РАДИОАСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ

Ведущая научная школа России (2000-2002, 2003-2005 гг.). Основатель школы — д.т.н., профессор Г. Я. Смольков, Радиофизическая обсерватория Института солнечно-земной физики СО РАН (г. Иркутск).

Бурное развитие исследований по физике высокотемпературной плазмы в 1950-70 годах XX века, связанное, главным образом, с проблемой управляемого термоядерного синтеза, придало мощный импульс изучению горячей плазмы в естественных условиях. Наибольший интерес при этом представляет плазма космических объектов: именно в них реализуется все многообразие физических условий, а значит, и плазменных процессов. Из-за колоссальной удаленности этих объектов одним из немногих доступных носителей информации о происходящих в них процессах является радиоизлучение. Регистрируемое на Земле космическое радиоизлучение часто рождается в экстремальных, по земным представлениям, условиях и содержит информацию о таких плазменных процессах, воспроизведение которых в лабораторных экспериментах невозможно. Его источники многочисленны и многообразны. Это квазары, пульсары, звезды, галактики; магнитосферы Земли и других планет солнечной системы; ионизованная плазма межпланетного пространства. Детальное изучение ближайшей к нам звезды — Солнца необходимо для понимания природы других звезд. Зная механизмы генерации и распространения радиоизлучения плазмы в солнечной атмосфере и гелиосфере, можно исследовать плазменные и магнитогидродинамические (МГД) процессы в естественных пространственных, временных и энергетических масштабах.

Изучение процессов, протекающих в солнечной атмосфере, необходимо также для решения практических задач. Радиационные условия в космосе и геофизическая обстановка на планете определяются солнечными факторами, обусловливающими состояние и изменчивость «космической погоды». Работоспособность наземных коммуникаций — ЛЭП, трубопроводов, линий связи; космических аппаратов, включая безопасность пилотируемых космических и трансарктических полетов; систем спутниковой навигации, радиосвязи, драматическим образом зависит от состояния околоземной плазмы. Мощные МГД-процессы в солнечной атмосфере — вспышки и выбросы корональной массы — сопровождаются жестким рентгеновским, а иногда и гамма-излучением, потоками электронов и протонов высоких энергий, ударными волнами. Эти факторы приводят к возмущениям земной магнитосферы и ионосферы*. Своевременное и достаточное знание условий космической погоды, безусловно, необходимо и для обеспечения обороноспособности. Поэтому и разработка методов заблаговременного прогноза таких явлений — актуальная научная проблема. Их научной основой являются результаты исследований по физике Солнца и солнечно-земных связей.

Радиоизображение Солнца на полдень 27 октября 2003 г.

Несмотря на то, что в интегральном потоке энергии от Солнца радиоизлучение составляет лишь пренебрежимо малую часть**, именно оно несет ценнейшую информацию о процессах в солнечной короне — той части солнечной атмосферы, где и формируются причины возмущения межпланетной среды и околоземного космоса. Оптическое свечение короны незаметно на фоне более мощного излучения фотосферы — видимой поверхности Солнца. Лишь во время полных затмений Солнца диском Луны можно наблюдать причудливый орнамент короны вокруг лимба солнечного диска. Основным источником радиоизлучения Солнца, напротив, является солнечная корона. Радиоизлучение чувствительно к температуре и плотности плазмы, магнитному полю, наличию ускоренных электронов. Поэтому исследования солнечного радиоизлучения важны для понимания взаимодействия плазмы с магнитным полем в корональных структурах и ее нагрева, процессов накопления и высвобождения энергии, ускорения частиц. Радиоизлучение солнечной короны исключительно разнообразно. По спектру и мощности его диапазон перекрывает несколько порядков величины. Длительности радиовсплесков варьируются от нескольких миллисекунд до десятков суток. Многообразие форм различных типов излучения отражает различие физических условий в разных областях короны, собственно механизмов генерации и распространения излучения. Исследования солнечного радиоизлучения дают ключ к пониманию всего комплекса плазменных и МГД-процессов, происходящих в атмосфере Солнца, гелиосфере и в межпланетном пространстве.

Для регистрации радиоизлучения Солнца требуются приборы, обладающие рядом весьма специфических, а порой и противоречивых свойств. Поскольку атмосфера активного Солнца подвержена быстрым изменениям, прибор для изучения процессов в ней должен обеспечивать высокое временное разрешение и непрерывные наблюдения в течение всего дня. Благодаря относительно большой мощности солнечного радиоизлучения** для его приема не требуется слишком большой площади антенных систем. С другой стороны, для достижения высокого пространственного разрешения требуются антенные системы значительных линейных размеров. Это определило привлекательность радиоинтерферометров — антенных систем с незаполненной апертурой. Они обладают высоким пространственным разрешением и, в отличие от других, способны «видеть» весьма тонкие детали в солнечной короне одновременно с явлениями других пространственных масштабов.

