Внеатмосферные исследования Солнца,

выполненные в Крымской астрофизической обсерватории

за период 1959-1998 г.

Главный научный сотрудник НИИ «КрАО»,

доктор физ.-мат. наук  А.В. Брунс

 

            Исследования,  проводимые  с  помощью   наземных   астрофизических средств, относятся в основном к нижним слоям солнечной атмосферы,  в  то время как для понимания физики протекающих процессов необходимо  знание условий по всей ее толще. Сведения о верхней  хромосфере  и  переходной области  между  хромосферой и короной может дать  изучение ультрафиолетового излучения, образующегося  в  этой  области  солнечной атмосферы.  В  ультрафиолетовой  (УФ)  области  спектра   располагается лаймановский водородный континуум, а также резонансные линии  водорода, многократно ионизированных атомов углерода, азота,  кислорода,  магния, кремния и т.д., способные  дать  важные  сведения  о  числе  атомов  в основном квантовом состоянии, об электронной плотности и температуре, а также степени ионизации солнечной плазмы. Все эти данные могли быть получены только при вынесении исследовательской  аппаратуры  за пределы земной атмосферы,  которая поглощает все коротковолновое излучение Солнца.

            Такая возможность появилась после запуска первого искусственного спутника. В дальнейшем, по мере развития космической техники,  возможности внеатмосферных исследований постепенно расширялись. В Советском Союзе первыми из ученых, занявшихся исследованиями УФ спектра Солнца были С.Л. Мандельштам (Физический Институт АН им. Вавилова), В.Г. Курт (Государственный Астрономический Институт им. Штенберга) и А.И. Ефремов (Государственный Оптический Институт им. Лебедева). В Крымской Астрофизической Обсерватории внеатмосферные исследования  были начаты А.Б. Северным и В.К.Прокофьевым.

            Первым прибором, разработанным и созданным в КрАО для внеатмосферных наблюдений Солнца в (УФ) области спектра, был коротковолновый дифракционный спектрометр КДС.  В качестве диспергирующего элемента спектрографа использовалась  вогнутая дифракционная решетка, примененная в установке Роуланда. Прибор был снабжен автономной системой астроориентации на Солнце, которая с помощью плоского поворотного зеркала посылала свет на неподвижную входную щель спектрометра. Сканирование спектра осуществлялось движением по кругу Роуланда  выходной щели спектрометра, пропускавшей свет на расположенный за ней фотоприемник. В качестве фотоприемника использовался вторичный электронный умножитель -  открытого типа, использовавший при работе вакуум космоса (разработанный в ГОИ).

            Первый вариант прибора запущен в декабре 1960 года на "3-м корабле-спутнике". Был зарегистрирован спектр Солнца в узкой спектральной области 303-305 В, в линии  He II  304 В.  [1],[2].  Продолжены исследования Солнца в далеком ультрафиолете были в 1967 году на ИСЗ "Космос-166". В приборе КДС-2 был модернизирован спектрограф: регистрировалось излучение Солнца в диапазоне 900-1100 В. Была также разработана новая система ориентации. В результате исследований удалось выявить переменность УФ-излучения во время солнечных вспышек [3].

            В 1974 году на спутнике "Интеркосмос-16" был получен первый опыт КрАО по международной кооперации [4]. Совместно с учеными  Швеции был осуществлен космический проект: измерения резонансного рассеяния света в солнечной короне, с помощью совместно разработанного спектрометра-поляриметра.

            Внеатмосферные эксперименты с небольшими приборами позволили получить и изучить спектр от  всего Солнца в УФ области спектра, что дало определенное представление о  строении солнечной атмосферы. Одновременно исследования показали, что все УФ излучение сосредоточено в небольших по площади активных областях. Оставался нерешенным целый ряд фундаментальных проблем. Сложности возникли при попытках понять связь фотосферных и хромосферных явлений, в частности, роль магнитного поля и активных образований в переносе энергии и массы. Несмотря на относительно малые размеры, именно в активных образованиях может осуществляться основной процесс переноса. Необходимо было  изучение отдельных конкретных образований на его поверхности. Это возможно только с помощью вынесенного за атмосферу телескопа,  управляемого человеком.

