòðû, ïîñòðîåííûå ïî îäèíî÷íûì ñêàíàì öåíòðàëüíîé ÷àñòè ïÿòíà äëÿ êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé è äëÿ êîëåáàíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñîîòâåòñòâåííî. Âèäíî, ÷òî â ïîëå äîïëåð-ñìåùåíèé (ðèñ. 3à) ìîùíîñòü êîëåáàíèé ñêîðîñòè ìàêñèìàëüíà íà ïÿòîé ãàðìîíèêå – ýòî ñîîòâåòñòâóåò ïåðèîäó T = 256/5 = 51 ìèí. Äëèíà
ðåàëèçàöèè 256 ìèí. Çäåñü 1 px â ñìåùåíèÿõ (íà áèòîâîé êàðòå) – 31 ì/ñ, ò. å. ñ òàêîé òî÷íîñòüþ èçìåðÿåòñÿ äîïëåð-ñêîðîñòü.  ïîëå èçìåíåíèé ïîëóøèðèíû êîíòóðà ëèíèé ïðèñóòñòâóþò äâà çíà÷èìûõ ïåðèîäà: Ò1 ~ 40 ìèí è Ò2 ~ 18 ìèí. Ïîñëåäíèé åñòü è â ïîëå ñêîðîñòè, íî òàì îí ñòàòèñòè÷åñêè íåçíà÷èì (< 1σ). Íåêîòîðîå ðàçëè÷èå çíà÷åíèé ïåðèîäîâ T1 äëÿ ðàçíûõ ïîëåé ñâÿçàíî ñ ïàäåíèåì ÷àñòîòíîãî ðàçðåøåíèÿ íà íèçêèõ ÷àñòîòàõ. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ðÿäîì ñ ïÿòíîì èçìåíåíèÿ ïîëóøèðèíû êîíòóðà ëèíèé dw, ò. å. âàðèàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îòñóòñòâîâàëè. Ýòî äàåò âåðõíþþ îöåíêó èçìåíåíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ δH ≤ 300 Ãñ.  òî æå âðåìÿ â ïÿòíå ñîîòâåòñòâóþùèå îöåíêè äàþò δH ~ 600–700 Ãñ. Îáà ñïåêòðàëüíûåõ êîìïîíåíòà (ïèêè T1 è T2 â ñïåêòðå ìîùíîñòè äëÿ ïÿòíà) ïðåâûøàþò óðîâåíü äîâåðèÿ 3σ.
Ïðåäñòàâëåííûå âûøå ïðîñòðàíñòâåííî-÷àñòîòíûå ñïåêòðû (â âèäå êîíòóðíûõ êàðò) äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé è ìàãíèòíûõ âàðèàöèé ïîêàçûâàþò, ÷òî â ñîëíå÷íîì ïÿòíå è â îêðóæàþùåé åãî ôîòîñôåðå èìåþòñÿ äâå îñíîâíûå ÷àñòîòíûå îáëàñòè, â êîòîðûõ àìïëèòóäû êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ âûðàæåíû íàèáîëåå îò÷åòëèâî. Ýòî, êàê óæå îòìå÷àëîñü âî ââåäåíèè, – âûñîêî÷àñòîòíàÿ (2,8–4,2 ìÃö) ïîëîñà ñ õàðàêòåðíûì ïåðèîäîì êîëåáàíèé 5 ìèí è ÷åòêî îòäåëåííàÿ îò íåå ïðàêòè÷åñêè ïóñòûì ïðîìåæóòêîì îáëàñòü íèçêî÷àñòîòíûõ êîëåáàíèé, â êîòîðîé îñíîâíàÿ, “íåñóùàÿ” ÷àñòîòà (ïðèìåð-
T1 T2
3σ
(à)
Îòíîñèòåëüíàÿ ìîùíîñòü
T1 T2
3σ 2σ
(á)
20 40 60 80 Íîìåð ãàðìîíèêè
100
Ðèñ. 3. Ôóðüå-ñïåêòðû â ïîëÿõ äîïëåð-ñìåùåíèé è èçìåíåíèÿ óøèðåíèÿ ëèíèé. à – ôóðüå-ñïåêòð, ïîëó÷åííûé â öåíòðàëüíîé ÷àñòè ïÿòíà (ñêàí ¹ 395) â ïîëå äîïëåð-ñìåùåíèé; á – ôóðüå-ñïåêòð òîãî æå ñêàíà, íî â ïîëå èçìåíåíèé ïîëóøèðèíû êîíòóðà ëèíèè.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
13
íî 0,2 ìÃö) ñîîòâåòñòâóåò ïåðèîäó êîëåáàíèé îêîëî 80 ìèí (ñì. ðèñ. 2á).
