Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
Наблюдения отдельных слоев атмосферы Солнца

  

 

 

     Ежедневно в интернете в реальном времени публикуется комплекс данных о самом Солнце и о его влиянии на Землю.

     В этот обширный комплекс входят также магнитограммы, доплерограммы и изображения слоев солнечной атмосферы, расположенных на различной глубине, с имеющимися в них протуберанцами, вспышками и другими активными образованиями. Почему наружные слои атмосферы Солнца не препятствуют получению информации о более глубоких слоях?

 

 

 

   Известно, что в атмосфере Солнца температура возрастает с высотой от 5700 до 1-2 миллионов градусов. Из-за повышения температуры в спектрах выше расположенных слоев появляются линии, требующие все больших потенциалов возбуждения: в фотосфере -  всего несколько электрон-вольт, в хромосфере – десятки эВ, а в короне – сотни эВ.

   Например, в спектре короны имеются линии FeXXIII  Fе Х111 (325эВ),NiXVI (455эВ), CaXV (814эВ). Таких линий не может быть в спектрах ни хромосферы,  ни фотосферы, поэтому монохроматическое изображеие Солнца в длине волны такой линии может принадлежать только короне. Хромосферу изучают, например, в длине волны линии гелия, наблюдая весь диск и отдельные спикулы, протуберанцы, поднимающиеся в корону, и другие детали.

   Диск фотосферы можно наблюдать в интегральном свете, в отдельных интервалах непрерывного спектра или детально исследуя пятна и факелы. На фотографиях представлены разные слои Солнца в условных цветах.

 

Корона

Хромосфера

Фотосфера

   Идея получать изображения слоев атмосферы Солнца на различной глубине возникла давно. Были изобретены спектрогелиографы, позволяющие получать изображение всего диска Солнца в определенной длине волны. Для этого щель монохроматора сканировала изображение Солнца, даваемое солнечным телескопом.

   «В настоящее время широкое распространение в спектроскопии, астрофизике и лазерной технике имеют интерференционно-поляризационные светофильтры ИПФ. Эти спектрально-селективные устройства с перестраиваемой длиной волны пропускания имеют ряд преимуществ перед такими диспергирующими устройствами, как призмы и дифракционные рещетки. Они имеют и другой принцип действия. Для построения ИПФ используется явление интерференции поляризованных лучей. Такие фильтры могут иметь широкую или узкую полосы пропускания (до тысячных долей нанометра)». На рисунке показана схема одного из ИПФ, используемого для изучения хромосферы.

   При такой узкой полосе пропускания длин волн можно получать изображения более тонких слоев  атмосферы, пропуская через фильтр излучение  отдельно в центре спектральной линии, или в ее крыльях. По деталям  спектральной линии оцениваются температура, плотность и другие параметры.

   Узкая полоса пропускания длин волн  и высокое угловое разрешение дают возможность получать радиальные скорости вещества в любой точке диска Солнца – доплерограммы. Центр линии фиксируется с точностью 0.001А, для этого необходимо, чтобы термостат удерживал заданную температуру с точностью 0.003 град. Для получения доплерограмм сравнивают интенсивность излучения в коротковолновом и длиноволновом крыле одной и той же линии.

  Для получения магнитогелиограмм используется эффект Зеемана. Расщепление спекральной линии на 3 или 2 компонента и их поляризация происходят в зависимости от угла между лучем зрения и направлением магнитного поля. Если эти два направления совпадают, спектральная линия разделяется на два компонента, поляризованные по кругу в противоположных направлениях. При наблюдениях в крыльях линии оценивается степень и вид поляризации компонентов, направление и напряженность магнитного поля в каждой точке солнечного диска.

   Доплерограммы  и магнитограммы можно получать на любом уровне атмосферы, но предчтительнее на длинах волн Фе 6768А и Фе1 6173А фотосферы, так как процессы в фотосфере  задают условия в вышележащих слоях.

   Наблюдения в ультрафиолете и рентгене  производятся на космических солнечных обсерваториях. В России была запущена серия таких аппаратов – КОРОНАС  (1994-2009). В ее создании участвовали  Институт космических исследованиий РАН, Институт фундаментальной физики РАН, ФИАН, МИФИ и др. Институт физики микроструктур изготовил ИПФ фильтры для наблюдений крайне коротковолнового диапазона  FeXXIII (132A) MgXII (8.4А).

   В настоящее время действуют солнечные космические обсерватории: SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), SDO (Solar Dynamics Observatory), спутники А и В STEREO (Solar Terrestrial Relations Observatory). 

   Основные задачи – изучение  физических характеристик, морфологии и динамики короны и хромосферы, корональных выбросов, вспышек и протуберанцев путем исследования этих объектов в  ультрафиолете и рентгене. Эти обсерватории могут обеспечить угловое разрешение – 1-2 секунды, временное разрешение – 0.75-1 секунды, спектральное – 0.01-0.001А при одновременных наблюдениях в нескольких длинах волн.

   Большие наземные солнечные телескопы горизонтальные, башенные, наклонные с деформируемыми зеркалами адаптивной оптики, интерференционно-поляризационными фильтрами, современными приемниками информации достигли получения избражения диска Солнца диаметром почти в метр с разрешающей способностью 0.1- 0.2 сек. дуги при фокусном расстоянии 82.6 метров.

   В России основным государственным учреждением по изучению Солнца является ИСЗФ СО РАН  - Институт солнечно-земной физики Сибирского отдерения Российской академии наук. На южном берегу озера Байкал установлен телескоп БСВТ (большой солнечный вакуумный телескоп).

    «БСВТ является зеркально-линзовой системой. Слежение за Солнцем осуществляется полярным гелиостатом с плоским зеркалом диаметром 1 м. Гелиостат установлен на вертикальной колонне с ветровой защитой высотой 25 м. Он направляет свет вдоль полярной оси (широта 52 град.) на двухлинзовый объектив диаметром 760 мм и фокусным расстоянием 40 м, расположенный в вакуумной трубе наклонной колонны. Труба телескопа герметизирована с торцов двумя оптическими иллюминаторами. Телескоп служит для исследования хромосферы и фотосферы и в первую очредь – активных образований на этих уровнях атмосферы, например, в  лучах водорода На 6563А и гелия Не10830А.»

   В России Солнце также наблюдают  на башенном телескопе Крымской, астрофизической обсерватории, на высокогорной станции в Кисловодске, в Пулковской обсерватории, обсерватории Казанского университета на Памире и других.

   Радиоизлучение спокойного и активного Солнца, способы его наблюдения, радиотелескопы – большая отдельная тема, так как «Современная концепция локального источника радиоизлучения, или активной области, представляет собой многокомпонентную трехмерную плазменную структуру, излучающую с разных высот и из разных своих частей в силу разных механизмов, как теплового, так и нетеплового происхождения».