            В плане решения этой задачи,  в КрАО был разработан и изготовлен инструментальный комплекс - Орбитальный Солнечный телескоп (ОСТ-1) [5]. Он был установлен на пилотируемые станции "Салют" в 1975 году были получены ультрафиолетовые спектры солнечных вспышек и других образований. Астрофизические  наблюдения  проводились двумя экспедициями космонавтов, прошедших специальную подготовку в КрАО.  В  первой  работали  Г.М. Гречко  и А.М. Губарев, во второй - В.И. Севастьянов и П.И. Климук. В результате эксперимента получено свыше 600 ультрафиолетовых спектров активных образований на Солнце и около двух тысяч его изображений; отождествлено более 100 эмиссионных линий в области спектра 970 - 1400 В. [6].

            Обработка спектров дала много новых сведений о физических условиях в различных активных образованиях на уровне верхней хромосферы и переходной области от хромосферы к короне.

            Высокое качество полученных спектров, в частности, стигматичность, позволило обнаружить, что тонкая структура распределения интенсивности и направленность движений солнечной плазмы, наблюдавшаяся наземными телескопами в нижней хромосфере, в зоне вспышек прослеживается также в верхней хромосфере и переходной области между хромосферой и короной. Доплеровские сдвиги спектральных линий для зон флоккулов с разной полярностью показали, что эти зоны замкнуты между собой петлеобразными структурами, распространяющимися в верхней хромосфере и переходной области к короне. По этим петлям происходит перетекание плазмы из одной активной области в другую. Скорости направленных движений в петлях, определенные на основании измерений величин смещения спектральных линий, достигают 100 км/с. Это значение в 10 раз выше, чем скорость движения плазмы, регистрируемая по наземным наблюдениям для фотосферы и нижней хромосферы.

            Измеренная в эксперименте величина отношения  интенсивности  линий СШ 117,5 нм  и   СШ 97,7 нм  составляют для слабых вспышек ~ 0,8, для флоккулов в  области  поднимающейся  плазмы ~ 0,9, а в области опускающейся  плазмы  ~  0,6.   Проведенный   на основании этих измерений расчет показал, что для соответствующих высот солнечной атмосферы (Т~ 55.103K) во всех указанных активных образованиях электронная концентрация ne >10 12 см-3 [7].

            Водородные линии лаймановской серии имеют протяженные крылья   ( до 2 нм для L a). Зарегистрирована избыточная яркость красного крыла по сравнению с синим. Расчеты, проведенные на основе зарегистрированных контуров спектральных линий La  и Lb, позволили сделать вывод, что в зоне образования, крылья  линий во флоккулах и слабых вспышках расширены главным образом за счет штарк-эффекта, электронная концентрация в них составляет    ne = 2. 1013  см-3, а кинетическая температура Т = 15 .103К  при числе атомов в основном состоянии  N1=4 . 10 20  см-2  [8].  

            Разработка комплекса сопровождалась значительными достижениями в создании новой техники астрофизических  исследований. Был создан принципиально новый астрофизический инструментльный комплекс - Орбитальный солнечный телескоп. Одной из отличительных особенностей его устройства являлось отсутствие собственной единой несущей конструкции. Его оптические элементы были сгруппированы определенным образом в 5-и  блоках, неподвижно располагаемых на поверхности станции таким образом, что образовывали полную оптическую схему телескопа. Наведение на Солнце осуществлялось плоским зеркалом, установленным в карданном подвесе. Такая конструкция во много раз уменьшила вес комплекса и позволила решить ряд других проблем. Так, например, расположение спектрографа неподвижно на внешней поверхности  станции, позволило камерную часть спектрографа выполнить в виде шлюзовой камеры и обеспечить возможность многократной перезарядки кассет  космонавтами непосредственно из кабины, без выхода в открытый космос.