Ïîä÷åðêíåì, ÷òî â ñïîêîéíîé àòìîñôåðå, ãäå íåò íå òîëüêî ïÿòåí, íî è çàìåòíûõ âêðàïëåíèé äîñòàòî÷íî ñèëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé (ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ), íèçêî÷àñòîòíàÿ ÷àñòü ñïåêòðà êîëåáàíèé ïîëíîñòüþ îòñóòñòâóåò. Ýòîò ýôôåêò áûë íàìè ñïåöèàëüíî òùàòåëüíî èññëåäîâàí, ïîýòîìó ìû ñ ïîëíîé óâåðåííîñòüþ ìîæåì óòâåðæäàòü, ÷òî äîëãîïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ õàðàêòåðíû òîëüêî äëÿ ìàãíèòíûõ ñòðóêòóð; â ñïîêîéíîé ôîòîñôåðå, ñâîáîäíîé îò ñèëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îíè íå íàáëþäàþòñÿ.
Âìåñòå ñ òåì, åñòü çàìåòíûå ðàçëè÷èÿ â ñòðóêòóðå ñïåêòðà äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé è åãî ðàñïðåäåëåíèè ïî âûñîòå äëÿ íåáîëüøèõ ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ (ïîð) è äëÿ ñàìîãî ïÿòíà.
Âî-ïåðâûõ, äëÿ ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ, íàáëþäàþùèõñÿ â îêðåñòíîñòè ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, óêàçàííîå âûøå ðàçäåëåíèå ÷àñòîòíûõ ïîëîñ âûðàæåíî î÷åíü îò÷åòëèâî, â ïðîìåæóòêå ìåæäó äâóìÿ îñíîâíûìè ïîëîñàìè êîëåáàíèé íåò.  òî æå âðåìÿ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå èíòåðâàë ìåæäó îñíîâíûìè ïîëîñàìè ñ ïåðèîäàìè 3–5 è 80 ìèí çàïîëíåí ïðîìåæóòî÷íûìè êîëåáàòåëüíûìè ìîäàìè (îáåðòîíàìè) ñ ïåðèîäàìè ïðèáëèçèòåëüíî 10, 20 è 40 ìèí (ðèñ. 2á).
Âî-âòîðûõ, òàêàÿ êàðòèíà õîðîøî ïðîðèñîâûâàåòñÿ òîëüêî äëÿ êîëåáàíèé íà ìàëûõ âûñîòàõ (h < 200 êì).  ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ, îáðàçóþùèõñÿ âûøå (h > 500 êì), íèçêî÷àñòîòíûå ìîäû â ïÿòíå óæå íå ïðîÿâëÿþòñÿ (ðèñ. 2à). Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî â ïÿòíå àìïëèòóäû äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé çàòóõàþò ñ âûñîòîé äîñòàòî÷íî áûñòðî íà øêàëå, ñðàâíèìîé ñ âûñîòîé îäíîðîäíîé àòìîñôåðû.  ìàãíèòíûõ ýëåìåíòàõ àìïëèòóäà äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé òàêæå ïàäàåò ñ âûñîòîé, íî íà áîëåå ïðîòÿæåííîé øêàëå. Âèäèìî, ýòî ðàçëè÷èå ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî âåëè÷èíà âèëüñîíîâñêîé äåïðåññèè (ζ) (ðèñ. 4) â ïÿòíå çàìåòíî áîëüøå, ÷åì â ìàãíèòíîì ýëåìåíòå, êîòîðûé õàðàêòåðèçóåòñÿ è ìåíüøåé íàïðÿæåííîñòüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, è ìåíüøåé ñòåïåíüþ îõëàæäåíèÿ ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ ïëàçìû. Àíàëîãè÷íûå ýôôåêòû äëÿ äðóãîé àêòèâíîé îáëàñòè îòìå÷àëèñü íàìè â ðàáîòå [23], íî òàì ðå÷ü øëà òîëüêî î ïîëå äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé, âàðèàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ âîîáùå íå ðàññìàòðèâàëèñü.