Изучение потока, поляризации и спектра интегрального радиоизлучения Солнца в Сибири начато с 1957 г. на Иркутской магнитно-ионосферной станции (КМИС) Минсвязи РСФСР. После приема КМИС в 1959 г. в Сибирское отделение АН СССР и организации на ее базе Института по инициативе Г. Я. Смолькова был разработан проект крупнейшего радиоинтерферометра см-диапазона — Сибирского солнечного радиотелескопа (ССРТ). Он предназначался для исследований в 1970-х гг. структуры и эволюции наиболее мощных проявлений солнечной активности — активных областей и вспышек в короне на фоне солнечного диска и за его лимбом с угловым разрешением, на порядок превышающим разрешение существовавших радиогелиографов. Модернизации 1990-х гг. существенно увеличили информационный потенциал ССРТ, позволив одновременно регистрировать и спокойное Солнце, и проявления солнечной активности всех пространственных, временных и энергетических масштабов вплоть до тонкой временной структуры вспышечных процессов с рекордным временным разрешением 14 мс. Рабочая длина волны ССРТ 5,2 см выбрана в диапазоне, где активные области имеют максимальный контраст. Требуемое разрешение 15-20" достигнуто благодаря использованию в радиоинтерферометре двух 128-элементных эквидистантных антенных решеток длиной 622,3 м. Диаметр параболических зеркал 2,5 м и их шаг 4,9 м выбраны из условий компромисса по чувствительности, полю зрения и устранению перекрытия интерференционных максимумов. Радиоизображение Солнца формируется сканированием по высоте, используя зависимость ориентации веерной диаграммы направленности от частоты, и по часовому углу — за счет суточного вращения Земли. Пересечение Солнцем интерференционных максимумов на его пути по небосводу позволяет получать в течение дня более 100 пар его радиоизображений в интенсивности и круговой поляризации радиоизлучения. ССРТ наблюдает Солнце ежедневно, в любую погоду, от восхода и до захода. Архив его данных охватывает уже два солнечных цикла. За разработку и сооружение ССРТ авторский коллектив во главе с Г.Я.Смольковым удостоен Премии Правительства РФ в области науки и техники. ССРТ включен в федеральный перечень «Уникальные стенды и установки России». ССРТ — один из трех крупнейших радиогелиографов мира, наряду с радиогелиографами Нансэ во Франции (1957-61 гг.) и Нобеяма в Японии (1992 г.).

Опыт и научные результаты коллектива, опубликованные в ведущих отечественных и международных изданиях, используются в научных организациях России, Японии (в т.ч. при разработке и сооружении радиогелиографа Нобеяма после успешной фазовой настройки антенных решеток ССРТ), Европы, Китая, США. Наряду с работой с аспирантами и стажерами, обсерватория стала базой для специализации студентов Иркутских (ИГУ, ИрГТУ) и Бурятского (БГУ) университетов. Многие члены школы преподают в этих вузах. Научная школа, сложившаяся за многие десятилетия совместной творческой и созидательной деятельности исследователей различного возраста и квалификации, последовательности ряда поколений, получила признание в астрофизическом сообществе России, международных научных организациях. Признанием научного лидера и ведущих членов школы являются поддержка их работ отечественными и международными научными фондами, публикация их в авторитетных российских и международных изданиях, работа членов школы при выполнении совместных исследований в ведущих обсерваториях Европы, Японии, США, Китая, Бразилии; проведение на базе института международных научных конференций, традиционных Байкальских молодежных научных школ по фундаментальной физике.