            Был решен большой круг вопросов, имеющих самостоятельное практическое значение.  К ним относится создание новых оптических схем спектральных приборов для области вакуумного УФ, обладающих при двойной монохроматизации высокой стигматичностью изображения спектра и низким уровнем рассеянного света, нахождение общих закономерностей в распределении эффективности по поверхности вогнутых дифракционных решеток 

            Телескоп имел высокоточную автономную от станции систему ориентации, позволявшую при ручном управлении наведением на любую точку поверхности Солнца, автоматически поддерживать  выбранное  направление.  По  результатам работы реальная ошибка удержания не превышала 1-1,5 сек. дуги.

            Большое значение для будущих внеатмосферных оптических экспериментов может иметь предложенный и впервые реализованный на комплексе ОСТ-1 технологический эксперимент - нанесение в условиях космического вакуума новых отражающих покрытий на зеркала, непосредственно во время их эксплуатации за пределами земной атмосферы. Обработка наблюдений показала хорошее качество покрытий.

            Работы явились важным этапом в развитии внеатмосферных астрономических исследований:  освоен новый спектральный диапазон - далекий  ультрафиолет, включая  вакуумный. Накоплен большой опыт по созданию крупных космических аппаратов и по использованию промышленной космической техники. Полученные с помощью орбитального комплекса ОСТ-1 УФ спектры позволили объективно оценить физические условия, существующие на Солнце в различных образованиях на уровне верхней хромосферы и переходной зоны между хромосферой и короной. Они явились основой для теоретических исследований ряда авторов. Полученный материал  представляет практическую ценность для разработки методов оперативного и долгосрочного прогнозирования и определения радиационной обстановки в атмосфере и околоземном космическом пространстве  [9,10].

            Дальнейшие исспедования в КрАО были  посвящены изучению внутреннего строения  Солнца, недоступного для прямых наблюдений.  С  целью “заглянуть” в солнечные глубины были использованы сейсмические  методы,  в какой-то мере сходные с геосейсмологическими  исследованиями  строения  Земли.  Метод основывается на  том, что  Солнце, как всякая механическая система, обладает  резонансными свойствами и определяемые его внутренним строением. Происходящие на Солнце  различные энергетические процессы,  имеют  широкий спектр шумов,  из которого резонансной системой Солнца выделяются отдельные  частоты колебаний- моды, охватывающие всю толщу Солнца. Измерения характеристик  солнечных мод дает информацию теоретикам  для  создания  модели его внутреннего строения.

            Первый внеатмосферный гелиосейсмологический эксперимент КрАО ( совместно с французскими и швейцарскими учеными) - “ИФИР” был выполнен на двух межпланетных станциях  ФОБОС [11,12,13]. Приборы - прецизионные фотометры - работали на пролетной части траектории станций на пути к Марсу. Уникальность эксперимента состояла в том, что он проводился на большом удалении от Земли, что исключало "земные" помехи, и позволяло практически непрерывно в течении 180 дней проводить измерения флуктуаций солнечного излучения, составляющие миллионные доли от его среднего уровня. Полученные данные позволили рассчитать параметры глобальных колебаний Солнца с наилучшей на сегодняшний день точностью [14],[15], а также выявить особенности изменения параметров колебаний со временем [16],[17].

Продолжение исследований солнечных осцилляций яркости входило в программу исследований проекта МАРС-96 - эксперимент СОЯ [18].

            В настоящее время предполагается продолжение исследований на Украинском модуле международной  орбитальной  станции. Разработанный на более высоком экспериментальном уровне прибор позволит получить дополнительную информацию о модах солнечных осцилляций, а, следовательно, о внутреннем строении Солнца. Кроме того, повторение измерений в течении ряда лет позволит проследить изменение характера осцилляций с 11- летним циклом солнечной активности и определить наличие и величину вариаций его параметров.

 

 

 

Литература.

            1. А.В.Брунс, В.К.Прокофьев,  Искусственные спутники Земли, N 11, 1961 г.