5. Èíòåðïðåòàöèÿ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ íà îñíîâå ìîäåëè “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî ïÿòíà
Îñíîâíîé èíòåðåñ äëÿ íàñ ïðåäñòàâëÿþò èìåííî íèçêî÷àñòîòíûå êîëåáàíèÿ, ïîñêîëüêó èõ ôèçè÷åñêàÿ ïðèðîäà ïðèíöèïèàëüíî îòëè÷àåòñÿ îò ïðè-
ðîäû âûñîêî÷àñòîòíîé ñîñòàâëÿþùåé, êîòîðàÿ îáóñëîâëåíà îñîáåííîñòÿìè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ìàãíèòîçâóêîâûõ âîëí âíóòðè ìàãíèòíîé òðóáêè ïÿòíà. Ýòîò òèï êîëåáàíèé ñ ïåðèîäàìè 3–5 ìèí â ïÿòíàõ äàâíî îáíàðóæåí, øèðîêî îáñóæäàåòñÿ â ëèòåðàòóðå, è åãî ìåõàíèçì íåïëîõî èçó÷åí [íàïðèìåð, 11–13].  ñëó÷àå æå êîëåáàíèé ñ ïåðèîäàìè ïîðÿäêà ÷àñà è áîëåå ìû èìååì äåëî ñ êâàçèïåðèîäè÷åñêèìè âåðòèêàëüíûìè ñìåùåíèÿìè âñåãî ïÿòíà èëè ìàãíèòíîãî ýëåìåíòà êàê öåëîãî. Äàëåå ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü òîëüêî ìîäåëü ïÿòíà è ãîâîðèòü òîëüêî î ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèÿõ ïÿòíà, èìåÿ â âèäó, ÷òî âñå ñêàçàííîå îòíîñèòñÿ è ê ìàãíèòíîìó ýëåìåíòó, êîòîðûé ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ìàëîå ïÿòíî (ïîðó) ñ íåáîëüøèì çíà÷åíèåì íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îêîëî 1–2 êÃñ è îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèì ïàäåíèåì ýôôåêòèâíîé òåìïåðàòóðû ïî îòíîøåíèþ ê íåâîçìóùåííîé ôîòîñôåðå. Óêàçàííûå ñìåùåíèÿ ïëàçìû ïÿòíà íîñÿò êîëåáàòåëüíûé õàðàêòåð, ïîñêîëüêó ñîëíå÷íîå ïÿòíî â öåëîì ÿâëÿåòñÿ óñòîé÷èâûì äîëãîæèâóùèì îáðàçîâàíèåì. Ýòè ñìåùåíèÿ, ñîõðàíÿÿ îáùóþ ñòðóêòóðó ïÿòíà, çàòðàãèâàþò ãëóáîêèå åãî ñëîè, âïëîòü äî ãëóáèí 2–3 òûñ. êì. Áëàãîäàðÿ ýòîìó â êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ âîâëåêàþòñÿ áîëüøèå ìàññû ãàçà è ïåðèîäû êîëåáàíèé îêàçûâàþòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèìè.