Среди важнейших результатов последних лет — новые методы регистрации и анализа больших массивов экспериментальных данных (Grechnev V.V. A method to analyze imaging radio data on solar flares. Solar Physics, 2003, 213 (1), 103-110), позволившие детально исследовать развитие вспышечных процессов, их тонкую временную структуру, включая первичное энерговыделение. Наблюдения дрейфующих микроволновых всплесков миллисекундной длительности с пространственным разрешением позволили впервые определить независимо как скорость движения источника излучения по вспышечной петле, так и градиент плотности плазмы на пути его движения (Altyntsev A.T., Grechnev V. V., Meshalkina N. S., Sych R. A., Yan Yihua. A flare of 23 September 1998: relation between temporal and spatial structures. Solar Physics, 2002, v. 206, 21, 155-176). Показано, что энерговыделение и ускорение частиц в солнечных вспышках локализованы в областях пересечения замкнутых магнитных петель (Grechnev V.V., Nakajima H. An impulsive solar flare accompanied by a cusplike structure in soft X-rays. Astrophysical Journal, 2002, 566(1), 539-554). Детально прослежен последовательный процесс и предложена модель активизации волокна-развития выброса корональной массы-вспышки в короне на фоне солнечного диска (Uralov A.M., Lesovoi S. V., Zandanov V. G., Grechnev V. V. Dual-filament Initiation of a Coronal Mass Ejection: Observations and Model. Solar Physics, 2002, 208, 69-90). Впервые обнаружены и исследованы пространственные колебания магнитных структур в короне с амплитудой до 5" (Гельфрейх Г.Б., Рябов Б. И., Петерова Н. Г., Агалаков Б. В., Борисевич Т. П. Анализ квазипоперечного распространения радиоизлучения для исследования колебаний коронального магнитного поля. Труды Конференции стран СНГ и Прибалтики «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности», 2-7.06.2003 г., Н. Новгород, 328-331). Выделены новые признаки подготовки мощных вспышек и разработан способ их прогноза, существенно дополняющий методы, основанные на оптических наблюдениях (Smolkov G. Ya., Maksimov V. P., Uralov A. M. Microwave signatures of solar flare buildup. Adv. Space Res., 2000, Vol.26, #1,193-196). Выполняется оригинальный непрерывный мониторинг восстановления магнитного поля в короне Солнца по магнитограммам высокого пространственного разрешения с временным разрешением до экспозиции магнитограмм (Rudenko G. V. Extrapolation of the solar magnetic field within the potential-field approximation from full-disk magnetograms // Solar Phys. 2001, V.198, 5-14, www.bdm.iszf.irk.ru). Определены условия, при которых пучки электронов могут распространяться в солнечной короне без существенных потерь энергии на возбуждение плазменной турбулентности (Леденев В.Г., Старыгин А. П. О квазилинейной релаксации электронного потока малой плотности в плазме. Физика плазмы, 2003, т.29, № 4, 329-335). До сих пор важным вопросом является исследование спектра высокочастотных волн горячей магнитоактивной плазмы. Показано, что учет конечной температуры плазмы для условий короны приводит к существенному отличию спектров излучения от случая с холодной магнитоактивной плазмой, обычно используемого для интерпретации. (Леденев В.Г., Тирский В. В. Спектры высокочастотных волн горячей магнитоактивной плазмы. Физика плазмы, 2003). Эти направления исследований крайне необходимы для понимания природы солнечных событий, степени и характера их геоэффективности, дальнейшего развития физики космической плазмы. Исследования выполняются на передовом уровне совместно с ведущими обсерваториями мира. В обсерватории создана и успешно развивается отечественная радиогелиография. С целью углубления диагностики изучаемых процессов проработаны решения, необходимые для реконструкции ССРТ по плану развития отечественной астрономии в многоволновый радиогелиограф — инструмент нового поколения. Отметим, что аналогичный проект (FASR) принят к реализации в США.

*) Например, последствия ряда мощных вспышек и выбросов корональной массы, имевших место в конце октября 2003 г.: продолжительные геомагнитные бури 29, 30 и 31 октября и первой декаде ноября превзошли по мощности все большие магнитные бури космической эры (с 1960 г.); аварийные ситуации в энергосистемах Швеции и штатов Висконсин и Нью-Йорк (США); космонавты на МКС вынуждены были перейти в служебный модуль для защиты от радиации; отмена полярных маршрутов из-за плохой ВЧ/УВЧ связи; вынужденные изменения маршрутов других авиарейсов из-за повышенных доз облучения авиапассажиров на высотах более 8 тыс. м; сбои в работе приемников GPS; нарушения и сбои радиосвязи; отказы и выход из строя ряда систем многих спутников, вплоть до полной их потери.

**) Поток радиоизлучения Солнца измеряется в солнечных единицах потока, равных 10^-22 вт м^-2 Гц^-1 и превосходящих в 10000 раз единицу потока, используемую при измерении интенсивности радиоизлучения других космических объектов 1 ян = 10^-26 вт м^-2 Гц^-1. При эффективной площади антенной системы ССРТ порядка 600 м² и полосе частот канала приемника 500 КГц регистрируется поток порядка 3×10^-14 вт. Для сравнения: чувствительность глаза в темноте порядка 1 ян, попадающая в него мощность света может составить 2,5×10^-17 вт. ССРТ чувствительнее глаза в 1000 раз (в своем диапазоне).