            2. A.V.Bruns, V.K.Prokof‘ev   Planetary and   Space Sci.   7. 1963.

            3.  A.V.Bruns, V.K.Prokof’ev  A.B.Severni  Ultraviolet Stelar Spectra and Ground - Based observations, I.A.U. Simposium, N 36,Luntran, The Netherlands, 1969, 24-27 June.

            4. J.O.Stenflo, A.V.Bruns,  D.Dravins, N.Wihlborg, V.K.Prokof’ev, I.A.Zhitnik, H.Biverot, L.Stenmark. Solar Physics, 1980. vol 66.  N 1,   pp. 13-20 .

            5. А.В.Брунс,  Изв. Кр.АО АН СССР   т. 59 , 1979 г.  сc 31-56 

            6. А.В.Брунс, Г.М.Гречко, А.А.Губарев, П.И.Климук, В.И.Севастьянов, А.Б.Северный, Н.В.Стешенко Сб. "Внеатмосферные исследования активных областей на Солнце". Труды УIII Консультативного совещаний Академий наук соц. стран по физике Солнца, сс. 12-15. Издательство "Наука", Москва 1976 г.

            7. А.В.Брунс, Г.М.Гречко, А.А.Губарев, П.И.Климук, В.И.Севастьянов, А.Б.Северный, Н.В.Стешенко  Изв. Кр.АО АН СССР  т.59 , 1979 г.  сс. 3-31 

            8. A.V.Bruns,  A.A.Gubarev, G.M.Grechko, A.B.Severny,  N.V.Stechenko.  Space Research, Akademie Verland, Berlin, 1976,  vol 16.

            9. A.V.Bruns, A.A.Gubarev, G.M.Grechko, P.I.Klimuk, V.I.Sevastyanov, A.B.Severny, N.V.Stechenko. Space Research, Pergamon Press, Oxford and New York, 1977,  vol.17.

            10. A.V.Bruns, A.A.Gubarev, G.M.Grechko, P.I.Klimuk, V.I.Sevastyanov, A.B.Severny, N.V.Stechenko. Energy balance and hydrodynamics of the Solar chromosphere  and  corona,  IAU  Colloquium N36,  Nice, France, Sept. 1976, pp.333-372.

            11. C.Frohlich,  A.V.Bruns, R.M.Bonnet, J.P.Delaboudiniere, V.Domingo, V.A.Kotov,  D.N.Rachkovsky, T.Toutain, CH.Wehrli.  Proc. Symp. Seismology of the Sun and Sun-likstars, 1988, pp 359-362 

            12. C.Frohlich, A.V.Bruns, R.M.Bonnet,  J.P.Delaboudiniere, V.Domingo, T.Toutain T., Wehrli CH.  Inside the Sun, IAU Collocuium N 121, pp. 279-288.

            13. A.V. Bruns, Shumko S.M.,  Planet. Sci. 1991,  Vol.39,  No.1/2,  pp.41-46, 

            14. A.V.Bruns, Solar Physics t.133 1991, pp. 89-94

            15. А.В. Брунс, К. Фрелих, Р.Бонне, Ж.П.Делабудиниер, С.Шумко, Письма в АЖ, т.16, cс.330-342, 1990 г.

            16. А.В.Брунс, С.Шумко. Известия Кр.АО, т.85 с.20-27, 1992 г.

            17. А.В.Брунс, С.Шумко. Астроном. журн.  т.67. cc 829-836, 1990 г.

            18. А.В. Брунс. Космiчна нука 1 технологiя, 1996. Т. 2. № 3-4. с. 18 - 23.           

 

 

новости | о лаборатории | наблюдения | телескопы | сотрудники | конференции | публикации | ссылки

Лаборатория Физики Солнца, ФГБУН КРАО РАН, 298409, пгт. Научный, Республика Крым, Россия
факс: +7 (36554) 71004

Заведующая Лабораторией Физики Солнца - к.ф.-м.н. Абраменко Валентина Изосимовна