Ìû ãîâîðèì î êîëåáàíèÿõ ïÿòíà êàê öåëîãî, èìåÿ â âèäó, ÷òî ýòî ìàãíèòíîå îáðàçîâàíèå ÷åòêî ëîêàëèçîâàíî â ñîëíå÷íîé àòìîñôåðå íå òîëüêî ïî ðàäèóñó, íî è ïî ãëóáèíå. Òåîðåòè÷åñêè åùå â íà÷àëå 80-õ ãã. îäíèì èç àâòîðîâ íàñòîÿùåé ðàáîòû áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìàãíèòíàÿ ñèëîâàÿ òðóáêà, ôîðìèðóþùàÿ ïÿòíî, óæå íà ãëóáèíàõ îêîëî 3000 êì ðåçêî ðàñøèðÿåòñÿ â ñòîðîíû è èäåò äàëüøå, â ãëóáîêèå ñëîè êîíâåêòèâíîé çîíû, óæå â ñèëüíî îñëàáëåííîì, äèôôóçíîì âèäå [8, 14, 24]. Òàêèì îáðàçîì, ñîëíå÷íîå ïÿòíî êàê îáëàñòü îòíîñèòåëüíî áîëåå õîëîäíîé ïëàçìû è ñèëüíî ñæàòîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ íàïðÿæåííîñòü 2–5 êÃñ îêàçûâàåòñÿ ñóãóáî ïîâåðõíîñòíûì îáðàçîâàíèåì, îíî ïðîíèêàåò âãëóáü Ñîëíöà ëèøü íà 2–4 òûñ. êì.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ýòîò òåîðåòè÷åñêèé âûâîä î ìàëîé ýôôåêòèâíîé ãëóáèíå ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, âïåðâûå ñäåëàííûé áîëåå 20 ëåò íàçàä [24], íàäåæíî ïîäòâåðæäåí äàííûìè ñîâðåìåííîé ëîêàëüíîé ãåëèîñåéñìîëîãèè, ìåòîäû êîòîðîé ïîçâîëÿþò, “çàãëÿíóâ” ïîä ñîëíå÷íîå ïÿòíî, âîññòàíîâèòü ïîëå òåìïåðàòóð è òå÷åíèé íà ãëóáèíàõ îò 0 äî 25–45 òûñ. êì [25, 26]. Îêàçàëîñü, ÷òî, äåéñòâèòåëüíî, îáëàñòü, â êîòîðîé ìàãíèòíîå ïîëå ñèëüíî ñæàòî (äî íåñêîëüêèõ êÃñ), à òåìïåðàòóðà çàìåòíî ïîíèæåíà, ïðîñòèðàåòñÿ âñåãî ëèøü äî ãëóáèí â 3–4 òûñ. êì.  áîëåå ãëóáîêèõ ñëîÿõ òåìïåðàòóðà ïëàçìû â ìàãíèòíîé òðóáêå ïÿòíà ñòàíîâèòñÿ óæå çàìåòíî âûøå, ÷åì â îêðóæàþùåé ñðåäå. Ïî óñ-
14 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
v Ô
(à) B
(á) zB
λm
v ζ
L
0 Ô
b aζ
L
h
Ðèñ. 4. Ñõåìà ìîäåëè “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî ïÿòíà. à – âåðòèêàëüíûé ðàçðåç ñîëíå÷íîãî ïÿòíà. Ìàãíèòíîå ïîëå ïÿòíà èìååò ïåðåòÿæêó íà ãëóáèíå íåñêîëüêèõ òûñ. êì. ζ – âèëüñîíîâñêàÿ äåïðåññèÿ, L – ãëóáèíà íèæíåé ìàãíèòíîé ãðàíèöû. Òîëñòûå ñåðûå ëèíèè – òå÷åíèÿ âíå ïÿòíà: ñõîäÿùèåñÿ ïðè h < L è ðàñõîäÿùèåñÿ ïðè h > L; á – óïðîùåííàÿ ìîäåëü ïÿòíà íà ãëóáèíàõ ζ < h < L. Λm – ìàãíèòíàÿ øêàëà âûñîòû íàä ïÿòíîì, à – ðàäèóñ òåíè, b – ðàäèóñ ïÿòíà ñ ïîëóòåíüþ. Õàðàêòåðíîå çíà÷åíèå âíåøíåãî âåðòèêàëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ â îêðóæàþùåé ïÿòíî ôîòîñôåðå (Ô) 250 Ãñ.
ëîâèÿì âåðòèêàëüíîãî ðàâíîâåñèÿ ïëîòíîñòü ïëàçìû â îáëàñòè, ãäå ìàãíèòíîå ïîëå ïàäàåò ñ ãëóáèíîé, òàêæå íå ìîæåò áûòü ìåíüøå, ÷åì â êîíâåêòèâíîé çîíå áåç ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà òîì æå ãåîìåòðè÷åñêîì óðîâíå. Ñëåäîâàòåëüíî, èç ïðîñòîãî óñëîâèÿ ïîïåðå÷íûõ äàâëåíèé âûòåêàåò, ÷òî óæå íà ãëóáèíå îêîëî 3–4 òûñÿ÷ êì ìàãíèòíîå ïîëå â ñèëîâîé òðóáêå, ôîðìèðóþùåé ïÿòíî, äîëæíî áûòü ïðåíåáðåæèìî ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñ ãàçîâûì äàâëåíèåì è ñ ìàãíèòíûì ïîëåì â åå õîëîäíîé ÷àñòè, ò. å. ñîáñòâåííî â ïÿòíå.  ýíåðãåòè÷åñêîì ñìûñëå ìàãíèòíîå ïîëå ñîëíå÷íîãî ïÿòíà íåýôôåêòèâíî íà ãëóáèíàõ â 3–4 òûñ. êì, õîòÿ ãåîìåòðè÷åñêè ìàãíèòíûå ñèëîâûå ëèíèè, ðàçóìååòñÿ, îáðûâàòüñÿ íå ìîãóò, ïîñêîëüêó div B = 0. Îíè ïðîõîäÿò è äàëüøå, ìîæåò áûòü, âïëîòü äî îñíîâàíèÿ êîíâåêòèâíîé çîíû, íî ýòî ìàãíèòíîå ïîëå – ñëàáîå, äèôôóçíîå, ðàññåÿííîå òóðáóëåíòíûìè ïóëüñàöèÿì. Òàêèì îáðàçîì, ñîãëàñíî èçëîæåííîìó ìîäåëü ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, ïðåäñòàâëåííàÿ íà ÿçûêå ñðåäíèõ ïî åãî ñå÷åíèþ âåëè÷èí è îáîáùåííûõ èíòåãðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê (ìû íå ó÷èòûâàåì ïðè òàêîì ïîäõîäå îáû÷íî ïðèñóòñòâóþùóþ â ñîëíå÷íîì ïÿòíå òîíêóþ ñòðóêòóðó ìàãíèòíîãî ïîëÿ), ìîæåò áûòü îïèñàíà íå òîëüêî ñðåäíåé íàïðÿæåííîñòüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïÿòíå Â, ðàäèóñîì òåíè a, ìàãíèòíîé øêàëîé âûñîò Λm, âåëè÷èíîé âèëüñîíîâñêîé äåïðåññèè ζ, íî òàêæå è ãëóáèíîé íèæíåé ìàãíèòíîé ãðàíèöû ïÿòíà L.
Èìåííî ôèçè÷åñêîå ñóùåñòâîâàíèå òàêîé õàðàêòåðíîé ãðàíèöû è ïîçâîëÿåò íàì ãîâîðèòü î êîëåáàíèÿõ ñîëíå÷íîãî ïÿòíà êàê öåëîãî. Íà ðèñ. 4 ïðåäñòàâëåíà ñõåìàòè÷íî ìîäåëü “ìåëêîãî” ñîëíå÷íîãî
ïÿòíà. Áîëåå ïîäðîáíîå îïèñàíèå ìîäåëè ìîæíî íàéòè â ðàáîòå [17], à çäåñü ìû îãðàíè÷èìñÿ ëèøü åå îñíîâíûì ðåçóëüòàòîì â âèäå òåîðåòè÷åñêîé çàâèñèìîñòè ÷àñòîòû ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé ïÿòíà îò íàïðÿæåííîñòè åãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ (îò ðàçìåðà
ω, (2π/T(s))
1
0,002 0,001
2 3
0 1 2 3 Â, êÃñ
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòb ÷àñòîòû îñíîâíîé ìîäû è ñóáãàðìîíèê îò âåëè÷èíû ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïÿòíà. 1 – òåîðåòè÷åñêàÿ çàâèñèìîñòü ω1(B) äëÿ îñíîâíîé ìîäû, êîãäà êîëåáëåòñÿ òîëüêî òåíü ïÿòíà (ìàãíèòíûé öèëèíäð ñ ðàäèóñîì ñå÷åíèÿ a è äëèíîé L); 2, 3 – òà æå çàâèñèìîñòü äëÿ âòîðîé è òðåòüåé ñóáãàðìîíèê. ω2 = ω1/2, ω3 = ω1/3, âîçíèêàþùèõ, êîãäà â êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ âîâëåêàåòñÿ ïîëóòåíü ïÿòíà [17]. Ðîìáèêàìè îòìå÷åíû çíà÷åíèÿ ω(B), ïîëó÷åííûå ïî äàííûì î âðåìåííûõ âàðèàöèÿõ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïÿòåí [15, 17]. Êâàäðàòû – äàííûå, ïîëó÷åííûå íåçàâèñèìî ïî èçìåðåíèÿì ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â ïÿòíàõ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
15
ïÿòíà ýòà ôóíêöèÿ íå çàâèñèò, ïîýòîìó âñå ñêàçàííîå íèæå î ïÿòíå ìîæíî îòíåñòè è ê ïîðå, è ê ëþáîìó ìàëîìó ìàãíèòíîìó ýëåìåíòó).
Íà ðèñ. 5 çíà÷åíèå öèêëè÷åñêîé ÷àñòîòû 0,00052 ñ–1 ñîîòâåòñòâóåò ïåðèîäó êîëåáàíèé â 200 ìèí, à 0,0026 ñ–1 – ïåðèîäó â 40 ìèí.  ýòèõ ïðåäåëàõ è íàõîäÿòñÿ ïåðèîäû ðåàëüíî íàáëþäàåìûõ ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé ïÿòíà. Îáëàñòü óñòîé÷èâîñòè ïÿòíà îãðàíè÷åíà, êàê âèäíî èç ïðèâåäåííîãî ðèñóíêà, çíà÷åíèÿìè ìàãíèòíîãî ïîëÿ 0,8–3,5 êÃñ (íàïîìíèì, ÷òî çäåñü ðå÷ü èäåò î íàïðÿæåííîñòè ñðåäíåãî ïî òåíè ïÿòíà ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ëîêàëüíûå çíà÷åíèÿ ïîëÿ â öåíòðå ïÿòíà ìîãóò ïðåâîñõîäèòü ýòó ñðåäíþþ âåëè÷èíó â 1,2–1,5 ðàçà). Íàéäåííûé òåîðåòè÷åñêè èíòåðâàë óñòîé÷èâîñòè ñîëíå÷íûõ ïÿòåí ïîëíîñòüþ ñîîòâåòñòâóåò íàáëþäàåìûì ôàêòàì.
6. Âûâîäû
1. Áëàãîäàðÿ ïðèìåíåíèþ ñîâðåìåííûõ öèôðîâûõ äâóìåðíûõ CCD-ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü ñèñòåìàòè÷åñêè èçó÷àòü òîíêóþ ñòðóêòóðó êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ àòìîñôåðû Ñîëíöà ïî ñïåêòðàì, ðåãèñòðèðóåìûì íà ìàëîñâåòîñèëüíûõ êëàññè÷åñêèõ ñîëíå÷íûõ òåëåñêîïàõ ãîðèçîíòàëüíîãî òèïà.
2. Ïðèìåíåííàÿ â íàñòîÿùåé ðàáîòå ìåòîäèêà ðåãèñòðàöèè äîïëåðîâñêèõ ñìåùåíèé è çååìàíîâñêèõ óøèðåíèé, ïðîâîäÿùåéñÿ îäíîâðåìåííî äëÿ âñåõ ëèíèé, ïîïàäàþùèõ íà ìàòðèöó, äàåò âîçìîæíîñòü èññëåäîâàòü èçìåíåíèÿ õàðàêòåðèñòèê êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ ñ âûñîòîé â ñîëíå÷íîé àòìîñôåðå â çàâèñèìîñòè îò óðîâíÿ îáðàçîâàíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé.
3. Äëèòåëüíûå ðÿäû íåïðåðûâíûõ íàáëþäåíèé âàðèàöèé ïîëÿ ñêîðîñòè è ìàãíèòíîãî ïîëÿ â àêòèâíûõ îáëàñòÿõ ïîçâîëÿþò íàäåæíî âûÿâèòü äîëãîïåðèîäè÷åñêèå (îò 40 äî 80 ìèí) êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí è ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ, ðàñïîëîæåííûõ â ïðèëåæàùåé ê ïÿòíó ôîòîñôåðå. Ýòîò ýôôåêò ÿâëÿåòñÿ ìàëîèññëåäîâàííûì è íóæäàåòñÿ â äàëüíåéøåì òùàòåëüíîì èçó÷åíèè.
4. Íàáëþäàåìûå äîëãîïåðèîäè÷åñêèå âàðèàöèè ëó÷åâîé ñêîðîñòè â ïÿòíàõ áûëè ïðåäñêàçàíû â ðàìêàõ ñîâðåìåííîé ìîäåëè ñîëíå÷íîãî ïÿòíà, ó÷èòûâàþùåé ñóùåñòâîâàíèå âûðàæåííîé “íèæíåé ìàãíèòíîé ãðàíèöû” ïÿòíà, è èíòåðïðåòèðóþòñÿ êàê ñîáñòâåííûå âåðòèêàëüíî-ðàäèàëüíûå êîëåáàíèÿ ïÿòíà êàê öåëîãî îêîëî ïîëîæåíèÿ óñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Ïðîãðàììû Ïðåçèäèóìà ÐÀÍ ¹ 16 “Ñîëíå÷íàÿ àêòèâíîñòü è ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû â ñèñòåìå “Ñîëíöå–Çåìëÿ”, à òàêæå ãðàíòà ÑÏá ÍÖ ¹ 23.
16
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ïàðôèíåíêî Ë.Ä. Íàáëþäåíèÿ Ñîëíöà íà Ïàìèðå // Ìåæäóíàðîäíûé åæåãîäíèê. “Çíàíèå”. Ñåð. “Íàóêà è ×åëîâå÷åñòâî”. 1981. 317 ñ.
12. Sobotka M., Su..tterlin P. Fine structure in sunspots. IV. Penumbral grains in speckle reconstructed images // A&A. 2001. V. 380. P. 714–718.
13. Borzov V.V., Vialshin G.F., Nagovitsyn Yu.A. Variations of the Field Strengths in the Sunspots of 1982 June and July Groups and 1984 June Group // Contrib. Astr. Obs. Skalnate Pleso. 1986. V. 15. P. 75–85.
14. Íàãîâèöûí Þ.À., Íàãîâèöûíà Å.Þ. Îïðåäåëåíèå òî÷íûõ ãåëèîãðàôè÷åñêèõ êîîðäèíàò íà Ãîðíîé ñòàíöèè ÃÀÎ ÀÍ ÑÑÑÐ // Ñîëí. äàííûå. 1984. ¹ 11. Ñ. 76–81.
15. Gelfreikh G.B., Shibasaki K., Nagovitsyna E.Yu., Nagovitsyn Yu.A. Analysis of quasi-periodic oscillations of position and brightness of details of the radio sources of the solar active regions based on observations made with the radio heliograph Nobeyama // Proc. of IAU Symposium ¹ 223. Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity. St. Petersburg. 2004. P. 525–528.
16. Gelfreikh G., Nagovitsyn Yu.A, Nagovitsyna E.Yu. Quasiperiodic oscillations of the radio emission of the solar plasma structures and their nature // Publ. Astron. Soc. Japan. 2006. V. 58. ¹ 1. P. 29–35.
17. Ãåëüôðåéõ Ã.Á., Íàãîâèöûí Þ.À., Íàãîâèöûíà Å.Þ., Ãîëüäâàðã Ò.Á., Ðÿáîâ Á.È. Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàòåëüíûå ïðîöåññû íàä ñîëíå÷íûìè ïÿòíàìè ïî äàííûì ðàäèîãåëèîãðàôà Íîáåÿìà // Òð. Ìåæäóíàð. êîíô. “Êëèìàòè÷åñêèå è ýêîëîãè÷åñêèå àñïåêòû ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè”. ÑÏá., 2003. Ñ. 111–116.
18. Íàãîâèöûí Þ.À. Êðóòèëüíûå êîëåáàíèÿ è ýôôåêòèâíàÿ ãëóáèíà ñîëíå÷íûõ ïÿòåí // Ïèñüìà â Àñòðîí. æóðí. 1997. Ò. 23. ¹ 11–12. Ñ. 859–862.
19. Nagovitsyn Yu.A., Vyalshin G.F. Quasi-periodic Variations of Magnetic Field Strength in Sunspots // Àñòðîí. öèðêóëÿð. 1992. ¹ 1553. Ñ. 1–2.
10. Íàãîâèöûí Þ.À., Íàãîâèöûíà Å.Þ. Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí íà âðåìåííûõ øêàëàõ äåñÿòêè ìèíóò è ñîòíè ÷àñîâ // Òð. Õ Ïóëêîâñêîé êîíô. ïî ôèçèêå Ñîëíöà “Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå ïðîöåññû íà Ñîëíöå è èõ ãåîýôôåêòèâíûå ïðîÿâëåíèÿ”. ÑÏá.: ÃÀÎ ÐÀÍ, 2006. Ñ. 73–104.
11. Thomas J.H., Cram L.E., Ney A.H. Five-minite oscillationas as a subsurface probe of sunspot structure // Nature. 1982. Ò. 297. P. 485.
12. Bogdan T.J. Sunspot oscillations: review // Solar Phys. 2000.V. 192. P. 373–394.
13. Zhukov V.I. Îï the calculation of the sunspot umbral oscillations // A&A. 2005. V. 433. P. 1127–1132.
14. Ñîëîâüåâ À.À. Ýëåìåíòàðíàÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ ìîäåëü ñîëíå÷íîãî ïÿòíà // Àñòðîíîìè÷åñêèé æóðíàë. 1984. Ò. 61. Â. 4. Ñ. 764–770.
15. Ñîëîâüåâ À.À., Íàãîâèöûí Þ.À. Äîëãîïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí // Òð. êîíô. “Ñîëíå÷íàÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
àêòèâíîñòü êàê ôàêòîð êîñìè÷åñêîé ïîãîäû”. ÑÏá., 2005. Ñ. 593–598.
16. Ñîëîâüåâ À.À. Ìîäåëü ñîëíå÷íîãî ïÿòíà ñ ãðàâèòàöèîííîé ýíåðãèåé ñâÿçè // Òð. êîíô. “Ñîëíå÷íàÿ àêòèâíîñòü êàê ôàêòîð êîñìè÷åñêîé ïîãîäû”. ÑÏá., 2005. Ñ. 577–588.
17. Ñîëîâüåâ À.À., Êèðè÷åê Å.À. Ìàãíèòíàÿ ñòðóêòóðà, ðàâíîâåñèå, óñòîé÷èâîñòü è äîëãîïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ñîëíå÷íûõ ïÿòåí // Òð. X Ïóëêîâñêîé êîíô. ïî ôèçèêå Ñîëíöà “Êâàçèïåðèîäè÷åñêèå ïðîöåññû íà Ñîëíöå è èõ ãåîýôôåêòèâíûå ïðîÿâëåíèÿ”. ÑÏá.: Ïóëêîâî, ÃÀÎ ÐÀÍ, 2006. Ñ. 49–72.
18. Parfinenko L.D. Research of sunspot oscillations. The Pulkovo CCD spectroheliograph-magnitograph // Solar Phys. 2003. V. 213. ¹ 2. P. 291–299.
19. Åôðåìîâ Â.È, Ïàðôèíåíêî Ë.Ä. Ïîëó÷åíèå ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé èç öèôðîâûõ èçîáðàæåíèé ñîëíå÷íîãî ñïåêòðà // Èçâ. ÃÀÎ. 2004. ¹ 217. Ñ. 531–535.
20. Deubner F.L. The Sun as a Star // NASA. SP-450. 1981. P. 75.
21. Âàõòîâ Â.Í. è äð. Ìèêðîôîòîìåòðè÷åñêèé êîìïëåêñ ÌÔÊ-200 // Èçâåñòèÿ ÃÀÎ. 1996. ¹ 211. Ñ. 213–220.
22. Weihr E., Kneer F. Spectroscopy of the solar photosphere with high spatial resolution // A&A. 1988. V. 195. P. 310–314.
23. Åôðåìîâ Â. È., Ïàðôèíåíêî Ë. Ä., Ñîëîâüåâ À. À. Èññëåäîâàíèå äîëãîïåðèîäè÷åñêèõ êîëåáàíèé ëó÷åâûõ ñêîðîñòåé â ïÿòíå è âáëèçè ñîëíå÷íîãî ïÿòíà íà ðàçíûõ óðîâíÿõ ôîòîñôåðû // Àñòðîí. Æóðíàë. 2007. Ò. 84. Â. 5. Ñ. 450–460.
24. Ñîëîâüåâ À.À. Êðóòèëüíûå êîëåáàíèÿ ïÿòåí// Ñîëíå÷íûå äàííûå. 1984. ¹ 1. Ñ. 73–78.
25. Zhao J., Kosovichev A. G., Duval T.L. Investigation of mass flows beneath a sunspot by time-distance helioseismology // Astrophys. J. 2001. V. 557. P. 384–388.
26. Zhao J., Kosovichev A. G. Torsional Oscillation, Meridional Flows, and Vorticity Inferred in the Upper Convection Zone of the Sun by Time-Distance Helioseismology // Astrophys. J. 2004. V. 603. P. 776–784.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
17